310655d7dbf6f2a0926e37f4e2e65d8c 近期在行動裝置崛起下,在人機介面佔有重要地位的螢幕起了大變化,輕薄化以及觸控多樣要求下,迫使面板廠開出更高ppi(Pixels Per Inch,每英吋像素點)的面板。一般電腦螢幕或是電視也在導入LED(Light Emitting Diode,發光二極體)背光後持續改良發光材料,或是因應CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp,冷陰極燈管)和LED發光的不同,修改導光板的結構。 不論是在新興的行動市場,或是原有的電腦家電領域,LCD正一點一滴地改進,改進幅度已經超越你我想像,有必要如撥開洋蔥般,一層一層拆解細細介紹。本文部分依然還是圍繞在需要背光模組的LCD範疇內,其它如 AMOLED、E-Ink、Mirasal等,未來有機會筆者再逐一介紹。

從光線路徑解析

想要了解LCD的構造,跟著光的路徑走是最好的方法,那麼在光之前又是什麼呢?進入LCD螢幕的訊號可分為2種,其一負責供給背光源,另外就是控制訊號,決定薄膜電晶體TFT施加的電場強度為多少,透過不同的電場強度,液晶分子的旋轉角度不同,決定背光要透出多少百分比,再經濾光片濾出紅、綠、藍3原色,不過部分面板製造廠還會額外濾出不同顏色的光,以便顯示更大範圍的顏色。

跟著光走,首先第一站來到就是背光源,LCD本身並不具有發光功能,只有決定光通量的功能,所以需要有個背光源發出光,交由LCD過濾之後,才可形成我們所看到的影像。由此可知,對於背光源有個要求,就是發出的光需要盡量覆蓋到人眼可見的頻譜範圍,以便顯示更多的顏色。可惜目前技術沒有辦法做出完全覆蓋人眼所見頻譜的背光,或至少消費級產品尚無法在一定成本下做出,幸好我們知道光能夠分出三原色,如果我們能正確混合這3種顏色,理論上能夠騙過眼睛,以為看到了許多不同的色彩。

行之有年的 CCFL

請讀者抬頭看看頭上的天花板,是不是有看到不同形狀的日光燈管(如果家中採用間接照明或是LED就看不到),彩色液晶螢幕長久以來的背光大宗就是螢光燈管(單色液晶螢幕會採用LED做為背光源),跟家中拿來照明的日光燈屬於同一類型,但還可再細分為冷陰極燈管CCFL和熱陰極燈管HCFL。CCFL和HCFL的發光原理都是電子撞擊管內氣體,而氣體獲得能量後為了要回復到穩定的狀態,進而釋放出紫外線,管壁的螢光物質再吸收這紫外線放出人類可見到的光,由這螢光物質放出的光就照亮了燈管四周的景物,也組成LCD螢幕的背光來源。管壁的螢光物質由不同種類的材料組合而成,才能夠混出白光。

CCFL和HCFL的不同在於電子跑出的方式不同,CCFL直接利用燈管兩端的電壓促使內部氣體離子撞擊電極後釋出電子,因此需要較高的電壓驅動,大約是數百至上千伏特。HCFL在點亮之前則是先加熱燈管兩端電極,讓電極受熱後比較容易射出電子,因此只需一般的市電110V即可運作。除此之外,HCFL的發光效率較高,但需加熱燈管內電極所以壽命較短,再加上HCFL電極構造不利於小型化,所以在LCD上比較容易見到採用CCFL的產品。採用HCFL燈管的螢幕也不是沒有廠商推出,只不過很快的就被另一種後起之秀取代掉,那就是LED。

HCFL和CCFL內部的構造,HCFL啟動時需要先加熱電極使電子射出,CCFL則是直接利用兩端電壓差使內部離子撞擊電極後釋出電子。

明日之星 LED

LED材料尚未進步之前,LED絕大部分用於指示用途,因為其發光效率雖然高,但要到達照明使用,其電壓、電流必須增加到相當高的程度,發光效率變差又容易燒壞晶粒,發出來的電磁波頻率也過於狹窄。直到近年LED內材料進步到足以發出類似於白光的光譜(主因是開發出可發出藍光的材料),加上和CCFL相比只需較低驅動電壓,體積也比較小,逐漸取代CCFL。近期LED的發光效率和亮度足以作為照明使用,加上節能減碳的環保風潮,一堆白牌廠商也向不同的供應商進料,自行找工廠裝一裝就出貨了,讓LED燈泡瞬間侵蝕各大賣場的貨架。

LED發光原理比起螢光燈管更有效率,在於其可見光產生路徑不像螢光燈管需多次轉換,直接利用半導體的N-P介面發射出可見光,原理為當電子從N型半導體進入P型半導體時,電子的能階會降低,而這些失去的能量就以光的形式放出。不同材料的N/P型半導體其電子與電洞的能階並不相同,這中間的差異將導致發出的光波長不同。

另外LED與傳統CCFL較為不同的是,LED很容易因為散熱不良造成光衰,有可能是原本晶片本身品質不良,長期使用下導致材料的接面出現問題,也有可能是白光LED使用的螢光物質的效能大不如前,或是在封裝時使用比較便宜的膠水。但研究顯示降低其熱度能夠延緩光衰現象的發生,因此能夠承受較大功率輸出的LED通常會用覆晶封裝,除可讓晶片本身與基板固定材質接觸面積變大,散熱較快之外,也可去除黃金打線遮蔽LED光源的問題。

LED的發光原理,電子由N型半導體移至P型半導體的時候,會在接面發出光亮。

關鍵字:LED

Light Emitting Diode,發光二極體。

左方圖示為一般封裝,右方為覆晶式封裝。(圖中的藍寶石基板可能換成其它材料)

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稚空
1.  稚空 (發表於 2014年2月16日 15:46)
專業推!! 終於了解LCD螢幕的原理了!!
就最外層的處理方法來說,哪一種的抗反光方式比較好呢?
AR或是外加一層玻璃的方式會比AG來的好看嗎?

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