LCD 是什麼?液晶顯示器的構造

作者:Hightech   |   2018 / 10 / 18

文章來源:知識力   |   圖片來源:LaoLao


液晶顯示器的構造

液晶顯示器(LCD:Liquid Crystal Display)的構造如<圖一>所示,如果我們將液晶顯示器的某一部分放大,可以得到許多正方形的「畫素(Pixel)」,同時將每個畫素再切割成紅(R)、綠(G)、藍(B)三種不同顏色的「次畫素(Sub-pixel)」,不停地反覆的排列,和其他種類的顯示器是類似的。

圖一、液晶顯示器(LCD)的外觀。 資料來源:明碁 BenQ17 吋彩色液晶顯示器。

當我們從側面觀察液晶顯示器的一個畫素,可以得到如<圖二>的構造,由液晶顯示器的後方向前方,依序為背光模組、後偏光片、後導電玻璃(後玻璃基板+後透明電極)、薄膜電晶體(主動矩陣式的液晶顯示器才有)、前導電玻璃(前玻璃基板+前透明電極)、彩色濾光片、保護玻璃、前偏光片等。

圖二、液晶顯示器(LCD)的構造示意圖。

液晶顯示器的原理

液晶顯示器的原理比較複雜,主要是利用前後偏光片與前後導電玻璃之間的液晶分子改變極化光的極化方向,造成每一個畫素亮(白)與暗(黑)的變化,再利用彩色濾光片產生紅(R)、綠(G)、藍(B)三種不同顏色排列組合成我們所看到的影像,我們先簡單說明液晶顯示器相關零組件的功能:

➤背光模組:背光模組包括光源、反射板、導光板等元件組成,使光源均勻分布在整個液晶顯示器的畫面上,看起來整個畫面亮度相同。

➤後偏光片:由於光源發出來的白光為「非極化光」,後偏光片主要的目的在使非極化光變成「極化光(Polarized light)」。

➤後導電玻璃:在玻璃基板上使用濺鍍法(Sputter)成長「氧化銦錫(ITO:Indium Tin Oxide)」形成可以導電的玻璃,稱為「導電玻璃」。氧化銦錫(ITO)是一種陶瓷(金屬氧化物),幾乎所有的陶瓷都是絕緣體,但是科學家發現氧化銦錫(ITO)不但可以導電,而且在厚度很薄的時候,還是透明的,故稱為「透明電極」。

➤薄膜電晶體:在導電玻璃的上面使用半導體製程技術成長「開關元件」,最簡單的開關元件就是「CMOS」,但是 CMOS必須具有金屬、氧化物、半導體的結構,必須成長在矽晶圓上才行,要在導電玻璃上成長開關元件沒辦法使用 CMOS,因此必須另外設計一種開關元件,它的工作原理和「CMOS」很像,我們稱為「薄膜電晶體(TFT:Thin Film Transistor)」,使用薄膜電晶體(TFT)製作的液晶顯示器稱為「薄膜電晶體-液晶顯示器(TFT-LCD)」。

➤前導電玻璃:與後導電玻璃相同。

➤彩色濾光片:在塑膠薄片上塗佈紅(R)、綠(G)、藍(B)三種不同顏色的顏料,不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上,稱為「彩色濾光片(Color filter)」。彩色濾光片的原理如<圖三>所示,當白光(紅、綠、藍的混合光)通過「紅色的濾光片」,則只有紅光可以通過,綠光、藍光被吸收,所以眼睛只看到紅光;當白光通過「綠色的濾光片」,則只有綠光可以通過,紅光、藍光被吸收,所以眼睛只看到綠光;當白光通過「藍色的濾光片」,則只有藍光可以通過,紅光、綠光被吸收,所以眼睛只看到藍光,「濾光片」其實就是濾掉我們不要的顏色,只讓我們想要的顏色通過,值得注意的是,<圖三>中的彩色濾光片只畫出一個畫素來代表而已,實際上應該是紅(R)、綠(G)、藍(B)三種不同顏色,不停地反覆排列在顯示器的整個畫面上,如<圖一>所示。

➤前偏光片:前偏光片主要的目的在決定是否要讓旋轉後的極化光通過,如果可以通過則眼睛看起來是「亮(白)」,如果無法通過則眼睛看起來是「暗(黑)」。

圖三、彩色濾光片的構造示意圖。

液晶顯示器的優點

➤厚度較薄:不使用電子束,不需要像陰極射線管一樣在螢幕表面依序掃描,所以不需要太厚。

➤耗電量低:使用發光二極體(LED)或冷陰極燈管(CCFL)做為光源,不使用電子束,所以耗電量低。

➤製程成熟:液晶顯示器已經在市場上存在超過二十年的時間,製作技術非常成熟,不但小尺寸的液晶顯示器技術很成熟,目前連大尺寸的「液晶電視(LCD TV)」都已經進入成熟階段了。

液晶顯示器的缺點

➤大尺寸價格較高:由於材料成本不低,包括偏光片、彩色濾光片、薄膜電晶體(TFT)的製作就佔掉整台液晶顯示器大約 50% 的成本,特別是大尺寸的液晶電視需要大尺寸的偏光片、彩色濾光片,成本更高。

➤大尺寸製作困難:大尺寸的液晶電視必須將薄膜電晶體(TFT)製作在整個後導電玻璃上,要將每個薄膜電晶體製作的非常均勻平坦,而且要有很高的良率是非常困難的工作,就好像大尺寸的晶圓製作比較困難一樣,不過隨著液晶電視產業的發展,目前不但克服了良率的問題,解析度也從原的 FHD(1920 x 1080)發展到目前的 UHD 2K 與 UHD 4K。

➤有視角的問題:由於液晶顯示器是利用液晶分子使極化光旋轉的原理,所以會產生視角的問題,當我們的眼睛傾斜一個角度觀看液晶顯示器的時候,會覺得影像模糊不清。

知識力》授權轉載

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