液晶屏显示工作原理

液晶起源于1888年，是奥地利植物学家莱尼兹发现的一种特殊的混合物质，此物质在常态下处于固态和液态之间，不仅如此，其还兼具固态物质和液态物质的双重特性，因此就称之为Liquid Crystal（液态的晶体）。而液晶的组成物质是一种有机化合物，是以碳为中心所构成的化合物。

1.1 液晶显示的发展与特点

一、液晶显示的发展过程

液晶起源于1888年，是奥地利植物学家莱尼兹发现的一种特殊的混合物质，此物质在常态下处于固态和液态之间，不仅如此，其还兼具固态物质和液态物质的双重特性，因此就称之为Liquid Crystal（液态的晶体）。而液晶的组成物质是一种有机化合物，是以碳为中心所构成的化合物。1963年时，美国RCA公司的威廉发现液晶受到电场的影响会产生偏转的现象，也发现光线射入到液晶中会产生折射现象。在1968年，也就是威廉发现光会因液晶产生折射后的5年，RCA的Heil震荡器开发部门发表了全球首台利用液晶特性来显示画面的屏幕。在莱尼兹发现液晶物质整整80年后，“液晶”和“显示器”两个专有名词才连结在一起，“液晶显示器（LCD）”才成为行业的专业名词。当然，1968年首次亮相的液晶显示器还不稳定，和日常生活的实际应用还有一段距离。直到1973年，英国大学教授葛雷先生发现了可以利用联苯来制作液晶显示器，才使液晶显示器的产品正式量产出货，此产品为日本SHARP公司的EL-8025电子计算机提供了屏幕。从此以后，开启了液晶多方面的应用，也逐渐促成LCD产业的兴起。

二、 液晶显示的特点

1. 在各类显示器件特性比较中，液晶具有下列优点

（1）低压，低功耗

极低的工作电压，只要2～3V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10-6～10-5瓦/cm2。

（2）平板结构

液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄型盒。这种结构的优点是：开口率高，最有利于作显示窗口；显示面积做大、做小都比较容易；便于自动化大量生产，生产成本低；器件很薄，只有几个毫米厚。

（3） 被动显示型

液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。

（4）显示信息量大

液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口面积可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。

（5）易于彩色化

一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。

（6）长寿命

液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。

（7）无辐射，无污染

CRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶不会出现这类问题。

2、液晶显示也具有下列缺点

（1）显示视角小

由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的向异性，对不同方向的入射光，反射率不一样的以视角较小，只有30～40度，随着视角的变大，对比度迅速变坏。

（2）响应速度慢

液晶显示大多是依靠在外电场作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影大，一般均为100～200ms。所以一般液晶在显示快速移动的画面时质量不好。

1.2 常见的液晶显示器件

目前的液晶显示器可分成扭曲向列型（Twisted Nematic；简称TN）、超扭曲向列型（Super Twisted Nematic简称STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors－薄膜晶体管；简称TFT）三大种类。

一、 扭曲向列液晶显示器（TN-LCD）

TN是继DSM型的液晶材料后所发展的新液晶材料，TN-LCD的最大特点就如同其名称“扭转向列”一般，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋状。TN-LCD的出现奠定了现今LCD发展的主要方式，但是由於TN-LCD具有两个重大缺点，那就是无法呈现黑、白两色以外色调，以及当液晶显示器越做越大时其对比会越来越差，使得各种新的技术陆续出现。

二、 超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）

STN-LCD的出现是为了改善TN-LCD对比不佳的问题，最大差别点在于液晶分子扭转角度不同以及在玻璃基板的配合层有预倾角度，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋状。但是，STN-LCD虽然改善了TN-LCD的对比问题，其颜色的表现依然无法获得较好的解决，STN-LCD的颜色除了黑、白两个色调外，就只有橘色和黄绿色等少数颜色，对於色彩的表达仍然无法达到全彩的要求，因此仍然不是一个完善的解决方式。

三、 彩色薄膜型液晶显示器件（TFT-LCD）

为了改善对于色彩的要求，又发明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）两种新技术。TSTN和FSTN的基本构造原理与STN相同，差别在于TSTN在两片玻璃上加上两片色补偿用薄膜，而FSTN则是加上一片色补偿用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的优点，完全改善TN的比对度差问题和STN的色彩问题。但可惜的是，TSTN和FSTN却有液晶分子的反应较慢的问题，在放映数量较大的资料时，会造成无法负荷的缺点，因此也不是完善的解决方式。因此，为了解决此问题，接下来液晶显示器的研发方向，焦点放在驱动方式的改良。从最早的静态驱动方式、接下来的动态驱动方式、单纯Matrix驱动方式到Active Matrix驱动方式，发展出许多驱动方式。而其中以Active Matrix驱动方式和目前液晶显示器的发展关系最大，Active Matrix驱动方式的中文名称为主动矩阵型驱动方式，这种驱动方式是在原本配置画素的电极交叉处加上一个Active素子，产生了崭新的点制御模式。而主动矩阵型的驱动方式中又可分为两种方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用两边金属中间夹绝缘层做为简单的Active素子；另一就是TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置画素的电极交叉处，再加上一个对向电极，并且在此三个电极的交叉处放置薄膜状的Active素子。从TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶显示器在对比度、解析度和色彩等方面越做越好，产品也越来越普及。而在这三大类的液晶显示器中，是以TFT-LCD的市场最大，原因是笔记型电脑的热卖和TFT-LCD显示器销售量越来越好的带动，不仅如此，TFT-LCD还有日渐取代传统阴极射线管（Cathode Ray Tube；简称CRT）屏幕的趋势，是最有可能登上显示器霸主宝座的明日之星。

1.3 LCD显示器的显像原理

液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗变化，从而将影像显示出来。若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如图1－3－1左）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如图1－3－1右））。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。

图1－3－1

TFT就是“Thin Film Transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）—— 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历。那么图像究竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的像素组成，只要控制各个像素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个像素的颜色和亮度就需要在每一个像素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单，如图1－3－2所示：一个成品TFT显示屏，一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、玻璃基片、彩色滤光片、ITO电极等组成。这两层之间就是液晶层，偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。液晶层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。 大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。

图 1－3－2

目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器（Twisted Nematic TFT LCD），下图就是解释的此类TFT显示器的基本工作原理。

图1－3－3

在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图（图1－3－3左）扭曲向列TFT显示器工作原理示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生90度的扭曲，从而能在下层顺利透过。

当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列，所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层（见图1－3－3右）。

图 1－3－4 彩色滤膜

TFT像素架构如图1－3－4所示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dot pitch）对应一个像素每一个单色滤光镜称之为子像素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器最大支持1280×1024分辨率的话，那么至少需要1280×3×1024个子像素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024×768）那么一个像素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm），对于18.1英寸的TFT显示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相当于0.28mm）