液晶显示器基础知识

MVA(Multi-domain Vertical Alignment)的动作原理
至於MVA的工作原理是怎样呢？请见图3到图7。液晶显示器是利用液晶本身的屈光特性来显示出不同的灰阶。可惜的是，液晶本身是一种长椭圆球状的物体，其本身长轴与短轴的的屈光特性并不一致，以致当人眼的视线与液晶本身的夹角变化时，感受到的光强度便不一致，就会有不同灰阶的感觉。
这就是液晶显示器会有视角的原因(请见图3)。而MVA的原理就是想利用不同角度的液晶，藉由互相的补强，来扩大视角的范围(请见图4)。从图5我们可知道 藉由protrusion的帮忙，可以让液晶本身产生一预倾角(pre-tilt angle)，以便当电压施加於液晶身上时，可以让液晶倒向不同的方向(图6)。如此当人眼从不同角度来看液晶显示器时，可以有不同方向的液晶来互相补强，以便增加视角。图7是Fujitsu所提出的MVA的方式，藉由4个不同倾倒方向的液晶，来增加视角，达到广视角的效果。由於有4个不同方向的液晶，因此采用MVA的架构，在萤幕的水平方向与垂直方向都可以增加视角。
MVA的架构，从字面上VA(vertical alignment)就可以知道，其液晶排列的长轴是垂直於上下两片玻璃，因此当显示电极不加电压时，画面就是黑色的。而一但将电压加到显示电极上时，液晶分子的排列，就可以将行进光线的极化方向转90度，好让它能透过上层的偏光板，显示出亮的画面。因此与一般normally white的TN型液晶面板比较起来，它的对比度(contrast ratio)会比一般的TN型液晶萤幕要来得高，这是因为TN型面板的黑色画面是藉由施加电压，让液晶分子都站成直立来完成的(请见图8)。
但是这种方式的暗态并不完美。这是因为在靠近两侧玻璃的液晶，会受到玻璃的影响，会无法站直(靠近玻璃的液晶会受到玻璃基板rubbing以及strong anchoring的影响)。因此仍然会有一些光线可以顺利到达使用者的眼睛中，这样一来，黑色的画面就不会很黑了，一般都称这种情况为暗态漏光的现象，这会影响液晶萤幕在对比度的表现。
MVA除了可以改善暗态漏光的现象之外，由於不加电压时，整个画面都是黑色的，所以可以叫做normally black。这种方式，如果在液晶萤幕上的TFT有损坏的话，这个画素所显示出来的灰阶会是黑色，也就是"暗点"。不像使用normally white的方式，当TFT有损坏的状况，萤幕上显示出来的就会是我们俗称的"亮点"，"亮点"比起"暗点"来说，会严重影响到使用者的视觉观感。
由於其分别在TFT及彩色滤光片(Color filter)上有protrusion，所以就整个画素而言，其电场强度是不平均的，假如此时电场强度又不够强的话，就会很容易在接近protrusion的地方，液晶的转动变得不灵活，造成显示出来的灰阶不正确。所以使用在MVA的source driver的电压会需要高到接近13.5 volt，就是这个原因。希望藉由更高的电压，来加强电场的强度，以便能精确的控制液晶的转动。

IPS特色：显示电极位於同一玻璃基板
IPS在架构上最大的不同，就是显示电极都是位於同一边的玻璃基板上。在前面所述的一般TN型液晶显示器与MVA的液晶显示器，他们的显示电极都是位於不同边的玻璃之上。为什麽要把显示电极放再同一边？主要这样一来，液晶的排列，便会如图9中所画的，液晶分子的长轴会跟玻璃基板是平行的。即使当显示电极上加了电压之後，仍然会如同图10一样，液晶分子的长轴仍然与玻璃基板是平行的。
这样一来，不管我们的视线与液晶萤幕夹了怎样的角度，也就是说视线跟液晶分子的长轴夹角有了变化，也不会有视角的问题产生。为什麽会这样呢？这主要是因为从背光板所发射的光源，经过液晶分子到达我们的眼睛过程中，由於液晶的长轴都是平行於玻璃基板的，因此光线的行进路线，大部份都是沿着液晶的短轴来前进，所以就比较不会因为双折射率的关系，产生两道折射光而有相位延迟的情况发生，於是视角就可以大大地增加了。比起使用光学补偿膜与MVA的架构来说，以IPS所能增加的视角表现为最佳。
使用IPS架构有另外一个好处，跟MVA架构一样，就是当画面为黑色的时候，它是所谓"绝对"的黑。也就是说，它的对比度会比一般的液晶萤幕要来的高。其原因何在？ 我们回过头来看看图9。图9的内容是使用IPS的架构下，当显示电极不加电压时的液晶分子排列状况。我们可以发现，在这种情况下，液晶分子的排列是很整齐的，所以当背光板所发射出的光线，从底下经过偏光板变成极化光线时，由於液晶分子的排列很整齐，当极化光线通过液晶分子，光线的极化方向并不会改变，也就没办法通过位在上方的偏光板(上下两片的偏光板，所形成的光栅是互相垂直的)。这时候所显示出来的画面就是黑色。
那为什麽叫做是"绝对"的黑色呢? 这是相对於一般normally white的TN型液晶面板来说的。因为这种面板的黑色画面如前面所述，并不完美，会有暗态漏光的现象，影响到液晶萤幕在对比度的表现。IPS除了可以改善暗态漏光的现象之外，跟MVA一样由於是normally black，所以在液晶萤幕上的TFT有损坏的话，这个画素所显示出来的灰阶会"暗点"，而不是我们俗称的"亮点"。
相较於MVA的架构，IPS的做法在可视角度上的表现会更好。但是由於它所施加的电场，并不是上下垂直的方式，而是属於水平的做法，当电加到显示电极上时，靠近显示电极的液晶分子，会由平行於显示电极转向90度，而垂直於显示电极(如图10)。而远离显示电极的液晶，所受到电场的影响会越少，转向的程度也越小，整个液晶的排列恰好可以将光线的极化方向转向90度，让光线透过。且当您变化电场的大小时，就可以控制光线极化方向的转向程度，也就可以控制光线透过的容易与否，来营造出不同灰阶的感觉。但就因为先天上电场的控制更不容易，远离显示电极的液晶分子所感受到的电场比较小，要让所有的液晶转动至所期望位置所花的时间也会比较长，也就是反应时间( (response time)会比较长。这也是为什麽使用於IPS的source driver驱动电压会比较高(一般需要到15伏特以上才可以)，以期增加电场强度的原因。