何謂FPD

FPD的種類

平板顯示器的示意照片
FPD(flat-panel display,平板顯示器)為擁有薄型平面畫面(與外殼)的影像顯示裝置之總稱。相較於長期以來占據主流的CRT(陰極射線管)顯示器,具有節省空間,畫面逼真,易於大型化的優點,因此從千禧年代初期正式開始普及。目前除了電視以外,FPD還廣泛運用於智慧型手機,電腦與平板電腦裝置等各種生活不可或缺的電子產品。

依照不同的影像顯示方式,可將FPD分成數種,有液晶顯示器(LCD)、有機EL(OLED)顯示器、發光二極體(LED)顯示器等具代表性的產品。目前FPD已朝高性能,多功能化演進,但一開始推出時卻有消耗電力高,亮度與顯色不佳,反應時間慢等技術上的問題。為此各家製造商透過不斷地嘗試錯誤,以各種方式研發出FPD產品。

顯示器裝置的種類

顯示器裝置的種類

液晶顯示器基本構造

液晶顯示器是利用液晶性質呈現影像的FPD。液晶為介於固體(結晶)與液體中間狀態的物質,特性為施加電壓之後分子的排列方向會改變。

液晶顯示器內部構造

液晶顯示器內部構造

液晶顯示器的斷面圖

以下為液晶顯示器的斷面圖。顯示器上顯示的影像是透過極小的色點(pixel,像素)的組合而呈現出來。而該畫素是由R,G,B(紅,綠,藍)這3個子像素組成。每一個子像素上都配置微小的電極,利用這些電極對液晶層施加電壓,改變部分的液晶分子排列,像快門一樣阻擋背光,或讓背光通過。透過這種方式調節呈現在畫面上的明暗度,即可展現出各種色彩與色調。

液晶顯示器的原理(光的快門效果)

為了在畫面上呈現出豐富的色彩,就需要由彩色濾光片精細地調節通過的光量。此處的重點就是光的方向性(偏光性)。為了調節光的方向,液晶顯示器具備數種功能,透過這些功能隨心所欲地改變通過的光量,即能呈現出色彩鮮豔的影像。

功能1  偏光板的光快門功能

2片偏光板水平設置時

2片偏光板水平設置時

偏光板是賦予光方向性的板子。偏光板形狀像是柵欄,有如三明治的麵包部分一樣,在顯示器的兩面各配置1片。一般我們自然看到的光並沒有方向性,會朝所有方向漫射,但是讓光通過偏光板之後,可以阻擋非特定方向的光。例如將偏光板設置成橫向(水平)時,無法通過柵欄縫隙的光會被阻擋,最後光將會維持水平的方向性。
有1片偏光板垂直設置時

有1片偏光板垂直設置時

組合2片偏光板後,就能將通過的光量控制在某種程度。例如,針對光源將前方的偏光板擺放成水平方向,將後方的偏光板擺放成垂直(傾斜90度)方向,通過第1片偏光板的光將會維持水平的方向性而無法通過第2片偏光板,在畫面上顯示出黑色(未發光的狀態)。像這樣利用2片偏光板的角度改變,(原理上)可以調節畫面的明亮度。

透過偏光板的組合帶給畫面不同的明亮度

兩片偏光片的偏光面平行時、傾斜時、垂直交叉時的比較

功能2 透過配向膜調整液晶分子

然而在實際的液晶顯示器上,偏光板的角度固定,無法改變,因此需藉由控制液晶顯示器正中間的液晶層,來調節光的方向性。

如同上述,液晶是介於固體(結晶)與液體中間狀態的物質。液晶分子通常以不明顯的規則性排列,若附近出現有凹槽的板子,分子就會沿著凹槽的方向整齊排列(下圖)。這種有凹槽的板子稱為「配向膜」,配向膜會設置成夾住液晶層的樣子。

自然狀態的液晶粒子和配向膜附近的液晶粒子的示意圖

功能3 透過電壓控制液晶分子

液晶顯示器會使用偏光板與配向膜的組合,甚至是電壓控制液晶分子的方向,藉此調整通過顯示器的光量。讓我們依序來看看這是怎麼一回事(※此處介紹的內容僅為部分範例)。

首先是設置在顯示器兩面的2片偏光板,偏光面呈現垂直狀態(傾斜90度的狀態),因此背光(光源)裡通過前方偏光板的光會被後方(第2片)偏光板阻擋,無法通過顯示器,若要改變光的方向就得利用配向膜。貼在液晶層兩面的2片配向膜與偏光板一樣,呈現垂直狀態。此時被配向膜夾住的液晶分子會依光源自前方(第1片配向膜)到後方(第2片配向膜)的前進方向,沿著凹槽彎曲成90度狀態,就像是人坐著的姿勢,如此一來,通過液晶層的光也會彎曲成90度,因而能夠通過後側的偏光板。

光快門的原理

俯瞰圖

俯瞰圖

側面圖

側面圖

由電壓引起的液晶分子排列的變化

由電壓引起的液晶分子排列的變化

如果只要做到這件事情,即無須特地用配向膜夾住液晶層。利用電壓控制液晶分子,才是此處的重頭戲。液晶分子具有沿著電流方向平行排列的性質,若對液晶分子施加電壓,因配向膜而造成的分子彎曲將會消失,光就無法通過偏光板,因此,想要讓光通過時只需關閉電壓,想要阻擋光時就開啟電壓,藉由上述方法就能在顯示器細膩地呈現出光的明暗,而且還能透過電壓的高低操控分子的細微角度,呈現出各個子像素的色彩濃淡。

液晶分子排列變化的示意圖

液晶分子排列變化的示意圖

液晶顯示器的對比

要讓影像看起來好看,另一個重要因素就是「對比」。對比代表最明亮的部分(白場)與最暗的部分(黑場)的亮度差異。

不同對比所造成的不同視覺效果

不同對比所造成的不同視覺效果

為了改善這項問題,建議使用高對比類型彩色光阻。此方法不僅可提升彩色濾光片的亮度,還能減少外漏的光,提升對比,形成清晰易看的畫面。

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