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TFT--技术原理

发布时间:2015-07-17

我记得在高中时的物理课,当教到跟光有关的物理特性时,做了好多的物理实验,目的是为了要证明光也是一 种波动。而光波的行进方向,是与电场及磁场互相垂直的。同时光波本身的电场与磁场分量,彼此也是互相垂直的。也就是说行进方向与电场及磁场分量,彼此是两 两互相平行的.(请见图7) 而偏光板的作用就像是栅栏一般,会阻隔掉与栅栏垂直的分量,只准许与栅栏平行的分量通过。所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看,会感觉像是戴了太阳眼镜 一般,光线变得较暗。但是如果把两片偏光板迭在一起,那就不一样了。当您旋转两片的偏光板的相对角度,会发现随着相对角度的不同,光线的亮度会越来越暗。 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时,光线就完全无法通过了.(请见图8) 而液晶显示器就是利用这个特性来完成的。利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间,充满液晶,再利用电场控制液晶转动,来改变光的行进方向,如此一来,不同 的电场大小,就会形成不同灰阶亮度了。(请见图9)

上下两层玻璃与配向膜(alignment film) 

        这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的。在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管 (Thin film transistor,TFT),而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter)。如果您注意到的话(请见图3),这两片玻璃在接触液晶的那一面,并不是光滑的,而是有锯齿状的沟槽。这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液 晶分子,会沿着沟槽排列。如此一来,液晶分子的排列才会整齐。因为如果是光滑的平面,液晶分子的排列便会不整齐,造成光线的散射,形成漏光的现象。其实这 只是理论的说明,告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面,做好处理,以便让液晶的排列有一定的顺序。但在实际的制造过程中,并无法将玻璃作成有如此的槽状的分 布,一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide),然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作,好让PI的表面分子不再是杂散分布,会依照 固定而均一的方向排列。而这一层PI就叫做配向膜,它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样,提供液晶分子呈均匀排列的接口条件,让液晶依照预定的顺序排列。

TN(Twisted Nematic) LCD 

        从图10中我们可以知道,当上下两块玻璃之间没有施加电压时,液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说,上下的配向膜的角度差恰为 90度.(请见图9) 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度,当入射的光线经过上面的偏光板时,会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时,由于液晶分子总共旋转了90 度,所以当光波到达下层偏光板时,光波的极化方向恰好转了90度。而下层的偏光板与上层偏光板,角度也是恰好差异90度.(请见图9) 所以光线便可以顺利的通过,但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时,由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε// >ε⊥,代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大,因此当液晶分子受电场影响时,其排列方向会倾向平行于电场方向.),所以我们从图10中 便可以看到,液晶分子的排列都变成站立着的。此时通过上层偏光板的单方向的极化光波,经过液晶分子时便不会改变极化方向,因此就无法通过下层偏光板。 

Normally white及normally black 

        所谓的NW(Normally white),是指当我们对液晶面板不施加电压时,我们所看到的面板是透光的画面,也就是亮的画面,所以才叫做normally white。而反过来,当我们对液晶面板不施加电压时,如果面板无法透光,看起来是黑色的话,就称之为NB(Normally black)。我们刚才所提到的图9及图10都是属于NW的配置,另外从图11我们可以知道,对TN型的LCD而言,位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直 的,而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已。对NB来说,其上下偏光板的极性是互相平行的。所以当NB不施加电压时,光线会因为液晶将之旋 转90度的极性而无法透光。为什幺会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢? 主要是为了不同的应用环境。一般应用于桌上型计算机或是笔记型计算机,大多为NW的配置。那是因为,如果你注意到一般计算机软件的使用环境,你会发现整个 屏幕大多是亮点,也就是说计算机软件多为白底黑字的应用。既然亮着的点占大多数,使用NW当然比较方便。也因为NW的亮点不需要加电压,平均起来也会比较 省电。反过来说 NB的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了。

 

STN(Super Twisted Nematic)型LCD

        STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的,其主要的差别在于 TN型的LCD,其液晶分子的排列,由上到下旋转的角度总共为90度。而STN型LCD的液晶分子排列,其旋转的角度会大于180度,一般为270度. (请见图12) 正因为其旋转的角度不一样,其特性也就跟着不一样。我们从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线可以知道,当电压比较低时,光线的穿透率很 高。电压很高时,光线的穿透率很低。所以它们是属于Normal White的偏光板配置。而电压在中间位置的时候,TN型LCD的变化曲线比较平缓,而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭。因此在TN型的LCD中,当 穿透率由90%变化到10%时,相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大。我们前面曾提到,在液晶显示器中,是利用电压来控制灰阶的变化。而在此TN 与STN的不同特性,便造成TN型的LCD,先天上它的灰阶变化就比STN型的LCD来的多。所以一般TN型的LCD多为6~8 bits的变化,也就是64~256个灰阶的变化。而STN型的LCD最多为4 bits的变化 也就只有16阶的灰阶变化。除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地方就是反应时间(response time) 一般STN型的LCD其反应时间多在100ms以上 而TN型的LCD其反应时间多为30~50ms 当所显示的影像变动快速时 对STN型的LCD而言 就容易会有残影的现象发生。

 

TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display)

        TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器,我们从一开始就提到 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶。而利用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转向的显示器,就叫做TFT LCD。从图8的切面结构图来看,在上下两层玻璃间,夹着液晶,便会形成平行板电容器,我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal)。它的大小约为0.1pF,但是实际应用上,这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面资料的时候。也就是说当TFT对这个电容充好电 时,它并无法将电压保持住,直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms的时间.) 这样一来,电压有了变化,所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上,会再加一个储存电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF),以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候。不过正确的来说,长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关。它主要 的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来。至于这个点要充到多高的电压,以便显示出怎样的灰阶。都是由外面的LCD source driver来决定的。

 

彩色滤光片(color filter,CF)

         如果你有机会,拿着放大镜,靠近液晶显示器的话。你会发现如图9中所显示的样子。我们知道红色,蓝色以及绿色,是所谓的三原色。也就是说利用这三种 颜色,便可以混合出各种不同的颜色。很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩。我们把RGB三种颜色,分成独立的三个点,各自拥有不同的灰阶变化,然 后把邻近的三个RGB显示的点,当作一个显示的基本单位,也就是pixel。那这一个pixel,就可以拥有不同的色彩变化了。然后对于一个需要分辨率为 1024*768的显示画面,我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel,便可以正确的显示这一个画面。在图9中,每一个RGB的点 之间的黑色部分,就叫做Black matrix。我们回过头来看图8就可以发现,black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分。比如像是一些ITO的走线,或是Cr/Al的走线,或者是TFT的部分。这也就是为什幺我们在图9中,每一 个RGB的亮点看起来,并不是矩形,在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分,这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。

图10是常见的彩色滤光片的排列方式。条状排列(stripe)最常使用于OA的产品,也就是我们常见的笔记型计算机,或是桌上型计算机等等。为什 幺这种应用要用条状排列的方式呢? 原因是现在的软件,多半都是窗口化的接口。也就是说,我们所看到的屏幕内容,就是一大堆大小不等的方框所组成的。而条状排列,恰好可以使这些方框边缘,看 起来更笔直,而不会有一条直线,看起来会有毛边或是锯齿状的感觉。但是如果是应用在AV产品上,就不一样了。因为电视信号多半是人物,人物的线条不是笔直 的,其轮廓大部分是不规则的曲线。因此一开始,使用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic,或是称为对角形排列)。不过最近的AV产品,多已改进到 使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列)。除了上述的排列方式之外,还有一种排列,叫做正方形排列。它跟前面几个不一样的地方在于, 它并不是以三个点来当作一个pixel,而是以四个点来当作一个pixel。而四个点组合起来刚好形成一个正方形。
背光板(back light,BL) 

        在 一般的CRT屏幕,是利用高速的电子枪发射出电子,打击在银光幕上的荧光粉,藉以产生亮光,来显示出画面。然而液晶显示器本身,仅能控制光线通过的亮度, 本身并无发光的功能。因此,液晶显示器就必须加上一个背光板,来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源。我们在图14中可以看到,组成背光板的主要零件 有灯管(冷阴极管),反射板,导光板,prism sheet,扩散板等等。灯管是主要的发光零件,藉由导光板,将光线分布到各处。而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进。最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙,将光线均匀的分布到各个区域去,提供给TFT LCD一个明亮的光源。而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转动,控制通过光线的亮度,藉以形成不同的灰阶。

框胶(Sealant)及spacer 

        在图14中另外还有框胶与spacer两种结构成分。其中框胶的用途,就是要让液晶面板中的上下两层玻璃,能够紧密粘住,并且提供面板中的液晶分子与外界的 阻隔,所以框胶正如其名,是围绕于面板四周,将液晶分子框限于面板之内。而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑,它必须均匀的分布在玻璃基板上,不 然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起,反而会阻碍光线通过,也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap),会成电场分布不均的现象,进而影响液 晶的灰阶表现.


开口率(Aperture ratio) 

        液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度,而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率是什幺 呢? 简单的来说就是光线能透过的有效区域比例。我们来看看图17,图17的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图。当光线经由背光板发射出来 时,并不是所有的光线都能穿过面板,像是给LCD source驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线,以及TFT本身,还有储存电压用的储存电容等等。这些地方除了不完全透光外,也由于经过这些地方的 光线 并不受到电压的控制,而无法显示正确的灰阶,所以都需利用black matrix加以遮蔽,以免干扰到其它透光区域的正确亮度。所以有效的透光区域,就只剩下如同图17右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域,与全部 面积的比例就称之为开口率。

当光线从背光板发射出来,会依序穿过偏光板,玻璃,液晶,彩色滤光片等等。假设各个零件的穿透率如以下所示:

偏光板:50%(因为其只准许单方向的极化光波通过) 
玻璃:95%(需要计算上下两片) 
液晶:95% 
开口率:50%(有效透光区域只有一半) 
彩色滤光片:27%(假设材质本身的穿透率为80%,但由于滤光片本身涂有色彩,只能容许该色彩的光波通过。以RGB三原色来说,只能容许三种其中一种通过。所以仅剩下三分之一的亮度。所以总共只能通过80%*33%=27%.) 

以上述的穿透率来计算,从背光板出发的光线只会剩下6%,实在是少的可怜。这也是为什幺在TFT LCD的设计中,要尽量提高开口率的原因。只要提高开口率,便可以增加亮度,而同时背光板的亮度也不用那幺高,可以节省耗电及花费。