TFT LCD液晶顯示器常見的廣視角架構(gòu) - 液晶顯示器基礎(chǔ)知識(shí)

??? TFT LCD液晶顯示器常見的廣視角架構(gòu)??
良好光學(xué)補(bǔ)償膜抵消TN型液晶的相位延遲
??? 現(xiàn)在大尺寸的液晶顯示器大多是利用TN(Twisted Nematic)型液晶來制作的。依照其英文字面上的解釋，就是這種液晶分子是被扭轉(zhuǎn)而且同時(shí)形狀為線狀的液晶分子。而扭轉(zhuǎn)的意思是指當(dāng)我們不施加電壓時(shí)，在上下兩片玻璃之間，液晶分子的排列會(huì)恰好扭轉(zhuǎn)90度。由於線狀液晶是一種具有雙折射率Δn的物質(zhì)，且其Δn = ne-no＞0。因此當(dāng)光線通過液晶分子後，可分成ordinary ray與extraordinary ray兩道光，如果光線是斜向入射液晶分子，便會(huì)產(chǎn)生兩道折射光線。因此當(dāng)光線經(jīng)過上下兩片玻璃所夾住的液晶後，光線就會(huì)產(chǎn)生相位延遲(phase retardation)的現(xiàn)象。
???????? 既然是因?yàn)棣＞0所造成的相位延遲，只要找Δn＜0的材料來作補(bǔ)償就可以了。因此一般的光學(xué)補(bǔ)償膜都是屬於Δn＜0的材料，這樣一來光學(xué)補(bǔ)償膜的相位延遲，就可以跟線狀液晶的相位延遲互相抵消(圖2)，就可以增廣液晶面板的可視角度。
??????? 從圖2我們可以知道光學(xué)補(bǔ)償膜的動(dòng)作方式。當(dāng)光是從下方入射，然後從上方射出時(shí)，首先會(huì)經(jīng)過底下的一片光學(xué)補(bǔ)償膜，由於其Δn＜0光線便會(huì)有了負(fù)的相位延遲，接下來光線繼續(xù)前進(jìn)進(jìn)入到TN型液晶，此時(shí)便會(huì)開始有正的相位延遲，大約到液晶的一半的地方，此時(shí)正負(fù)的相位延遲便會(huì)互相抵消。當(dāng)光線繼續(xù)向上傳播時(shí)，又會(huì)因?yàn)門N型液晶的關(guān)系，產(chǎn)生了正的相位延遲，直到進(jìn)入位於上方的光學(xué)補(bǔ)償膜，又會(huì)開始有負(fù)的相位延遲。在光線離開位在上面的光學(xué)補(bǔ)償膜時(shí)，正負(fù)相位延遲又可以互相抵消，因此只要光學(xué)補(bǔ)償膜設(shè)計(jì)的好，便可以完全抵消TN型液晶所造成的相位延遲，達(dá)到廣視角的效果。

廣視角電場(chǎng)強(qiáng)度大 需要高電壓source driver
??????? 利用貼光學(xué)補(bǔ)償膜的方式，并不需要改變LCD制程，所以不會(huì)影響生產(chǎn)良率，只是需要增加貼光學(xué)補(bǔ)償膜的額外成本，因此連帶對(duì)LCD source driver的需求，與一般的液晶面板是一樣的。也就是說只需要10~12伏特的source driver即可。而MVA及IPS則是利用不同的畫素設(shè)計(jì)，來達(dá)到廣視角的效果。因此對(duì)電壓的要求跟一般的液晶面板上的source driver便不一樣，需要較高的電壓才行。一般而言MVA要求的電壓約為13.5伏特，而IPS的要求電壓則更高，至少需要15伏特才行。
??????? 其實(shí)在source driver上所謂的高電壓，并不是跟gate driver一樣需到達(dá)35~42伏特的程度。當(dāng)source driver應(yīng)用在line inversion的LCD面板上時(shí)，其規(guī)格上的最高電壓大多為5 volt上下。而液晶面板若是dot inversion的應(yīng)用時(shí)，電壓就需提高到10~12 volt。直到廣視角的應(yīng)用出現(xiàn)，source driver的最高電壓規(guī)格就變成13.5~15 volt了。為什麼廣視角的面板需要高電壓的source driver呢？主要是因?yàn)樵趶V視角液晶面板上，由於面板本身的畫素設(shè)計(jì)跟一般的面板不一樣，對(duì)於電場(chǎng)強(qiáng)度的需求更大，以避免由於電場(chǎng)強(qiáng)度不夠或是不平均 造成液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)不如預(yù)期，影響液晶面板本身的灰階表現(xiàn)，所以才需要高電壓的source driver。

MVA(Multi-domain Vertical Alignment)的動(dòng)作原理
??????? 至於MVA的工作原理是怎樣呢？請(qǐng)見圖3到圖7。液晶顯示器是利用液晶本身的屈光特性來顯示出不同的灰階?？上У氖?，液晶本身是一種長(zhǎng)橢圓球狀的物體，其本身長(zhǎng)軸與短軸的的屈光特性并不一致，以致當(dāng)人眼的視線與液晶本身的夾角變化時(shí)，感受到的光強(qiáng)度便不一致，就會(huì)有不同灰階的感覺。
??????? 這就是液晶顯示器會(huì)有視角的原因(請(qǐng)見圖3)。而MVA的原理就是想利用不同角度的液晶，藉由互相的補(bǔ)強(qiáng)，來擴(kuò)大視角的范圍(請(qǐng)見圖4)。從圖5我們可知道 藉由protrusion的幫忙，可以讓液晶本身產(chǎn)生一預(yù)傾角(pre-tilt angle)，以便當(dāng)電壓施加於液晶身上時(shí)，可以讓液晶倒向不同的方向(圖6)。如此當(dāng)人眼從不同角度來看液晶顯示器時(shí)，可以有不同方向的液晶來互相補(bǔ)強(qiáng)，以便增加視角。圖7是Fujitsu所提出的MVA的方式，藉由4個(gè)不同傾倒方向的液晶，來增加視角，達(dá)到廣視角的效果。由於有4個(gè)不同方向的液晶，因此采用MVA的架構(gòu)，在螢?zāi)坏乃椒较蚺c垂直方向都可以增加視角。
??????? MVA的架構(gòu)，從字面上VA(vertical alignment)就可以知道，其液晶排列的長(zhǎng)軸是垂直於上下兩片玻璃，因此當(dāng)顯示電極不加電壓時(shí)，畫面就是黑色的。而一但將電壓加到顯示電極上時(shí)，液晶分子的排列，就可以將行進(jìn)光線的極化方向轉(zhuǎn)90度，好讓它能透過上層的偏光板，顯示出亮的畫面。因此與一般normally white的TN型液晶面板比較起來，它的對(duì)比度(contrast ratio)會(huì)比一般的TN型液晶螢?zāi)灰獊淼酶?，這是因?yàn)門N型面板的黑色畫面是藉由施加電壓，讓液晶分子都站成直立來完成的(請(qǐng)見圖8)。
??????? 但是這種方式的暗態(tài)并不完美。這是因?yàn)樵诳拷鼉蓚?cè)玻璃的液晶，會(huì)受到玻璃的影響，會(huì)無法站直(靠近玻璃的液晶會(huì)受到玻璃基板rubbing以及strong anchoring的影響)。因此仍然會(huì)有一些光線可以順利到達(dá)使用者的眼睛中，這樣一來，黑色的畫面就不會(huì)很黑了，一般都稱這種情況為暗態(tài)漏光的現(xiàn)象，這會(huì)影響液晶螢?zāi)辉趯?duì)比度的表現(xiàn)。
??????? MVA除了可以改善暗態(tài)漏光的現(xiàn)象之外，由於不加電壓時(shí)，整個(gè)畫面都是黑色的，所以可以叫做normally black。這種方式，如果在液晶螢?zāi)簧系腡FT有損壞的話，這個(gè)畫素所顯示出來的灰階會(huì)是黑色，也就是"暗點(diǎn)"。不像使用normally white的方式，當(dāng)TFT有損壞的狀況，螢?zāi)簧巷@示出來的就會(huì)是我們俗稱的"亮點(diǎn)"，"亮點(diǎn)"比起"暗點(diǎn)"來說，會(huì)嚴(yán)重影響到使用者的視覺觀感。
??????? 由於其分別在TFT及彩色濾光片(Color filter)上有protrusion，所以就整個(gè)畫素而言，其電場(chǎng)強(qiáng)度是不平均的，假如此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度又不夠強(qiáng)的話，就會(huì)很容易在接近protrusion的地方，液晶的轉(zhuǎn)動(dòng)變得不靈活，造成顯示出來的灰階不正確。所以使用在MVA的source driver的電壓會(huì)需要高到接近13.5 volt，就是這個(gè)原因。希望藉由更高的電壓，來加強(qiáng)電場(chǎng)的強(qiáng)度，以便能精確的控制液晶的轉(zhuǎn)動(dòng)。

IPS特色：顯示電極位於同一玻璃基板
??????? IPS在架構(gòu)上最大的不同，就是顯示電極都是位於同一邊的玻璃基板上。在前面所述的一般TN型液晶顯示器與MVA的液晶顯示器，他們的顯示電極都是位於不同邊的玻璃之上。為什麼要把顯示電極放再同一邊？主要這樣一來，液晶的排列，便會(huì)如圖9中所畫的，液晶分子的長(zhǎng)軸會(huì)跟玻璃基板是平行的。即使當(dāng)顯示電極上加了電壓之後，仍然會(huì)如同圖10一樣，液晶分子的長(zhǎng)軸仍然與玻璃基板是平行的。
??????? 這樣一來，不管我們的視線與液晶螢?zāi)粖A了怎樣的角度，也就是說視線跟液晶分子的長(zhǎng)軸夾角有了變化，也不會(huì)有視角的問題產(chǎn)生。為什麼會(huì)這樣呢？這主要是因?yàn)閺谋彻獍逅l(fā)射的光源，經(jīng)過液晶分子到達(dá)我們的眼睛過程中，由於液晶的長(zhǎng)軸都是平行於玻璃基板的，因此光線的行進(jìn)路線，大部份都是沿著液晶的短軸來前進(jìn)，所以就比較不會(huì)因?yàn)殡p折射率的關(guān)系，產(chǎn)生兩道折射光而有相位延遲的情況發(fā)生，於是視角就可以大大地增加了。比起使用光學(xué)補(bǔ)償膜與MVA的架構(gòu)來說，以IPS所能增加的視角表現(xiàn)為最佳。
??????? 使用IPS架構(gòu)有另外一個(gè)好處，跟MVA架構(gòu)一樣，就是當(dāng)畫面為黑色的時(shí)候，它是所謂"絕對(duì)"的黑。也就是說，它的對(duì)比度會(huì)比一般的液晶螢?zāi)灰獊淼母摺Ｆ湓蚝卧冢?我們回過頭來看看圖9。圖9的內(nèi)容是使用IPS的架構(gòu)下，當(dāng)顯示電極不加電壓時(shí)的液晶分子排列狀況。我們可以發(fā)現(xiàn)，在這種情況下，液晶分子的排列是很整齊的，所以當(dāng)背光板所發(fā)射出的光線，從底下經(jīng)過偏光板變成極化光線時(shí)，由於液晶分子的排列很整齊，當(dāng)極化光線通過液晶分子，光線的極化方向并不會(huì)改變，也就沒辦法通過位在上方的偏光板(上下兩片的偏光板，所形成的光柵是互相垂直的)。這時(shí)候所顯示出來的畫面就是黑色。
??????? 那為什麼叫做是"絕對(duì)"的黑色呢? 這是相對(duì)於一般normally white的TN型液晶面板來說的。因?yàn)檫@種面板的黑色畫面如前面所述，并不完美，會(huì)有暗態(tài)漏光的現(xiàn)象，影響到液晶螢?zāi)辉趯?duì)比度的表現(xiàn)。IPS除了可以改善暗態(tài)漏光的現(xiàn)象之外，跟MVA一樣由於是normally black，所以在液晶螢?zāi)簧系腡FT有損壞的話，這個(gè)畫素所顯示出來的灰階會(huì)"暗點(diǎn)"，而不是我們俗稱的"亮點(diǎn)"。
??????? 相較於MVA的架構(gòu)，IPS的做法在可視角度上的表現(xiàn)會(huì)更好。但是由於它所施加的電場(chǎng)，并不是上下垂直的方式，而是屬於水平的做法，當(dāng)電加到顯示電極上時(shí)，靠近顯示電極的液晶分子，會(huì)由平行於顯示電極轉(zhuǎn)向90度，而垂直於顯示電極(如圖10)。而遠(yuǎn)離顯示電極的液晶，所受到電場(chǎng)的影響會(huì)越少，轉(zhuǎn)向的程度也越小，整個(gè)液晶的排列恰好可以將光線的極化方向轉(zhuǎn)向90度，讓光線透過。且當(dāng)您變化電場(chǎng)的大小時(shí)，就可以控制光線極化方向的轉(zhuǎn)向程度，也就可以控制光線透過的容易與否，來營造出不同灰階的感覺。但就因?yàn)橄忍焐想妶?chǎng)的控制更不容易，遠(yuǎn)離顯示電極的液晶分子所感受到的電場(chǎng)比較小，要讓所有的液晶轉(zhuǎn)動(dòng)至所期望位置所花的時(shí)間也會(huì)比較長(zhǎng)，也就是反應(yīng)時(shí)間(response time)會(huì)比較長(zhǎng)。這也是為什麼使用於IPS的source driver驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)比較高(一般需要到15伏特以上才可以)，以期增加電場(chǎng)強(qiáng)度的原因。

除了MVA，IPS， SUPER-IPS 還有PVA
????? "G.Philips LCD采用Super-IPS（In Plane Switching）技術(shù)，將視角擴(kuò)大到176度，三星電子則采用PVA（Patterned Vertical Alignment）技術(shù)，已開發(fā)出視角達(dá)170度的産品。
??????? LG.Philips LCD表示，IPS技術(shù)不同於在面板上貼上廣視角偏光板（Pol）的傳統(tǒng)方式（扭轉(zhuǎn)型），而系利用橫方向的電場(chǎng)，亦即電場(chǎng)方向與液晶分子的排列方向在同一平面上，來趨動(dòng)液晶分子。相較於扭轉(zhuǎn)型，減少了入射光在不同視角上所造成的相位差，進(jìn)而增大視角。并表示，視角能擴(kuò)大到176度，則系因采用較IPS技術(shù)更先進(jìn)的Super-IPS技術(shù)。
??????? 此外，由於不需另外的廣視角偏光板，還可節(jié)省材料費(fèi)，且?guī)谉o色歪曲現(xiàn)象。同時(shí)，在呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)影像時(shí)，若采用IPS技術(shù)，畫面快速轉(zhuǎn)換時(shí)亦可充分展現(xiàn)色感，而PVA技術(shù)則略遜一籌。并強(qiáng)調(diào)，在廣視角的呈現(xiàn)上，業(yè)界公認(rèn)IPS優(yōu)於PVA。
??????? 三星電子表示，由於PVA可完全呈現(xiàn)Black狀態(tài)，故黑白對(duì)比較高，且由於制程單純，具備不良率低的特性。同時(shí)，由於輝度提高，有助於降低成本及耗電。另外，目前三星電子在天安廠亦采用IPS技術(shù)，不過采用此一技術(shù)的産品不到整體産品的1％，且由於認(rèn)定IPS技術(shù)遠(yuǎn)不如PVA技術(shù)，未來預(yù)定完全不采用IPS技術(shù)。