第二章 TFT LCD 的操作原理 (1/5)

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第二章 TFT LCD 的操作原理 (1/5)

大綱

• TFT LCD 的操作方式

• 極性反轉 (Polarity inversion)

• 充電 (Charging)

• 電位保持 (Holding)

• 電容耦合效應 (Coupling)

• 信號延遲 (Delay)

• 綜合效應

2.1 TFT LCD 的操作方式

• 在主動矩陣式 LCD 中，每個畫素均有一個 TFT：

◎ 閘極 (Gate) 連接至水平方向的掃描線。

◎ 汲極 (Drain) 連接至垂直方向的資料線。

◎ 源極 (Source) 連接至畫素電極。

• 在水平方向同一條掃描線上的閘極，均是相互連接在一起的：

◎ 當施加足夠大的正電壓時，同一條掃描線上的閘極皆會被打開。

◎ 此時該掃描線上的畫素電極，皆會與垂直方向的資料線接通。

(2)

2.1 TFT LCD 的操作方式

◎ 經由垂直資料線送入相對應的視訊信號，而將畫素電極充電至適當的電壓。

◎ 再將掃描線施予一足夠大的負電壓，關閉 TFT，而使液晶電容保持著一定的電壓值。

◎ 此時啟動下一條的水平掃描線，送入相對應的視訊信號。

• 遵循上述的方式，依序將整個畫面的視訊資料寫入。

• 接著，再重新自第一條掃描線送入信號，如此重複的頻率一般為 60 ~ 70 Hz。

2.1 TFT LCD 的操作方式

• 當每個畫素的液晶光閥均得到一定的電壓時，而顯現一定的穿透度，如此即組成一個完整的畫面。

• 以上所述，即為理想的主動矩陣式液晶顯

示器的操作原理。

(3)

2.1 TFT LCD 的操作方式

• 以 4 × 4 的顯示陣列為例，再配合前一章水利系統的譬喻，加以說明

－水位 (電壓) 愈高則畫素愈暗 (正常白，

NW) 。

2.2 極性反轉 - 何謂「極性反轉」

• 前章已介紹如何利用電場來控制液晶分子的排列方式，在此要更進一步討論 LCD 驅動中很重要的「極性反轉」觀念。

• 施加於液晶分子上的電場是有方向性的，若在不同的時間，以相反方向的電場施於液晶上，

即為極性反轉。

• 由於電極間距為定值，所以電場的方向即對應到兩端電極的電位高低。

• 極性反轉也就意味著對液晶施加正負號相反的

電位差。

(4)

• 再次檢視液晶分子在電場中電偶極與力矩的情況。

• 電場反向時，電偶極的方向亦反轉，所以力矩轉動液晶分子的作用仍相同－極性的方向不會影響力矩對液晶分子的作用。

• 在液晶分子受電場影響所產生的力矩數學式中，其與電場的平方成正比，所以電場方向不影響液晶的排列。

2.2 極性反轉 - 為何可以「極性反轉」

) 2 sin(

) 2 (

1

2

// ε θ

ε ε

τ

v

_net

=

_o

−

_⊥

E

• 方均根 (Root Mean Square, RMS) 。

• 在此先討論電場頻率甚快的情形。

• 在此狀況下，液晶的排列是由其所受到的力矩在時間上的平均值來決定。

• 力矩與電場的平方成正比，所以即為對電場的平方作時間平均。

• 力矩對應液晶分子的排列而影響光穿透度，電場直接對應到驅動電壓－光穿透度與驅動電壓的方均根有關。

2.2 極性反轉 - 驅動電壓的方均根

T t

T

t

average

= ∫

⁰

τ ( ) d τ ^v

平均力矩

12 0

2

} d )]

( [ { T

t t V V

T

RMS

= ∫

方均根電壓

(5)

354 . 1 ) 6 / 11 (

] } ) 1 ( ) 2 ( ) 1 ( ) 2 ( ) 0 ( ) 1 [(

) 6 / { (

2

12 2 2 2 2 2 2

=

− + +

− + + +

= ⋅

T V

_RMS

T

• 給一個例子：

◎ 如圖為一電壓波形。

◎ 其方均根電壓的計算為：

◎ 若週期 T 遠小於液晶的反應時間，則上述電壓波形的驅動，與大小為 1.354 V 的電壓來驅動液晶的效果是相同的。

2.2 極性反轉 - 驅動電壓的方均根

• 液晶的驅動與電壓極性無關，為何不能僅施加直流電壓？

原因有二：

1) 配向膜的直流阻絕效應 (DC blocking effect)

◇ 為了控制液晶在未施加電壓時的排向，在基板表面均鍍有一層有機高分子薄膜 (Polyimide, PI) ，稱作配向膜 (OL)。

◇ 電極上的電壓是透過配向膜才施加在液晶上的。

◇ 其等效電路可以視為是串聯的三個電容與串聯的三個電阻相並聯。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

(6)

◇ 電阻定律電容定義

配向膜厚度約為液晶層厚度的 1/100。

配向膜與液晶的相對介電係數相差不多。

配向膜的電阻率高於液晶約100000倍。

所以可得

A R =

ρ

d

d C =

ε

A

LC OL

R R

C C

1000 100

≈

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

◇ 施加直流電壓 V _DC 時：

☉ 電容阻抗 Z = 1/jωC。

☉ 當ω=0 時，則電容的阻抗甚大而可忽略，僅考慮電阻的作用。

☉ 液晶上所跨的電壓約為施加電壓的二千分之一：

☉ 此時絕大部分的電壓均落在配向膜上，而無法轉動液晶分子。

DC DC

OL LC

OL

LC

LC V V

R R

R V R

2000

≈ 1 +

≈ +

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

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◇ 施加交流電壓 V _AC 時：

☉ 當ω甚高時，則電容的阻抗小於電阻，而可忽略電阻的作用。

☉ 液晶上所跨的電壓 V _LC 約與施加電壓相當：

AC AC OL LC

OL

LC

V V

C j C

j C

j

C

V j ≈

+

≈ +

) 1

( ) 1

(

1

ω ω

ω

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

◇ 在施加電壓的瞬間，配向膜與液晶上的跨壓是隨著時間而改變的，變化的情形是視實際的電阻及電容值而定。

◇其中 V _LC 會以近似指數的形式趨近至 0，其時間常數一般約為 200 秒。(此變化與液晶面積大小於關) 。

◇ 所以，液晶不能僅以直流驅動，而必須以高於 (1/200) Hz 的頻率作交流驅動。

◇ 一般考慮人眼的視覺反應時間，不會以如此低頻來操作，但是在開發新陣列及彩色濾光片的製程結構時，須注意此效應。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

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2) 可移動離子 (Mobile ions) 與直流殘留 (DC residue)

◇ 在液晶製程中，不可避免的會在液晶中殘留一些可移動的離子。

◇ 於施加電壓時，離子會受電極上與其極性相反的電荷吸引而向電極移動。如圖。

◇ 若施加電壓的平均值為零，離子向兩極移動的淨距離為零，而不會有任何影響。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

◇ 若施加電壓的平均值不為零，則離子會趨向某一電極移動，最終被液晶與配向膜的介面所捕獲。

◇ 被攫取在介面的離子，會與在另一電極上帶有相反極性的電荷，形成內部電場。

◇ 內部電場會與外加電壓的電場合成，而影響液晶的排列與光穿透度，使得 T-V 曲線改變。

◇ 而在取消外加電壓後，液晶的排列方式亦會受到內部電場而改變，與原始的排列方式不同，此即稱作「直流殘留」。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

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◇ 以 TN 型顯示器為例：

☉ 白底部分不需施加電壓，而黑色圖案部分則須施加電壓。

☉ 經過一段時間後，施加電壓的黑色部分的離子已被攫取於介面上；而白色部分的離子並無此狀況發生。

☉ 當整體畫面施加相同電壓，欲使其顯現灰階相同的全灰色畫面。但是原為黑色圖案部分受到直流殘留的影響，

而在灰色畫面中仍可看出之前的畫面圖案。

☉ 這即為殘影 (影像殘留)，是在顯示器中要極力避免的狀況。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

◇ 為了避免直流殘留發生，必須使所施加電壓的平均值為零，所以不可不作「極性反轉」。

◇ 除了極性反轉外，尚須使施加的電壓不能有直流成分。且直流的成分愈大，產生直流殘留的時間就愈短，效應就愈明顯。

◇ 以之前的電壓波形為例，其電壓的平均值為：

5 . 6 0

) 1 ( 2 ) 1 ( 2 0

1 + + + − + + − =

AVERAGE = V

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

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◇ 決定液晶排列的是液晶上的跨壓，而

所以若要使施加電壓的平均值為零，有兩種做法：

(A) 改變所有畫素的施加電壓：

＊以之前的電壓波形為例，使所有電壓下降 0.5 V。

電壓平均值為電壓方均根值為

＊平均值改變了 0.5 V，方均根值僅變化 0.096 V。所以方均根效應有降低電壓絕對誤差的效果。

共電極電壓 -

畫素電壓液晶上的跨壓 =

6 0

) 5 . 1 ( 5 . 1 ) 5 . 1 ( 5 . 1 ) 5 . 0 ( 5 .

0 + − + + − + + − =

AVERAGE

= V

2583 . 1 ] } ) 5 . 1 ( ) 5 . 1 ( ) 5 . 1 ( ) 5 . 1 ( ) 5 . 0 ( ) 5 . 0 [(

) 6 /

{ (

¹²

2 2

2

+ − + + − + + − =

= ⋅

T V

_RMS

T

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

(B) 改變共電極電壓：

＊電壓是相對的，且所有畫素均以共電極的電壓為參考電壓。

＊以之前的電壓波形為例，其均以 0 V 為相對參考點。

＊現將共電極電壓參考值，由 0 V 變為 +0.5 V，則電壓平均值為 0，方均根值仍為 1.2583 V。

＊此即為共電極電壓補償的觀念。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

0

6 )]

5 . 0 1 ( ) 5 . 0 2 ( ) 5 . 0 1 ( ) 5 . 0 2 ( ) 5 . 0 0 ( ) 5 . 0 1 [(

=

−

− +

−

− +

= −

AVERAGE

V

(11)

• 閃爍 (flicker) ：

◎ 當液晶的跨壓以某個接近人眼反應速率的頻率改變時，人眼會感受到灰階的變化，因而產生畫面有閃爍的現象。

◎ 在極性反轉的過程中，若有嚴重的電壓不對稱情況。則即使沒有發生直流殘留效應，亦可能產生閃爍現象。

◎ 人眼在不同亮度的環境下，對閃爍現象的感受力不同，因而對此不良現象難有明確的定義。

◎ 一般是在暗室中觀察，由觀察者主觀判定閃爍的現象是否可以接受。

2.2 極性反轉 - 為何不能不做「極性反轉」

• 就每個畫素本身而言，均須以極性反轉的方式來驅動。

• 就畫素陣列而言，相鄰的畫素不一定要以相同的極性來驅動。

• 常見的畫素陣列極性反轉的方式有：

1) 圖框反轉 (frame inversion)：

在一個圖框寫入結束之後及下一個圖框寫入開始之前，整體畫素所儲存的電壓極性均相同。

2.2 極性反轉 – 畫素陣列極性反轉的方式

1 2 3 4 5 1

2 3 4

Frame N Columns

Lines

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

1 2 3 4 5 1

2 3 4

Frame N+1 Columns

Lines

－－－－－

圖框反轉

(12)

2) 欄反轉 (column inversion)：

同一欄畫素所儲存的電壓極性均相同，而左右相鄰兩欄畫素所儲存的電壓極性與其相反。

2.2 極性反轉 – 畫素陣列極性反轉的方式

3) 列反轉 (row inversion)：

同一列畫素所儲存的電壓極性均相同，而上下相鄰兩列畫素所儲存的電壓極性與其相反。

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N Columns

Lines

+ － + － +

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N+1 Columns

Lines

－ + － + － + － + － +

+ － + － + + － + － + + － + － +

－ + － + －

欄反轉

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N Columns

Lines

+ + + + +

+ + + + + + + + + +

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N+1 Columns

Lines

－－－－－

+ + + + +

－－－－－

列反轉

4) 點反轉 (dot inversion)：

每個畫素所儲存的電壓極性，均與其上下左右相鄰的畫素所儲存的電壓極性相反。

2.2 極性反轉 – 畫素陣列極性反轉的方式

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N Columns

Lines

+ － + － +

1 2 3 4 5 1

2 3 4 5

Frame N+1 Columns

Lines + － + － +

+ － + － +

－ + － + －

+ － + － + + － + － + + － + － +

點反轉

(13)

• 須注意畫素電壓的設定是週而復始不斷循環的，也就是動態的。

• 同一列上的畫素電壓，是在相同的時間，而由不同的資料線所寫入。

• 同一欄上的畫素電壓，是經由相同的資料線，而在不同的時間所寫入。

• 所以，資料線上的電壓極性是一直在做動態變化的。

• 一些畫質不良的原因，與上述的動態描述是有相當密切的關係。

2.2 極性反轉 – 畫素陣列極性反轉的方式

• 如圖，灰底表示電壓已寫入，白底則是電壓待寫入。此時資料線的電壓與第三列畫素電壓極性相同，但是卻不一定與第四列畫素電壓極性相同。

第二章 TFT LCD 的操作原理 (1/5)