接下來要談的主題則是「液晶顯示器」,液晶面板被大量使用在個人電腦顯示器上迄今已經有超過二十年以上的歷史,對大多數人來說應該早就可以說是再平凡不過的一項周邊裝置,但隨著技術的演進與發展,現今在商店可以買到相當多款基於不同種類面板或有著不同規格參數的各種液晶顯示器,在挑選液晶顯示器的時候,你是否也曾因此感到眼花撩亂呢?

液晶顯示器概觀

液晶顯示器顧名思義是以液晶面板為基礎的顯示器,運用的是物質處於液晶態 (Liquid Crystal) 時會受到電場分布變化的影響而改變其排列順序而影響光線之通過與否的原理來產生畫面,主要由液晶面板、背光元件與控制器電路板 (包含輸入、輸出介面與控制晶片等) 三大部分所組成,一般而言在分類時以液晶面板的種類為主要依據。

液晶面板種類、原理與特性

由於液晶顯示器最重要的組成部分 (同時也是對其功能特性影響最為直接、明顯的部分) 就是液晶面板,因此站長將從液晶顯示器的常見面板種類開始介紹起。

通常而言我們稱畫面上的單一一個發光點為「像素 (Pixel,如下圖)」,而實際上為了顯示彩色畫面,彩色液晶面板上的每個像素都是由三個液晶單元所組成 (分別代表藍、綠、紅三原色,透過調整這三個極小的液晶單元所發出之亮度強弱來改變該像素所顯示的顏色)。

而目前使用於個人電腦、智慧型手機、筆記型電腦與液晶電視上的液晶面板大多都屬於薄膜電晶體液晶面板 (Thin flim transistor, TFT),這類液晶面板的液晶單元由兩片玻璃夾一層液晶材料的結構所組成,其中在背面的玻璃板 (下層,液晶材料位於此層上方) 上嵌有電晶體 (製作原理與半導體晶片有些類似) 與一片用於過濾光源使僅有特定偏振方向光源才得以通過的偏光板 (Polarizer),正面的玻璃板 (上層) 上則附有紅、綠、藍三種顏色其中一種的濾光片 (濾光片的顏色決定了該液晶單元所代表的顏色) 與第二面偏光板。

至於液晶單元的工作原理則是由控制器電路板調整對背面玻璃板上電晶體的供電使其產生電場變化,覆蓋於其上方的液晶材料受到電場變化之後產生偏轉,進而影響背光元件所發出的光線當中能夠通過偏光板與濾光片之光強度的強弱。

而 TFT 液晶面板又根據其液晶材料的排列方式不同而可分為許多不同種類的液晶面板,其中目前最常被用做個人電腦顯示器的有 TN、IPS 與 VA 三大種類,接下來我就從這三種最常見的液晶面板開始介紹起。

說明:以下內容係以三大面板類型各自最為原始的種類進行介紹,各廠商自行以 TN、IPS 或 VA 面板為基礎自行改良後的液晶面板 (例如 AH-IPS、AMVA 等) 由於種類繁多且本系列文章係以深入介紹個人電腦相關知識為主,僅稍旁及顯示器、音效、網路等相關主題,故不逐一說明,至於 OLED 螢幕由於目前使用於個人電腦上的比例甚少,且原理上並不屬於液晶顯示器,因此也不會在本篇文章中介紹。

TN 面板 (扭曲向列型液晶面板)

首先要介紹的是扭曲向列型液晶面板 (Twisted Nematic, TN),顧名思義這類面板是透過調整液晶材料單體的扭曲程度來改變通過偏光板與濾光片的光線而顯示出對應的圖像,如下圖所示:

當外加電壓 V 斷開時 (上圖左),背面玻璃板上的液晶材料會呈現螺旋形排列使得背光模組所發出的光線得以通過第二偏光板與濾光片進而使此像素點發光,而在外加電壓 V 存在時 (上圖右),液晶材料則會受到電場影響而順著光線的法線方向排列而阻擋來自背光模組的光線使其無法通過第二偏光板與濾光片。

相較於 VA 與 IPS 面板而言,TN 面板的成像原理較為單純、無須授權費用、製作較為簡單且良率高等因素而使其成本較為低廉,同時又是這三者之中最早被發明與廣泛應用者,因此可以說是最為常見的液晶面板種類,但受制於其顯像原理 (液晶材料的扭曲方向會造成成像差異) 而有著可視角度狹窄的缺點 (如上圖,最明顯的特色就是對著採用 TN 面板的顯示器看時將頭左右、上下移動可以發現畫面的顏色與亮度出現明顯的變化,雖然目前 TN 面板透過補償膜等技術可以有效提高可視角度,但仍然會有明顯的衰退問題),連帶也使其所顯示的色彩較易出現失真的情況,同時 TN 面板的色彩還原能力也是三大面板種類當中最差的。

不過在需要高速反應速度,追求極低延遲的情況下 TN 面板同樣因其成像原理較為單純而有著絕對的優勢,同時由於 TN 面板上的液晶單元在不通電的情況下可允許最大量的光線通過偏光板與濾光片,因此 TN 面板比起其他種類的面板要來得更加省電,也特別適合用在行動裝置上。