液晶顯示屏:平面顯示器-中文百科頻道

概述

液晶顯示屏(LCD)用于數字型鐘表和許多便攜式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）目前科技信息産品都朝着輕、薄、短、小的目标發展，在計算機周邊中擁有悠久曆史的顯示器産品當然也不例外。在便于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顯示闆等等，皆受制于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産品的潮流，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。

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。而它的狀态介于我們一般所熟知的液态與固态物質之間，有點類似肥皂水的膠狀溶液，但它在某一溫度範圍内卻具有液體和結晶雙方性質的物質，也由于其獨特的狀态，後來便把它命名為“Liquid Crystal”，就是液态結晶物質的意思。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态，并且可以讓射入的光線産生偏轉的現象。利用此一原理，RCA公司發明了世界第一台使用液晶顯示的屏幕。爾後，液晶顯示技術被廣泛的用在一般的電子産品中，舉凡計算器、電子表、手機屏幕、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屏幕等等。

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并不多，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，卻分别被日本的新力（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态驅動（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；而主動矩陣型大緻可區分為薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極管型（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别，使其在産品的應用範圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所應用的範圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式晶體管型（TFT）為主流，多應用于筆記型計算機及動畫、影像處理産品。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，目前的應用多以文書處理器以及消費性産品為主。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讨它們的運作原理。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。其顯像原理是将液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光闆之透明導電玻璃間，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闆射入，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）。

在電子産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制成。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将入射光旋轉90度，而STN超扭轉式向列場效應是将入射光旋轉180~270度。

要在這邊說明的是，單純的TN液晶顯示器本身隻有明暗兩種情形（或稱黑白），并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系，以及光線的幹涉現象，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），并将單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分别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屏幕做的越大，其屏幕對比度就會顯得較差，不過借由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，熒光管、導光闆、偏光闆、濾光闆、玻璃基闆、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是熒光燈管投射出光源，這些光源會先經過一個偏光闆然後再經過液晶，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闆。因此我們隻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，并進而能在液晶面闆上變化出有不同深淺的顔色組合了。

LED在大尺寸液晶顯示面闆中的應用：

過去幾年，發光二極管(LED,LightEmittingDiode)的應用領域進行了巨幅的擴展，其中成長最快也最具潛力的市場是液晶顯示屏(LCD)的背光應用，幾年間白色發光二極管已經随着小型顯示屏的背光應用逐漸普遍，目前幾乎所有移動電話中的彩色液晶面闆都由發光二極管提供背光，最近白色發光二極管更開始邁入需要更高性能和更長工作時間的膝上型顯示屏背光應用，然而發光二極管在進入大尺寸顯示屏，如個人電腦顯示屏與電視應用的路途上并未順利，因為除了更佳性能和更長工作時間外，大型液晶面闆需要使用如紅、綠、藍(RGB)這類發光二極管來創造更豐富的色彩範圍，才能提供比使用CCFL背光更好的采購誘因。

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，都是采用X、Y軸的交叉方式來驅動，因此如果顯示部分越做越大的話，那麼中心部分的電極反應時間可能就會比較久。而為了讓屏幕顯示一緻，整體速度上就會變慢。講的簡單一點，就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會感到屏幕閃爍、跳動；或着是當需要快速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，而且并不适合拿來看電影、或是玩3D遊戲。

為了改善此一情形，後來液晶顯示技術采用了主動式矩陣（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，且分辨率極高。方法是利用薄膜技術所做成的矽晶體管電極，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晶體管的非線性功能來取代不易控制的液晶非線性功能。

在TFT型液晶顯器中，導電玻璃上畫上網狀的細小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方則有着一弄控制匣，雖然驅動訊号快速地在各顯示點掃瞄而過，但隻有電極上晶體管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。