LCD驅動原理

課程大綱

液晶發展液晶種類液晶顯示器種類

✔ Dynamic Scattering LCD✔ Guest-Host LCD✔ Distortion of Aligned Phases LCD✔ Ferro-Electric LCD✔ Twisted Nematic (TN LCD)✔ Super Twisted Nematic (STN LCD)✔ Thin Film Transistor (TFT LCD)

驅動方式✔被動式✔主動式

LCD製程背光模組

參考資料

[1]顧鴻壽﹑周本達﹑陳密﹑張德安﹑樊雨心﹑周宜衡 ..., 光電平面面板顯示器基本概論 , 高立圖書有限公司 , ISBN=986-412-001-8, 2004.[2]顧鴻壽 , 光電液晶平面顯示器技術基礎與應用 , 新文京開發出版有限公司 , ISBN=957-512-433-2, 2002.

Liquid Crystal 發展

　 1888年澳洲植物學家F. Reinitzer首先發現液態晶體(Liquid crystals)或稱結晶液體 (Crystalline liquids)(簡稱液晶 )的存在，並開啟之後相關的基礎研究與發展。1968年美國RCA公司科學家G. H. Heilmeier根據動態散射 (Dynamic scattering)效應，將液晶做成顯示器，液晶顯示器 (Liquid crystal display， LCD)產業開始成形。有趣的是，雖然美國企業是LCD技術的原始推動者，但日本卻是最先將此技術商品化之國家1。1973年，日本Sharp公司成功開發出以LCD為顯示面板的計算器與手錶，並帶動許多廠商 (如Hitachi、NEC、Toshiba等 )加入LCD產品開發生產行列。而日本在LCD市場的獨佔情況一直延續到1995年，韓國廠商進入TFT (Thin film transistor) LCD之生產為止。延續其在半導體產業的發展經驗，韓國廠商包括Samsung、Hyundai與 LG，利用反向工程 (Reverse engineering)原理學習日本的TFT-LCD技術，並於90年代底迅速達到超越市場佔有率30%，並取代日本成為此產業的領先者。而同時在這時候，台灣也掀起一股TFT-LCD投資熱潮，短短四、五年間有七家平均投資金額為新台幣 250億元之TFT-LCD新廠設立。

LCD起源和發展

液晶顯示器的發展史

LCD結構

LCD結構

Liquid Crystal 發展

1888: 奧地利植物學家Reinitzer首先發現液體物質的晶性現象 , 膽固醇液晶自 145度 C開始由固體轉成混濁流體，直到179度 C開始變成透明液體 .1904: Otto Lehmann publishes his major work "Liquid Crystals"1911: Charles Mauguin describes the structure and properties of Liquid Crystals.1930:許多人開始投入液晶的研究 .1936: The Marconi Wireless Telegraph company patents the first practical application of the technology, "The Liquid Crystal Light valve".1960:液晶的光學特性被逐漸了解 .1963:發現液晶被施加電場時由不透明轉成透明 . The first major English language publication on the subject "Molecular Structure and Properties of Liquid Crystals", by Dr. George W. Gray.1968:發表利用液晶被施加電場時由不透明轉成透明的效果可往顯示器的方向發展 .1984: 提出扭轉向列型液晶顯示元件 .

第一臺可操作的LCD基於動態散射模式(Dynamic Scattering Mode, DSM)，RCA公司喬治·海爾曼帶領的小組開發了這種LCD。海爾曼創建了奧普泰公司，這個公司開發了一系列基於這種技術的的LCD。1969年，詹姆士·福格森在美國俄亥俄州肯特州立大學發現了液晶的旋轉向列場效應。在1971年他的公司（ ILIXCO）生產了第一臺基於這種特性的LCD，很快取代了性能較差的DSM型 LCD。

Dynamic Scattering LCD

液晶材料種類

液晶材料種類

➢層列型液晶 (Smectic Liquid Crystal):

➢向列型液晶 (Nematic Liquid Crystal):

➢膽固醇液晶 (Cholesteric Liquid Crystal):

液晶材料種類

液晶材料種類

液晶材料種類

液晶材料種類

液晶材料種類

液晶材料種類

液晶材料配向

間隙片

液晶材料配向

液晶透光原理

液晶材料種類

LCD目前可分為TN型、STN(Supertwisted nematic)型及TFT(Thin film transistor)型三種。技術最早、價格最低之TN LCD(屬於PM LCD)上下層極化片相互成90度角，利用光電效應，在未加壓之關閉狀況，極化光透過上層偏光片，則分子將自動排列成極性，經旋轉 90度後，再穿過下層偏光片，而在加壓的開啟狀況時，只剩偏光方向，故在開啟狀態時呈黑白，而在關閉時呈透明。另一種亦屬於PM LCD 之STN LCD與TN LCD行最主要差別，在於液晶分子配列從TN型的90度擴大180度以上，其目的在於增加顯像對比。由於STN型屬於覆屈折射性，故其背景顏色通常為黃色或藍色，為達到彩色化之功能，常以加上一層色補償板使其顏色變為黑白色板，再加彩色濾光片而呈彩色功能。截至 1993年以前，辦公室自動化產品包括膝上型 PC、筆記型 PC等產品之平面顯示器，以使用黑白色或16及 64色之STN LCD為主。至於最近之主流技術AM LCD，主要可分成二極管結構及晶體管結構，TFT LCD則屬於後者。基本上，TFT型不使用多任務式驅動設計，而是以薄膜晶體管個別對像素尋址，置於顯示行列之交叉點做為啟閉像素之內的開關，亦即其彩色濾光片是內藏在TFT中每一像素中，直接以晶體管驅動，控制其電壓，使其達到高對比，快速反應及較廣視角等特性，故其顯像品質較 STN型為佳。由於TFT 型 LCD在響應速度、彩色度等效果上可與CRT相比，雖然與其價格差距仍大，但已逐漸成為平面顯示器之主流。

LCD種類

LCD比較

液晶材料種類

P型液晶 :

N型液晶 :

≡ ∥ − ⊥ 0

≡ ∥ − ⊥ 0

ε: 介電常數

液晶材料種類

n ∥ −n ⊥ 0

∥ − ⊥ 0

n:折射率

σ:導電率

驅動方式

➢被動式

➢主動式

陣列驅動

Row

Column

Scanning

signal

列電極

行電極

驅動方式

被動式驅動

與主動式驅動方式進行區隔，為傳統一般的驅動方式

主動式驅動

TFT LCD 驅動

TFT LCD 驅動

TFT LCD 驅動

有機發光顯示器依驅動方式可分為被動式 (Passive Matrix, PMOLED)與主動式 (Active Matrix, AMOLED)。而所謂的主動式驅動 OLED(AMOLED)，即是利用薄膜電晶體(Thin Film Transistor, TFT)，搭配電容儲存訊號，來控制OLED的亮度灰階表現。

雖然被動式OLED的製作成本及技術門檻較低，卻受制於驅動方式，解析度無法提高，因此應用產品尺寸侷限於約５"以內，產品將被限制在低解析度小尺寸市場。若要得到高精細及大畫面則須以主動方式驅動為主，所謂的主動式驅動是以電容儲存訊號，所以當掃描線掃過後畫素仍然能保持原有的亮度；至於被動驅動下，只有被掃描線選擇到的畫素才會被點亮。因此在主動驅動方式下，OLED並不需要驅動到非常高的亮度，因此可達到較佳的壽命表現，也可以達成高解析度的需求。OLED結合TFT的技術可實現主動式驅動OLED，可符合對目前顯示器市場上對於畫面播放的流暢度，以及解析度越來越高要求，充分展現OLED上述之優越的特性。

驅動方式

驅動方式

驅動方式

驅動方式

驅動方式

驅動方式

驅動方式

LCD製程

各製程技術比較

背光模組

背光模組

➢側邊入光型

➢LED光源背光模組

➢直下型

➢雙面型

背光模組

側邊入光型

LED光源背光模組

直下型

雙面型

背光板

平板導光

楔形板導光

光全反射

反射面

散射

背光板比較