可攜帶式的液晶顯示器
93/10/05
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黃乙白｜
交通大學光電工程學系
謝漢萍｜
交通大學光電工程學系
液晶顯示器的源起
在幾年前，又大又笨重的電視機或是電腦螢幕是否讓你覺得移動起來十分的費力，放著又占據了許多的空間？近年來體積龐大的顯示螢幕已經開始被輕、薄、體積小的平面液晶顯示器給取代了。正因為顯示螢幕平面化了，也就更衍生出了其他各式各樣不同的新發明與產品：攜帶式液晶顯示器，像是行動電話、個人數位助理（personal digital assistant, PDA）、GameBoy遊戲機等都是廣為使用的商品。然而所謂的液晶到底有什麼神奇之處呢？
一八八八年奧地利植物學家雷尼哲（F. Reinitzer）發現液態晶體（liquid crystals，簡稱液晶）的存在，但直到一九六八年美國無線電公司（RCA）科學家G. H. Heilmeier才根據液晶的動態散射效應，把液晶做成液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）。然而，美國企業雖然是液晶顯示器技術的原始推動者，並擁有眾多研究人才與技術專利，但長久以來一直以國防需求為主要發展重點，並不很重視產品的大量生產技術。日本反而是最先把這項技術商品化的國家。
自一九七三年以來，日本夏普（Sharp）公司成功地開發出以液晶顯示器為顯示面板的計算機與手表，並帶動許多廠商，生產並開發各種液晶顯示器產品。日本在液晶顯示器市場的獨占情況一直延續到一九九五年，韓國廠商進入薄膜電晶體液晶顯示器–TFT LCD的生產為止。延續其在半導體產業的發展經驗，韓國廠商學習日本的薄膜電晶體液晶顯示器技術，進而取代日本成為此一產業的領先者。
臺灣液晶顯示器產業的技術則可追溯至一九七六年，敬業電子與美國休斯技術合作生產供手表應用的液晶顯示器，至今已經歷二十餘年。最近正掀起一股薄膜電晶體液晶顯示器的投資熱潮，短短四、五年間有七家平均投資金額新臺幣250億元的薄膜電晶體液晶顯示器新廠設立。
液晶顯示器的運作方式
當彩色的液晶電腦螢幕問世後，便有研究者開始想把這種能顯示豐富色彩的螢幕縮小製作在遊戲機或是手機上面，剛開始這種彩色的攜帶式螢幕是使用所謂穿透式的液晶螢幕，沿用一般製作液晶螢幕的方式製作而成，只不過尺寸由一般的15英寸縮小成2～4英寸而已。
穿透式液晶螢幕顧名思義就是能讓光線穿透的液晶螢幕，然而為什麼要讓光線能穿過呢？因為液晶本身是不會發光的物體，所以必須在整個液晶螢幕的背後加入一個背光源系統使液晶螢幕的畫面可以顯現。
在液晶顯示器中使用偏振片來決定通過的光的偏振態。所謂偏振片可看作是一種選擇光線偏振態的元件，而「偏振態」則可以解釋成「偏」向某一個「振」動方向的狀「態」。比較具體化的感覺是把光線想像成可沿兩個互相垂直的方向振動的繩波，而偏振片就像是柵欄一般，會擋住與柵欄互相垂直振動的繩波，讓振動方向跟柵欄平行的繩波通過。因此使用偏振片來決定通過的光的偏振態就好比利用柵欄來決定通過的繩波的振動方向。
液晶層就是一個會改變光的偏振態的系統。當不加電壓時，液晶層會改變光的偏振狀態，使光通過，這時是顯示器的亮狀態。但當加上電壓後，液晶分子被轉動，使得液晶層無法改變光的偏振狀態，所以光被擋住，無法顯示出顏色，這時就是顯示器的暗狀態。
越亮越美麗的液晶顯示器
到底為什麼液晶螢幕可以這麼薄呢？關鍵就是在控制光線振動方向的液晶層，關鍵液晶層的厚度只有約五微米，但能控制整片螢幕的亮、暗與顏色，使得所有的液晶螢幕元件加起來總厚度也不過四公釐，因此可以讓原先笨重的螢幕變成又薄又平。也正因為液晶螢幕的輕便，才能夠把它與手機等攜帶式產品結合，讓使用者可以隨身攜帶。
但是，像行動電話或是數位相機等攜帶用品往往會在戶外使用，而大家也應該都曾經發現，如果在大太陽底下使用數位相機時，要用手遮住陽光才能較為清楚地看到螢幕上顯示的影像，這是因為當穿透式螢幕在陽光下使用時，會因為陽光太亮而蓋過了原先螢幕後方背光源系統的光線，使得液晶螢幕上的畫面看不清楚。因此研究者在原先穿透式液晶顯示器的中間部分加上一片反射鏡而發明了反射式液晶顯示器。因此當陽光越亮，所顯示的畫面也就越清楚。
更完美的液晶顯示器
不過，反射式液晶顯示器就像是一般的紙一樣，當處在一個昏暗的環境底下時，因為缺乏外在環境光源的照明，我們便會看不清楚螢幕上面所顯示的畫面。行動電話或是數位相機並不單單只在大太陽底下使用，也會在燈光昏暗的室內或者是夜間使用，這個時候該怎麼改進呢？
有研究者想出了一個辦法，他在原先反射式液晶顯示器的反射鏡上挖了個洞，並在下方再加上原先穿透式液晶顯示器的元件，如下偏振片、背光源系統等，這樣一來在顯示器中就可以分成穿透區域和反射區域：在大太陽下使用時，就利用反射區域來顯示影像；晚上時，就點亮背光源，利用穿透區域讓影像顯現。因此無論在任何的環境狀況下，使用者都可以清楚地看到畫面，這種新型的攜帶式液晶螢幕稱為透反式液晶顯示器。
把電視放到口袋裡
攜帶式小尺寸的液晶螢幕，已由傳統穿透式到反射式到現在的透反式結構，讓它在任何的環境下都可以呈現精美的畫面。在科技日新月異的今天，這小尺寸的螢幕已經宛如一臺小型的電腦螢幕或是電視一般，可以把電影的資料儲存在手機或是個人數位助理的記憶體中，隨時都可以播放，無線網路也正漸漸地開始發達，這種攜帶式的產品可隨時隨地上網，更可以在任何時間、任何地點收發電子郵件、觀看股匯市行情等平常在一般電腦上做的事情。
另外，數位電視系統也正慢慢地成型中，未來將可以透過網路，直接即時地觀看電視節目，像是有的時候如果想看連續劇或是當天直撥的球賽，可是卻又因為有事而不能待在家裡看電視的情況下，就可以從口袋中拿出這種只有皮包一樣大小的行動電視出來，讓你不至於錯過這些精采的節目。
現在的液晶螢幕已經相當輕薄了，但是研究者會就此滿足了嗎？使用者難道不會抱怨攜帶式的螢幕太小，畫面看不清楚嗎？因此目前研究者正積極地開發可以彎曲的螢幕面板，利用塑膠取代現在容易破碎的玻璃基板，這樣一來，螢幕可以像捲軸般收在像筆一樣大小的滾筒裡，使用的時候只需要把螢幕拉出來就可以了，使用時螢幕的大小可以達到十幾吋的範圍，而不用時收起來又只有像筆一樣，攜帶十分方便又有較大的螢幕可以觀看，真的可以說是把電視放進口袋裡輕鬆的帶著走了！
