處處皆是 LCD

1. 處處皆是LCD Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

2. 液晶 http://www.scribd.com/doc/3761701/20080701218 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

3. Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

4. 液晶平面顯示器基本結構以及液晶分子的角色 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

5. LCD原理 • LCD （ Liquid Crystal Display）對於許多的用戶而言可能是一個比較新鮮的名詞，不過這種技術存在的歷史可能遠遠超過想像 • 在1888 年，一位奧地利的植物學家 F.Renitzer 便發現了液晶特殊的物理特性。 • 在 85年之後，這一發現才產生了商業價值， 1973年日本的夏普公司首次將它運用於製作電子計算器的數位顯示。 • 現在， LCD 是筆記型電腦和掌上電腦的主要顯示設備，在投影機中，它也扮演著非常重要的角色，而且它開始逐漸滲入到桌面顯示器市場中。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

6. 液晶分類 • 向列型液晶（Nematic Liquid Crystal） http://www.tcfsh.tc.edu.tw/adm/special/far-sighted/creature/download/961024_lee.pdf Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

7. 液晶分類 • 膽固醇型液晶（Cholesteric Liquid Crystal） 分子的分子軸與鄰近分子的分子軸之間，除了互相平行之外，每一層之間各分子的分子軸還逐漸繞著垂直於分子軸的方向旋轉，形成一種旋光性（chirality）的結構 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

8. 液晶分類 • 層列型液晶（Smectic Liquid Crystal） 除了分子之間均互相平行且朝向同一方向之外，也具有層與層之間的規則性，因此，此類分子的流動自由度受到了更多的限制，其黏度也遠比向列型液晶和膽固醇液晶為高 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

9. 為什麼叫 液晶？ • 液晶得名於其物理特性：它的分子晶體，不過以液態存在而非固態。 • 大多數液晶都屬於有機複合物。 • 這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點： • 電流通過液晶層，這些分子將會以電流的流向方向進行排列 • 沒有電流，它們將會彼此平行排列。 • 如果你提供了帶有細小溝槽的外層，將液晶倒入後，液晶分子會順著槽排列，並且內層與外層以同樣的方式進行排列。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

10. 為什麼叫 液晶？ • 液晶的第三個特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發生扭轉。 • 液晶層表現的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過濾掉除了那些從特殊方向射入之外的所有光線。 • 此外，如果液晶層發生了扭轉，光線將會隨之扭轉，以不同的方向從另外一個面中射出。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

11. 液晶的這些特點使得它可以被用來當作一種開關- 即可以阻礙光線，也可以允許光線通過。 • 液晶單元的底層是由細小的脊構成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。 • 上表面也是如此，在這兩側之間的分子平行排列，不過當上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶成了隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發生扭曲。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

12. 結果便是這個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉。結果便是這個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉。 • 如果將一個偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉的光線通過了，而沒有發生扭轉的光線將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。 • 也有某些設計了省電的需要，有電流時，光線不能通過，沒有電流時，光線通過。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

13. 顯示技術由於不同的應用目的而分成不同的類型。有的是成了靜態顯示，比如道路標誌和顯示牌，它們的顯示資訊是不變的。顯示技術由於不同的應用目的而分成不同的類型。有的是成了靜態顯示，比如道路標誌和顯示牌，它們的顯示資訊是不變的。 • 平面顯示技術則被用於傳遞發生變化的顯示資訊，所以顯示資訊量的大小就決定了所採用的顯示技術類型。 • 對於攜帶型的計算器等設備而言，由於所傳遞的資訊量相對較低，被稱為「低資訊密度」顯示技術 • 對於電腦顯示器而言，由於傳遞的資訊量大，則相應被稱為「高資訊密度」顯示技術。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

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15. 液晶特性 1）光電效應：利用外加電場來驅使液晶的排列狀態改變至其他指向，造成光線穿透液晶層時的光學特性發生改變，此即是利用外加的電場來產生光的調變現象。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

16. (2)偏光性:光線經過特殊柵欄後會具有一定的行走方向(2)偏光性:光線經過特殊柵欄後會具有一定的行走方向 電磁波形狀 電磁波進入偏極片濾光結果 電磁波隨偏級片方向行進 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

17. 被動矩陣液晶顯示技術 • 高資訊密度顯示技術中首先商品化的是「被動矩陣顯示技術」。它得名於控制液晶單元的開和關的簡單設計。 • 被動矩陣液晶顯示的驅動方式是由垂直與水平方向的電極所構成，單獨的液晶單元夾在彼此垂直的電極中間。 • 因此，任何一組電極的驅動就會在特定的單元中引起電流通過。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

18. 被動矩陣顯示畫面的原理就是輸入的信號依次去驅動每一排的電極，於是當某一排被選定的時候，列向上的電極將被觸發打開位於排和列交叉上的那些像素。被動矩陣顯示畫面的原理就是輸入的信號依次去驅動每一排的電極，於是當某一排被選定的時候，列向上的電極將被觸發打開位於排和列交叉上的那些像素。 • 這種方法比較簡單，而且對液晶螢幕的成本增加也不多。 • 不過它也有缺點，如果有太大的電流通過某個單元，附近的單元都會受到影響，引起虛影。 • 如果電流太小，單元的開和關就會變得遲緩，降低對比度和丟失移動畫面的細節。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

19. 早期，被動矩陣板依賴于扭轉向列的設計。 • 上層和下層的偏光板的偏振光方向呈 90度，因此中間的液晶以90度進行扭轉。 • 這樣製造的液晶板對比度很低、回應時間也很慢。 • 這種方式運用在低資訊量顯示時很好，不過被證明不適合電腦顯示。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

20. 超扭轉向列 • 超扭轉向列（SuperTwisted Nematic）方法是通過改變液晶材料的化學成分，使液晶分子發生不止一次的扭轉，光線扭轉達到180度到270度，這樣便可大大地改善畫面的顯示品質。 • 80年代初期STN技術一度非常流行，至今它還在可攜式設備如PDA，手機中使用。 • 雖然STN技術提高了顯示的對比度，不過它會引起光線的色彩偏差，尤其是在螢幕偏離主軸的位置上。 • 這就是爲什麽早期的筆記型電腦螢幕總是偏藍和偏黃的原因。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

21. 了解決這一問題，雙層超扭曲向列型顯示技術 DSTN出現了，它具有兩層扭轉方向相對的LCD 層，第二層使得第一層遺留的色偏問題得以解決。 • 當然它的製造工藝比前兩種方式要複雜的多。 • 後來人們發現了比DSTN更簡單易行的方法 -- 在底層和頂層的外表面加上補償膜，來改善 STN技術中所産生的特定波段光線的散射和反射現象，這就是補償膜超扭轉向列Film-compensated STN（FSTN）。 • FSTN的顯示效果和DSTN相當，但價格和工藝難度大大降低，所以現在大多數被動式LCD都採用了FSTN技術。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

22. FSTN 技術的 LCD 顯示效果，人們又於 90 年代初期提出了雙掃描概念。 • 所謂雙掃描，就是將面板水平對等地分爲兩部分，頂端和底端相對應的部分同時掃描，這就大大提高了掃描的頻率。 • 雙掃描解決了小電流、長時間使用的情況下常常産生的鬼影現象。 • 和主動矩陣顯示相比顯著提高了對比度、畫質和回應時間，所以現在還廣爲低價位的筆記型電腦所採用。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

23. 主動矩陣 LCD • 被動矩陣LCD的最大問題是 • 難以快速地控制單獨的液晶單元 • 以足夠大的電流保證來獲得好的對比度、足夠的灰階級和較快的回應時間，從而影響了動態影像的顯示效果。 • 主動矩陣LCD 通過單獨地控制每個單元，有效地解決了上面的問題。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

24. 主動矩陣 LCD • 與被動矩陣LCD相似，主動矩陣（Active Matrix）LCD 的上下表層也縱橫有序排列著用銦錫氧化物做成的透明電極。 • 所不同的是在每個單元中都加入了很小的電晶體，由電晶體來控制電流的開和關。 • 電晶體電極是利用薄膜技術而做成的。電晶體利用了薄膜來形成半導體。薄膜電晶體LCD（TFT-LCD）也因此得名 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

25. TFT-LCD的面板構造 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

26. TFT型液晶顯示器的運作原理 • 背光源發光，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶分子，分子的排列方式改變穿透液晶的光線角度，然後這些光線接下來還必須經過前方的彩色的濾光板與另一塊偏光濾色 玻璃導出。 • 位於底層的薄膜式電晶體，可藉由改變液晶的電壓值控制最後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上組合出有不同深淺的顏色。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

27. TFT型液晶顯示器的運作原理 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

28. Array面板說明 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

29. Array 面板示意圖 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

30. 1.因TFT元件的動作類似一個開關(Switch)，液晶元件的作用類似一個電容，藉Switch的ON/OFF對電容儲存的電壓值進行更新/保持。1.因TFT元件的動作類似一個開關(Switch)，液晶元件的作用類似一個電容，藉Switch的ON/OFF對電容儲存的電壓值進行更新/保持。 2.SW ON時信號寫入(加入、記錄)在液晶電容上，在以外時間SW OFF，可防止信號從液晶電容洩漏。3.在必要時可將保持電容與液晶電容並聯，以改善其保持特性。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

31. 1.上圖為TFT一個畫素的等效電路圖，掃描線連接同一列所有TFT閘極電極，而信號線連接同一行所有TFT源極電極。1.上圖為TFT一個畫素的等效電路圖，掃描線連接同一列所有TFT閘極電極，而信號線連接同一行所有TFT源極電極。 2.當ON時信號線的資料寫入液晶電容，此時，TFT元件成低阻抗(RON)，當OFF時TFT元件成高阻抗(ROFF)，可防止信號線資料的洩漏。 3.一般RON與ROFF電阻比至少約為105以上。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

32. 認識 TFT Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

33. TFT元件的運作原理 • (1)Vgs>Vth：訊號讀取 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

34. TFT元件的運作原理 • (2)Vgs<Vth：訊號保持 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

35. 視角及反應速度 • 電晶體可以迅速地控制每個單元，由於單元之間的電干擾很小，所以你可以使用大電流，而不會有鬼影和拖尾現象。 • 更大的電流會提供更好的對比度、更銳利的和更明亮的圖像。 • 視角範圍受限、反映速度慢使得LCD在顯示快速移動圖像時與CRT相比產生一種先天的缺陷。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

36. 顯示色彩、耗電量 • LCD技術是根據電壓的大小來改變亮度，但是只有主動矩陣LCD可以單獨控制每個像素。 • 主動矩陣式LCD顯示器與CRT相比較小，需要很少的電量。 • 事實上，它已經變成了攜帶型設備的標準顯示器，從PDA 筆記型電腦均廣泛運用。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

37. 視角及反應速度 • 在傳統的CRT顯示器或電視機中，圖像的顯示是通過發光物體 -- 磷來實現的，光線從這一層向各個方向發射，只是強弱稍有不同而已。 • 因此，你可以從一個很大的可視角範圍來觀看螢幕，無論從哪個角度去觀察，顯示的亮度、色彩都和正視效果相近。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

38. LCD和其他大多數顯示技術，都需要強的背景光線穿過液晶層或者其他顯示層來形成圖像，從而完成圖像的傳遞過程。LCD和其他大多數顯示技術，都需要強的背景光線穿過液晶層或者其他顯示層來形成圖像，從而完成圖像的傳遞過程。 • LCD特性決定了它所需的背景光是定向的。 • 舉一個形象的例子來說，就好比你手中握有一把吸管，它們的一端對準光源。如果你通過另一端直視吸管，你將會看到光源射出的光線。 • 但是如果你稍微移開眼睛，從其他的方向去看的話，你就無法觀察到光線了。 • LCD技術正是如此。雖然液晶分子並不像吸管一樣是中空的，但是它們的有序排列阻止了光線向其他方向發射。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

39. 解決視角問題 • 直接在顯示器外面附加一層漫射膜是辦法之一，漫射膜可以將特定傳播方向的光線散射向各個方向，從而增大可視角度。 • 不過這種方法只能達到一定程度的改善。 • 另一種做法是改變通過液晶的電流方向來增大可視角度。 • 電流不再是從頂端流向底端，而是從側面方向流過。 • 這就使得液晶分子在水平方向上有序排列，從而增大了傳遞光線的可視角度。這兩種技術通常用在水平可視角度的改善上。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

40. 解決視角問題 • 第三種解決方案比較複雜，而且會使製造成本大大增加。 • 主要方法是將每個液晶單元分割成大量微小的部分，事先將這些微小子單元以不同的方向傾斜，這就使得傳播光線在到達這些微小面板的時候向各個方向散射，從而增大可視角度。 • 昂貴的成本限制了它的廣泛使用，僅在一些具有需要同時從遠處和近處觀察的桌上 型顯示器中才應用這種技術。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

41. 反應速度 • LCD單元在控制信號到達與變化完成之間存在滯後現象，這使得LCD在顯示快速移動圖像時與CRT相比具有一種先天的缺陷。 • CRT的電子槍發射電子束到被激發的螢光粉發光之間幾乎是瞬間的。 • 這種時間滯後被稱「反應時間」，其單位通常是毫秒。 • 被動矩陣顯示器回應時間很長，約有150毫秒或更多，所以不適於顯示諸如電影的移動畫面。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

42. 反應速度 • 在主動矩陣顯示器中像素回應時間隨設計的不同而異，主要受到幾個因素影響，包括用來驅動單元的電壓，單元的厚度和使用的液晶材料。 • 標準的主動矩陣顯示器一般有40毫秒的回應改變電流方向增加視角時間，也就是說每秒能顯示25幀。 • 平面內轉換增加了可視角度，但顯示會變慢，一般有70毫秒反應時間。顯示器更快一些，有25毫秒反應時間。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

43. 顯示色彩 • LCD顯示的一個重要的技術指標是顯示色彩。 • CRT顯示器所能表現出的色彩幾乎是無窮的，因為它是類比設備。 • 只需改變紅綠藍三種類比信號的強度，你就可以得到不同的色彩。 • 與CRT 樣，LCD技術也是根據電壓的大小來改變亮度，但是只有主動矩陣LCD可以單獨控制每個像素，被動矩陣LCD每次都要驅動整行或整列像素，因此它的灰階表現能力很差。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

44. 每個LCD的子像素顯示的顔色取決於色彩篩檢程式。每個LCD的子像素顯示的顔色取決於色彩篩檢程式。 • 由於液晶本身沒有顔色，所以用濾色片産生各種顔色，而不是子像素，子像素只能通過控制光線的通過強度來調節灰階，只有少數主動矩陣顯示採用類比信號控制，大多數則採用數位信號控制技術。 • 大部分數位控制的LCD都採用了8位控制器，可以產生256級灰階。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

45. 每個子像素能夠表現256級，那麼你就能夠得到256×3種色彩，每個像素能夠表現16,777,216種成色。每個子像素能夠表現256級，那麼你就能夠得到256×3種色彩，每個像素能夠表現16,777,216種成色。 • 因為人的眼睛對亮度的感覺並不是線性變化的，人眼對低亮度的變化更加敏感，所以這種24位的色度並不能完全達到理想要求。 • 工程師們通過脈衝電壓調節的方法以使色彩變化看起來更加統一。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

46. 製造商還採用了兩種技術來提高主動矩陣顯示中每個液晶單元的灰階顯示數目。製造商還採用了兩種技術來提高主動矩陣顯示中每個液晶單元的灰階顯示數目。 • 第一種是抖動方法。將四個毗連呈正方形的像素作為一個單元，如果其中一個的灰階太低，那麼相鄰的像素就會提高自身的亮度，從而顯示出一個比較適中的灰階，四個像素最後會顯示出三個適中的最終灰階作為顯示結果。 • 這種方法的最大缺點在於降低了顯示的解析度。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

47. 另一項技術是框架速率控制（FRC ）或者暫時的高頻振動。 • 這種方法在顯示每屏圖像時多次刷新像素。與高頻振動中將灰階的混合用空間來顯示不同，這種方法通過時間控制。 • 如果顯示一幅畫面需要的時間分爲很多幀，像素就可以在幀的切換當中造成一種灰階的過渡態，四幀就可以造成三個過渡態。 • 這種設計的優點是可以不降低圖像的解析度，被廣泛應用于現代的主動矩陣顯示器中。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

48. 耗電量 • 主動矩陣式LCD顯示器與CRT相比較小，需要很少的電量。 • 事實上，它已經變成了攜帶型設備的標準顯示器，從PDA到筆記型電腦均廣泛運用。 • 但不管怎樣，LCD 技術還是可悲的效率低下：即使你將螢幕顯示白色，從背景光源中發射的光也只有不到 10% 穿過螢幕發出，其他的都被吸收。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

49. 筆記型電腦的低效迫使其設計者面臨一些艱難的選擇。筆記型電腦的低效迫使其設計者面臨一些艱難的選擇。 • 如果你希望在戶外這樣強光環境下圖像更明亮，你就需要一個更亮的背景光源，這將需要更多的電力。 • 如果你使用的電池容量一定，更亮的背景光源就會在較短的時間內耗盡電源。 • 設計者用更大的電池容量解決這個問題，但是對於目前的電池技術來說，就意味著設備重量的增加，對消費者的吸引力就會下降。 • 這三者之間的三角平衡推動著顯示器、電池及節能技術的研究。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw

50. 總而言之，背景光源所耗能量是LCD顯示器總耗電量的最大部分。總而言之，背景光源所耗能量是LCD顯示器總耗電量的最大部分。 • 更大的螢幕、更高的亮度和更高的解析度都將使筆記型電腦顯示器的耗電量大大增加。 • 另一方面，技術進步通過降低系統電壓和提高孔徑比使更多的光能通過液晶單元，降低系統的電源需求。 • 結果是，筆記型顯示器的總耗電量維持在2到 5瓦之間。 • 一根管子的背景光源大約需要1.2 ，所以根據使用一隻或兩隻管子一個螢幕中共需要1.2或 2.4瓦的能量。 Kun Shan University http://www.ksu.edu.tw