显示/光电技术中的LCD基础及S3C2410 LCD控制器
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2020-12-10
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显示显示/光电技术中的光电技术中的LCD基础及基础及S3C2410 LCD控制器控制器
一、超薄平面显示器时代来临 电视机所采用的 CRT(阴极射线管)有着体积大、重量重、尺寸受限等缺点。随着
电子科技的发展，对移动显示的要求越来越多，CRT 的先天限制，让其小型化、行动化的理想受到阻碍。这使
得开发新一代的显示器技术变得更有其必要！ 新一代的显示器讲求几个重点：平面直角，画面显示不变形、轻
薄短小耗能少，携带方便且同时要与现有的影像信号技术兼容。目前谈论到超薄型显示器技术，最普及当是
TFT LCD 的应用了，举凡数字相机、笔记型计算机、PDA 等，需要显示复杂信息的电子产品通通少不了它。
TFT LCD 技术又包含了，低温多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等，多项不同
一、超薄平面显示器时代来临
电视机所采用的 CRT(阴极射线管)有着体积大、重量重、尺寸受限等缺点。随着电子科技的发展，对移动显示的要求越来越多，CRT 的先天限制，让其小型
化、行动化的理想受到阻碍。这使得开发新一代的显示器技术变得更有其必要！ 新一代的显示器讲求几个重点：平面直角，画面显示不变形、轻薄短小耗能
少，携带方便且同时要与现有的影像信号技术兼容。目前谈论到超薄型显示器技术，最普及当是 TFT LCD 的应用了，举凡数字相机、笔记型计算机、PDA
等，需要显示复杂信息的电子产品通通少不了它。TFT LCD 技术又包含了，低温多硅晶TFT LCD、反射式TFT LCD 等，多项不同的显示技术，下面我们就要
来一探 LCD 的历史与原理。
二、液晶的发明与发现
液晶的诞生来自于一项非常特殊物质的发现，早在 1850 年 Virchow, Mettenheimer 和 Valentin 这三个人就发现 nerve fibre 的粹取物中含有这种不寻常的东
西。到了 1877 年德国物理学家 Otto Lehmann 运用偏极化的显微镜首次观测到了液晶化的现象，但他对此一现象的成因并不了解。直到公元1888年，奥地利
的植物学家 Friedrich Reinitzer（1857-1927）发现了螺旋性甲苯酸盐的化合物（cholesteryl benzoate），确认了这种化合物在加热时具有两个不同温度的熔
点，在这两个不同的温度点中，其状态介于一般液态与固态物质之间，类似胶状，但在某一温度范围内其又具有液体和结晶双方性质，由于其特殊的状态。
Reinitzer 后来走访 Lehmann 深入探讨这种物质的表现，其后两人便命名这种物质为「Liquid Crystal」，就是液态结晶物质的意思。Reinitzer 和 Lehmann 这
两人被誉为液晶之父。
同 CRT 阴极射线管一样，液晶虽早在1888年就被发现（实际上，但是实际应用在生活周遭时，已是80年后的事了。因为液晶在两次大战中对军事用途的帮助
不大，以致于 其发展落后 CRT 甚多。比较重要的是 1922 年 Oseen 和 Z?cher 这两位科学家为液晶确立状态变化之方程式。一直到了 1968年美国RCA公司
工程师们利用液晶分子受到电压的影响而改变其分子的排列状态，并且可以让入射光线产生偏转的现象之原理，制造了世界第一台使用液晶显示的屏幕。由此
开始，加上了1970年代日本 SONY 与 Sharp 两家公司对液晶显示技术全面开发与应用，让液晶显示器成功的融入现代的电子产品之中。
描述液晶的物理性质，必须先了解一般固态晶体具有方向性，而液态晶体这种特殊物质，不但具有一般固体晶体的方向性外，同时又具有液体的流动性。改变
固态晶体方向必须旋转整个晶体，改变液态晶体就不用那幺麻烦，它的方向性可经由电场或磁场来控制。
改变液晶的方向视液晶的成分而有所不同，有的液晶和电场平行时位能较低，所以当外加电场时会朝着电场方向转动，相对的，也有液晶是对应电场垂直时位
能较低。由于液晶对于外加力量（电场或磁场敏感），从而呈现了方向性的效果，也导致了当光线入射液晶中时，必然会按照液晶分子的排列方式行进，产生
了自然的偏转现像（见图3-1）。
图3-1
部分液晶分子的电子结构中，有着很强的电子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），
这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再透过液晶分子的折射
特性，以及对光线的旋转能力来获得亮暗情况，进而达到显像的目的。
电源关闭时，液晶具有偏光效果
可将入射光线转弯，穿过极栅，呈现亮色
电源开启时液晶不具有偏光的功能
因此光线不能通过极栅呈现暗色
三、液晶显示器的种类
利用液晶制成的显示器称为液晶显示器，英文称 LCD（Liquid Crystal Display）。其种类可分为依驱动方式之静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple
Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。而其中，单纯矩阵型又是俗称的被动式（Passive），可分为扭转向列型（Twisted Nematic，简称 TN）和
超扭转式向列型（Super Twisted Nematic，简称STN）两种；而主动矩阵型则以薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）为目前主流。
TN型
TN型液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为蓝本加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。
TN 的构造包括了垂直方向与水平方向的偏光板（Polarizer），其上具有细纹沟槽，中间夹杂液晶材料以及导电的玻璃基板（Glass）。
STN/DSTN
STN型的显示原理也类似，不同的是TN型的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN则可将入射光旋转180~270度。 单纯的 TN 显示器本身只有明暗两种显示
（或黑白），无法产生色彩的变化。TN LCD 采用的是“直接驱动”无法显示较多的像素，且画面的对比小，反应速度慢，视角更仅在+30度以下(即观赏角度约
60度)，显示质量也较差；故TN型LCD主要用途在于简单的数字符与文字的显示，如：电子表及电子计算器等。 STN的出现改善了视角狭小的缺点并提高对比
率，STN以“多任务驱动”增加扫瞄线数提高画素显示，品质较TN来得高。再搭配彩色滤光片的使用，将单色显示矩阵的任一像素（pixel）分成三个子像素
（sub-pixel），分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，可以显示出逼近全彩模式的色彩。由于 STN 显示的画面色彩对比度
仍只达30：1(对比愈小，画面愈不清楚)；反应速度为150ms（毫秒），作为一般操作显示接口尚可，但若要播放电影速度仍然不够。
由于 STN 仍有不少缺点，后续的 DSTN则通过双扫描方式来显示，由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。DSTN 反应速
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