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浅谈TN、VA、IPS显色技术蓝、绿、红 三原色的缤纷世界

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    浅谈TN、VA、IPS显色技术蓝、绿、红 三原色的缤纷世界

    液晶显示器为当今IT产业显影装置之主流,除了在个人电脑领域之外,在其他专业领域亦不乏其身影穿梭出没。诸如︰嵌入式系统中的人机控制介面,大力促成了科学运算的普及与各大工程领域的发展;而在日常生活中,手机

    、平板电脑、汽车仪表板等设备,更已成为今日吾人不可或缺之重要角色。众所周知,液晶面板站在整个产业链中的顶点,所有元件无不绕着面板特性加以设计量产,经过数十年如一日的演化淘汰,目前液晶面板主要有三大技术阵营,分别为︰TN、VA、ÍPS。然而,许多人只闻其名、不识其实,往往在选购液晶设备时,陷入专有名词的迷雾之中,最后买回不适合自己的产品,徒呼负负、莫可奈何。憨人胖达有鑒于此,本期试为读者简介绍由蓝、绿、红三原色所构的缤纷世界,希望能让您详知内情,对于相关知识大有斩获。

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    ■ 液晶、沥青 傻傻分不清

    液晶(Liquid Crystal,LC)这个名词,各位电脑DIY的玩家们可说是耳熟能详。但究竟什幺是液晶?我们可以追溯至西元1850年,一位来自普鲁士(现代德国的前身)的科学天才─鲁道夫‧路德维希‧卡尔‧菲尔绍(Rudolf Ludwig Karl Virchow)的研究发现。

    当时人们熟悉的物质相态为固、液、气态,而菲尔绍发现神经纤维的萃取物中,含有一种不寻常的物质相态;接着在西元1877年,德国物理学家奥托‧雷曼(Otto Lehmann)在研究同分异构体时,发现某些材料在加热融化后,还存在一种半固态半液态的晶体结构,这些材料拥有着水晶的光学特性却没有水晶的硬度。随后,与同期的奥地利科学家弗里德里希‧莱尼泽(Friedrich Reinitzer),运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的物理现象,并发现液晶物质具有偏振光性质。自此,雷曼和莱尼泽被誉为液晶之祖。

    值得附带一提的,是当时的徳国默克(Merck)公司,也就是今天在业界中喊水会结冻的默克集团,在雷曼和莱尼泽研究液晶的年代,就开始少量合成比例或成份不同的有机液晶化合物,提供学术界研究使用。而在西元1968年第二届国际液晶年会结束之后,默克公司旋即设立了专属的实验室,专注于液晶材料的有机合成上。时至今日,当年的契机造就了默克公司,在今天稳坐全球第一液晶材料供应商的龙头宝座。

    在近代的研究累积中,我们已经可以清楚地知道,液晶这种物质是一种介于固态与液态之间的胶状有机化合物;在某一温度的範围之内,会同时拥有固态晶体的光学特性,却又具备液体的流动性。因此,被命名为「液态结晶」,简称为「液晶」。

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    图 / 偏光显微镜下的液晶化物理现象。(摘自︰Bold line genspot)

    ■ 液晶的光偏振现象

    由古典电磁学中,我们了解到光其实是电磁波的一种。当光波前进时,其行进方向和本身产生的电场振荡并相互垂直;其振荡方向于此平面垂直,并不拘束于特定角度或位置。但如果此时我们刻意让光波的电场,限定在特殊的方位上振荡,在物理学中,我们称之为「偏振光」。

    如果读者对上述定义似懂非懂也没关係,最常见的偏振现象就像戴了太阳眼镜,犹如拿起偏光片对着光源直视,此时亮度变暗;偏光片的作用像是一道栅欄,只允许电场振荡与栅欄同方向的光线透入。

    由于液晶的组成物质为有机化合物,从有机物的定义中不难理解,液晶必定是一种以碳原子为中心所键结而成的物质。上一段提到的光偏振性质,从液晶领域来看,意即液晶层能够使光线发生偏转;像是我们上戏院看3D电影时所配戴的立体眼镜,能够过滤掉除了从特殊方向射入之外的光线;同样的道理,若液晶层发生了扭转现象,光线也会随之扭转,并从不同的方向,由另一个面射出。

    液晶除了上述美妙的光学特性之外,这些具备液相态的晶体分子,拥有另一个极为实用的物理性质。当我们对液晶层施加电流通过,液晶分子将会以电流的流向进行排列;反之当没有电流通过的时候,液晶分子们则彼此平行排列。聪明的读者一定可以联想到,此时我们便可以用0和1的数位讯号,控制电流开与关的类比电路;同时利用电压高低改变液晶分子的扭转排列,实现阻隔光线或是允许光线通过的显示手段。由此,也开始了液晶显示器的辉煌时代,由演化来看,我们主要可以区分为三大技术时代,最早是所谓的TN-LCD扭转向列型(Twisted Nematic- LCD),其次则为过渡的STN-LCD超扭转向列型(Super Twisted Nematic- LCD )。最后,也就是今日主流─TFT-LCD彩色薄膜型(Thin Film Transistors -LCD)。

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    图 / 偏光片的作用像是一道栅欄,只允许电场振荡与栅欄同方向的光线透入。

    (摘自︰Microelectronic Circuits, A.S. Sedra & K.C.Smith,5th ed)

    ■ TN扭转向列技术

    脑筋动得快的讀者一定会想到,如果我们在两枚偏光片之间,放进某种能够改变光偏振方向的材料,单纯控制灰阶明暗度,是否能够成为一款构造简单的黑白显示器呢?答案是可以的!而且这项发想极为直接简单的技术,在业界有个如雷灌耳的名字,称之为TN扭转式向列技术(Twisted Nematic Mode)。

    西元1968年乔治‧海迈尔(George H.Heilmeier)教授经实验得到「液晶会受到电压影响,使得液晶分子扭转排列,引发偏振现像;进一步使入射光线产生折射」之结论,随后并製造了人类史上第一台液晶显示器。

    乔治‧海迈尔是运用两片透明并具有导电性质的沟槽玻璃板,中间夹入液晶材料,并让这两片玻璃板的走向和偏光片如出一辙,以九十度相互交错。接着那些形如蚕蛹状的液晶分子为了嵌入两边的沟槽中,而如其名般被「扭转」成螺旋状外观;此时,入射光的偏极方向也被扭转九十度,同时穿出最底层的偏光片,成为萤幕上的发光点。

    另一方面,如果我们在玻璃板上施加电压,蚕蛹状的液晶分子受到电场影响,则将直挺挺地指向上下兩端;此时无法干涉入射光的偏振角度,而光线理所当然就被底层的偏光片挡住,并同时在萤幕上造成暗点效果。此时,海迈尔再利用开关电压的控制,造成视觉上的灰阶变化;此技术基础成为液晶黑白显示器之始祖,更开启了TN显示技术之滥觞。从此,液晶显影开始崭露头角,应用在消费性电子产品之上,例如︰电子錶、计算机等。

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    图 / 扭转式显示技术作动图。摘自《Proceedings of the IEEE, Vol. 90,No. 4》后中译。

    ■ TN的一小步 是夏普的一大步

    在西元1968年第二届国际液晶年会上,当时身处美国无线电公司(Radio Corporation of America,世称︰RCA)的乔治‧海迈尔,发表了全世界第一台液晶显示器。在会议中,乔治‧海迈尔更预言映像管电视(CRT)在十年内即将被淘汰,并宣誓将电视如同一幅画般挂在墙上的平板时代即到来。我们以事后诸葛的角度来看,乔治‧海迈尔的预言当然没有如期实现,而是在更久之后的80年代末,液晶显示技术才又开始被重视并百家争鸣;但当时乔治‧海迈尔的技术展示与宣言却震撼了全世界。

    憨人胖达顺带爆一个业界里的小八挂给电脑DIY的读者们知晓。在第二届国际液晶年会结束的同一时间,液晶显影技术被实现并开发出原型机的消息传到日本;当时夏普(Sharp)公司的专务佐佐木正(Tadashi Sasaki)先生,旋即意识到液晶技术的开创性,认为这项技术在未来必将彻底改变人类的生活形态。但由于当时日本对液晶领域的研究是「零」,佐佐木正先生深刻体悟到,若要追赶RCA公司的技术水準,必需要有特殊的作法与艰绝的努力方有机会迎头赶上。因此,佐佐木正随即组织了一个专门的研究团队,将公司里最优秀的员工集结起来,并让这些菁英配戴纯金勋章以彰显其荣誉,祕密进行了代号为S734 的研发策划。其中S代表Secret(机密),734则是要求这些菁英必需在西元1973年4月以前将计画完成;这就是夏普技术史上迄今依旧罕有人知的「金奖计画」。(至于憨人为什幺会知道?不要问,很可怕!)

    直到现代,几乎没有学生不曾使用过电子式计算机,在现代生活中,计算机更已成为一个理所当然的存在。而当年「金奖计画」的第一阶段研发,在西元1973年四月告一段落;翌月,旋即发表了世界上第一款液晶式计算机,薄型并可携于口袋的特色,让世界各计算机大厂无不跟进採用。佐佐木正先生也因此于西元2003年,获得IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers︰电机电子工程师协会)颁发Honorary Membership荣誉大奖;并在西元2005年时,IEEE将这份贡献纳入IEEE Milestone(IEEE里程碑),以讚扬其卓越贡献。而夏普在今天,更成为了液晶面板中「品质最优」的同义词,有口皆碑的技术力,绝对是业界中的佼佼者。

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    图 / 乔治‧海迈尔与全世界第一台液晶显示器合影留念。(来源︰RCA)

    ■ STN超级扭转式向列

    在TN液晶技术诞生之后,一票电机工程师与材料研发人员,前扑后继地精进改良显示方式;最为突破性的发展,当属显影方式由黑白往彩色的方向迈进。此时,数学家们也不甘寂寞,跑来凑热闹,将TN液晶予以矩阵化控制,用来显示更加複杂的图形。于是,相对于只能扭转90度的TN液晶,能够扭转180度到270度,成为3D螺丝状的STN(Super-Twisted Nematic︰超级扭转式向列)液晶于焉诞生。

    在九十年代初期,STN液晶问世降临,这种液晶的一个像素(Pixel)由三个液晶单元组成,其上再覆上一层彩色滤光片;同时利用老方法,也就是以电压高低的方式,分别控制液晶分子单元的亮度,颜色便自然而然地产生。

    STN液晶是由反应速度比较快的TN液晶分子单元所组成。但相较之下,其液晶颗粒大,因此扫描速度,和亮度都不及今日主流的TFT液晶显示技术,同时在某些製程下,容易发生泛蓝紫或黄绿色的缺陷;最后,利用了双折射式偏光补偿膜等元件,才将问题予以解决。

    STN液晶有黄底黑字,和蓝底白字之分;追求对比度的场合适用前者,强调亮度的情境下适用后者。与TN模式相较,STN模式的特点在于即使驱动扫描速率增加,也能拥有较高的对比度。

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    图 / 被扭曲成3D螺丝状的超级扭转式向列架构。(来源︰友达光电)

    ■ DSTN的亮线问题

    量产型STN液晶主要又可区分为三阶段演化、进步。最早出现的技术为︰覆膜型STN(FSTN – Film Compensated STN),在STN中插入一层高分子膜,仅能单色显示,使用于文字处理器和携带型电子设备,在九十年代初期的电子式辞典中尤为常见。接着彩色型STN(CSTN – Color Super-Twist Nematic)终于诞生,这也是最早的彩色液晶设计;主要应用于行动电话和掌上型游戏机,这个时期最具代表性的消费性产品,莫过于当时由任天堂公司所发表,其后风靡全球的Game Boy Color。STN演化的第三阶段,也就是︰双层式STN(DSTN – double-layer super-twisted nematic),这种STN液晶区分为上下2块区域,各自分别扫描。此举是为了加快扫描速率,用以消除画面拖影残像的情况发生,在早期的笔记型电脑上可发现其蹤迹。DSTN的缺点是在分成上下两个画面双扫瞄下,经过长期使用,在萤幕正中央容易有一条亮线的情况发生。

    但由于STN价廉物美,在西元2000年之前生产的笔记本电脑、掌上型游戏器,与行动电话,都不难发现其应用,但随着消费者对于色彩的要求越来越挑剔,因此TFT-LCD彩色薄膜型(Thin Film Transistors -LCD)终于取代STN-LCD,一跃成为今日显示设备之主流。

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    图 / 採用了STN面板的GBC,曾独领一代风骚,陪伴许多人渡过孩提时代。(来源︰)

    ■ TFT薄膜电晶体技术

    时代的巨轮将科技往进步的未来挺进,即使在STN叱咤风云的时代,研发人员也是费尽心力改善色彩的表现。因此在STN当道时期,又发明了TSTN(Triple Super Twisted Nematic)和FSTN(Film Super Twisted Nematic)两种技术,基本构造与发色原理与STN大同小异;主要差别在于前者在两片玻璃上覆上两片偏光补偿膜,而后者只加上一片补偿膜。

    因此採用了TSNT及FSTN方案的STN,具有全彩与高解析度的优点,改善了TN与STN的对比问题与色彩问题。然而福无双至,STN液晶分子始终反应过慢,在迎接FULL HD时代来临之前,甚至无法负荷高流量720P画面,拖影甚至破图的问题履见不鲜。因此,TFT技术可说水到渠成,应运而生。

    TFT(Thin Film Transistor),即为薄膜电晶体。顾名思义,TFT利用薄膜式电晶体施以电压,以控制液晶分子之排列转向。研发人员在两层玻璃之间夹着一层液晶,形成平行板电容器,这就是所谓的CLC(capacitor of liquid crystal);其电容理论值大小约在0.1皮法(pF)左右,但实务上这却无法将电压保持到下一次画面资料再更新的时候。换句话说,以60Hz的画面更新率为例,大约需要16ms的时间,但是当TFT充好电容器时,却无法将电压保持到下一次TFT再充电之时,如此一来,电压变化不稳定,所显示的灰阶也就跟着不正确。

    解决这个问题的方法很简单,研发人员直接在面板设计上,再加上一个大约0.5皮法(pF)的储能电容,这样就能让电压保持到下一次画面更新的时候。但若从本质来看,长在玻璃上的TFT本身也只是一个使用电晶体所製作的开关罢了;其主要任务是决定LCD源级驱动器(source driver)要充到多少的电压以决定显示出怎样的灰阶,这个部份则由外部的LCD源级驱动器来加以定。

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    图 / 薄膜电晶体液晶显示器(TFT-LCD)结构图。(来源︰友达光电)

    ■ CF彩色滤光片

    近年来高解析度彩色液晶萤幕,诸如︰液晶电视、电脑萤幕、手机面板,皆为「主动式矩阵式阵列」;这些薄膜电晶体阵列(TFT Array)则会被添加到偏光板及彩色滤光片(color filter,CF)之上。

    如果读者拿着放大镜观察液晶显示器,你会发现当中最小发色单元是由蓝(B)、绿(G)、红(R)三颜色所构成,也就是我们常说的R/G/B三原色。在国小的美术课中,老师曾经教过我们利用调色盘,将基本的蓝、绿、红三色水彩,混合调成跌宕多姿的五颜六色。同样的道理,我们把R/G/B三原色分拆成三个相互独立的显色点,其各自拥有不同的灰阶变化;接着,再把相邻的三个R/G/B显色点,当作一个最小发色单位,这就是所谓的像素(pixel)。而利用调色盘原理,每个独立像素可以发出多样化的颜色;而所有像素驱动整合起来,就有多样缤纷的变化,形成我们需要的画面。

    对一片解析度为640×480规格的液晶面板来说,其拥有640个横向独立像素与480个纵向独立像素;相信聪明的读者已经抢先一步,发现这片面板上,总共有640×480=307,200个画素,这也是为什幺常在640×480解析度规格的面板或是相机等商品上,标明30万画素的原因。

    而在每一个R/G/B显色点之间的黑色部分,称之为Black Matrix,其目的主要是用来遮住不欲透光之部分;多数面板每一个R/G/B显色点的左上角,皆有一块被Black Matrix遮住的部分,这块黑色缺角即为TFT座落之位置。

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    图 / 用高倍单眼相机近拍液晶萤幕,相片放大后可以发现R/G/B显色点依序排序其上。(来源︰wiki百科)

    ■ 主/被动式矩阵

    行文至此,相信读者们已经有了基础的概念。首先,液晶显示技术依据沿革发展,主要区分为三种,依序为︰扭转向列型(Twisted Nematic,TN)、超扭转向列型(Super Twisted Nematic,STN)、彩色薄膜型(Thin Film Transistors,TFT)。液晶发色之技术架构演化至此,可说是集人类在光学、电学、材料化学、数学、结构学、色彩学等各大领域中,荟萃所有菁华之大成。

    接下来液晶显示器的进化方向,焦点则放在驱动方式的改良。从远古的静态驱动技术,旋即取而代之的动态驱动技术;从单纯的被动式矩阵驱动,到多彩多姿的主动式矩阵驱动技术,发展出形形色色的驱动方法。其中TN与STN基本原理相同,我们称之为被动式矩阵液晶;而TFT因保有记忆性,因此我们称之为主动式矩阵液晶,目前主流的TFT LCD,即採用了主动式矩阵液晶驱动技术。

    看到这边,相信一定不少朋友对于「主/被动式矩阵」这个名称相当困惑,但其实说穿了非常简单。早期TN和STN液晶显示器上的每一行或列上,都有一个独立的电路,每一次驱动都至少需要一个行位址和列位址指定;读者可以想像成五子棋盘里行列交错的格线,这就是所谓的「被动式矩阵式阵列」。由于没有电压保持记忆性,当像素增加时,此时行列数据也会增加,可以想见当画素资讯一多,反应速度一定会受到相当的影响,同时对比度也无法拉高。

    反之在TFT液晶显示器上,每个像素都设有独立电晶体,拥有操控单一像素的能力。想当然尔,当一条列线路作动开启时,所有行线路会连接一整列的像素;而每条行线路会有对应的电压驱动,在这条列线路关掉时而下一条列线路被开启。如此形成一个完美的扫瞄迴圈(scanning loop),此即为所谓的「主动式矩阵阵列」;在一次完整的画面更新中,所有列线路会依照时序而反应开启。

    从这个简单的原理中我们可以轻鬆解答两个常见的问题。首先,何谓亮/坏点?当操控单一像素的电晶体损坏而无法趋动开关,产生恆开的情况即为亮点,反之恆关即为暗点。其次,为何LCD会有残影现象而CRT不会发生?这是由于传统CRT显像是採阴极射线管技术,光速扫瞄当然是比液晶分子排列更新速度还快,这说明了为何尺寸相同的CRT比起LCD,不易发生画面拖影的问题。

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    图 / 画素电极上的彩色滤光片。(来源︰三星电子)

    ■ BL背光模组

    一般早期常见的CRT显示器,是利用高速电子枪所发射之电子束,打击在屏幕上的萤光粉,藉此产生明暗讯号以显示画面。

    另一方面,液晶本身仅能控制光线通过的程度,本身并无发光之功能;因此,液晶显示器必须加上一件背光模组(Back light,业界惯称BL),以提供一个高亮度且光线分布均匀的发光源。

    而背光模组主要由灯管(CCFL,冷阴极管)、导光板、反射板、稜镜片(Prism Sheet)、扩散板五大元件所组成,依各厂技术不同,还会加入一些其他元件。

    背光模组发光原理十分易懂,冷阴极管是主要的发光元件,藉由导光板将光源分散到各处;此时,将限制光线行进,使其只往TFT LCD的方向前进。最后,再依靠稜镜片及扩散板的帮助,将光源均匀分散至各个区域,提供TFT LCD一个明亮、平均、稳定的发光源。与此同时,薄膜电晶体阵列(TFT Array)则凭藉电压变化操作液晶分子的扭向,调控光线通过的亮度,以形成不同的灰阶(gray scale)。

    近年来,随着节能减碳的环保意识逐渐抬头,因此LED(Light-Emitting Diode︰发光二极体)发光技术日益蓬勃,除了节能减碳之外,发光二极体相较于冷阴极管不含汞(Hg Free)的特性,在欧美地区大受欢迎,在台湾市场也有日渐活跃的趋势。而至于CCFL与LED背光技术在色域、亮度、对比度等表现上有何异同?日后若有机会,则将另闢专题为读者详细介绍。

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    图 / 冷极阴管(CCFL)在面板背侧,是背光模组中主要的发光元件。(来源︰wiki百科)

    ■ Ar开口率

    我们在採购液晶显示器时,常会见到厂商标明一项重要的技术规格─「亮度」。除了背光模组本身的发光能力之外,决定亮度的最大因素就是开口率(Aperture ratio)。何谓开口率?简而言之,即为光线能穿透的有效区域之比率。

    前文曾提到Black Matrix,我们知道当光源经由背光模组发射时,并非所有光线都能穿透面板,诸如︰LCD 源级驱动IC、TFT电晶体、储能电容,以及信号走线等。这些区域除了不完全透光之外,也由于经过这些区域的光线不受电压控制,因而无法显示正确的灰阶;所以技术上惯用Black Matrix加以遮蔽,避免干扰其他透光区域的正确亮度。由此可知,有效的透光区域,仅剩下可显示之区域;而这块有效的透光区域(F)与全部面积(A)的比例,称之为开口率(计算方式︰F/A×100%)。

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    图 / 我们可以观察窗户开关情形,来理解开口率即为透光区域与全部面积之比例。

    (来源︰)

    ■ 透光率

    行文至此,我们终于了解,当光源从背光模组发射出来,将依序穿越偏光板、玻璃层、液晶层、彩色滤光片等元件。由于偏光板只允许单方向的极化光通过,因此理想透光率只有50%;此时光线抵达玻璃,我们同时计算上下两片,这部份理想透光率约95%。接着光线必需透过液晶层,这部份的理想透光率约为95%。而以市面上大多数的面板来说,有效透光区域大约只有一半;用术语来说,也就是开口率只有50%。

    最后,光线穿过彩色滤光片,让使用者看到缤纷的全彩世界;这部份若用最高等级的产品,理想穿透率可达90%。但由于滤光片只准许特定波长通过,以白话来说,R/G/B三原色,在同一时间只能容许三种颜色中的一种通过;因此,又只剩下三分之一的亮度。所以我们得到一个结论,理想的彩色滤光片,总共能让30%的光线透过(90%×1/3=30%)。

    若以上述理想情况下的穿透率计算,由背光模组的光源,最终抵达使用者眼里,大约只剩下︰

    50%(偏光板)×95%(玻璃)×95%(液晶层)×50%(开口率)×30%(彩色滤光片)≒6.77%。

    由数据来看,透光率时在是少得可怜,这也是为何TFT LCD在实务设计中,要尽可能提高开口率的原因。由于其他参数都已接近100%,或者像是偏光板与滤光片等,透光程度都已达到理论上限,硬要精进得话边际效益过低。因此,我们能够轻易发现,开口率50%是唯一有机会进步之参数,近十年来TFT LCD相关论文主流,大多数也都是这部份的改良介绍。

    因此,我们知道,只要提高开口率,亮度将顺势增加;同时背光模组的亮度也不需要太高,达到节能省电的目的。对于笔电或手机等便携式手持装置来说,更显重要。

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    图 / 面板之背光模组由五大元件所构成,层层关卡都会影响透光率。(来源︰奇美光电)

    ■ TN、VA、IPS 三雄割据

    近年来当消费者採买液晶萤幕时,常见厂商标榜自家商品採用IPS或是VA面板。在这里所说得 TN/VA/IPS,指得是液晶分子的种类;液晶材料的特性不同,其驱动方式与色彩表现也跟着大异其趣。

    由于TN技术源远流长,因此TN-TFT在製程上容易掌握,生产成本相对低廉。TN-TFT基础原理上与前文TN大同小异,平时液晶分子平躺,以螺旋方式排列,此时映入眼帘的是亮态;当我们对TFT施加电压之后,依据电压大小,液晶随之渐渐站直,此时影像则呈现暗态。又由于螺旋状排列结构有顺时针与逆时针的差异,因此上下视角的光学表现,随角度在视觉上可说大不相同,因此TN-TFT之缺点是在非正视时的色偏相对严重、对比度较小,颜色因此失真;这也是TN技术最为人所诟病之处。

    幸好日本光学大厂富士软片(FujiFilm),运用一甲子的累积下的精湛技术,研发出专利补偿膜(film),拯救TN面板可视角度不足的致命伤。目前市场採用TN面板的液晶显示器,若标榜「垂直可视角度170度、水平可视角度160度」,便是採用了富士软片的补偿膜专利。因此,若精确来说,应将现行採用TN面板之显示器,正名为TN+film显示技术,才不易与远古时期只能黑白发色的TN技术混淆搞乱。

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    图 / TN液晶分子作动示意图。(来源︰Eizo Japan)

    ■ VA垂直排列技术

    VA(Vertical Alignment),若直接由英翻中不难意会,採用VA技术的液晶分子遵守「垂直式排列」;与上一段TN液晶採取螺旋式排列迥然不同。VA技术下的液晶分子,在不加电压的情况下,液晶分子站直,此时为暗态;施加电压之后,液晶分子往四面八方倒下,此时为亮态。VA液晶在生产成本上,相对TN高上不少;但在大视角下的色偏失真与对比度,VA液晶压倒性地击倒了TN液晶。另一方面,若不考虑节能因素,VA面板只要在设计时将开口率降低,加强背光模组发光能力(越亮越耗电),则VA面板的色偏会达到一个很低的境界。因此,採用了VA液晶技术即属于广视角面板;VA面板同样在正视时的对比度最高,图形边缘锐利与黑白分明的色阶对比,是最引人目光的杀手鐗。

    VA面板主要又可区分为三大阵营,主要由富士通主导的MVA(Multi-domain Vertical Alignment,多象限垂直配向技术)、韩国三星的PVA(Patterned Vertical Alignment,图像垂直配向技术),及「液晶之父」夏普的CPA(Continuous Pinwheel Alignment,连续焰火状配向技术)三强鼎足而立。

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    图 / VA液晶分子作动示意图。(来源︰Eizo Japan)

    ■ AMVA是台湾之光

    富士通的MVA技术就广义来说,是液晶史上最早出现的广视角液晶面板技术;早期透过技术授权,台湾的奇美电子(chimei)与友达光电(AUO)等面板厂均採用了这项面板技术。前者发展出S-MVA和VAextreme;后者研发出P-MVA(常见于家电萤幕)和AMVA(常见于高阶电脑萤幕),尤以友达光电的AMVA面板,在品质表现上可说是精湛绝伦、震惊世界。经友达改良后的VA面板,可视角度约达178度,灰阶响应时间可以达到8毫秒以下,超越了富士通当年原创MVA之表现,由此处处可见本土研发人材卧虎藏龙,相较世界各国丝毫不显逊色。

    三星电子(Samsung)的PVA技术同样隶属于VA液晶的範畴。简单来说,PVA是基于MVA技术延伸的一门旁支。PVA採用透明的ITO(画素电极,铟锑氧化物)代替MVA中的液晶层凸起物;相对之下,ITO电极可以获得更好的开口率,最大限度减少背光源的浪费,尤以旗下S-PVA获得不输给AMVA的可视角度与灰阶响应。然而,S-PVA面板最大的遗憾,在于长时间使用容易引发灵魂之窗的不适感,因此业界部份人士又戏称为「穆斯卡面板」(典故来自宫崎骏《天空之城》,反派穆斯卡被圣光闪瞎时大喊︰「我的眼睛~!我的眼睛~!」)。

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    图 / BenQ 241VW显示器,是採用了AMVA面板的优质萤幕,可惜目前已经停产。

    ■ R/G/B/Y 夏普四原色技术

    由前文可以得知,夏普切入液晶领域极早,因此掌握了液晶科技诸多先进技术。而夏普採用的

    CPA技术,严格来说也属于VA阵营的一员。由于CPA各液晶分子是朝着中心电极,呈现焰火状放射式排列;我们知道像素电极上的电场为连续变化,因此这种广视角模式被称为「连续式焰火配向」技术。相信看到这里,一定会有部份高手、行家心存疑问,夏普常宣传自家产品採用ASV面板,胖达你是不是发憨搞错了呢!?

    胖达达达的马蹄,绝对不是美丽的错误。夏普自豪的ASV(Advanced Super-V)其实并非单指某一种特定的广视角技术,而是把旗下所有TN+film、VA、CPA、IPS,经过调校后的广视角产品,统称为ASV面板。而事实上,只有CPA才是夏普原汁原味的液晶发色技术;换句话说,夏普挂牌的LCD显示器,未必採用本家生产的CPA面板,也有可能採买友达的AMVA面板,整合调校后打上ASV面板贩售。而这类的情况,在各大品牌亦司空见惯,屡见不鲜。

    值得一提的是夏普近年来生产的CPA面板,在R/G/B三原色上添加了黄色像素(Y),是业界中唯一拥有「四原色」还原能力的液晶发色技术。因此色彩还原真实、图像细腻,可视角度同样优秀,当然反映在价格上也有相当水準。

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    图 / AQUOS Quattron四原色技术,让萨克斯风的光泽或是向日葵的鲜黄,更显逼真自然。

    ■ IPS平面转换技术

    不只会卖冷气的日立(Hitachi),在2001年时,石破天惊地推出了Super TFT技术,也就是我们现在俗称的IPS (In-Plane Switching,平面转换)。

    IPS面板最大的特色在于液晶分子的两极都在同一个二维平面上,不像TN或是VA在三维空间中立体排列。由于IPS电极都在同一个平面上,因此不管在哪一种状态下,液晶分子始终都与萤幕平行。然而,这却会使得开口率降低、透光率减少;是以IPS相较TN与VA面板,在实务设计上需要更强的背光灯源加以支援。换句话说,这是最耗能的一种发色技术。

    但俗话说得好︰「上帝关上你的门,同时也会为你开一扇窗」。由于IPS液晶分子在作动时,始终保持二维平躺的特性;因此IPS面板的优势是可视角度高,同时大视角下的色偏失真与饱和度,在三种液晶技术中最为优异,不需额外调校优化,就能有水準不俗的发色。

    然而,所谓︰「天之道,损有余而补不足」。IPS最大弊病是黑色纯度不够、漏光问题严重、面板容易发生左右亮度不均的情况;因此,需要仰赖光学膜来补偿实现更好的黑色(编按︰由此可见富士软片在LCD产业链中佔据一席之地,这就是传说中的︰躺着赚)。

    IPS面板的演化极为繁複,列举较重要得有IPS、S-IPS、AS-IPS、IPS-Pro、IPS-Alpha、H-IPS、E-IPS、P-IPS等。详细的设计演化与细节,倘日后有缘,胖达将鉅细靡遗地,报予电脑DIY的读者们一窥当中堂奥。

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    图 / IPS液晶分子作动示意图。(来源︰Eizo Japan)

    ■ 6位元 与8位元之争

    当前主流的液晶显示器,在包装上常会标明「最大发色数」,常见到的主要有16.7M(Million,百万)色与16.2M色。前者又称之为24位元真彩,通常採用了8位元驱动IC,每一色光皆有8位元种(0~255)明暗灰阶;因此蓝、绿、红三原色每个通道各自有256种色调(28=256)。三色光交互增减调色,最高可形成16,777,216发色(R×G×B=28×28×28=224=256×256×256=16,777,216),也就是技术规格上的16.7M发色,其中224即为24位元真彩。

    我们在高阶液晶显示器上,不难发现产品常会特别标明自身採用了8 bit driver IC,就是为了告诉消费者手上萤幕的最大发色总数极为优异,不是一般庸脂俗粉所能比拟。不过非常遗憾地,市面上常见的液晶显示器,几乎都是内建6位元驱动IC。按照上述原理,不难发现蓝、绿、红每色通道仅有64种色调(26=64),原生最大发色数竟然只有262,144种!(R×G×B=26×26×26=262,144)相较之下,还不到8位元驱动IC面板的2%(218/224=1/64≒0.0156,即1.56%),当真是少得可怜。

    不过,面板厂研发人员透过视觉暂留原理,将採用了6位元驱动IC的液晶面板,透过「快速抖动」的技术,迅速切换相近颜色,利用人眼的残留效应,取巧获得阙失的色彩;将原本只有64种颜色,每原色通道再抖出253色(0~252灰阶)的效果。将原生262,144种发色数,一举幻化出16,194,277种发色,也就是技术规格上的16.2M发色。

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    图 / 用DisplayX软体,可以检查家中各种显示器的灰阶还原能力。

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    图 / EIZO ColorEdge 210採用ASIC 14位元处理技术,R/G/B每通道各有384种色阶。

    ■ 很TN的E-IPS

    一般来说,几乎所有的TN系面板都採用了6位元驱动IC,除了三星特规BTN面板之外,最大发色数均为16.2M色。加上TN面板提高对比度的难度较大,对美工绘图取向的朋友来说,色彩相对单薄,过渡极不自然,无法达到「真彩色」16.7M色的要求。

    另一方面,VA系与IPS系面板大多採用了8位元驱动IC,R/G/B原生256种发色。配合VA与IPS广视角低色偏的特性;相较之下,R/G/B原生只有64种发色的TN系面板,一比之下就知道谁是龙、谁是蛇。也因此对于天生火眼金睛的玩家来说,用惯了8bit液晶之后,突然转换使用6bit液晶,会觉得颜色很假、眼睛很痠,毕竟快速切换、抖动所产生的颜色,并不为挑剔的行家所能接受。然而,非常遗憾的一点是,从2010年开始,面板厂为了追求更大的利润,开始偷工减料;原本电脑用液晶萤幕,只要是VA系或是IPS系面板,至少都採用8位元驱动IC,甚至在高阶产品上,使用10 / 12位元驱动IC也偶能瞥见。

    然而近年来IPS阵营,推出了E-IPS面板,除了早期仍少量採用8位元驱动IC之外,现行大卖的E-IPS系萤幕,几乎都是6位元驱动IC规格面板;将IPS技术的优势消耗殆尽,只余下广视角低色偏这个「明显」的优点,令胖达十分痛心。
    如果你是一位细心的读者,一定不难发现憨人在其他单元介绍萤幕新品时,若遇到IPS系商品,一定会标明E-IPS或是S-IPS / H-IPS,绝非只标明IPS敷衍了事。本刊严谨把关,就是为了避免「牛骥同一皁, 鸡栖凤凰食」的情况发生,读者日后自可细细印证,一切尽在不言中。

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    图 / DELL 2209WA是极少数採用8位元驱动IC的E-IPS。

    ■ 温故可以知新

    我们从前文可知,市面上量产型的液晶面板,其图像单元是由电压直接驱动,当我们控制单一像素时,并不会对其他单元造成影响。然而,当像素如以百万计时,这种方式就变得不实际;早期在实务上,我们会将个别像素以独立的桥接线路予以串接,将像素排成「行」与「列」,则可将连接线数量减至数以千计。其中,每一列中的所有像素都由一个正电位所驱动;同理,每一行中的所有画素都由一个负电位驱动。此时,行与列的交叉点画素会有最大的电压而被切换状态。

    聪明的读者一定会发现,这个方法的弊病在于同一行或同一列的其他画素受到的电压仅为特定常数,发色失真当然极为显着。

    到了现代主流的驱动方式,则是每个像素都各自添加一枚各自独立的电晶体开关,使之能够单独予以控制。利用电晶体「低漏电流」的物理特性,在液晶图像更新前,施加于像素上的电压因此不会轻易流失,如同电容器般,每个画素前方有透明的铟锡氧化物(ITO)层,后方有透光层,而绝缘性的液晶分子则藏身其中。

    如果读者对本刊174期的内容仍记忆犹新,一定不难发现,这种电路的布局方式很类似动态随机存取记忆体。两者架构原理大同小异,只不过DRAM的製程架构是建立在硅晶圆上;而液晶是建构于玻璃基板上。不过,再换个角度来看,许多硅晶圆製程技术的温度远超过玻璃的熔点,而一般半导体的硅基质则是利用液态硅长出大片单晶,具有电晶体的优良性质;相较之下,TFT硅晶圆製程技术所需的温度会超过玻璃的熔点,而薄膜式电晶体液晶所用到的硅基层是利用硅化物气体製造出多晶硅层或非晶硅层,这部份则是和DRAM最大的不同之处。

    ■ 没有最好 只有最适合

    文末,或许会有读者想问笔者,那到底TN/VA/IPS哪种萤幕最好?窃以为「没有最好,只有最适合」。或许有些朋友认为TN系萤幕先天不良、一无是处;但若单论「反应速度」来看,TN面板反而是三者当中的佼佼者。尤其对于有电竞需求的朋友来说,绝对不能容忍因萤幕面板反应过慢,所造成的lag、拖影现像;所谓「差之毫釐、失之千里」,胜负往往就取决于眨眼lag间。

    另一方面,在预算有限的情况下,TN系萤幕更提供了极为超值的价格,因此TN系萤幕绝非洪水猛兽,甚至可以说,如果没有TN面板出来大打价格割喉战,今天VA/IPS系萤幕的售价恐怕得再翻上好几番。

    另一方面,IPS色彩饱和度为三者最佳,自然是无庸置疑;拿来进行美工绘图绝对是最佳首选。然而,IPS在纯黑发色上却不尽人意,是以暗部细节的表现,是其最主要的致命伤;因此,若拿来看电影、玩游戏,许多暗部细节会显得模糊,轮廓也相对不够锐利。

    更要命的,是Cost Down后的E-IPS,6位元发色甚至失去了色彩饱和度上的优势。虽说许多厂商标榜独家调校技术过人云云,但6bit E-IPS原生最大发色数不到8bit液晶的2%却是铁峥峥的事实;若有美工绘图需求,採买IPS务必注意是否为6bit E-IPS,以符合自身需求。

    最后,VA系面板虽然在色彩饱合度上略逊IPS,但由于原生发色数与IPS在同一个量级上,因此仰仗技术调校可以得到不逊于IPS的效果。而VA在暗处表现上,素有「黑湛屏」之称,因此暗部细节丰富,轮廓清晰犀利,对于欣赏高画质影片来说,绝对是一大享受;美工绘图与电竞游戏也有水準以上的表现。

    以胖达个人主观喜好而论,最为推崇夏普自家生产的CPA面板与友达光电的AMVA面板。前者天生四原色,细节过渡自然丰富,美不胜收;后者黑湛精彩,画面优美极富质感。而这两种面板的物理特性,更是所有技术中最不伤害眼睛的面板,对灵魂之窗最为养眼;同时,相对于TN与IPS系面板,CPA与AMVA面板五育均衡的特性,可说深深掳获憨人胖达的心。

    本期特企,希望能让读者们对于液晶三原色的缤纷世界,能够有深入浅出的基本认知;对于液晶萤幕的显像原理及技术规格上的盲点,不再似懂非懂。日后若有机会,将再为读者们更加深入介绍TN/VA/IPS各延伸分支之前世今生,带你往达人之路大步迈进。

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    图 / TN、VA、IPS三种液晶分子,具有不同的排列特性。(来源︰Eizo Japan)

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