知識講座——LCD

1、知識講座知識講座 液晶顯示器液晶顯示器 LCD概述 顯示器是人與機(jī)器溝通的重要界面，早期以顯像管 （CRT/Cathode Ray Tube）顯示器為主，但隨著科技 不斷進(jìn)步，各種顯示技術(shù)如雨后春筍般誕生，近來由 于液晶顯示器（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻 射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢， 在近年來價格不斷下跌的吸引下，逐漸取代CRT之主流 地位，顯示器明日之星架勢十足。 那么液晶顯示器與傳統(tǒng)的顯示器相比，到底有什么新 的特點呢？ LCD的特點 顯示質(zhì)量高 沒有電磁輻射 可視面積大 應(yīng)用范圍廣 畫面效果好 數(shù)字式接口 “身材”勻稱小巧 功率消耗小 顯示質(zhì)量高 由于液晶顯示

2、器每一個點在收到信號后 就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光， 而不象陰極射線管顯示器（CRT）那樣 需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器 畫質(zhì)高而且絕對不會閃爍，把眼睛疲勞 降到最低。 沒有電磁輻射 傳統(tǒng)顯示器的顯示材料是熒光粉，通過電子束 撞擊熒光粉而顯示，電子束在打到熒光粉上的 一剎那間會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，盡管目前有 許多顯示器產(chǎn)品在處理輻射問題上進(jìn)行了比較 有效的處理，盡可能地把輻射量降到最低，但 要徹底消除是困難的。相對來說，液晶顯示器 在防止輻射方面具有先天的優(yōu)勢，因為它根本 就不存在輻射。在電磁波的防范方面，液晶顯 示器也有自己獨特的優(yōu)勢，它采用了嚴(yán)格的密 封技術(shù)將來自驅(qū)動電路的少

3、量電磁波封閉在顯 示器中。 可視面積大 對于相同尺寸的顯示器來說，液晶顯示 器的可視面積要更大一些。液晶顯示器 的可視面積跟它的對角線尺寸相同。陰 極射線管顯示器顯像管前面板四周有一 英寸左右的邊框不能用于顯示。 應(yīng)用范圍廣 最初的液晶顯示器由于無法顯示細(xì)膩的字符， 通常應(yīng)用在電子表、計算器上。隨著液晶顯示 技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，字符顯示開始細(xì)膩起 來，同時也支持基本的彩色顯示，并逐步用于 液晶電視、攝像機(jī)的液晶顯示器、掌上游戲機(jī) 上。而隨后出現(xiàn)的DSTN和TFT則被廣泛制作 成電腦中的液晶顯示設(shè)備，DSTN液晶顯示屏 用于早期的筆記本電腦；TFT則既應(yīng)用在筆記 本電腦上（現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦

4、都使用TFT 顯示屏），又用于主流臺式顯示器上。 數(shù)字式接口 液晶顯示器都是數(shù)字式的，不像陰極射 線管彩顯采用模擬接口。也就是說，使 用液晶顯示器，顯卡再也不需要像往常 那樣把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號再行輸 出了。理論上，這會使色彩和定位都更 加準(zhǔn)確完美。 “身材”勻稱小巧 傳統(tǒng)的陰極射線管顯示器，后面總是拖著一個 笨重的射線管。液晶顯示器突破了這一限制， 給人一種全新的感覺。傳統(tǒng)顯示器是通過電子 槍發(fā)射電子束到屏幕，因而顯像管的管頸不能 做得很短，當(dāng)屏幕增加時也必然增大整個顯示 器的體積。而液晶顯示器通過顯示屏上的電極 控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示目的，即使屏幕 加大，它的體積也不會成正比的增加

5、，而且在 重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。 功率消耗小 傳統(tǒng)的顯示器內(nèi)部由許多電路組成，這 些電路驅(qū)動著陰極射線顯像管工作時， 需要消耗很大的功率，而且隨著體積的 不斷增大，其內(nèi)部電路消耗的功率肯定 也會隨之增大。相比而言，液晶顯示器 的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動 IC上，因而耗電量比傳統(tǒng)顯示器也要小 得多。 畫面效果好 與傳統(tǒng)顯示器相比，液晶顯示器一開始就使用 純平面的玻璃板，其顯示效果是平面直角的， 讓人有一種耳目一新的感覺。而且液晶顯示器 更容易在小面積屏幕上實現(xiàn)高分辨率，例如， 17英寸的液晶顯示器就能很好地實現(xiàn) 12801024分辨率，而通常18英寸CRT彩顯上 使用

6、12801024以上分辨率的畫面效果是不能 完全令人滿意的。 液晶發(fā)展史 液晶最早是奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾 （F.Reinitzer)于1888年發(fā)現(xiàn)的； 第二年，德國物理學(xué)家萊曼（O.Lehmann) 發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)顯示出各向異性晶體特有的 雙折射性。于是萊曼將其命名為“液態(tài) 晶體”，這就是“液晶”名稱的由來； 液晶發(fā)展史 1963年，RCA公司的威利阿姆斯發(fā)現(xiàn)了 用電刺激液晶時，其透光方式會改變。5 年后，同一公司的哈伊盧馬以亞小組， 發(fā)明了應(yīng)用此性質(zhì)的顯示裝置。這就是 液晶顯示屏的開端。 1973年，格雷教授（英國哈爾大學(xué)）發(fā) 現(xiàn)了穩(wěn)定的液晶材料（聯(lián)苯系）。 液晶發(fā)展史 1976年，由SHA

7、RP(夏普)公司在世界上 首次，將其應(yīng)用于計算器（EL-8025）的 顯示屏中，此材料目前已成為LCD材料 的基礎(chǔ)。 液晶 液晶是一種介于固體與液體 之間，具有規(guī)則性分子排列 的有機(jī)化合物，一般最常用 的液晶型式為向列液晶，分 子形狀為細(xì)長棒形，長寬約 1nm10nm，在不同電流電 場作用下，液晶分子會做規(guī) 則旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光 度的差別，如此在電源 ON/OFF下產(chǎn)生明暗的區(qū)別， 依此原理控制每個像素，便 可構(gòu)成所需圖像。 物質(zhì)的三態(tài) 物質(zhì)有三態(tài)。此三態(tài)的特性可用下圖來說明。固態(tài)是 一個分子很靠近且整齊排列的態(tài)。液態(tài)中的分子雖然 很靠近，但不具有空間上排列之秩序性。氣態(tài)中之分 子則相互

8、間分離的很遠(yuǎn)。 固態(tài)液態(tài)氣態(tài) 液晶態(tài) 液體也同樣可具有不同之態(tài)。液體分子質(zhì)心之排列雖 然不具有任何規(guī)律性，但是如果這些分子是長形的 （或扁形的），它們的分子指向 就可能有規(guī)律性。于 是我們就可將液態(tài)又細(xì)分為許多態(tài)。那些分子方向沒 有規(guī)律性的液體我們稱之為各向同相液體或直接稱為 液體，而具有方向性之液體則稱之為液態(tài)晶體，又簡 稱液晶。請看下圖中兩者的差異。 有方向的固態(tài)無方向的液態(tài)有方向的液態(tài) 液晶的特點 液晶是由桿形分子、盤形分子等不具有球?qū)ΨQ性的分子組成的部 分有序物質(zhì)。它不同于分子排列完全混亂的各向同性液體，也有 別于分子排列完全有序的晶體。這種介于晶體與液體之間的分子 排列以及分子本身的

9、特殊形狀與性質(zhì)，導(dǎo)致了液晶呈現(xiàn)出液體與 晶體的特性，甚至遠(yuǎn)比它們更復(fù)雜的特性。一方面，液晶具有流 體的流動特性；另一方面，液晶又呈現(xiàn)出晶體固有的空間各向異 性，包括介電、磁極化、光折射系數(shù)等的空間各向異性性。液晶 分子的部分有序排列還使得液晶具有類似于晶體的能承受擾亂這 種秩序的切變應(yīng)力。也就是說，液晶具有切變彈性模量。在實際 應(yīng)用中，液晶的流動性，介電與光學(xué)性能的各向異性性以及液晶 的彈性，都是極為重要的，它們可控制液晶顯示性能的參數(shù)。 偏振光 光是一種電磁波，我們將其電場方向稱為光的偏極方向。我們可用偏光 器來選擇某一特定方向之偏極光。已偏極化的光再經(jīng)過一個偏光器時可 全部通過或部分通過，

10、視第二個偏光器的方向而定。 液晶顯示原理 液晶顯示器(LCD)的顯像原理，是將液晶置于 兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠兩個電極間電場的驅(qū)動， 引起液晶分子扭曲向列的電場效應(yīng)，以控制光 源透射或遮蔽功能，在電源關(guān)開之間產(chǎn)生明暗 而將影像顯示出來，若加上彩色濾光片，則可 顯示彩色影像。在兩片玻璃基板上裝有配向膜， 所以液晶會沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向 膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉(zhuǎn)型， 當(dāng)玻璃基板沒有加入電場時，光線透過偏光板 跟著液晶做90度 液晶顯示原理 扭轉(zhuǎn)，通過下方偏光板，液晶面板顯示白色 （如下圖左）；當(dāng)玻璃基板加入電場時，液晶 分子產(chǎn)生配列變化，光線通過液晶分子空隙維 持原方向，被下

11、方偏光板遮蔽，光線被吸收無 法透出，液晶面板顯示黑色（如下圖右）。液 晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無，使面板達(dá)到顯 示效果。 液晶顯示原理 液晶顯示原理圖 LCD制造流程 TN型液晶顯示器 TN型液晶顯示器件是最常見的一種液晶 顯示器件常見的手表、數(shù)字儀表、電 子鐘及大部分計算器所用的液晶顯示器 件都是TN型器件。一般，只要是筆段式 數(shù)字顯示所用的液晶顯示器件大都是TN 型器件。因此，這種器件應(yīng)該是人們最 熟知的液晶顯示器了 TN型LCD的基本結(jié)構(gòu)原理 將徐有ITO透明導(dǎo)電層的玻璃光刻上一定的透 明電板圖形，將這種帶有透明導(dǎo)電電極圖形的 前后兩片玻璃基板夾持上一層具有正介電各向 異性的向列相液晶材

12、料，四周進(jìn)行密封，形成 一個厚度僅為數(shù)微米的扁平液晶盒。由于在玻 璃內(nèi)表面涂有一層定向?qū)幽ぃ⑦M(jìn)行了定向處 理，在盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列。但 由于兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)佣ㄏ蛱幚淼姆较蚧?相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈90扭曲， 這就是扭曲向列液晶顯示器件名稱的由來圖 1為TN型液晶顯示器件的構(gòu)造，圖2為其原理圖。 TN型LCD的基本結(jié)構(gòu)原理 圖1 典型TN液晶顯示器件結(jié)構(gòu)示意圖 TN型液晶顯示器件顯示原理圖 (a) TN型器件分子排布與透過光示意圖 TN型液晶顯示器件顯示原理圖 （b)TN型電光效應(yīng)的原理示意圖 TN型液晶顯示器件顯示原理 如果我們將液晶盒放置在正交或平行偏 振片之間，

13、即可用給液晶盒通電的辦法 使光改變其透過-遮住狀態(tài)，從而實現(xiàn)顯 示平時我們看見液晶顯示器件時隱時 現(xiàn)的黑字，不是液晶在變色，而是液晶 顯示器件使光透過或被吸收所致。 STN型液晶顯示器 顧名思義，“超扭曲”即扭曲角應(yīng)很大， 要超過90，這是一種目前應(yīng)用較多的 點陣式液晶顯示器件。我們知道，TN型 及其他大部分類型的液晶顯示器件的電 光響應(yīng)曲線都不夠陡峭，如下圖所示。 液晶顯示響應(yīng)曲線 從圖中可見，隨著驅(qū) 動電壓的升高，電光 響應(yīng)緩慢增加，閾值 特性很不明顯，這給 多路驅(qū)動造成了困難， 使液晶在大信息量顯 示，視頻顯示上受到 了限制。 超扭曲(STN) 20世紀(jì)80年代初，人們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的扭 曲

14、向列液晶(TN)器件，只要將其液晶分 子的扭曲角加大，即可以改善其驅(qū)動特 性。經(jīng)過努力，人們陸續(xù)開發(fā)出一系列 超過了TN扭曲角90的液晶顯示器件， 我們把這類扭曲角在180360的 液晶顯示器件稱為超扭曲(STN)系列產(chǎn)品。 STN型LCD結(jié)構(gòu) 目前，幾乎所有的點陣圖形和大部分點 陣字符液晶墾示器件均已采用了STN模 式STN技術(shù)在液晶產(chǎn)業(yè)中已處于成熟、 完善的階段。STN模式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本 和TN模式是一樣的，只不過盒中液晶分 子排列不是沿著90扭曲排列，而是 180360扭曲排列，如圖所示。 STN型LCD原理 STN型液晶顯示器件原理示意圖 LCD術(shù)語 TN: 扭曲向列的顯示類型。 HTN: 高扭曲向列的顯示類型。 STN: 超扭曲向列的顯示類型。