液晶显示器的原理(全)

============================================ 1.1?LCD ：全名為L iquid C rystal D isplayer

1.2?LC之三態：a. 固態(低於-50℃)：LC 分子結合性強,無法動作！

b.液晶態(介於兩者之間)：LC 具有旋光之作用，可改變光行進的方向。

(一般而言=> -20℃~ +20℃)

c. 液態(高於100℃)：LC 活動力大，外加電場無法控制！

因此，針對LC獨特的特性，一般至少會要求到70~80℃，以符合實用性。

1.3?LC Moudule 共包含下列三個unit：

<1> Backlight Moudule

<2> LCD

<3> Control Board & Drive IC

<1> Backlight Moudule 背光模組

LC本身是不發光的！

當Monitor內燈管點亮時，透過背光板模組內的導光板將光線導入，最後經由稜鏡及擴散板均勻釋出光線，使光源進入LCD內。

若背光板模組反射出的光源為100%時,則最終人眼所看到的部份,也只不過是約略小於10% 左右的光罷了!

<2> LCD 液晶面板模組

由光行進的方向共可分為下列細目：

下偏光板→下玻璃層(Glass Substrate)→顯示電極→下配向膜→Cell Structure →上配向膜→共通電極→RGB 彩色濾光片(Color Filter)→上玻璃層→上偏光板

A). 下偏光板：

將進來的光濾除一半的光源(僅保留與光行進方向相同的分量)，濾光的效果

就如同光線經過百葉窗般的情形一樣！

Note：上偏光板與下偏光板的位置是呈垂直的關係！

a). 光線首先經過下偏光板，垂直部份的分量被濾除，僅剩下水平分量的光。

b). 再進到LCD後，由於LC因無外加電場，所以未造成旋光效果，水平分量的光

自然便順利地通過了！

c). 最後，水平分量的光到達了上偏光板時，因為與下偏光板成垂直的關係，

所以水平分量的光對它而言也就變成了垂直分量的光，自然就會被濾掉了！

d). 經過一連串的過程，在最外層的面板，也就黑鴉鴉的一片，看不到任何東西

PS：偏光板的成份為高分子聚合物！

B). 上、下玻璃層：

當光線順利通過時，在玻璃層內是被壓縮的！所以光的活動力較差。

C). 顯示、共通電極：用來外加電場，控制LC的轉向。

(LC層呈現如彈簧拉開時的螺旋狀)，光就隨著呈現螺旋狀的LC層而跟著改變了它行進

的方向，我們就是利用這種現象來控制LC，達到旋光的效果。

D). 上、下配向膜：

因外加電場後可控制LC站立起來而達到旋光的效果，所以LC到底是從哪一方向由

平躺的狀態而站起來便會有所爭議。

透過Rubbing(定向)的處理，使得放置LC的表面有一層組織，讓LC可先行傾斜

一個角度，方便加上電場後的控制方向，同時在LC排列的速度上也會比較快！

因此，這個角度，就稱之為預傾角(Pre-tilt)。

這層組織就稱之為配向膜(Alignment layer)。

E). Cell Structure：

寬度約為5~6 μm，而一個LC的寬度約為數百? (1 ?=10-10 m)

故在Cell 內，可以排成數千層的LC。

排列在一起的多層LC，就如同一堆擁擠的人群一般，當LC開始被拉起而改變角度時，

周遭的LC也會因為牽引的關係，被迫運轉起來。一旦所有的LC運動後，

此時的LC層便會像是個拉長的彈簧，光會因為被改變行進方向而隨勢而上了！

拉長的彈簧會因為拉扯的外力消失而反彈回來！

同理，當所外加的電場消失後，LC層就會從站立起到恢復成初始狀態，

LC也就躺了下來！

◎所以LC層從拉長到恢復,需要有個時間，此即為反應時間(Response Time)。

F). Color Filter 彩色濾光片

讓預先設定好的電場加入，使得LC層旋轉一個角度後(變成螺旋狀)，造成光的行進

方向改變。當光來到Color Filter後，

就依照經過LC層所旋轉而改變的角度，來決定是要以何種色彩呈現！

1.4?各家的LCD製造商因為在灌入LC時，會另外加上其它溶劑(配方)。

最主要的是著眼於LC三態中的液晶態所能維持的操作溫度,使之更達到實用性。

另一方面，加入其他配方，更可修改LC的參數特性，分別如下：

<1> Δn：雙折射率=> 關係LCD的視角(View Angle)

由於LC呈橢圓狀，具有長軸及短軸不等長的關係，因此，當光進入到LC後，

便會因為這樣的關係而造成不同的折射率，進而造成不同的視角。

<2> Δε：介電常數=> 控制電場強度

<3> η：黏滯係數=> 關係LC在站立旋轉時,同時拉起相鄰LC的程度

<4> K ii ：彈性係數=> 關係LC初始狀態恢復時的反應時間(Response Time).

各家雖然配方都有所不同，但大多都包含下列兩種主要的元素：CN(氰基)、F(氟)

而在國內最大配方調配代工者=> 台灣默克公司

2.1?LC的形成

介於固態及液態之間的狀態，稱之為液晶態。

<1> 溫度使然

<2> 加入其他溶劑(配方)

各家雖然配方都有所不同，但大多都包含下列兩種主要的元素：

CN(氰基)、F(氟)

加入配方，更可修改LC的參數特性，如下所示：

a.Δn ：雙折射率=> 關係LCD的視角(View Angle)

Δn越小越好，一般而言，約為0.08~0.10之間。

b.Δε: 介電常數=> 控制電場強度

c.η: 黏滯係數=> 關係LC在旋轉時，同時拉起相鄰LC的程度。

d.K ii : 彈性係數=> 關係LC初始狀態恢復時的反應時間(Response Time)。

在大自然中，棒狀、橢圓狀的物質只要符合下面的規則，則較易形成LC。

規則：

d

d / L < 0.1

2.2?LCD的最大限制

a. 視角(View Angle)：由Δn (雙折射率)決定

因為LC呈橢圓狀，具有長軸及短軸不等長的關係。因此，當光進入到LC後，便會因為這樣的關係而造成不同的折射率，進而造成不同的視角。

[改善]

<1> 光學補償法

(a) 光學補償板

(b) 背光板散射

<2> Rubbing

做預傾角(Pre-tilt)放置LC

<3> IPS：在同一平面旋轉(日立的專利)

b. 反應時間(Response Time)：由K ii (彈性係數)決定

排列在一起的多層LC ，就如同一堆擁擠的人群一般，當LC 開始被拉起而改變角度時，周遭 的LC 也會因為牽引的關係，被迫運轉起來，一旦所有的LC 運動後，

此時的LC 層便會像是個拉長的彈簧，光會因為被改變行進方向而隨勢而上了！ 拉長的彈簧會因為拉扯的外力消失而反彈回來！

同理，當所外加的電場消失後， LC 層就會從站立起到恢復成初始狀態，LC 也就躺了下來！ 所以LC 層從拉長到恢復，需要有個時間,此即為反應時間(Response Time)。

關係式 :

其中:

τR : 反應時間 d : 板子的厚度 V: 實際加上去的電壓

2.3?背光源CCFL 原理： 不可加DC 電壓! [理由]：

DC 電壓使用後，就會因為能量累積而產生高熱,，LCD 燈管的壽命就會受損！

[

2.4?

η V

τR = ─────────── 又 E = ─────────

Δε˙E 2 d 所以: η˙d 2 τR = ───────── Δε˙V 2 所以,你要反應時間快嗎?

你將可以 => 縮小板子的厚度 你也可以 => 增大所加上的電壓

你還可以 => 更改配方降低LC 的黏稠度

[Note]

光是一種含有粒子、波等多種物質成份組合而成的一個物理量。

Backlight Moudule (背光模組)

============================================

<1> 燈管： 不是柱狀的，是線狀燈管。

<2> 反射板(Texture)：為了把燈管的光源反射到LCD ，所以不能有漏光的現象。 薄薄的一層板，看起來像張白紙似的！

<3> 導光板

光源

重點在於：

PAD 的設計 => 可以改變出光的角度！

<4> Lens

但出光時因為折射角的不同,總會有很多奇奇怪怪的角度,如下所示: 唉~亂七八糟的….

這個時候我們偷偷再加上一層Lens 來看看會有什麼不同:

哈！哈！

將原來所有不同出光角度的光，都給整整齊齊的排好了(光與Lens呈現垂直的關係…)

不過喔~ 還有個疑問？

看到了上面的這個圖，發覺在某些個地方光線是集中在一起的，而某些的地方的光卻是稀稀疏疏的！

是不是還少了些什麼?

讓我們再看下去…

<5> 擴散板

我們最後呢，加上擴散板，再來觀察看看….

這樣可能看不清楚!

我們從上往下來看看好了…<= 哇！好均勻的光線…

LC 線型 －－－－－－－－－－> 橢圓型

果然跟我們猜測的沒錯！

最後加上的這一層物質，最主要的就是把光線利用擴散的原理，將光源平均地分佈在 背光模組上，而這一層物質就叫做擴散板。

因此，我們在評估背光模組時，便以均齊度(uniformity)來評估其發光效率。 [燈管發光原理]

發光的過程，如同能量的轉換！

當我給一個能量(電能)，經過轉換後，就會變成光這種型式的能量！ 但~

若給的是DC 電壓時，會因為能量的累積而產生高熱，燈管的壽命就會受損！ 所以一般在實用上採用高頻率之AC 電壓，搭配冷陰極燈管(CCFL)，

使得能量的累積不會像使用DC 電壓來的大，燈管使用的年限自然可增長！ 目前LCD 線燈管所使用的AC 電壓源的規格為： 2KV / 30K ~ 70 KHz

在加入高頻AC 電壓到燈管的電極時，在高電壓端釋放出高能電子撞擊到汞原子，而釋放出能量。 而此能量有一部份便以光的型式放出！

但是，在燈管內也不是所有多餘的能量都會轉化為可見光。 目前僅只有6%的量為人眼所能看到之可見光， 剩下的94%左右是以不可見光(UV)的型式出現….

所以一般在燈管內會塗佈螢光劑來將不可見光轉換成可見光，增加可見光的亮度！ 不過要注意的一點是：

a.) 增加螢光劑的濃度 => 可提高可見光的亮度

b.) 增加汞蒸氣的濃度 => 可提高可見光的亮度

不過，所要付出的代價卻是 => 會降低燈管的壽命! [補充] 光的旋光現象

概括來說，是個偏光的效果!

利用LC 的長軸與短軸有著不同的折射率，自然就會有者不同的光速。 若用投影方式表示即為橢圓型。

LCD 的製程

===================================== ◎Look into color TFT LCD

[色彩的概念]

1 pixel = 3 dots

8 bits 8 bits 8 bits

True color (24 bits) => 16.7百萬色 R: 28=256 G: 28=256 B: 28=256

[LCD製程]

a.)

b.)

ITO：氧化銦銻(一般而言，阻抗約為幾十Ω。)

若阻抗太大，則工作時會有過熱(Heat up)的現象！

?完成了之後，就具有導電的功能！

c.) 製作電極(electrode)

(1) 先塗光阻

(2) 作光罩(photo mask)

?用黃光(這個過程跟在洗電路板很像)

ITO

OK了之後，跟上圖一樣！規劃出很多的位置…

(3) 經過蝕刻之後

Top View (黑線=> 被吃掉的部份)

Side View

(4) 用相同的方式，再製作一塊！

Top View

Side View

Side View

<= 灌入 LC

Top View

電極 放置LC 的地方 (顯示電極)

[一個Pixel 的a-Si TFT 電極結構]

如同一個二維的矩陣 ( 2-D LC Matrix)

1.) 當要外加電壓來控制某一個Pixel時，只要送Row signal & Column signa l這兩個訊號即可….

2.) 我們所灌入的LC便是放置在顯示電極上(Display Electrode)。若顯示電極的面積越大，

則LCD所發出的光越亮！因此，顯示電極上的開口率即為相當重要的關鍵….

3.) TFT：T hin F ilm T ransistor (薄膜電晶體)

平常我們所談論的液晶顯示器，大多是指由Amorphous – Silicon (非晶矽)所製造而成的LCD。

又稱之為a-TFT。

4.) 非晶矽型與多晶矽型TFT的差異

a. Amorphous – Silicon TFT(非晶矽型TFT)

(1) 電子移動率約為55

(2) 不易導電

(3) Panel Size 有限制.

b. Poly-Silicon TFT(多晶矽型TFT)

(1) 電子移動率約為500，遠大於a-TFT

(2) 易導電

(3) Panel Size可作的很小

c. 高解析、高亮度、Low cost

(因為電極可做的很小，所以開口率自然提高，亮度及解析度更可提昇！)

d. 可減少Component數目(因為可將Driver IC 線路coating在glass上)

[Note]

(a) 目前國內所投入生產的多為a-TFT型LCD

(b) 由統一及光寶所共同投資所組成的統寶公司是目前國內唯一一家發展多晶矽型TFT

的廠商。

[其他]

1.) 發光時，要注意不要讓電極在面板上被看到，所以要加遮光片，方法有下列三種：

?在Color Filter出來前，僅RGB Filter處可透光，其餘遮住。

?在下層Glass-Substrate中，a-Si TFT的正下方處遮光。

?在上層Glass-Substrate中，a-Si TFT的正上方處遮光。

2.) 在Panel所發現的NG

(a) 漏光：該遮的沒遮到

(b) CrossTalk：一點亮、一點不亮的現象

(c) Moire v.s Mura

CRT LCD

Topics: 液晶驅動原理與配向

===================================== ◎液晶驅動原理

Field OFF Δε=ε// - ε┴ > 0 Field ON

1.) 未加上電場時 (Field OFF)

因為LC 與Glass-Substrate 以及LC 與LC 之間有作用力的關係，所以LC 自己本身就會自 我隨機的排列。

2.) 加上電場後 (Field ON)

LC 因為垂直電場的吸引，便一一的翹起，而且有規則性的排列了起來…

[PS]

電場?

是AC? 還是DC 呀?

實際上是Video Signal 喔…

你還以為要加幾伏特的電啊？………..別傻了！

接著我們不禁要問：

LC 是如何翹起來的？

翹起來有多快？ (跟吃威而鋼一樣嗎？…) 不翹的時候呢？ 回復的快不快啊？

趕快來看下一個主題吧….

電極

液晶電極有作用力!

◎配向與配向模結構

============================================ 1.) 『配向』是啥麼碗糕?

配向(Orientation)，就是使LC在一開始排列的時候，有一個固定的方向

2.) 為什麼我們要作『配向』?

這就說來話長啦……但是我們先來討論另一個有趣的問題！

（色度不均勻）

回顧下面的這個示意圖：

實際上光線經過LC時是這樣的，

橢圓光

LC

不過，如果要嚴格說起來的話，經由下偏光板出來的線光源，在通過下玻璃層光線被壓縮後，

所通往LC的光，就已稍稍從線性光變了型，而略顯得有點橢圓的狀態！

光線從LC出來到達RGB Color Filter時，當形狀已經變成橢圓光的話，那麼會造成RGB的色度不均，當然也別指望在面板上會有很好的顯影了…

[解決之道]

另外再加上一層相位補償片補強，將光再回轉成線性光！

所以說囉，單是這個色度不均的問題就夠我們頭大了，而LC本身就是一個極性的物質，即使不加電場給它，它依然會隨意地排列起來！

如果是這樣的話，那就不只是色度不均加上一層相位補償片所可以解決的…

?那就把LC排列的問題給搞定吧！

（配向）

當不加電場時，LC是橫向隨意排列的，若加上一個垂直電場後，LC會翹起來！

?不事先控制好的話，會亂亂翹！

?那就許它個初始角度吧…

?這就是配向！

?ㄚ這個角度就叫做預傾角(Pre-tilt)

好處在哪？

就翹的快啊！而且反應時間(Response Time)可以縮短，視角(View Angle)可提昇。

那我可不可以將角度作大一點?

這樣翹得更快…..哈哈！真是太聰明了說! ^_^

=======> 千萬不可以!

[理由]

Pre-tilt不可以作的太大，不然會有後遺症。

a.) 在訊號還沒送來時，會有漏光的現象。

b.) 顯示是一種對比的現象，若背景太亮,則會造成所要顯示的pattern太暗，

那麼就看不清楚了！

所以,一般而言約為2°~ 7°，來看看下面各類LCD的角度：

a.) TN → 2°~ 5°

b.) STN → 5°~ 8°

c.) TFT →更高！[Note] 低的預傾角配向→可提高對比度！

既然配向這麼重要，緊接著就來介紹配向的方法….

方法共有兩種：

☉溝槽理論

☉凡得瓦力理論

☉溝槽理論

專業的說法，叫做Rubbing(定向磨擦)。

(當然，這可不是隨便的毛刷…..喂！別太執著字面上的解釋啦！)

如果到過自動洗車廠，那你一定會瞭解的…….沒去看過的話，就將就點,參考下面的這個圖吧…

a.) 目前Rubbing的材質 聚亞酸銨(Polyimide;PI)

(1) 優點:不易溶(熔)化、耐高溫、耐腐蝕

(2) 缺點:很難弄上去、不易清洗、易造成污染.

b.) 怎麼弄上去的？

(1) 往右斜上刷去：(2) 往左斜上刷去：

(2) Multi-domain(往兩個斜上方刷去)；

= +

(上基板)(下基板)

會稱之為Multi-domain的原因也就在此,刷了兩次，共分為四個區域。

c.) 衍生出來的問題

既然是用磨擦的方式,就會有兩個問題產生:

(1) 毛刷可能有雜質→造成畫面會有一點一點的現象

(2) 產生靜電→這才是最嚴重的！會使得LC離子化,產生DC電壓。

由於LC的等效電路如同個電容器，具有高阻抗的特性(Z≧1010Ω),所以LCD很省電(只要電壓，不要電流！)

當離子化後,阻抗↓,耗電量↑

→電壓保持率(Voltage Hold Rate;VHR)差，會造成顯示特性的惡化！

(一般希望VHR≒98% ~ 99%)

這就像電容一樣：

R值最小

時間

在電容兩端如果已加上一個電壓後，是不會馬上消失的！

不過放電的速度，是由R值來決定的。

d.) 改善：

用紫外線光(UV)配向→不需磨擦(非接觸型)

→照射的時間、角度決定LC初始之角度

[缺點]

大尺寸有困難!

[補充] LCD定向製程

(1) 前洗淨

(2) 上配向膜(PI)

(3) 定向(Rubbing)

(4) 後洗淨

☉凡得瓦力理論

哇！用外國人的名字命名，一定很了不起……

事實上，沒那麼偉大啦！換個名字，你就“聊改” 啦！

我們呢，就把它叫做“阿港伯理論” (現在本土意識抬頭,應一下景！)

夠鄉土、夠親切了吧！

阿港伯最有名的莫過於他的斟酒技巧……對啦！就是表面張力的理論(好了，不鬼扯了...)咱們是利用配向模與LC之間表面張力的不同來做到的。

a.) 若LC表面張力>配向模表面張力→LC會自動翹起

b.) 若LC表面張力<配向模表面張力→LC 倒下並回復原來的樣子

(當然,要LC工作時，這種狀態是我們不想要的！)

3.) 『配向』如果作的不好，會發生什麼問題?

a.) Mura

導致原因→ Rubbing力道不平均！

不良現象→造成顯影時有如竹掃把掃過般的痕跡。

b.) Reverse tilt

導致原因→沒有配向，(LC Random排列，光經過LC後會亂七八糟)

不良現象→ (1) 漏光

(2) 鬼影

(3) 有如慧星掃過，會拖個尾巴。

(不過這種現象也只能從：大概配向不好！的方向去求証)

PS：

你想看看配向完畢後的模樣嗎?

就像下面的這個樣子：

真是給它漂亮說… ^_^

4.)配向膜(Orientation Layer)

a.) 要求

《溫度製程》

(1) 低溫

電子式的接觸

(2) (Heat up)的現象

因此,要求的項目如下:

˙低溫製程

˙與 SiOx 、SiNx 及ITO 之接著力強 ˙均勻性高

˙可產生適當之預傾角 ˙容易操作 ˙光穿透率高 ˙低帶電化 ˙絕緣性高

˙受外物之影響小 ˙耐熱 ˙耐濕 b.) 材質

一般而言，選定材料後，就已經決定了80%的因素。 目前材料的來源在日本，且有專利！

˙有機配向膜→ Polyimide (PI)

採用此材質會多出好幾個能階，而每個能階在激發態時均不同，因此會造成有各種不同波 長的光。

此外，我們再回顧一下關於視角(View Angle)的問題… 前面提過：

在上下電極加上電場之後，便在其間建立起垂直電場。 →受電場作用力的關係，LC 被吸引拉起。

→由於電場時時在變化，造成每層的LC 有著不同的傾斜角。 →因而有著不同的透光率。 示意圖：

Video Signal

˙IPS (In Panel Switch)

如同上圖一般，但所建立的電場是水平方向的,如下所示： →可改善視角(View Angle)

電極與電極建立起垂直方向的電場

對於建立水平電場而言，這樣的製程難度較高

→電極的解析度(resolution)↑→良率↓

當然了，如果是垂直電場的話，視角就會較差….

回顧了視角的問題之後，再回到對於材質的討論：

(1) 材料的液狀特性：易溶於溶劑、易調節濃度及黏度，使塗佈容易

若選擇了LC，則相當於已選擇視角

→因為LC有自己的幾何特性(就是它自己有一定的形狀的啦！)

視角要好嗎？

→Δn要越小越好

Δn：長軸與短軸方向折射率的差(即Δn = n - n)

→也就是說,LC越圓越好…

→不過那是不可能的!

還記得嗎?

我們之前說過，在大自然中,棒狀、橢圓狀的物質只要符合某些規則，

則較易形成LC。

[結論]

LC排列方式,決定了大部份的變因!

(不過，至少在某些程度上，人為還可控制)

(2) 材料硬化條件的考慮：希望低溫製程

(3) 材料的化學結構對其物性之影響

(a) 儲存條件

(b) 預傾角的控制

(c) 電壓保持率(VHR)

˙無機配向膜→ SiOx蒸鍍法

◎其他

1.) 光的三個定義

2.) ITO製程

3.) 等方性(Isotropic)v.s. 異方性(Anisotropic)結構

4.) 廣視角型(MVA)

5.) LC的化學結構及配方的調配

˙光的三個定義

a.) 光是直線行進的

光所走的路線都是最近的！

例外→(1) 黑洞

(a) 被吸收(b) 拐彎繞過去

光

光

黑洞黑洞

(2) 其他恆星星體

(a) 照道理說，應是如此(b) 實際上卻是這樣

地球

光被擋住啦! 我們還是可以看的到的!

b.) 反射現象

全反射時，入射角(θ入射) = 反射角(θ反射)

c.) 折射現象→雙折射率