四、液晶顯示陰極射線管(CRT)平板顯示(FlatPanelDisplay，FPD)顯示技術液晶顯示(LCD)等離子體顯示(PDP)電致發光顯示(ELD)其他顯示投影顯示真空熒光顯示電致變色顯示4.1液晶

液晶(LiquidCrystal)是一種介于固態和液態之間的物質，是具有規則性分子排列的有機化合物。如果把它加熱會呈現透明的液體狀態，把它冷卻則會出現結晶顆粒的混濁固體狀態。①低壓微功耗；液晶特點②平板型結構；③被動顯示型（無眩光，不刺激人眼，不會引起眼睛疲勞）；④顯示信息量大（因為像素可以做得很小）；⑤易于彩色化（在色譜上可以非常準確的復現）；⑥無電磁輻射（對人體安全，利于信息保密）；⑦長壽命（這種器件幾乎沒有什么劣化問題，因此壽命極長，但是液晶背光壽命有限，不過背光部分可以更換）

液態晶體的首次發現，距今已經度過一百多個年頭了。1888年，奧地利的植物學家Friedrich

Reinitzer所發現，其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl

benzoate)

的融解行為時發現，此化合物加熱至145.5℃時，固體會熔化，呈現一種介于固相和液相間的半熔融流動白濁狀液體。這種狀況會一直維持溫度升高到178.5℃，才形成清澈的等方性液態(isotropic

liquid)。1889年，研究相轉移及熱力學平衡的德國物理學家O.Lehmann，對此化合物作更詳細的分析。他在偏光顯微鏡下發現，此黏稠之半流動性白濁液體化合物，具有異方性結晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學性質，即光學異相性(optical

anisotropic)。故將這種似晶體的液體命名為液晶。

此后，科學家將此一新發現的性質，稱為物質的第四態-液晶(liquid

crystal)。

它在某一特定溫度的范圍內，會具有同時液體及固體的特性。

一般以水而言，固體中的晶格因為加熱，開始吸熱而破壞晶格，當溫度超過熔點時便會溶解變成液體。而熱致型液晶則不一樣，當其固態受熱后，并不會直接變成液態，會先溶解形成液晶態。當持續加熱時，才會再溶解成液態。這就是所謂二次溶解的現象。

而液晶態顧名思義，它會有固態的晶格，液態的流動性。

當液態晶體剛發現時，因為種類很多，

所以不同研究領域的人對液晶會有不同的分類方法。各種熱致型液晶分布的溫度范圍向列液晶(NematicLC)層狀液晶(NematicLC)4.2液晶分類膽固醇液晶(CholestericLC)碟狀液晶(DiscticLC)溶致液晶(LypotropicLC)，要溶解在水中或有機溶劑中才顯示出液晶狀態.從液晶產生的條件熱致液晶(ThermotropicLC)，在一定溫度范圍內呈現出液晶狀態。

其結構是由液晶棒狀分子聚集一起,

形成一層一層的結構。其每一層的分子的長軸方向相互平行。且此長軸的方向對于每一層平面是垂直或有一傾斜角。由于其結構非常近似于晶體,

所以又稱做近晶相。在層狀型液晶層與層間的鍵結會因為溫度而斷裂，所以層與層間較易滑動。但是每一層內的分子鍵結較強，所以不易被打斷。因此就單層來看，其排列不僅有序且黏性較大。①層狀液晶(SmecticLiquidCrystals)層狀液晶（SmecticLiquidCrystals）②向列相(NematicLiquidCrystals)

液晶分子只有一維有序，分子長軸相互平行，但不排列成層，它能上下、左右、前后滑動，只在分子長軸方向上保持相互平行或近于平行，分子間短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和運動比較自由，對外界電、磁、溫度、應力都比較敏感。

它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的.

但有些沒有膽固醇結構的液晶也會具有此液晶相。這種液晶如果把它的一層一層分開來看，會很像線狀液晶。但是在Z軸方向來看，會發現它的指向矢會隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當其指向矢旋轉360度所需的分子層厚度就稱為螺距(pitch)。正因為它每一層跟線狀液晶很像，所以也叫Chiral

nematic

phase。③膽固醇液晶(CholestericLC)膽固醇液晶(Cholesteric)1970年才發現的的碟型

(discotic)液晶，是具有高對稱性原狀分子重疊組成的向列型或柱行系統。④碟狀液晶(DiscticLC)4.3液晶的光學特性介電系數ε(dielectric

permittivity)

可以將介電系數分開成兩個方向的分量,

分別是ε//

(與指向矢平行的分量)與ε⊥(與指向矢垂直的分量)。

當ε//

>ε⊥

便稱之為介電系數異方性為正型的液晶,

可以用在平行配位.

而ε//

<ε⊥

則稱之為介電系數異方性為負型的液晶,

只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應.

當有外加電場時，液晶分子會因介電系數異方性為正或是負值，來決定液晶分子的轉向是平行或是垂直于電場,

來決定光的穿透與否。現在TFT

LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數正型的液晶.

當介電系數異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的時候,

則液晶的臨界電壓(threshold

voltage)就會越小.

這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作.

折射系數(refractive

index)由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長軸平行或垂直方向上的物理特性會有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數一樣,

折射系數也依照跟指向矢垂直與平行的方向,

分成兩個方向的向量.

分別為n

//

與n⊥.

此外對單光軸(uniaxial)的晶體來說,

原本就有兩個不同折射系數的定義.

一個為no

,它是指對于ordinary

ray的折射系數,

所以才簡寫成no

.而ordinary

ray是指其光波的電場分量是垂直于光軸的稱之.

另一個則是ne

,它是指對于extraordinary

ray的折射系數,

而extraordinary

ray是指其光波的電場分量是平行于光軸的.

同時也定義了雙折射率(birefrigence)Δn

=

ne-no為上述的兩個折射率的差值.

依照上面所述,

對層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長的像棒狀,

所以其指向矢的方向與分子長軸平行.

再參照單光軸晶體的折射系數定義,

它會有兩個折射率，分別為垂直于液晶長軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長軸方向n

//(=

no)兩種，所以當光入射液晶時，便會受到兩個折射率的影響，造成在垂直液晶長軸與平行液晶長軸方向上的光速會有所不同。若光的行進方向與分子長軸平行時的速度,

小于垂直于分子長軸方向的速度時，這意味著平行分子長軸方向的折射率大于垂直方向的折射率(因為折射率與光速成反比)，也就是ne-no

>

0

.所以雙折射率Δn

>

0

,我們把它稱做是光學正型的液晶,

而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學正型的液晶.

倘使光的行進方向平行于長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn

<

0.我們稱它做是光學負型的液晶.

而膽固醇液晶多為光學負型的液晶.

對于液晶的光電特性來說,

除了上述的兩個重要特性之外,

還有許多不同的特性.

比如說像彈性常數(elastic

constant

:κ11

,

κ22

,

κ33

),

它包含了三個主要的常數,

分別是,

κ11

指的是斜展(splay)的彈性常數,

κ22

指的是扭曲(twist)的彈性常數,

κ33

指的是彎曲(bend)的彈性常數.

另外像黏性系數(viscosity

coefficients

,η

),

則會影響液晶分子的轉動速度與反應時間(response

time),

其值越小越好.

但是此特性受溫度的影響最大.

另外還有磁化率(magnetic

susceptibility),

也因為液晶的異方性關系,

分成c

//

與c⊥

.而磁化率異方性則定義成Δc

=

c

//

-c⊥

.

此外還有電導系數(conductivity)等等光電特性.顯示用液晶都是一些有機化合物，液晶分子呈現棒狀，寬約十分之幾納米，長約數納米，長度約為寬度的4~8倍。液晶分子有較強的電偶極矩，易于極化。液晶分子間作用力較固體弱，液晶分子容易呈各種狀態，微小的外部能量就能實現各分子狀態間的轉變，從而引起它的光、電、磁的物理性質發生變化，液晶就是利用其光學性質變化。4.4偏振器4.5TN型LCD(TwistedNematicLiquidcrystaldisplay)

圖可以知道,

當上下兩塊玻璃之間沒有施加電壓時,

液晶的排列會依照上下兩塊玻璃的配向膜而定.

對于TN型的液晶來說,

上下的配向膜的角度差恰為90度，所以液晶分子的排列由上而下會自動旋轉90度,

當入射的光線經過上面的偏光板時,

會只剩下單方向極化的光波.

通過液晶分子時,

由于液晶分子總共旋轉了90度,

所以當光波到達下層偏光板時,

光波的極化方向恰好轉了90度.

而下層的偏光板與上層偏光板,

角度也是恰好差異90度。所以光線便可以順利的通過,

但是如果對上下兩塊玻璃之間施加電壓時,

由于TN型液晶多為介電系數異方性為正型的液晶(ε//

>ε⊥),

所以從圖中便可以看到,

液晶分子的排列都變成站立著的.

此時通過上層偏光板的單方向的極化光波,

經過液晶分子時便不會改變極化方向,

因此就無法通過下層偏光板.NW(Normally

white),是指當對液晶面板不施加電壓時,

所看到的面板是透光的畫面,

也就是亮的畫面,

所以才叫做normally

white.

而反過來,

當對液晶面板不施加電壓時,

如果面板無法透光,

看起來是黑色的話,

就稱之為NB(Normally

black).

為什么會有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢?

主要是為了不同的應用環境.

一般應用于桌上型計算機或是筆記型計算機,

大多為NW的配置.

那是因為,

如果你注意到一般計算機軟件的使用環境,

你會發現整個屏幕大多是亮點,

也就是說計算機軟件多為白底黑字的應用.

既然亮著的點占大多數,

使用NW當然比較方便.

也因為NW的亮點不需要加電壓,

平均起來也會比較省電.

反過來說

NB的應用環境就大多是屬于顯示屏為黑底的應用了.STN(Super

Twisted

Nematic)型LCD

STN

LCD與TN型LCD在結構上是很相似的,

其主要的差別在于

TN型的LCD,其液晶分子的排列,

由上到下旋轉的角度總共為90度.

而STN型LCD的液晶分子排列,

其旋轉的角度會大于180度,

一般為270度.(請見圖12)

正因為其旋轉的角度不一樣,

其特性也就跟著不一樣.

從圖13中TN型與STN型LCD的電壓對穿透率曲線可以知道,

當電壓比較低時,

光線的穿透率很高.

電壓很高時,

光線的穿透率很低.

所以它們是屬于Normal

White的偏光板配置.

而電壓在中間位置的時候,

TN型LCD的變化曲線比較平緩,

而STN型LCD的變化曲線則較為陡峭.

因此在TN型的LCD中,

當穿透率由90%變化到10%時,

相對應的電壓差就比STN型的LCD來的較大.

前面曾提到,

在液晶顯示器中,

是利用電壓來控制灰階的變化.

而在此TN與STN的不同特性,

便造成TN型的LCD,先天上它的灰階變化就比STN型的LCD來的多.

所以一般TN型的LCD多為6~8

bits的變化,

也就是64~256個灰階的變化.

而STN型的LCD最多為4

bits的變化

也就只有16階的灰階變化.

除此之外STN與TN型的LCD還有一個不一樣的地方就是反應時間(response

time)

一般STN型的LCD其反應時間多在100ms以上

而TN型的LCD其反應時間多為30~50ms

當所顯示的影像變動快速時

對STN型的LCD而言

就容易會有殘影的現象發生4.6TFT型液晶顯示器(Thin

film

transistor

liquid

crystal

display)

TFT

LCD叫做薄膜晶體管液晶顯示器，液晶顯示器需要電壓控制來產生灰階。而利用薄膜晶體管來產生電壓,以控制液晶轉向的顯示器,

就叫做TFT

LCD.

在上下兩層玻璃間,

夾著液晶,

便會形成平行板電容器,

稱之為CLC(Capacitor

of

liquid

crystal).

它的大小約為0.1pF,

但是實際應用上,

這個電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數據的時候.

也就是說當TFT對這個電容充好電時,

它并無法將電壓保持住,

直到下一次TFT再對此點充電的時候.(以一般60Hz的畫面更新頻率,

需要保持約16ms的時間.)

因此，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確。一般在面板的設計上,

會再加一個儲存電容CS(storage

capacitor

,0.5pF),

以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候.

不過正確的來說,

長在玻璃上的TFT本身,只是一個使用晶體管制作的開關.

它主要的工作是決定LCD

source

driver上的電壓是不是要充到這個點來.

至于這個點要充到多高的電壓,

以便顯示出怎樣的灰階.

都是由外面的LCD

source

driver來決定的.TFT結構圖彩色濾光片(Colorfilter,CF)

用放大鏡靠近液晶顯示器，你會發現圖中所顯示的樣子。紅色、藍色及綠色,是所謂的三原色。利用這三種顏色，便可以混合出各種不同的顏色。很多平面顯示器就是利用這個原理來顯示出色彩.我們把RGB三種顏色,分成獨立的三個點,各自擁有不同的灰階變化,然后把鄰近的三個RGB顯示的點,當作一個顯示的基本單位,也就是pixel。那這一個pixel,就可以擁有不同的色彩變化了。然后對于一個需要分辨率為1024*768的顯示畫面,我們只要讓這個平面顯示器的組成有1024*768個pixel,便可以正確的顯示這一個畫面。在圖中,每一個RGB的點之間的黑色部分,就叫做Blackmatrix，blackmatrix主要是用來遮住不打算透光的部分.比如像是一些ITO的走線,或是Cr/Al的走線,或者是TFT的部分.這也就是為什么在圖15中,每一個RGB的亮點看起來,并不是矩形,在其左上角也有一塊被blackmatrix遮住的部分,這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。背光板(Backlight,BL)在一般的CRT屏幕,是利用高速的電子槍發射出電子,打擊在銀光幕上的熒光粉,藉以產生亮光,來顯示出畫面.然而液晶顯示器本身,僅能控制光線通過的亮度,本身并無發光的功能.因此,液晶顯示器就必須加上一個背光板,來提供一個高亮度,而且亮度分布均勻的光源.我們在圖14中可以看到,組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管),反射板,導光板,prismsheet,擴散板等等.燈管是主要的發光零件,藉由導光板,將光線分布到各處.而反射板則將光線限制住都只往TFTLCD的方向前進.最后藉由prismsheet及擴散板的幫忙,將光線均勻的分布到各個區域去,提供給TFTLCD一個明亮的光源.而TFTLCD則藉由電壓控制液晶的轉動,控制通過光線的亮度,藉以形成不同的灰階.框膠(Sealant)及Spacer在圖中另外還有框膠與spacer兩種結構成分.其中框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃,能夠緊密黏住,并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞于面板四周,將液晶分子框限于面板之內.而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐,它必須均勻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,反而會阻礙光線通過,也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap),會成電場分布不均的現象,進而影響液晶的灰階表現.開口率(Apertureratio)

液晶顯示器中有一個很重要的規格就是亮度,而決定亮度最重要的因素就是開口率.開口率是是光線能透過的有效區域比例.圖17左邊是一個液晶顯示器從正上方或是正下方看過去的結構圖.當光線經由背光板發射出來時,并不是所有的光線都能穿過面板,像是給LCDsource驅動芯片及gate驅動芯片用的信號走線,以及TFT本身,還有儲存電壓用的儲存電容等等.這些地方除了不完全透光外,也由于經過這些地方的光線并不受到電壓的控制,而無法顯示正確的灰階,所以都需利用blackmatrix加以遮蔽,以免干擾到其它透光區域的正確亮度.所以有效的透光區域,就只剩下如圖右邊所顯示的區域而已.這一塊有效的透光區域,與全部面積的比例就稱之為開口率.

當光線從背光板發射出來,會依序穿過偏光板,玻璃,液晶,彩色濾光片等等.假設各個零件的穿透率如以下所示:偏光板:50%；玻璃:95；液晶:95%；開口率:50%(有效透光區域只有一半)；彩色濾光片:27%(假設材質本身的穿透率為80%,但由于濾光片本身涂有色彩,只能容許該色彩的光波通過.以RGB三原色來說,只能容許三種其中一種通過.

以上述的穿透率來計算,從背光板出發的光線只會剩下6%,實在是少的可憐.這也是為什么在TFTLCD的設計中,要盡量提高開口率的原因.只要提高開口率,便可以增加亮度,而同時背光板的亮度也不用那么高,可以節省耗電及花費.背光源

冷陰極螢光燈管(ColdCathodeFluorescentLamp)，簡稱CCFL。

LED背光源CoststructureinLCD

成本透過率分析光通過LCD的透過率在5%-7%之間，顯示器在5%，LCDTV透過率要大些，由于其像素尺寸較大。偏振片和CF吸收了大部分光，差不多90%。背光源是LCD的光引擎，研究背光源的主要目的就是要減少光的損失，提高光利用率。背光源決定了顯示屏的亮度，它在液晶顯示器件的總功耗中可達2/3。所以為降低總功耗必須提高背光的利用率。背光源的作用及特性

作用所謂背光源（BackLight）是位于液晶顯器（LCD）背后的一種光源，它的發光效果將直接影響到液晶顯示模塊（LCM）視覺效果。液晶顯示器本身并不發光，背光源的作用就是把線光源發出的光通過漫反射使之成為面光源特性要求NOTE：背光源最重要的指標是亮度，均勻性，發光效率（功耗），和色域。CCFL背光源發光原理