古早味LCD~ 講古囉 TN LCDYo, 昨天談到顯示器的前世今生, 今天就來聊聊小弟比較熟悉的LCD 好了~

就從古早的TN聊起吧~多寫一些說不定可以出教科書~哈~

何謂LCD?

LCD全名為Liquid Crystal Display(液晶顯示器), 簡單說就是一種以液晶做為材料的顯示器. 液晶是一種介於固態與液態間之有機化合物, 也是一種具有規格性分子排列的化合物, 簡言之, 就如同字面上的意思, 是一種具有液態特形的結晶.

而LCD的基本原理是將液晶封在兩片玻璃中, 後施以電壓使上下玻璃產生電場的變化, 電場會改變兩片玻璃間液晶晶體的排列方向, 如此就可藉由控制電場來控制光線通過液晶的波動方向, 進而控制最後我們在顯示器前面所可以看到的光量.

再說詳細一點, 液晶顯示器主要是靠液晶的電光效應和偏光特性, 藉由外部的電壓控制, 再透過液晶分子的折射特性, 以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況, 進而達到顯像的目的. 偏光的涵義是指讓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度的單一濾光鏡片或薄膜所構成). 而LCD是在兩片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.

古早味LCD~ 講古囉 TN LCD

不知不覺好像說得太複雜了阿, 其實光線原本就是一個沒有固定波動方向光波, 在通過第一片偏光板的時候, 它的波動方向被過濾, 變成單一波動方向的光波, 這光波順著液晶晶體排列的方向前進, 接著再穿過第二片(相位與第一片偏光板成90度)的偏光板, 然後射出成為我們所看到顯示面板所發出的光. 而我們只需要改變液晶晶體排列的方向, 就可以決定光線通過第二片偏光板的光量. 而改變晶體排列方向的方式就在於施加電場的大小.

哈~ 突然想到這就好像惡靈古堡電影裡面最著名的一幕, 兩排互相垂直的雷射光幕, 若這兩道雷射光幕保持一定的距離, 而有一個可以任意變形的物體想穿過這兩道雷射光幕, 那它需要先變成垂直的扁平物體, 然後再旋轉90度成為水平的扁平物體才能通過. 所以光線和液晶顯示器的原理跟這個有點類似, 只是光線沒辦法變形, 只能在通過第一個偏光濾光器的時候, 把不同方向的波動過濾掉, 然後轉個方向透過另外一個偏光濾光器, 再被顯示器前面的我們所看到. 而要讓光線波動可以轉個方向就是藉由液晶晶體排列來達成啦~ 這樣解釋好像變複雜了, 哈~ 不過惡靈古堡好看!!
古早味LCD~ 講古囉 TN LCD

LCD 之種類

初期之LCD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). TN、STN及TFT LCD因其利用液晶分子扭轉原理不同, 在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低層次之差別, 使其在產品的應用範圍分類也有明顯區隔. 目前TFT已經成為市場上LCD主流技術, 架構於此技術上, 不同的TFT LCD 製造商又各自發展出不同種類的TFT LCD, 主要可分為TN TFT-LCD、VA TFT-LCD及IPS TFT-LCD. 由於成本優勢, 其中TN TFT-LCD更是當前市場上的主流.

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, 但由於TN LCD具有兩個重大缺點, 一是無法呈現黑、白兩色以外色調; 一是對比不佳, 故早期主要應用於小尺寸螢幕, 如:電子錶、呼叫器等. 當LCD 越做越大時其對比會越來越差, 因此使得各種新的技術陸續出現.
古早味LCD~ 講古囉 TN LCD

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, 其顏色除了黑、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.
古早味LCD~ 講古囉 TN LCD

TSTN LCD & FSTN 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.

TFT LCD

TFT-LCD 是Thin Film Transistor Liquid Crystal Display的縮寫(薄膜電晶體液晶顯示器). 那TFT-LCD如何點亮呢? 簡單說,TFT-LCD面板可視為兩片玻璃基板中間夾著一層液晶, 上層的玻璃基板為彩色濾光片 (Color Filter), 而下層的玻璃則有電晶體鑲嵌於上. 當電流通過電晶體產生電場變化, 造成液晶分子偏轉, 藉以改變光線的偏極性, 再利用偏光片決定畫素(Pixel)的明暗狀態. 此外, 上層玻璃因與彩色濾光片貼合, 形成每個畫素各包含紅藍綠三顏色, 這些發出紅藍綠色彩的畫素便構成了面板上的影像畫面.

TN TFT-LCD

低廉的生產成本使TN TFT-LCD成為了應用最廣泛的入門級液晶面板, 在目前市面上主流的中低階液晶顯示器中被廣泛使用. 目前我們看到的TN TFT-LCD面板多是改良型的TN+film. film即補償膜, 用於彌補TN面板可視角度的不足, 目前改良型TN面板的可視角度都達到160° 當然這是廠商在對比度為10:1的情況下測得的極限值, 實際上在對比度下降到100:1時, 圖像已經出現失真甚至偏色的狀況. 隨著新技術的發展應用與使用習慣的改變, 大視角應用需求將日益劇增, 如此一來, TN大視角色偏缺點就更為突顯, 尤其下視角更有灰階反轉現象發生, 這就是廣視角技術近來日益漸增的主要原因. 再者,TN面板提高對比度的難度較大, 直接暴露出來的問題就是色彩單薄, 還原能力差, 過渡不自然. 但TN面板的優點是由於輸出灰階級數較少, 液晶分子偏轉速度快, 反應時間容易提高. 目前市場上反應速度在5ms以上之液晶產品, 基本上都採用的是TN面板. Yo~ 不知不覺又寫了這麼多… 改天再來聊聊廣視角技術好啦~

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