LCD原理與構造概論

液晶顯示器原理與構造概論
液晶顯示器（Liquid Cyrstal Display；簡稱LCD）是屬於光電產品中平面顯示器的一種，擁有體積小、質量輕、厚度薄、耗電低、不閃爍、沒輻射等眾多優點，是目前顯示器領域中最被矚目的明星。
一、液晶的起源
提起「液晶」不禁讓人想到，「液」是液態的意思，「晶」是固體的意思，那麼「液晶」是固體還是液體呢？答案為都是。為什麼呢？因為一般來講物質有固態、液態和氣態共三態，但是液晶卻介於固態和液態之間，同時擁有固態晶體的光學特性和液體的流動特性，所以可以說液晶是具有中間相的物質。
液晶的起源是在1888年時，由奧地利植物學家萊尼茲發現了一種特殊的混合物質，此一物質在常態下是處於固態和液態之間，不僅如此，其還兼具固態物質和液態物質的雙重特性。在那個年代並沒有對於此物質的適當稱呼，因此就稱之為Liquid Crystal（顧名思義就是液態的晶體）。而液晶的組成物質是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構成的化合物。
後來在1963年時，美國RCA公司的威廉發現了液晶會受到電器的影響而產生偏轉的現象，也發現光線射入到液晶中會產生折射。所以就在1968年，也就是威廉發現光會因液晶產生折射後的5年，RCA的Heil震盪器開發部門發表了全球首台利用液晶特性來顯示畫面的螢幕。所以到了1968年，萊尼茲發現液晶物質後整整80年後，「液晶」和「顯示器」兩個專有名詞才連結在一起，「液晶顯示器（LCD）」成為後來大家朗朗上口的專業名詞。
當然，1968年所發表的液晶顯示器就如同大多數新發明的科技一樣，新科技的首次發表並未象徵能立即量產出貨，距離實際應用在日常生活還有一段路要走。再經過5年的光陰，到了1973年時一位英國大學教授葛雷先生發現了可以利用聯苯來製作液晶，聯苯所製作的液晶顯示器十分安定，解決了以往所使用的液晶材料較不穩定的問題，因此造就了在1976年時有關於液晶顯示器的產品正式量產出貨，此產品為日本SHARP的以液晶做為螢幕的EL-8025電子計算機。從此以後，開啟了液晶多方面的應用，也逐漸促成LCD產業的興起。
二、液晶運用在顯示器上的原理
一般來講液晶運用在顯示器上，主要靠液晶的電光效應和偏光的特性。偏光的涵義是指光波只會在一個平面上震動，主要是靠偏光濾光器（濾光器是由兩塊互相成為90度的單一濾光鏡片構成）。而LCD是以兩塊玻璃片中填滿液晶材料所構成，由於液晶擁有黏性（viscosity）、彈性（elasticity）和極化性(polarizalility)的性質，因此當電極通過就會改變偏光的特性。為了使LCD能顯示影像，在LCD的兩塊玻璃片中間的頂部和底部排列互相成為90度的導體，每一個交叉點就是一個單元，透過訊號輸入至每一單位，因此就能控制影像的顯示。
三、液晶顯示器的分類
目前液晶顯示器可分成三大種類，分別是扭轉向列型（Twisted Nematic；簡稱TN）、超扭轉向列型（Super Twisted Nematic簡稱STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors；簡稱TFT）。
（一）TN-LCD
TN是繼DSM型的液晶材料後，所發展的新液晶材料，TN-LCD的最大特點就如同其名稱「扭轉向列」一般，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋狀。TN-LCD的出現奠定了現今LCD發展的主要方式，但是由於TN-LCD具有兩個重大缺點，那就是無法呈現黑、白兩色以外色調，以及當液晶顯示器越做越大時其對比會越來越差，使得各種新的技術陸續出現。
（二）STN-LCD
STN-LCD的出現是為了改善TN-LCD對比不佳的問題，最大差別點在於液晶分子扭轉角度不同以及在玻璃基板的配合層有預傾角度，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋狀。但是，STN-LCD雖然改善了TN-LCD的對比問題，其顏色的表現依然無法獲得較好的解決，STN-LCD的顏色除了黑、白兩個色調外，就只有橘色和黃綠色等少數顏色，對於色彩的表達仍然無法達到全彩的要求，因此仍然不是一個完善的解決方式。
（三）TFT-LCD
為了改善對於色彩的要求，又發明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）兩種新技術。TSTN和FSTN的基本構造原理與STN相同，差別在於TSTN在兩片玻璃上加上兩片色補償用薄膜，而FSTN則是加上一片色補償用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的優點，完全改善TN的比對問題和STN的色彩問題。但可惜的是，TSTN和FSTN卻有液晶分子的反應較慢的問題，在放映數量較大的資料時，會造成無法負荷的缺點，因此也不是完善的解決方式。
因此，為了解決此問題，接下來液晶顯示器的研發方向，焦點放在驅動方式的改良。從最早的靜態驅動方式、接下來的動態驅動方式、單純Matrix驅動方式到Active Matrix驅動方式，發展出許多驅動方式。而其中以Active Matrix驅動方式和目前液晶顯示器的發展關係最大，Active Matrix驅動方式的中文名稱為主動矩陣型驅動方式，這種驅動方式是在原本配置畫素的電極交叉處加上一個Active素子，產生了嶄新的點制御模式。
而主動矩陣型的驅動方式中又可分為兩種方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用兩邊金屬中間夾絕緣層做為簡單的Active素子；另一就是大家耳熟能詳的TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置畫素的電極交叉處，再加上一個對向電極，並且在此三個電極的交叉處放置薄膜狀的Active素子。
從TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶顯示器在對比度、解析度和色彩等方面越做越好，產品也越來越普及。而在這三大類的液晶顯示器中，是以TFT-LCD的市場最大，原因是筆記型電腦的熱賣和TFT-LCD顯示器銷售量越來越好的帶動，不僅如此，TFT-LCD還有日漸取代傳統陰極射線管（Cathode Ray Tube；簡稱CRT）螢幕的趨勢，是最有可能登上顯示器霸主寶座的明日之星。
四、液晶顯示器的構造
液晶顯示器的構造，以TFT-LCD來講，關鍵零組件包括玻璃基板、彩色濾光片、偏光片、驅動IC、液晶材料、配向膜、背光模組、ITO導電薄膜，還有其他Cell製程要用到的材料及化學用品等。
而在主要構造的用途方面，接下來以主動矩陣驅動方式的液晶顯示器來說明，首先由背光源的光線照在偏光板上，光線在穿過偏光板後，會被偏極化（也就是偏極化後每一個光線的分子，在能量、相位、頻率和方向上的特性都會相同。），偏極化的光線會穿過液晶，因為液晶分子的排列方式被電極產生的電壓影響，因此液晶可以改變偏極化光線的偏光角度，不同的偏光角度造成出來的光線強度會不同，不同強度的光線再經由彩色濾光片的紅、藍、綠三個畫素，就會顯示出各種不同的亮度和不同顏色的畫素，最後再經由各個畫素就可以組成肉眼看得到的各種影像和圖形。
五、液晶顯示器的優點和缺點
和傳統的陰極射線管顯示器相比，液晶顯示器具有許多優點，首先在重量和體積方面，液晶顯示器不管是在重量、體積和厚度上，都比陰極射線管顯示器來得短小輕薄，因此在攜帶性和使用便利性上，液晶顯示器都較傳統陰極射線管顯示器優良許多。接下來是在耗電方面，由於陰極射線管顯示器是利用電子束打在塗滿磷化物 (phosphor) 的弧形玻璃上，後端使用陰極線圈放出負電壓，驅動電子槍將電子放射在弧形玻璃上發出光亮形成影像，所以比較起來液晶顯示器較為省電。
至於在螢幕本體的比較，液晶顯示器和陰極射線管顯示器的優劣參半，液晶顯示器在螢幕弧度和螢幕閃爍度方面都比陰極射線管顯示器來得好，但是在廣視角技術和尺寸大小方面，反而是陰極射線管顯示器比液晶顯示器好，因為在製作液晶顯示器時，超過30吋以上會因為玻璃基板材質的問題，造成玻璃重量使面板變形，因此目前無法做超過30吋以上的螢幕。除此之外，液晶顯示器也有其他缺點，如價格比陰極射線管顯示器高出許多，耐用度較陰極射線管顯示器差，以及使用溫度限於0至50度區間（超出此溫度區間會使液晶結構受到破壞）等。
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TFT LCD液晶顯示器的 驅動原理謝崇凱前兩期針對液晶的特性與TFT LCD本身結構介紹了有關液晶顯示器操作的基本原理。這次將針對TFT LCD的整體系統面，也就是對其驅動原理來做介紹，而其驅動原理仍然因為一些架構上差異的關係而有所不同。首先將介紹由於Cs(storage capacitor)儲存電容架構不同，所形成不同驅動系統架構的原理。
Cs(storage capacitor)儲存電容的架構
一般最常見的儲存電容架構有兩種，分別是Cs on gate與Cs on common這兩種。顧名思義，兩者的主要差別在於儲存電容是利用gate走線或是common走線來完成。在上一期文章中曾提到，儲存電容主要是為了讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候之用，所以必須像在CMOS的製程之中，利用不同層的走線來形成平行板電容。而在TFT LCD的製程中，則是利用顯示電極與gate走線或common走線所形成的平行板電容，來製作出儲存電容Cs。
圖1就是這兩種儲存電容架構，圖中可以很明顯地知道，Cs on gate由於不必像Cs on common需要增加一條額外的common走線，所以其開口率(Aperture ratio)比較大。而開口率的大小是影響面板的亮度與設計的重要因素，所以現今面板的設計大多使用Cs on gate的方式。但是由於Cs on gate方式的儲存電容是由下一條的gate走線與顯示電極之間形成的(請見圖2中Cs on gate與Cs on common的等效電路)，而gate走線就是接到每一個TFT的gate端的走線，主要是作為gate driver送出信號來打開TFT，好讓TFT對顯示電極作充放電的動作。所以當下一條gate走線送出電壓要打開下一個TFT時，便會影響到儲存電容上儲存電壓的大小。不過由於下一條gate走線打開到關閉的時間很短(以1024 x 768解析度，60Hz更新頻率的面板來說。一條gate走線打開的時間約為20μs，而顯示畫面更新的時間約為16ms，所以相較下影響有限)，所以當下一條gate走線關閉，回復到原先的電壓，則Cs儲存電容的電壓，也會隨之恢復到正常。這也是為什麼大多數的儲存電容設計都是採用Cs on gate的方式的原因。
至於common走線，在這邊也需要順便介紹一下。從圖2中可以發現，不管採用怎樣的儲存電容架構，Clc的兩端都是分別接到顯示電極與common。既然液晶是充滿在上下兩片玻璃之間，而顯示電極與TFT都是位在同一片玻璃上，則common電極很明顯的就是位在另一片玻璃之上。如此一來，由液晶所形成的平行板電容Clc，便是由上下兩片玻璃的顯示電極與common電極所形成。而位於Cs儲存電容上的common電極則是另外利用位於與顯示電極同一片玻璃上的走線，這跟Clc上的common電極是不一樣的，只不過它們最後都是接到相同的電壓就是了。
整塊面板的電路架構
從圖3中可以看到整片面板的等效電路，其中每一個TFT與Clc跟Cs所並連的電容代表一個顯示的點。而一個基本的顯示單元pixel則需要三個這樣顯示的點，分別代表RGB三原色。以一個1024 x 768解析度的TFT LCD來說，共需要1024 x 768 x 3個這樣的點組合而成。整片面板的大致結構就是這樣，然後再藉由如圖3中gate driver所送出的波形，依序將每一行的TFT打開，好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點充電到各自所需的電壓，以顯示不同的灰階。當這一行充好電時，gate driver便將電壓關閉，然後下一行的gate driver便將電壓打開，再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電。如此依序下去，當充好了最後一行的顯示點，便又回過來從頭從第一行再開始充電。
以一個1024 x 768 SVGA解析度的液晶顯示器來說，總共會有768行的gate走線，而source走線則共需要1024 x 3=3072條。以一般的液晶顯示器多為60Hz的更新頻率來說，每一個畫面的顯示時間約為1/60=16.67ms。由於畫面的組成為768行的gate走線，所以分配給每一條gate走線的開關時間約為16.67ms/768=21.7μs。所以在圖3 gate driver送出的波形中，就可以看到這些波形為一個接著一個寬度為21.7μs的脈波，依序打開每一行的TFT。而source driver則在這21.7μs的時間內，經由source走線，將顯示電極充放電到所需的電壓，好顯示出相對應的灰階。
面板的各種極性變換方式
由於液晶分子還有一種特性，就是不能夠一直固定在某一個電壓不變，不然時間久了，即使將電壓取消掉，液晶分子會因為特性的破壞而無法再因應電場的變化來轉動，以形成不同的灰階。所以每隔一段時間，就必須將電壓恢復原狀，以避免液晶分子的特性遭到破壞。
但是如果畫面一直不動，也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦？所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性，一個是正極性，而另一個是負極性。當顯示電極的電壓高於common電極電壓時，就稱之為正極性。而當顯示電極的電壓低於common電極的電壓時，就稱之為負極性。不管是正極性或是負極性，都會有一組相同亮度的灰階。所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時，不管是顯示電極的電壓高，或是common電極的電壓高，所表現出來的灰階是一模一樣的。不過這兩種情況下，液晶分子的轉向卻是完全相反，也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時，所造成的特性破壞。也就是說，當顯示畫面一直不動時，我們仍然可以藉由正負極性不停的交替，達到顯示畫面不動，同時液晶分子不被破壞掉特性的結果。所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動，其實裡面的電壓正在不停的作更換，而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉，另一次往反方向轉呢！
圖4就是面板各種不同極性的變換方式，雖然有這麼多種的轉換方式，它們有一個共通點，都是在下一次更換畫面資料的時候來改變極性。以60Hz的更新頻率來說，亦即每16ms更改一次畫面的極性。也就是說，對於同一點而言，它的極性是不停的變換的。而相鄰的點是否擁有相同的極性，那可就依照不同的極性轉換方式來決定了。首先是frame inversion，其整個畫面所有相鄰的點，都是擁有相同的極性；而row inversion與column inversion則各自在相鄰的行與列上擁有相同的極性；另外在dot inversion上，則是每個點與自己相鄰的上下左右四個點，是不一樣的極性；最後是delta inversion，由於它的排列比較不一樣，所以它是以RGB三個點所形成的pixel作為一個基本單位，當以pixel為單位時，它就與dot inversion很相似了，也就是每個pixel與自己上下左右相鄰的pixel，是使用不同的極性來顯示的。
Common電極的驅動方式
圖5及圖6為兩種不同的Common電極的電壓驅動方式，圖5中Common電極的電壓是一直固定不動的，而顯示電極的電壓卻是依照其灰階的不同，不停的上下變動。圖5中是256灰階的顯示電極波形變化，以V0這個灰階而言，如果您要在面板上一直顯示V0這個灰階的話，則顯示電極的電壓就必須一次很高，但是另一次卻很低的這種方式來變化。為什麼要這麼複雜呢？如同前面所提到的原因一樣，這是為了讓液晶分子不會一直保持在同一個轉向，而導致物理特性的永久破壞。因此在不同的frame中，以V0這個灰階來說，其顯示電極與common電極的壓差絕對值是固定的，所以它的灰階也一直不曾更動。只不過位在Clc兩端的電壓，一次是正的，稱之為正極性，而另一次是負的，稱之為負極性。
為了達到極性不停變換這個目的，也可以讓common電壓不停地變動，同樣也可以達到讓Clc兩端的壓差絕對值固定不變，而灰階也不會變化的效果，而這種方法，就是圖6所顯示的波形變化。這個方法只是將common電壓一次很大、一次很小的變化。當然啦，它一定要比灰階中最大的電壓還大，而電壓小的時候則要比灰階中最小的電壓還要小才行。而各灰階的電壓與圖5中的一樣，仍然要一次大一次小的變化。
這兩種不同的Common驅動方式影響最大的就是source driver的使用。以圖7中的不同Common電壓驅動方式的穿透率來說，當common電極的電壓是固定不變的時候，顯示電極的最高電壓需要到達common電極電壓的兩倍以上。而顯示電極電壓的提供，則是來自於source driver。以圖7中common電極電壓若是固定於5伏特的話，則source driver所能提供的工作電壓範圍就要到10伏特以上。但是如果common電極的電壓是變動的話，假使common電極電壓最大為5伏特，則source driver的最大工作電壓也只要為5伏特就可以了。就source driver的設計製造來說，需要越高電壓的工作範圍，製程與電路的複雜度相對會提高，成本也會因此而加高。
面板極性變換與common電極驅動方式的選用
並不是所有的面板極性轉換方式都可以搭配上述兩種common電極的驅動方式。當common電極電壓固定不變時，可以使用所有的面板極性轉換。但如果common電壓是變動的話，則面板極性轉換就只能選用frame inversion與row inversion。(請見表1)也就是說，如果想使用column inversion或是dot inversion的話，就只能選用common電極電壓固定不動的驅動方式。為什麼呢？
之前曾經提到common電極是位於跟顯示電極不同的玻璃上，在實際的製作上時，其實這一整片玻璃都是common電極。也就是說，在面板上所有顯示點的common電壓是全部接在一起的。其次由於gate driver的操作方式是將同一行的所有TFT打開，好讓source driver去充電，而這一行的所有顯示點，它的common電極都是接在一起的，所以如果選用common電極電壓是可變動的方式，是無法在一行TFT上同時做到顯示正極性與負極性的。而column inversion與dot inversion的極性變換方式，在一行的顯示點上要求每個相鄰的點擁有不同的正負極性。這也就是為什麼common電極電壓變動的方式僅能適用於frame inversion與row inversion的緣故。而common電極電壓固定的方式就沒有這些限制，因為其common電壓一直固定，只要source driver能將電壓充到比common大就可以得到正極性，比common電壓小就可以得到負極性，所以common電極電壓固定的方式，可以適用於各種面板極性的變換方式。
各種面板極性變換的比較
現在常見使用在個人電腦上的液晶顯示器，所使用的面板極性變換方式大部分都是dot inversion。為什麼呢？原因無它，因為dot inversion的顯示品質相對於其他的面板極性變換方式好太多了。表2是各種面板極性變換方式的比較表。
所謂Flicker的現象，就是當你看液晶顯示器的畫面上時，畫面會有閃爍的感覺。它並不是故意讓顯示畫面一亮一滅來做出閃爍的視覺效果，而是因為顯示的畫面灰階在每次更新畫面時，會有些微的變動，讓人眼感受到畫面在閃爍。這種情況最容易發生在使用frame inversion的極性變換方式，因為frame inversion整個畫面都是同一極性，當這次畫面是正極性時，下次整個畫面就都變成了是負極性。假若使用common電壓固定的方式來驅動，而common電壓又有了一點誤差(請見圖8)，這時候正負極性的同一灰階電壓便會有差別，當然灰階的感覺也就不一樣。在不停切換畫面的情況下，由於正負極性畫面交替出現，就會感覺到Flicker的存在。而其它面板的極性變換方式雖然也會有此flicker的現象，但由於不像frame inversion是同時整個畫面一齊變換極性，只有一行或是一列，甚至是一個點變化極性而已，以人眼的感覺來說，比較不明顯。至於crosstalk的現象，就是相鄰的點之間要顯示的資料會影響到對方，以致於顯示的畫面會有不正確的狀況。雖然crosstalk的現象成因有很多種，只要相鄰點的極性不一樣，便可以減低此一現象的發生。綜合這些特性可知，為何大多數人都使用dot inversion了。
面板極性變換方式，對於耗電也有不同的影響。不過它在耗電上需要考量其搭配的common電極驅動方式。一般來說，common電極電壓若是固定，其驅動common電極的耗電會比較小。但是由於搭配common電壓固定方式的source driver其所需的電壓比較高，反而在source driver的耗電會比較大。但如果使用相同的common電極驅動方式，source driver的耗電就要考量其輸出電壓的變動頻率與變動電壓大小。在此種情形下，source driver的耗電會有dot inversion＞row inversion＞column inversion＞frame inversion的狀況。不過現今由於dot inversion的source driver多是使用PN型的OP，而不是像row inversion是使用rail to rail OP，在source driver中OP的耗電就會比較小。也就是說由於source driver在結構及電路上的改進，雖然先天上它的輸出電壓變動頻率最高也最大(變動電壓最大接近10伏特，而row inversion面板由於多是使用common電極電壓變動的方式，其source driver的變動電壓最大只有5伏特，耗電上會比較小)，但dot inversion面板的整體耗電已經減低很多了。這也就是為什麼大多數的液晶顯示器都是使用dot inversion的方式。
另外此網址亦有詳細說明的：http://intra.yuanta.com.tw/PagesA2/hot_issue/9205TFT%20LCD.html