LCD 基本驱动原理

1、課程大綱課程大綱 顯示的基本原理顯示的基本原理 1. 偏光片的使用 2. Rubbing的定向 3. 液晶的定向 4. 加入電場後的液晶 5. 液晶與偏光片的效應組合 LCD基本驅動原理基本驅動原理 1. 液晶與外加電場的關係液晶與外加電場的關係 2. TFT的基本驅動的基本驅動 （a）TFT的機構的機構 （b）TFT的簡易等效電路的簡易等效電路 （c）面板的各種極性與）面板的各種極性與Common 的不同驅動的不同驅動 （d）Cst on Common & Cst on GateLCD的顯示原理 基本上，LCD是藉由電場加於液晶，改變其雙折射現像，並配合偏光片來決定光的路徑。以顯示出

2、對比，並利用color filter來呈現出色彩。 (1). 偏光片的使用偏光片的使用 ：使用偏光片，可決定光的行進路線。 (2).Rubbing的定向：的定向：可使液晶分子呈現規則的排列 (3). 液晶的定向液晶的定向：可使液晶分子呈現規則的排列後，達到扭轉的功 能；不同型態之LCD有不同的扭轉角。(4). 加入電場後的液晶：加入電場後的液晶：當所加的電場強度高於液晶的臨限電壓時， 改變原有的扭轉排列狀態。 (5). 液晶與偏光片的效應組合：液晶與偏光片的效應組合： 未加電壓未加電壓：當光線通過上層偏光片，以一特定的方向進入LCD後，藉 由液晶的扭轉將光路徑旋轉至特定之角度，而得以穿透下 層

3、偏光片的透過軸向。 施加電壓施加電壓：原有液晶分子排列的狀態經過施加電壓後，已失去了旋轉 光路徑的功能，因此光線無法透過直交的偏光片。 TFT基本驅動ClcTFT SubstrateColor Filter SubstrateRGBClcClcRBGTFT 基本的剖面圖基本的剖面圖舉例：舉例：TFT LCD 等效電路等效電路Gate DriversSource Driver1H1HClcCsCsCsCsCsCsCsCsCsClcClcClcClcClcClcClcClcGlassGlassGate Metal DepositionGate PatterningSiNx Depositioni

4、a-Si Depositionn+ a-Si DepositionActive PatterningData Metal DepositionData Metal Patterningn+ a-Si EtchSiNx DepositionVia Hole PatterningITO DepositionPixel PatterningPixelDataPassivation SiNxn+ a-Sii a-SiGateinsulatorSiNxGateVia holeFrame TimeGate123N1HL1L2L3DATAtF = 16.7mstg (gate on time)G0G1G2G

5、3+V1+V2V3offoffoffonononoffoffoffoffoffoffCst Scanning at-a-line - Vgh is applied to a gate line - All TFTs on a gate line are turned on - Current flows from data line to pixel and pixels on the gate line are charged up to data voltage - Vgl is applied to a gate line - All TFTs on a gate line are tu

6、rned off and pixels on the gate line holds the charged voltageDisplay FormatResolutionVGASVGAXGASXGAUXGAQXGAGate-on-time480 x640 xRGB600 x800 xRGB768x1024xRGB1024x1280 xRGB1200 x1600 xRGB1536x2048xRGB34 s27 s21.7 s16 s13 s10 sPixel Size (in 15.1”)480 m X 160 m384 m X 128 m300 m X 100 m234 m X 78 m19

7、2 m X 64 m150 m X 50 mRefreshing time tF ( Frame time ) ( dominated by the Pixel design tg )Refreshing rate = 1/ tF Gate switching time tg ( Gate-on time ) tg ( Gate-on time ) = tF ( Frame time ) / total Gate line ( dominated by product resolution)For example: tg ( Gate-on time ) = 16.7 ms / 768 ( f

8、or 14.1” XGA ) = 21.7 sR/G/B: 若各以6 bits訊號控制,則可各得 26=64 scales1 dot: R/G/B 所組成所以螢幕上一個點由6X3=18 bits所控制故每個點顏色階數可有218=256K scalesFull color (True color) scale: 24 bits= 17M scales1M=1024K, 1K=1024bitsColor scale Depends onThe charging capabilityT-V (Transmission versus Voltage) curveTN liquid crystal: N

9、ormally WhiteTFT mobility (ie carrier mobility, 載子移動率)Transmission (%)Voltage像素 Pixel dimension: 88X264 mm2 點距 Dot dimension: 264X264 mm2 面板的各種極性變化方式：Column inversionLine inversionDot inversionFrame inversion1st field2nd fieldPositive voltageNegative voltage246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData

10、_OddSpareVgh = +15VVgl = -15Vtg = 100sVdh = +5VVref = 0VVdl = -5VVghVglVdhVdlVref246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh = +15VVgl = -15Vtg = 100sVdh = +5VVref = 0VVdl = -5VVghVglVdhVdlVref246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh = +15VVgl = -15Vtg = 100sVdh = +5VVref =

11、0VVdl = -5VVghVglVdhVdlVref246810121416Gate_EvenGate_OddData_EvenData_OddSpareVgh = +15VVgl = -15Vtg = 100sVdh = +5VVref = 0VVdl = -5VVghVglVdhVrefCommon電極的驅動方式 Common電壓固定不變的驅動方式 Common電壓不停變動的驅動方式Direct Driving of TFT LCDs DC Bias of CommonGrayScale Voltage V0V1V2V62V63V63V62V2V1V01 Frame / 1 LineAC

12、 Driving of TFT LCDsV0V1V2V62V63V63V62V2V1V0Common WaveformGraylevel Voltage1Frame / 1 LineT100%VVthVth:Vth:液晶的操作臨界電壓液晶的操作臨界電壓Vcom:共通電極訊號位準共通電極訊號位準正極性正極性訊號時光電轉移曲線負極性負極性訊號時光電轉移曲線Vth負極性負極性時臨界電壓正極性正極性時臨界電壓5V3.5V6.5VT100%V5V-1.5VVth正極性正極性訊號時訊號時共通電極訊號位準共通電極訊號位準負極性負極性訊號時訊號時共通電極訊號位準共通電極訊號位準正極性正極性訊號時訊號時光電轉移

13、曲線光電轉移曲線負極性負極性訊號時訊號時光電轉移曲線光電轉移曲線VthCommon inversion固定與變動Gate inversion固定與變動Data inversion只能使用固定的Common電極電壓Dot inversion只能使用固定的Common電極電壓Common inversion明顯垂直與水平方向都容易發生Gate inversion不明顯水平方向容易發生Data inversion不明顯垂直方向容易發生Dot inversion幾乎沒有不易發生 1. Cst on Common 2. Cst on Gate液晶畫素TFTGate LineData LineCs液晶畫素

14、TFTCommonGate LineData LineCsCs Cst on ComCst on GateHigher Open Ratio名詞解釋名詞解釋: M metal 金屬金屬 GE / SD / ITO I Insulator 絕緣層絕緣層 AS / BP 用來使上述金屬層間之分隔避免之間用來使上述金屬層間之分隔避免之間 ShortCst on Gate即使用即使用ITO/GE作電容儲存作電容儲存畫面上一個點為三個畫面上一個點為三個pixel所組成所組成( R 紅紅,G 綠綠 ,B 藍藍 )而每個而每個pixel之組成要素則為之組成要素則為1.TFT device 主要作用為控制主要

15、作用為控制pixel信號之傳遞信號之傳遞2. Cst 主要功用為儲存電荷之用主要功用為儲存電荷之用,確保在下一次更新確保在下一次更新 信號來臨前可將先前之信號儲存於信號來臨前可將先前之信號儲存於pixel內內3. ITO 與彩色濾光片共同組成上下兩電極板提供電場使兩者之間之與彩色濾光片共同組成上下兩電極板提供電場使兩者之間之 液晶角度變化以控制液晶角度變化以控制pixel之亮暗程度之亮暗程度ClcCsClcCsCommonCommon (N-1)thScan Line (N-1)thScan LineNth Scan LineNth Scan LineCs on Common Mode Cs on Gate ModeCgdCgd液晶电容儲存电容扫描电极资料电极共通电極Mth Data LineMth Data Line资料电极扫描电极:Clc:Cs:Com:Cgd寄生电容液晶画素电容:Clc+CsCst on Common & Gate的簡單電路SourceDrainGateVgppVsppVgon-minVgoff-minVshVdhVslVdlVgdVghVglVgdComm