液晶面板(液晶屏)的原理與維修(一)

王師傅專欄液晶面板（液晶屏）的原理與維修（一）

液晶是一種介於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 它加熱會呈現透明狀的液體狀態，把它冷卻則會出現結晶顆粒的混濁固體狀態，具有液體與 晶體的特性，故稱之為「液晶」。液晶顯示的原理簡單地說，就是將置於兩個電極之間的液 晶通電，液晶分子的排列順序在電極通電時會發生改變，從而改變透射光的光路，實現對影 像的控制。

液晶面板按照控制方式的不同可分為被動矩陣式（無源矩陣式）LCD 及主動矩陣式（有源矩陣式）LCD 兩種。

被動矩陣式 LCD 可分為 TN-LCD(Twisted Nematic-LCD，扭曲向列 LCD) 、STN-LCD (Super TN-LCD，超扭曲向列 LCD) 和 DSTN-LCD (Double layer STN-LCD，雙層超扭曲向列 LCD) 三種。TN、STN、DSTN 液晶面板的原理基本相同，不同之處只是各個液晶分子的扭曲角度略有差異而已，其中 DSTN（俗稱「偽彩」）在早期的筆記本電腦顯示器及掌上遊戲機上廣為應 用。被動矩陣式 LCD 由於其必須借用外界光源來顯像、可視角較小、反應較慢、畫面質量不高等因素，使得這種顯示設備不利於發展為桌面型顯示器，但由於成本低廉，市場上仍有少 數顯示器採用了被動矩陣式 LCD。對於被動矩陣式LCD，由於可以做得更薄更輕和更省電， 如果能在技術上對其進行革新那對於掌上型電腦和遊戲機來說還是非常有用的。

目前，液晶顯示器普遍採用的是主動矩陣式LCD，也稱TFT-LCD(ThinFilm Transistor-LCD，薄膜電晶體LCD)。TFT液晶顯示器是在畫面中的每個像素內建電晶體，可使亮度更明亮、色彩更豐富及更寬廣的可視面積，具有屏幕反應速度快，對比度好，亮度 高，可視角度大，色彩豐富等優點。TFT LCD的中文翻譯名稱叫做薄膜電晶體液晶顯示器。 從液晶面板的工作原理我們可以知道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TFTLCD。TFT液晶面板，由表及裡分別由偏光板、玻璃基板、彩色濾光片、沉積在玻璃基板上的FET電晶體（薄膜電晶體）電極、液晶、同樣沉積在玻璃質基板上的共通電極、底層偏光板、背光板（導光）以及背光源組成。光由底層透射進來，經過液晶的和偏光板的共同控制，藉助濾光板產生色彩斑斕的圖像。

從上面的切面結構圖來看,在上下兩層玻璃間,夾著液晶,從而形成了平行板電容器,我們稱之為CLC(capacitorofliquidcrystal)。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(storagecapacitor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LCDsourcedriver 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LCDsourcedriver來決定的。

偏光板(polarizer)

從高中物理我們已經了解了光的波動性，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。當您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。

彩色濾光片(color filter, CF)

如果你拿著放大鏡去觀察液晶面板的話，你會發現如下圖中所顯示的樣子。我們知道紅色、藍色以及綠色是所謂的三原色。也就是說利用這三種顏色，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。在圖中,每一個RGB的點之間的黑色部分，就叫做Black matrix。它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。因此，我們在圖中看到每一個RGB的亮點並不是矩形，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。

下圖是常見的彩色濾光片的排列方式. 條狀排列(stripe)最常使用於OA的產品,也就 是我們常見的筆記型計算機,或是桌上型計算機等等. 為什麼這種應用要用條狀排列的方式 呢?原因是現在的軟體,多半都是窗口化的接口.也就是說,我們所看到的屏幕內容,就是一大堆大小不等的方框所組成的. 而條狀排列,恰好可以使這些方框邊緣,看起來更筆直,而不會有一條直線,看起來會有毛邊或是鋸齒狀的感覺.但是如果是應用在AV產品上,就 不一樣了.因為電視信號多半是人物,人物的線條不是筆直的,其輪廓大部分是不規則的 曲線.因此一開始,使用於AV產品都是使用馬賽克排列(mosaic,或是稱為對角形排列)。不過最近的 AV 產品, 多已改進到使用三角形排列(triangle,或是稱為 delta排列). 除了上述的排列方式之外,還有一種排列,叫做正方形排列.它跟前面幾個不一樣的地方在於,它並不是以三個點來當作一個pixel,而是以四個點來當作一個pixel.而四個點組合起來剛好形成一個正方形.

背光板(back light, BL)

在一般的CRT屏幕,是利用高速的電子槍發射出電子,打擊在銀光幕上的螢光粉,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,本身並 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.我們在上面的TFTLCD的切面結構圖中可以看到,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 後藉由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 TFT LCD 的切面結構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, 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。

開口率(Aperture ratio)

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。開口率是什麼呢?簡單的來說就是光線能透過的有效區域比例。下圖的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，並不是所有的光線 都能穿過面板，比如給LCDsource驅動晶片及gate驅動晶片用的信號走線，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,也由於經過這些地方的光線 並不受到電壓的控制，而無法顯示正確的灰階，所以都需利用blackmatrix加以遮蔽，以 免幹擾到其它透光區域的正確亮度。所以有效的透光區域，就只剩下如下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%(因為其只準許單方向的極化光波通過)、玻璃95%(需要計算上下兩片)、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%，但由於濾光片本身塗有色彩，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，所以僅剩下三分之一的亮度。所以總共只能通過80%*33%=27%。)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。這也是為什麼在TFTLCD的設計中，要儘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麼高， 可以節省耗電及花費。

最佳解析度與色彩數

我們知道，液晶面板的每一個像素中都有三種原色，這三種原色如果強度不同變化就可以產生不同的混色效果。對於15寸液晶面板，全屏共有1024×768 這樣的像素，所以物理（最佳）解析度就是1024×768。色彩數則是指屏幕上最多顯示多少種顏色的總數。對屏幕 上的每一個像素來說，256種顏色要用8位二進位數表示，即2的8次方，因此我們也把256 色圖形叫做8位圖；如果每個像素的顏色用16位二進位數表示，我們就叫它16位圖，它可 以表達2的16次方即65536種顏色；如果每個像素的顏色用24位二進位數表示，則叫它24位彩色圖，它可以表達2的24次方即16,777,216種顏色。目前液晶顯示器常見的顏色種類有兩種，一種是24位色，也叫24位真彩。這24位真彩是由紅綠藍三原色每種顏色8位色彩組成，所以這種液晶板也叫8bit液晶板。每種顏色8位，紅綠藍三原色組合起來就是24位真彩，這種液晶顯示器的顏色一般標稱為16.7M或者16.77M。另一種液晶顯示器三原色每種只有 6bit，也叫6bit 液晶板，各個基色只能表現6 位色,即2的6次方=64種顏色，不過通過「抖動」的技術，通過局部快速切換相近顏色，利 用人眼的殘留效應獲得缺失色彩，可以達到253種顏色，那麼三個253相乘就基本是16.2M 色。也就是說我們通常用16.7M表示真正的24位真彩（8bit板），而用16.2M表示6bit板。 兩者實際視覺效果差別不算太大，目前高端液晶顯示器以16.7M 色佔主流。另外，6bit 和8bit板在液晶面板和驅動板的傳輸實現方法上有單通道和雙通道的區別。

這也正是在液晶配板時經常會提到的所謂單6屏、單8屏、雙6屏、雙8屏的出處。單6屏常記作D6或者SI6、單8屏常記作D8或者SI8、雙6屏常記作S6或者DO6、雙8屏常 記作S8L或者DO8。為了區分是TTL屏還是LVDS屏，往往會在後面跟一個T或者L來表示。 比如：D8L就是指LVDS接口的單8屏。

未完待續

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