液晶顯示屏:簡要介紹,液晶的誕生,主要分類,運作原理,驅動方式,

液晶顯示屏，英文簡稱為LCD全稱是Liquid Crystal Display，是屬於平面顯示器的一種。用於電視機及計算機的螢幕顯示。該顯示屏的優點是耗電量低、體積小、輻射低。

液晶顯示屏使用了兩片極化材料中的液體水晶溶液，使電流通過該液體時會使水晶重新排列達到成像的目的。

基本介紹

中文名：液晶顯示屏
外文名：LCD
用途：用於電視機及計算機的螢幕顯示
驅動方式：靜態驅動、單純矩陣、主動矩陣

簡要介紹,液晶的誕生,主要分類,運作原理,驅動方式,

簡要介紹

液晶顯示屏（LCD）用於數字型鐘錶和許多攜帶型計算機的一種顯示器類型。LCD顯示使用了兩片極化材料，在它們之間是液體水晶溶液。電流通過該液體時會使水晶重新排列，以使光線無法透過它們。因此，每個水晶就像百葉窗，既能允許光線穿過又能擋住光線。液晶顯示器（LCD）目前科技信息產品都朝著輕、薄、短、小的目標發展，在計算機周邊中擁有悠久歷史的顯示器產品當然也不例外。在便於攜帶與搬運為前題之下，傳統的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等，皆受制於體積過大或耗電量甚巨等因素，無法達成使用者的實際需求。而液晶顯示技術的發展正好切合目前信息產品的潮流，無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優點，都能讓使用者享受最佳的視覺環境。

液晶的誕生

要追溯液晶顯示器的來源，必須先從“液晶”的誕生開始講起。在公元1888年，一位奧地利的植物學家，菲德烈．萊尼澤（Friedrich Reinitzer）發現了一種特殊的物質。他從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，在為這種化合物做加熱實驗時，意外的發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點。而它的狀態介於我們一般所熟知的液態與固態物質之間，有點類似肥皂水的膠狀溶液，但它在某一溫度範圍內卻具有液體和結晶雙方性質的物質，也由於其獨特的狀態，後來便把它命名為“Liquid Crystal”，就是液態結晶物質的意思。不過，雖然液晶早在1888年就被發現，但是真正實用在生活周遭的用品時，卻是在80年後的事情了。

公元1968年，在美國RCA公司（收音機與電視的發明公司）的沙諾夫研發中心，工程師們發現液晶分子會受到電壓的影響，改變其分子的排列狀態，並且可以讓射入的光線產生偏轉的現象。利用此一原理，RCA公司發明了世界第一台使用液晶顯示的螢幕。爾後，液晶顯示技術被廣泛的用在一般的電子產品中，舉凡計算器、電子表、手機螢幕、醫院所使用的儀器（因為有輻射計量的考慮）或是數字相機上面的螢幕等等。令人玩味的是，液晶的發現比真空管或是陰極射線管還早，但世人了解此一現象的並不多，直到1962年才有第一本，由RCA研究小組的化學家喬．卡司特雷諾（Joe Castellano）先生所出版的書籍來描述。而與映像管相同的，這兩項技術雖然都是由美國的RCA公司所發明的，卻分別被日本的新力（Sony）與夏普（Sharp）兩家公司發揚光大。

主要分類

液晶顯示器，依驅動方式來分類可分為靜態驅動（Static）、單純矩陣驅動（Simple Matrix）以及主動矩陣驅動（Active Matrix）三種。其中，被動矩陣型又可分為扭轉式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動矩陣驅動液晶顯示器；而主動矩陣型大致可區分為薄膜式電晶體型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極體型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二種方式。

TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同，在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低程次之差別，使其在產品的套用範圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所套用的範圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式電晶體型（TFT）為主流，多套用於筆記型計算機及動畫、影像處理產品。而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列（TN）、以及超扭轉向列（STN）為主，目前的套用多以文書處理器以及消費性產品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術需求較高，而TN及STN所需的技術及資金需求則相對較低。

運作原理

目前液晶顯示技術大多以TN、STN、TFT三種技術為主軸，因此我們就這從這三種技術來探討它們的運作原理。TN型的液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的，而之後其它種類的液晶顯示器也可說是以TN型為原點來加以改良。同樣的，它的運作原理也較其它技術來的簡單，請讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡易構造圖，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導電的玻璃基板。其顯像原理是將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間，液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列，如果電場未形成，光線會順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉其行進方向，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，兩片玻璃間會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象，叫做扭轉式向列場效應，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。在電子產品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所製成。STN型的顯示原理也似類似，不同的是TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度，而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180~270度。要在這邊說明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），並沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關係，以及光線的干涉現象，因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（color filter），並將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器如果顯示螢幕做的越大，其螢幕對比度就會顯得較差，不過藉由STN的改良技術，則可以彌補對比度不足的情況。

TFT型的液晶顯示器較為複雜，主要的構成包括了，螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式電晶體等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶，這時液晶分子的排列方式進而改變穿透液晶的光線角度。然後這些光線接下來還必須經過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

驅動方式

在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅動電極的方式，都是採用X、Y軸的交叉方式來驅動，如下圖所示，因此如果顯示部分越做越大的話，那么中心部分的電極反應時間可能就會比較久。而為了讓螢幕顯示一致，整體速度上就會變慢。講的簡單一點，就好像是CRT顯示器的螢幕更新頻率不夠快，那是使用者就會感到螢幕閃爍、跳動；或著是當需要快速3D動畫顯示時，但顯示器的顯示速度卻無法跟上，顯示出來的要果可能就會有延遲的現象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且並不適合拿來看電影、或是玩3D遊戲。

為了改善此一情形，後來液晶顯示技術採用了主動式矩陣（active-matrix addressing）的方式來驅動，這是目前達到高數據密度液晶顯示效果的理想裝置，且解析度極高。方法是利用薄膜技術所做成的矽電晶體電極，利用掃描法來選擇任意一個顯示點（pixel）的開與關。這其實是利用薄膜式電晶體的非線性功能來取代不易控制的液晶非線性功能。如上圖，在TFT型液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是薄膜式電晶體所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方則有著一弄控制匣，雖然驅動訊號快速地在各顯示點掃瞄而過，但只有電極上電晶體矩陣中被選擇的顯示點得到足以驅動液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉向而成“亮”的對比，不被選擇的顯示點自然就是“暗”的對比，也因此避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠。

液晶顯示屏