STN液晶和TFT液晶

電腦通訊 9547 266 2014-11-24

初中物理就學習過物質有三態:固態、液態和氣態。其實所謂的三態只是大致的區分,有些物質的固態可以再被細分出不同性質的狀態。同樣,液體也同樣可具有不同的「態」,其中分子排列具有方向性的液體我們就稱之為「液態晶體」,簡稱「液晶」。

一般的固態晶體具有方向性,所以它們的許多物理特性也具有方向性。液態晶體在具有一般晶體的方向性的同時又具有液體的流動性。如果要改變固態晶體方向必須旋轉整個晶體,而液態晶體就不同了,它的方向可由電場或磁場來控制。

STN和TFT都是使用一種被稱為「向列型」液晶(Nematic)的物質,它呈絲狀,利用電場來控制「絲狀」液晶的方向是應用上常用的方法。用液態晶體製作的組件,通常都將液態晶體包在兩片玻璃中。在玻璃的表面鍍一層叫做配向劑的物質,由它的種類及處理方法可控制在沒有外電場時液晶的排列情況。

STN液晶原理

世界上第一台液晶顯示器出現在七十年代初,被稱之為TN型液晶顯示器(Twisted Nematic,扭曲向列)。八十年代,STN型液晶顯示器(Super Twisted Nematic,超扭曲向列)出現,同時TFT液晶顯示器(Thin Film Transistor,薄膜晶體管)技術被提出。

我們就先來講講TN型液晶的原理,STN LCD和TN LCD的顯示原理相同,只是液晶分子的扭曲角度不同。

向列型液晶夾在兩片玻璃中間,這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導電的薄膜以作電極之用,然後在有薄膜電極的玻璃上鍍表面配向劑,以使液晶順著一個特定且平行於玻璃表面的方向排列。液晶的自然狀態具有90度的扭曲,利用電場可使液晶旋轉,液晶的折射係數隨液晶的方向而改變,影響的結果是光經過TN型液晶後偏極性發生變化。只要選擇適當的厚度使光的偏極性剛好改變90°,就可利用兩個平行偏光片使得光完全不能通過。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場方向平行,這樣光的偏極性就不會改變,光就可通過第二個偏光片。於是,就可控制光的明暗了。前面說了,STN型液晶與TN型液晶的顯示原理相同,只是它將入射光旋轉180~270度,而不是90度。而且,單純的TN型液晶顯示器本身只有明暗兩種變化。而STN液晶則以淡綠色和橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片,並將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個子像素,分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色,就可以顯示出色彩了。

TFT液晶原理

由於TN和STN型的液晶的顯示原理所限,如果它的顯示部份越做越大,那麼中心部份的電極反應時間可能就會比較長。其實這對於手機來講並不是很大的問題,因為目前的手機顯示屏都比較小,液晶反應時間的影響就比較小。但是對於筆記本等需要大屏幕液晶顯示器的設備來說,太慢的液晶反應時間就會嚴重影響顯示效果,因此TFT液晶技術引起了廠商的注意。並且,彩屏在手機中應用得越來越多,在新一代產品中很多都支持65536色顯示,有的甚至支持16萬色顯示,這時TFT的高對比度,色彩豐富的優勢就更顯得重要了。

STN型液晶屬於反射式LCD器件,它的好處是功耗小,但在比較暗的環境中清晰度很差,所以不得不配備外部照明光源。而TFT液晶採用「背透」與「反射」相結合的方式,在液晶的背部設置特殊光管。這就是為什麼我們看到有的手機顯示屏旁好像有「照明燈」,而有的手機的光線則好像是顯示屏本身發出來的原因了。而且,液晶顯示屏的背光技術也在不斷地進步,由單色到彩色,由厚到薄,由側置螢光燈式到平板螢光燈式。

順便提一下,反射式LCD器件有黑底白字符(NB)和白底黑字符(NN)兩種,最近我們看到的V70的顯示屏就是屬於NB型,當然這肯定是融合了最新技術的增強型NB。好了,我們還是言歸正傳,繼續來講TFT液晶屏的顯示原理。TFT液晶顯示技術採用了「主動式矩陣」的方式來驅動。方法是利用薄膜技術所做成的電晶體電極,利用掃瞄的方法「主動地」控制任意一個顯示點的開與關。光源照射時先通過下偏光板向上透出,借助液晶分子傳導光線。電極導通時,液晶分子就像TN液晶的排列狀態一樣會發生改變,也通過遮光和透光來達到顯示的目的。聽起來這和TN型液晶的顯示原理差不多,的確如此。但不同的是,由於FET晶體管具有電容效應,能夠保持電位狀態,已經透光的液晶分子會一直保持這種狀態,直到FET電極下一次再加電改變其排列方式為止。而TN型液晶就沒有這個特性,液晶分子一旦沒有加以電場,立刻就返回原來的狀態,這是TFT液晶和TN液晶顯示原理的最大不同。

TFT液晶為每個像素都設有一個半導體開關,其加工工藝類似於大規模集成電路。由於每個像素都可以通過點脈衝直接控制,因而,每個節點都相對獨立,並可以進行連續控制,這樣的設計不僅提高了顯示屏的反應速度,同時可以精確控制顯示灰度,所以TFT液晶的色彩更逼真。

今年3月,三星公司發佈了一款手機用的液晶顯示器件,被稱為UFB LCD,具有超薄、高亮度的特點。據稱UFB液晶顯示屏的對比度是STN液晶顯示屏的兩倍,在65536色時亮度與TFT顯示屏不相上下,而耗電量比TFT顯示屏少,並且售價與STN顯示屏差不多,可說是結合這兩種現有產品的優點於一身。可見,液晶顯示技術每天都在發生著巨大的變化。縱觀歷史,在前二十年發展的基礎上,運用各種最新研究成果,液晶顯示技術從分段控制的字符顯示屏,到矩陣控制的圖形顯示屏,再到超大的背投顯示屏,這是一個多麼驚人的變化。擁有超大彩色液晶顯示屏的多功能手機離我們已經越來越近了。



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