TFT LCD液晶顯示器工作原理

TFT LCD顯示原理詳解    

<什麼是液晶>

我們一般都認為物質都有三態,分別是固態液態跟氣態。其實物質的三態是針對水而言,對於不同的物質,可能有其它不同的狀態存在。以我們要談到的液晶態而言,它是介於固體跟液體之間的一種狀態,其實這種狀態僅是材料的一種相變化的過程，只要材料具有上述的過程,即在固態及液態間有此一狀態存在,物理學家便稱之為液態晶體。

                   圖（一）

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，當其固態受熱後,並不會直接變成液態,會先溶解形成液晶態。當您持續加熱時,才會再溶解成液態(等方性液態)。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,及液態的流動性。

<TFT LCD顯示原理>

a:背景

兩塊偏光的柵欄角度相互垂直時光線就完全無法通過，圖（六）是用偏光太陽鏡做的測試。

             圖（六）

 

液晶的光電特性

由於液晶分子的結構為異方性(Anisotropic)，所以所引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，簡單的說也就是液晶分子在介電係數及折射係數等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質來改變入射光的強度，以便形成灰階，來應用於顯示器組件上。液晶特性中最重要的就是液晶的介電係數與折射係數。

介電係數是液晶受電場的影響決定液晶分子轉向的特性，而折射係數則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數。而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性，適當的利用電壓,來控制液晶分子的轉動,進而影響光線的行進方向，來形成不同的灰階,作為顯示影像的工具。當然啦，單靠液晶本身是無法當作顯示器的，還需要其它的材料來幫忙，以下我們要來介紹有關液晶顯示器的各項材料組成與其操作原理。

偏光板(polarizer)

大家都知道光也是一種波動，而光波的行進方向,是與電場及磁場互相垂直的。同時光波本身的電場與磁場分量，彼此也是互相垂直的。也就是說行進方向與電場及磁場分量,彼此是兩兩互相平行的。而偏光板的作用就像是柵欄一般，會阻隔掉與柵欄垂直的分量，只準許與柵欄平行的分量通過。所以如果我們拿起一片偏光板對著光源看，會感覺像是戴了太陽眼鏡一般，光線變得較暗。但是如果把兩片偏光板迭在一起，那就不一樣了。

當旋轉兩片的偏光板的相對角度,會發現隨著相對角度的不同,光線的亮度會越來越暗。當兩片偏光板的柵欄角度互相垂直時，光線就完全無法通過了。而液晶顯示器就是利用這個特性來完成的。利用上下兩片柵欄互相垂直的偏光板之間，充滿液晶,再利用電場控制液晶轉動,來改變光的行進方向,如此一來,不同的電場大小,就會形成不同灰階亮度了。

b:TFT LCD顯示原理

液晶顯示器就是利用偏光板這個特性來完成的，利用上下兩片柵欄之間互垂直的偏光板之間充滿了液晶，在利用電場控制液晶分支的旋轉，來改變光的行進方向，如此一來，不同的電場大小，就會形成不同顏色度了，如圖（七）。

             圖（七）

b-1:當在不加上電極的時候，當入射的光線經過下面的偏光板(起偏器)時, 會剩下單方向的光波,通過液晶分子時, 由於液晶分子總共旋轉了90度, 所以當光波到達上層偏光板時, 光波的極化方向恰好轉了90度。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，如果光打在紅色的濾光片上就顯示為紅色。效果如圖（七）中前兩個圖所示。 

b-2:當在加上電極後(最大電極)，液晶分子在受到電場的影響下，都站立著，光路沒有改變，光就無法通過上偏光板，也就無法顯示，如圖（七）藍色濾光片下面的液晶。 

上下兩層玻璃與配向膜

這上下兩層玻璃主要是來夾住液晶用的，在下面的那層玻璃長有薄膜電晶體。(Thin film transistor,TFT),而上面的那層玻璃則貼有彩色濾光片(Color filter)。這兩片玻璃在接觸液晶的那一面，並不是光滑的,而是有鋸齒狀的溝槽。這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子，會沿著溝槽排列。如此一來,液晶分子的排列才會整齊。因為如果是光滑的平面,液晶分子的排列便會不整齊,造成光線的散射,形成漏光的現象。

其實這只是理論的說明, 告訴我們需要把玻璃與液晶的接觸面，做好處理，以便讓液晶的排列有一定的順序。但在實際的製造過程中,並無法將玻璃作成有如此的槽狀的分布, 一般會在玻璃的表面上塗布一層PI(polyimide),然後再用布去做磨擦(rubbing)的動作,好讓PI的表面分子不再是雜散分布,會依照固定而均一的方向排列。而這一層PI就叫做配向膜,它的功用就像玻璃的凹槽一樣, 提供液晶分子呈均勻排列的接口條件,讓液晶依照預定的順序排列。

TN LCD液晶屏顯示原理

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。對於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,由於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,但是如果我們對上下兩塊玻璃之間施加電壓時,由於TN型液晶多為介電係數異方性為正型的液晶(ε//>ε⊥,代表著平行方向的介電係數比垂直方向的介電係數大,因此當液晶分子受電場影響時，其排列方向會傾向平行於電場方向。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。

TFT LCD液晶屏顯示原理

TFT LCD的中文翻譯名稱就叫做薄膜電晶體液晶顯示器,我們提到液晶顯示器需要電壓控制來產生灰階。而利用薄膜電晶體來產生電壓,以控制液晶轉向的顯示器,就叫做TFT LCD。從切面結構來看,在上下兩層玻璃間,夾著液晶,便會形成平行板電容器,我們稱之為CLC(capacitor of liquid crystal)。它的大小約為0.1pF,但是實際應用上,這個電容並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,它並無法將電壓保持住,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.)這樣一來,電壓有了變化,所顯示的灰階就會不正確。因此一般在面板的設計上,會再加一個儲存電容CS(storage capacitor大約為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,只是一個使用電晶體製作的開關。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。至於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。

c:TFT-LCD驅動電路。  

為了顯示任意圖形，TFT-LCD用m×n點排列的逐行掃描矩陣顯示。

在設計驅動電路時，首先要考慮液晶電解會使液晶材料變質，為確保壽命一般都採用交流驅動方式。

已經形成的驅動方式有：電壓選擇方式、斜坡方式、DAC方式和模擬方式等。由於TFT-LCD主要用於筆記本計算機，所以驅動電路大致分成：信號控制電路、電源電路、灰度電壓電路、公用電極驅動電路、數據線驅動電路和尋址線驅動電路（柵極驅動IC）。

上述驅動電路的主要功能是：信號控制電路將數位訊號、控制信號以及時鐘信號供給數字IC，並把控制信號和時鐘信號供給柵極驅動IC；電源電路將需要的電源電壓供給數字IC和柵極驅動IC；灰度電壓電路將數字驅動電路產生的10個灰度電壓各自供給數據驅動；公用電極驅動電路將公用電壓供給相對於象素電極的共享電極；數據線驅動電路將信號控制電路送來的RGB信號的各6個比特顯示數據以及時鐘信號，定時順序鎖存並續進內部，然後此顯示數據以6比特DA變換器轉換成模擬信號，再由輸出電路變換成阻抗，供給液晶屏的資料線；柵極驅動電路將信號控制電路送來的時鐘信號，通過移位寄存器轉換動作，將輸出電路切換成ON／OFF電壓，並順次加到液晶屏上。

最後，將驅動電路裝配在TAB（自動焊接柔性線路板）上，用ACF（各向異性導電膠膜）、TCP（驅動電路柔性引帶）與液晶顯示屏相連接。

 d:TFT-LCD工作原理   

首先介紹顯示原理。液晶顯示的原理基於液晶的透光率隨其所施電壓大小而變化的特性。當光通過上偏振片後，變成線性偏振光，偏振方向與偏振片振動方向一致，與上下玻璃基板上面液晶分子排列順序一致。當光通過液晶層時，由於受液晶折射，線性偏振光被分解為兩束光。又由於這兩束光傳播速度不同（相位相同），因而當兩束光合成後，必然使振光的振動方向發生變化。通過液晶層的光，則被逐漸扭曲。當光達到下偏振片時，其光軸振動方向被扭曲了90度，且與下偏振片的振動方向保持一致。這樣，光線通過下偏振片形成亮場。加上電壓以後，液晶在電場作用下取向，扭曲消失。這時，通過上偏振片的線性偏振光，在液晶層不再旋轉，無法通過下偏振片而形成暗場。可見液晶本身不發光，在外光源的調製下，才能顯示，在整個顯示過程中，液晶起到一個電壓控制的光閥作用。TFT-LCD的工作原理則可簡述為：當柵極正向電壓大於施加電壓時，漏源電極導通，當柵極正向電壓等於0或負電壓時，漏源電極斷開。漏電極與ITO象素電極連結，源電極與源線（列電極）連結，柵極與柵線（行電極）連結。這就是TFT-LCD的簡單工作原理

  

 c:常用的液晶結構

c-1：所謂的NW(Normally white)  

NW指當我們對液晶面板不施加電壓時, 我們所看到的面板是亮的畫面, 所以才叫做normally white。另外一種, 當對液晶面板不施加電壓時, 面板無法透光, 看起來是黑色的, 就稱之為NB(Normally black)

c-2:為什麼要有這兩種結構？

主要是為了不同的應用環境。

 一般桌上型計算機或是筆記型計算機,大多為NW的配置,那是因為一般計算機軟體的使用環境,你會發現整個屏幕大多是亮點, 也就是說計算機軟體多為白底黑字的應用。 既然亮著的點佔大多數, 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,NB的應用環境大多是屬於顯示屏為黑底的應用了。

<LCD單個像素點的結構圖>

a:lcd切面的結構：

                     圖（八）

b:作用原理  

TFT_LCD（薄膜電晶體液晶顯示器）,液晶顯示器需要電壓控制來產生灰階. TFT利用薄膜電晶體來產生電壓,以控制液晶轉向的顯示器。

從圖（八）的切面結構圖來看,在上下兩層玻璃間夾著液晶, 便會形成平行板電容器, 我們稱之為CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小約為0.1pF, 但是實際應用上, 這個電容並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, 它並無法將電壓保持住, 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.) 這樣一來, 電壓有了變化, 所顯示的灰階就會不正確.

 因此一般在面板的設計上, 會再加一個儲存電容CS(storage capacitor 大約為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,只是一個使用電晶體製作的開關. 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. 至於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.

c:框膠與spacer：

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, 並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,是圍繞於面板四周, 將液晶分子框限於面板之內. 

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.

<放大鏡下的液晶>

 

                       圖（九）

a:每個像素點的結構

放大鏡下面的液晶面板如圖（九）中所顯示的樣子.每一份像素點由"紅色","藍色","綠色"三個子基色構成（這就是所謂的三原色. 也就是說利用這三種顏色）。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, 然後把鄰近的三個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.（然後對於一個需要解析度為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.

b：開口率

 液晶顯示器中有一個很重要的參數就是亮度, 而決定亮度最重要的因素就是開口率。開口率就是光線能透過的有效區域比例。

每一個RGB的點之間的黑色部分, 就叫做Black matrix.我們回過頭來看圖（九）就可以發現,black matrix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.這也就是為什麼我們在圖（九）中,每一個RGB的亮點看起來, 並不是矩形, 在其左上角也有一塊被black matrix遮住的部分, 這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.

 

<常見的濾光片排列>

                圖（十）

<像素>

a：像素原理

液晶面板上每個像素都分成紅、綠、藍三種顏色，RGB就是所謂的三原色，利用這三種顏色可以混合出各種不同的顏色，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，然後把鄰近的三個RGB顯示的點當作一個顯示的基本單元，就是像素，這個像素就可以擁有不同的色彩變化了。

彩色形成原理

TFT 型 LCD 中的紅、綠、藍三原色是由彩色濾光片產生的。

 

彩色濾光片是由紅、綠、藍三種顏色的濾片，有規律地製作在一塊大玻璃基板上，每個像素(點)是由三種顏色的單元或稱為子像素所組成。如圖 3 所示為彩色濾光片排列圖，每個子像素的左上角 (灰色矩形)為不透光的 TFT。

 

子像素數量的多少與解析度有關，一塊面板的解析度為 1280×1024 像素，則它實際擁有 3840×1024個電晶體及子像素。一臺15.1 in（英寸）的 LCD(解析度為 1024×768 像素)其點距為 0.0118 in(約為0.3 mm)；而 18.1 in 的LCD (解析度為 1280×1024 像素) 其點距為 0.01 in(0.25 mm)。所以，顯示器的點距越小，解析度也就越高。但由於顯示器的可視面積有限，點距太小勢必降低透光率，因此不可無限量地擴展解析度。

b：顏色深度

normal Color

256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color

High Color 

65536Coloe32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color

Full Color

64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color

True Color

256（R）*256（G）*256（B）=16777216 Color

                                  <LCD內部電路>a:結構圖

               圖（十二）

 

b:主要的驅動

TFT工作的部分有以下幾個

1、source driver  源驅動， 負責供電。

2、gate driver 柵驅動， 負責打開關閉。

3、時序控制電路，負責控制gate driver

4、灰度、gamma控制電路

              圖（十三）

顯示屏上的每個像素從結構上可以看作為像素電極和公用電極之間夾有一層液晶，從電學的角度可以把它看作電容。其等效電路如圖 2 所示。其工作原理是：要對 j 行 i 列的像素點戶(i、j)充電，就要把開關K(i，j)導通，對信號線 D(i）施加目標電壓，使數據線 G(j)的數據信號加到像素 P 點。當像素電極被充分充電後，即使開關斷開，電容中的電荷也得到保存，電極間的液晶分子繼續有電場作用。

 

數據線的作用是對信號線施加目標電壓，而行驅動器的作用是起開關的導通和斷開作用。由於加在液晶上的電壓可以存儲，因此液晶層能穩定的工作。

a：整片面板的大致結構

從圖（十三）中我們可以看到整片面板的等效電路,其中每一個TFT與兩個電容所並聯(代表一個顯示的點. 而一個基本的顯示單元 pixel,則需要三個這樣顯示的點,分別來代表 RGB 三原色. 以一個1024*768解析度的TFT_LCD來說,共需要1024*768*3個這樣的點組合而成)

b：顯示步驟

如圖中gate driver 所送出的波形, 依序將每一行的 TFT 打開, 好讓整排的source driver同時將一整行的顯示點,充電到各自所需的電壓,顯示不同的灰階.當這一行充好電時,gate driver便將電壓關閉,然後下一行的gate driver便將電壓打開,再由相同的一排source driver對下一行的顯示點進行充放電.如此依序下去, 當充好了最後一行的顯示點, 便又回過來從頭從第一行再開始充電.

 

b-1:圖示

先開放第一行，其他關閉。

                       圖（十四）

 

接著關閉第一行，電壓已經固定，固顏色也固定，然後開放第二類，其餘關閉，以此類推。

                         圖（十五）

 

由於液晶分子還有一種特性,就是不能夠一直固定在某一個電壓不變, 不然時間久了, 你即使將電壓取消掉, 液晶分子會因為特性的破壞, 而無法再因應電場的變化來轉動, 以形成不同的灰階. 所以每隔一段時間, 就必須將電壓恢復原狀, 以避免液晶分子的特性遭到破壞. 

<背光源>

                            圖（十七）

背光模組的作用主要有三點：

(1)背光模組裡的反射板用於將沒有直接散射出去的雜亂光線再次引入導光板以提高光源的利用率。

(2)背光模組上面設置有擴散膜，具有把光線形成漫反射並均勻擴散的能力。

(3)背光模組中的稜鏡片(垂直和水平相間隔)負責把光線聚攏，使其垂直進入液晶模塊以提高輝度，所以又稱增亮膜。

手機上用的TFT 類型的LCD 大部分是用 LED來作為光源的，現有高通手機上背光有三種方式：

1、PWM 方式， 根據輸出方波的佔空比來控制電流大小

2、一線脈衝方式， 根據輸入方波的邏輯連控制輸出電流大小

3、dcs方式，有LCD反饋給背光控制晶片來控制輸出電流大小

一般手機上都會有個背光控制晶片來升壓控制電流，以8x25上的背光晶片TPS61161為例（其他的背光晶片也類似）

TPS61161的連接方式：

 

CTRL 需要連接到平臺上的GPIO或則 PMIC上的GPIO。

這款晶片是pwm方式和一線脈衝方式兩用的晶片，工作模式如下：

                            圖（十八）

上圖，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接連到背光晶片上即可，有一點需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因為如果用AP控制在系統負載大的時候PWM波形會失真。

下半部分為一線脈衝方式輸入需要有一個邏輯來觸發一線脈衝方式數據格式如下：

               圖（十九）

數據對應的電流值如下（只給出部分電流值）

                 圖（二十）

DCS方式則是LCD本身可以支持CABC 或則 LABC功能

            圖（二十一）

原理如圖， 平臺這邊用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的寄存器為

51H（默認背光亮度 0 ～ 255）

53 H（打開關閉）

55H（模式 不同廠家定義不同）背光

平臺通過mipi 包把 51H 53H 55H 發到 LCD panel 上， LCD panel 根據自身的圖像和平臺發過來的背光值 計算出自己合適的背光值 在通過 LCD panel 上 的管腳以PWM 方波的形式發給 平臺， 平臺上有對應的背光晶片接受 PWM 波，背光晶片在根據PWM的波形來控制LCD panel 上LED 兩端的電壓大小，來控制背光。

 

在DCS方式下有個LCD輸出的PWM頻率和背光晶片的輸入頻率是陪的問題在調試的時候需要注意，一般LCD端輸出的PWM頻率都可調。