TFTLCD液晶显示器的工作原理rze.docx

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1、TFTLLCD液液晶显示示器的工工作原理理20004-88-199本文作者者：谢崇崇凯 图片片制作：FPDDispplayy我一一直记得得,当当初刚开开始从事事有关液液晶显示示器相关关的工作作时,常常遇遇到的困困扰,就是不不知道怎怎么跟人人家解释释,液液晶显示示器是什什么?只好随随着不同同的应用用环境,来解解释给人人家听.在最最早的时时候是告告诉人家家,就就是掌上上型电动动玩具上上所用的的显示屏屏,随随着笔记记型计算算机开始始普及,就可可以告诉诉人家说说,就就是使用用在笔记记型计算算机上的的显示器器.随随着手机机的流行行,又又可以告告诉人家家说,是使用用在手机机上的显显示板.时至至今日,液晶晶

2、显示器器,对对于一般般普罗大大众,已经不不再是生生涩的名名词.而它更更是继半半导体后后另一一种可以以再创造造大量营营业额的的新兴科科技产品品,更更由于其其轻薄的的特性,因此此它的应应用范围围比起原原先使用用阴极射射线管(CRTT,ccathhodee-raayttubee)所作作成的显显示器更更多更广广. 如同同我前面面所提到到的,液晶显显示器泛泛指一大大堆利用用液晶所所制作出出来的显显示器.而今今日对液液晶显示示器这个个名称,大多多是指使使用于笔笔记型计计算机,或是是桌上型型计算机机应用方方面的显显示器.也就就是薄膜膜晶体管管液晶显显示器.其英英文名称称为Thhin-fillmttranns

3、isstorrliiquiidccrysstalldiispllay,简称称之TFFTLLCD.从它它的英文文名称中中我们可可以知道道,这这一种显显示器它它的构成成主要有有两个特特征,一个是是薄膜晶晶体管,另一一个就是是液晶本本身.我们先先谈谈液液晶本身身. 液晶(LC,liiquiidccrysstall)的分分类 我们们一般都都认为物物质像水水一样都都有三态态,分分别是固固态液态态跟气态态.其其实物质质的三态态是针对对水而言言,对对于不同同的物质质,可可能有其其它不同同的状态态存在.以我我们要谈谈到的液液晶态而而言,它是介介于固体体跟液体体之间的的一种状状态,其实这这种状态态仅是材材料的一

4、一种相变变化的过过程(请请见图11),只要材材料具有有上述的的过程,即在在固态及及液态间间有此一一状态存存在,物理学学家便称称之为液液态晶体体.这种液液态晶体体的首次次发现,距今今已经度度过一百百多个年年头了.在公公元18888年年,被被奥地利利的植物物学家FFrieedriichReiinittzerr所发现现,其其在观察察从植物物中分离离精制出出的安息息香酸胆胆固醇(choolessterrylbennzoaate)的融融解行为为时发现现,此此化合物物加热至至1455.5度度时,固体会会熔化,呈现一一种介于于固相和和液相间间之半熔熔融流动动白浊状状液体.这种种状况会会一直维维持温度度升高到

5、到1788.5度度,才才形成清清澈的等等方性液液态(iisottroppicliqquidd).隔年,在118899年,研究相相转移及及热力学学平衡的的德国物物理学家家O.LLehmmannn,对对此化合合物作更更详细的的分析.他在在偏光显显微镜下下发现,此黏黏稠之半半流动性性白浊液液体化合合物,具具有异方方性结晶晶所特有有的双折折射率(birrefrringgencce)之之光学性性质,即光学学异相性性(oppticcalaniisottroppic).故故将这种种似晶体体的液体体命名为为液晶.此后后,科科学家将将此一新新发现的的性质,称为为物质的的第四态态-液晶晶(liiquiidccry

6、sstall).它在某某一特定定温度的的范围内内,会会具有同同时液体体及固体体的特性性. 一般以以水而言言,固固体中的的晶格因因为加热热,开开始吸热热而破坏坏晶格,当温温度超过过熔点时时便会溶溶解变成成液体.而热热致型液液晶则不不一样(请见图图2),当其其固态受受热后,并不不会直接接变成液液态,会先溶溶解形成成液晶态态.当当您持续续加热时时,才才会再溶溶解成液液态(等等方性液液态).这就就是所谓谓二次溶溶解的现现象.而液晶晶态顾名名思义,它会会有固态态的晶格格,及及液态的的流动性性.当当液态晶晶体刚发发现时,因为为种类很很多,所以不不同研究究领域的的人对液液晶会有有不同的的分类方方法.在199

7、22年年由G.Frrieddel利利用偏光光显微镜镜所观察察到的结结果,将液晶晶大致分分为NeematticSmeectiic及CChollestteriic三类类.但但是如果果是依分分子排列列的有序序性来分分(请见见图3),则则可以分分成以下下四类: 1.层层状液晶晶(Seemattic): 其其结构是是由液晶晶棒状分分子聚集集一起,形成成一层一一层的结结构.其每一一层的分分子的长长轴方向向相互平平行.且此长长轴的方方向对于于每一层层平面是是垂直或或有一倾倾斜角.由于于其结构构非常近近似于晶晶体,所以又又称做近近晶相.其秩秩序参数数S(oordeerpparaametter)趋近于于1.在层

8、状状型液晶晶层与层层间的键键结会因因为温度度而断裂裂,所所以层与与层间较较易滑动动.但但是每一一层内的的分子键键结较强强,所所以不易易被打断断.因因此就单单层来看看,其其排列不不仅有序序且黏性性较大.如果果我们利利用巨观观的现象象来描述述液晶的的物理特特性的话话,我我们可以以把一群群区域性性液晶分分子的平平均指向向定为指指向矢(dirrecttor),这这就是这这一群区区域性的的液晶分分子平均均方向.而以以层状液液晶来说说,由由于其液液晶分子子会形成成层状的的结构,因此此又可就就其指向向矢的不不同再分分类出不不同的层层状液晶晶.当当其液晶晶分子的的长轴都都是垂直直站立的的话,就称之之为SSem

9、aaticcAphaase.如如果液晶晶分子的的长轴站站立方向向有某种种的倾斜斜(tiilt)角度,就称之之为SSemaaticcCphaase.以以A,CC等字母母来命名名,这这是依照照发现的的先后顺顺序来称称呼,依此类类推,应该会会存在有有一个SemmatiicBBphhasee才是是.不不过后来来发觉BBphhasee其实是是Cpphasse的一一种变形形而已,原因因是Cphaase如如果带cchirral的的结构就就是Bphaase.也就就是说CChirralsemmatiicCCphhasee就是SSemaaticcBphaase(请见图图4).而其其结构中中的一层层一层液液晶分子子

10、,除除了每一一层的液液晶分子子都具有有倾斜角角度之外外,一一层一层层之间的的倾斜角角度还会会形成像像螺旋的的结构.2.线线状液晶晶(Neemattic): Nemmatiic这个个字是希希腊字,代表表的意思思与英文文的thhreaad是一一样的.主要要是因为为用肉眼眼观察这这种液晶晶时,看起来来会有像像丝线一一般的图图样.这种液液晶分子子在空间间上具有有一维的的规则性性排列,所有有棒状液液晶分子子长轴会会选择某某一特定定方向(也就是是指向矢矢)作为为主轴并并相互平平行排列列.而而且不像像层状液液晶一样样具有分分层结构构.与与层列型型液晶比比较其排排列比较较无秩序序,也也就是其其秩序参参数S较较

11、层状型型液晶较较小.另外其其黏度较较小,所以较较易流动动(它的的流动性性主要来来自对于于分子长长轴方向向较易自自由运动动)。线线状液晶晶就是现现在的TTFT液液晶显示示器常用用的TNN(Twwisttednemmatiic)型型液晶. 3.胆胆固醇液液晶(cchollestteriic): 这个个名字的的来源,是因为为它们大大部份是是由胆固固醇的衍衍生物所所生成的的.但但有些没没有胆固固醇结构构的液晶晶也会具具有此液液晶相.这种种液晶如如图5所所示,如果把把它的一一层一层层分开来来看,会很像像线状液液晶.但是在在Z轴方方向来看看,会会发现它它的指向向矢会随随着一层层一层的的不同而而像螺旋旋状一

12、样样分布,而当当其指向向矢旋转转3600度所需需的分子子层厚度度就称为为pittch.正因因为它每每一层跟跟线状液液晶很像像,所以以也叫做做Chiirallneematticphaase.以胆胆固醇液液晶而言言,与与指向矢矢的垂直直方向分分布的液液晶分子子,由由于其指指向矢的的不同,就会会有不同同的光学学或是电电学的差差异,也因此此造就了了不同的的特性.4.碟碟状液晶晶(diisk): 也也称为柱柱状液晶晶,以以一个个个的液晶晶来说,它是是长的像像碟状(dissk),但是是其排列列就像是是柱状(disscoiid). 如果果我们是是依分子子量的高高低来分分的话则则可以分分成高分分子液晶晶(po

13、olymmerliqquiddcrrysttal,聚合合许多液液晶分子子而成)与低分分子液晶晶两种.就此此种分类类来说TFTT液晶显显示器是是属于低低分子液液晶的应应用.倘若就就液晶态态的形成成原因,则可可以分成成因为温温度形成成液晶态态的热致致型液晶晶(thhermmotrropiic),与因为为浓度而而形成液液晶态的的溶致型型液晶(lyootroopicc).以之前前所提过过的分类类来说,层状状液晶与与线状液液晶一般般多为热热致型的的液晶,是随随着温度度变化而而形成液液晶态.而对对于溶致致型的液液晶,需要考考虑分子子溶于溶溶剂中的的情形.当浓浓度很低低时,分子便便杂乱的的分布于于溶剂中中而

14、形成成等方性性的溶液液,不不过当浓浓度升高高大于某某一临界界浓度时时,由由于分子子已没有有足够的的空间来来形成杂杂乱的分分布,部份分分子开始始聚集形形成较规规则的排排列,以减少少空间的的阻碍.因此此形成异异方性(aniisottroppic)之溶液液.所所以溶致致型液晶晶的产生生就是液液晶分子子在适当当溶剂中中达到到某一临临界浓度度时,便便会形成成液晶态态.溶溶致型的的液晶有有一个最最好的例例子,就就是肥皂皂.当当肥皂泡泡在水中中并不会会立刻便便成液态态,而而其在水水中泡久久了之后后,所所形成的的乳白状状物质,就是是它的液液晶态. 液液晶的光光电特性性 由由于液晶晶分子的的结构为为异方性性(A

15、Anissotrropiic)，所所以所引引起的光光电效应应就会因因为方向向不同而而有所差差异，简简单的说说也就是是液晶分分子在介介电系数数及折射射系数等等等光电电特性都都具有异异方性，因因而我们们可以利利用这些些性质来来改变入入射光的的强度,以便便形成灰灰阶,来应用用于显示示器组件件上.以下我我们要讨讨论的,是液液晶属于于光学跟跟电学相相关的特特性,大约有有以下几几项: 1.介电系系数(dieelecctriicppermmitttiviity): 我我们可以以将介电电系数分分开成两两个方向向的分量量,分分别是/(与指指向矢平平行的分分量)与与(与指指向矢垂垂直的分分量).当/便称称之为介介

16、电系数数异方性性为正型型的液晶晶,可可以用在在平行配配位.而/0.所以以双折射射率nn0,我们把把它称做做是光学学正型的的液晶,而层层状液晶晶与线状状液晶几几乎都是是属于光光学正型型的液晶晶.倘倘使光的的行进方方向平行行于长轴轴时的速速度较快快的话，代代表平行行长轴方方向的折折射率小小于垂直直方向的的折射率率,所以以双折射射率nn,代代表着平平行方向向的介电电系数比比垂直方方向的介介电系数数大,因此当当液晶分分子受电电场影响响时,其排列列方向会会倾向平平行于电电场方向向.),所以以我们从从图100中便可可以看到到,液液晶分子子的排列列都变成成站立着着的.此时通通过上层层偏光板板的单方方向的极极

17、化光波波,经经过液晶晶分子时时便不会会改变极极化方向向,因因此就无无法通过过下层偏偏光板. NNormmalllywwhitte及nnormmalllybblacck所所谓的NNW(NNormmalllywwhitte),是指当当我们对对液晶面面板不施施加电压压时,我们所所看到的的面板是是透光的的画面,也就就是亮的的画面,所以以才叫做做norrmalllywhiite.而反反过来,当我我们对液液晶面板板不施加加电压时时,如如果面板板无法透透光,看起来来是黑色色的话,就称称之为NNB(NNormmalllybblacck).我们们刚才所所提到的的图9及及图100都是属属于NWW的配置置,另另外从

18、图图11我我们可以以知道,对TTN型的的LCDD而言,位于于上下玻玻璃的配配向膜都都是互相相垂直的的,而而NB与与NW的的差别就就只在于于偏光板板的相对对位置不不同而已已.对对NB来来说,其上下下偏光板板的极性性是互相相平行的的.所所以当NNB不施施加电压压时,光线会会因为液液晶将之之旋转990度的的极性而而无法透透光.为什么么会有NNW与NNB这两两种不同同的偏光光板配置置呢?主要是是为了不不同的应应用环境境.一一般应用用于桌上上型计算算机或是是笔记型型计算机机,大大多为NNW的配配置.那是因因为,如果你你注意到到一般计计算机软软件的使使用环境境,你你会发现现整个屏屏幕大多多是亮点点,也也就

19、是说说计算机机软件多多为白底底黑字的的应用.既然然亮着的的点占大大多数,使用用NW当当然比较较方便.也因因为NWW的亮点点不需要要加电压压,平平均起来来也会比比较省电电.反反过来说说NBB的应用用环境就就大多是是属于显显示屏为为黑底的的应用了了. STN(SupperTwiisteedNNemaaticc)型LLCDSTTNLLCD与与TN型型LCDD在结构构上是很很相似的的,其其主要的的差别在在于TTN型的的LCDD,其液液晶分子子的排列列,由由上到下下旋转的的角度总总共为990度.而SSTN型型LCDD的液晶晶分子排排列,其旋转转的角度度会大于于1800度,一般为为2700度.(请见图图1

20、2)正因因为其旋旋转的角角度不一一样,其特性性也就跟跟着不一一样.我们从从图133中TNN型与SSTN型型LCDD的电压压对穿透透率曲线线可以知知道,当电压压比较低低时,光线的的穿透率率很高.电压压很高时时,光光线的穿穿透率很很低.所以它它们是属属于NoormaalWWhitte的偏偏光板配配置.而电压压在中间间位置的的时候,TNN型LCCD的变变化曲线线比较平平缓,而STTN型LLCD的的变化曲曲线则较较为陡峭峭.因因此在TTN型的的LCDD中,当穿透透率由990%变变化到110%时时,相相对应的的电压差差就比SSTN型型的LCCD来的的较大.我们们前面曾曾提到,在液液晶显示示器中,是利利用

21、电压压来控制制灰阶的的变化.而在在此TNN与STTN的不不同特性性,便便造成TTN型的的LCDD,先天天上它的的灰阶变变化就比比STNN型的LLCD来来的多.所以以一般TTN型的的LCDD多为668bitts的变变化,也就是是642566个灰阶阶的变化化.而而STNN型的LLCD最最多为44biits的的变化也就只只有166阶的灰灰阶变化化.除除此之外外STNN与TNN型的LLCD还还有一个个不一样样的地方方就是反反应时间间(reespoonseetiime)一般般STNN型的LLCD其其反应时时间多在在1000ms以以上而而TN型型的LCCD其反反应时间间多为330550mss当所所显示的的

22、影像变变动快速速时对对STNN型的LLCD而而言就就容易会会有残影影的现象象发生 TFTLCDD(Thhinfillmttrannsisstorrliiquiidccrysstalldiispllay) TFFTLLCD的的中文翻翻译名称称就叫做做薄膜晶晶体管液液晶显示示器,我们从从一开始始就提到到液晶晶显示器器需要电电压控制制来产生生灰阶.而利利用薄膜膜晶体管管来产生生电压,以控制制液晶转转向的显显示器,就叫叫做TFFTLLCD.从图图8的切切面结构构图来看看,在在上下两两层玻璃璃间,夹着液液晶,便会形形成平行行板电容容器,我们称称之为CCLC(cappaciitorroffliiquiid

23、ccrysstall).它的大大小约为为0.11pF,但是是实际应应用上,这个个电容并并无法将将电压保保持到下下一次再再更新画画面数据据的时候候.也也就是说说当TFFT对这这个电容容充好电电时,它并无无法将电电压保持持住,直到下下一次TTFT再再对此点点充电的的时候.(以一一般600Hz的的画面更更新频率率,需需要保持持约166ms的的时间.)这这样一来来,电电压有了了变化,所显显示的灰灰阶就会会不正确确.因因此一般般在面板板的设计计上,会再加加一个储储存电容容CS(stooraggeccapaacittor大约为为0.55pF),以以便让充充好电的的电压能能保持到到下一次次更新画画面的时时候

24、.不过正正确的来来说,长在玻玻璃上的的TFTT本身,只是一一个使用用晶体管管制作的的开关.它主主要的工工作是决决定LCCDssourrcedriiverr上的电电压是不不是要充充到这个个点来.至于于这个点点要充到到多高的的电压,以便便显示出出怎样的的灰阶.都是是由外面面的LCCDssourrcedriiverr来决定定的. 彩色滤滤光片(collorfillterr,CCF) 如果果你有机机会,拿着放放大镜,靠近近液晶显显示器的的话.你会发发现如图图9中所所显示的的样子.我们们知道红红色,蓝色以以及绿色色,是是所谓的的三原色色.也也就是说说利用这这三种颜颜色,便可以以混合出出各种不不同的颜颜色

25、.很多平平面显示示器就是是利用这这个原理理来显示示出色彩彩.我我们把RRGB三三种颜色色,分分成独立立的三个个点,各自拥拥有不同同的灰阶阶变化,然后后把邻近近的三个个RGBB显示的的点,当作一一个显示示的基本本单位,也就就是piixell.那那这一个个pixxel,就可以以拥有不不同的色色彩变化化了.然后对对于一个个需要分分辨率为为10224*7768的的显示画画面,我们只只要让这这个平面面显示器器的组成成有10024*7688个piixell,便便可以正正确的显显示这一一个画面面.在在图9中中,每一一个RGGB的点点之间的的黑色部部分,就叫做做Blaackmattrixx.我我们回过过头来看

26、看图8就就可以发发现,blaackmattrixx主要是是用来遮遮住不打打算透光光的部分分.比比如像是是一些IITO的的走线,或是是Cr/Al的的走线,或者者是TFFT的部部分.这也就就是为什什么我们们在图99中,每一个个RGBB的亮点点看起来来,并并不是矩矩形,在其左左上角也也有一块块被bllackkmaatriix遮住住的部分分,这这一块黑黑色缺角角的部份份就是TTFT的的所在位位置. 图图10是是常见的的彩色滤滤光片的的排列方方式.条状排排列(sstriipe)最常使使用于OOA的产产品,也就是是我们常常见的笔笔记型计计算机,或是桌桌上型计计算机等等等.为什么么这种应应用要用用条状排排列

27、的方方式呢?原因因是现在在的软件件,多多半都是是窗口化化的接口口.也也就是说说,我我们所看看到的屏屏幕内容容,就是是一大堆堆大小不不等的方方框所组组成的.而条条状排列列,恰好好可以使使这些方方框边缘缘,看看起来更更笔直,而不不会有一一条直线线,看看起来会会有毛边边或是锯锯齿状的的感觉.但是是如果是是应用在在AV产产品上,就不不一样了了.因因为电视视信号多多半是人人物,人物的的线条不不是笔直直的,其轮廓廓大部分分是不规规则的曲曲线.因此一一开始,使用用于AVV产品都都是使用用马赛克克排列(mossaicc,或是是称为对对角形排排列).不过过最近的的AV产产品,多已改改进到使使用三角角形排列列(t

28、rriannglee,或是是称为ddeltta排列列).除了上上述的排排列方式式之外,还有有一种排排列,叫做正正方形排排列.它跟前前面几个个不一样样的地方方在于,它并并不是以以三个点点来当作作一个ppixeel,而而是以四四个点来来当作一一个piixell.而而四个点点组合起起来刚好好形成一一个正方方形. 背光板板(baackligght,BLL) 在一一般的CCRT屏屏幕,是利用用高速的的电子枪枪发射出出电子,打击击在银光光幕上的的荧光粉粉,藉藉以产生生亮光,来显显示出画画面.然而液液晶显示示器本身身,仅仅能控制制光线通通过的亮亮度,本身并并无发光光的功能能.因因此,液液晶显示示器就必必须加

29、上上一个背背光板,来提提供一个个高亮度度,而且且亮度分分布均匀匀的光源源.我我们在图图14中中可以看看到,组成背背光板的的主要零零件有灯灯管(冷冷阴极管管),反射板板,导导光板,prrismmshheett,扩扩散板等等等.灯管是是主要的的发光零零件,藉由导导光板,将光光线分布布到各处处.而而反射板板则将光光线限制制住都只只往TFFTLLCD的的方向前前进.最后藉藉由prrismmshheett及扩散散板的帮帮忙,将光线线均匀的的分布到到各个区区域去,提供供给TFFTLLCD一一个明亮亮的光源源.而而TFTTLCCD则藉藉由电压压控制液液晶的转转动,控制通通过光线线的亮度度,藉藉以形成成不同的

30、的灰阶. 框胶胶(Seealaant)及sppaceer 在图图14中中另外还还有框胶胶与sppaceer两种种结构成成分.其中框框胶的用用途,就就是要让让液晶面面板中的的上下两两层玻璃璃,能能够紧密密黏住,并且且提供面面板中的的液晶分分子与外外界的阻阻隔,所所以框胶胶正如其其名,是是围绕于于面板四四周,将液晶晶分子框框限于面面板之内内.而而spaacerr主要是是提供上上下两层层玻璃的的支撑,它必必须均匀匀的分布布在玻璃璃基板上上,不不然一但但分布不不均造成成部分sspaccer聚聚集在一一起,反而会会阻碍光光线通过过,也也无法维维持上下下两片玻玻璃的适适当间隙隙(gaap),会成成电场分分

31、布不均均的现象象,进进而影响响液晶的的灰阶表表现. 开口率(Apeertuurerattio) 液晶晶显示器器中有一一个很重重要的规规格就是是亮度,而决决定亮度度最重要要的因素素就是开开口率.开口口率是什什么呢?简单单的来说说就是光光线能透透过的有有效区域域比例.我们们来看看看图177,图图17的的左边是是一个液液晶显示示器从正正上方或或是正下下方看过过去的结结构图.当光光线经由由背光板板发射出出来时,并不不是所有有的光线线都能穿穿过面板板,像像是给LLCDsouurcee驱动芯芯片及ggatee驱动芯芯片用的的信号走走线,以及TTFT本本身,还有储储存电压压用的储储存电容容等等.这些些地方除

32、除了不完完全透光光外,也由于于经过这这些地方方的光线线并不不受到电电压的控控制,而而无法显显示正确确的灰阶阶,所所以都需需利用bblacckmmatrrix加加以遮蔽蔽,以以免干扰扰到其它它透光区区域的正正确亮度度.所所以有效效的透光光区域,就只只剩下如如同图117右边边所显示示的区域域而已.这一一块有效效的透光光区域,与全全部面积积的比例例就称之之为开口口率. 当光线线从背光光板发射射出来,会依依序穿过过偏光板板,玻玻璃,液晶,彩色色滤光片片等等.假设设各个零零件的穿穿透率如如以下所所示: 偏光光板:50%(因为为其只准准许单方方向的极极化光波波通过) 玻玻璃:995%(需要计计算上下下两片) 液液晶:995% 开口口率:550%(有效透透光区域域只有一一半) 彩色色滤光片片:277%(假假设材质质本身的的穿透率率为800%,但但由于滤滤光片本本身涂有有色彩,只能能容许该该色彩的的光波通通过.以RGGB三原原色来说说,只只能容许许三种其其中一种种通过.所以以仅剩下下三分之之一的亮亮度.所以总总共只能能通过880%*33%=277%.) 以以上述的的穿透率率来计算算,从从背光板板出发的的光线只只会剩下下6%,实在在是少的的可怜.这也也是为什什么在TTFTLCDD的设计计