LCD（液晶顯示）工作原理
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LCD（液晶顯示）工作原理
1. 引言 2. 什么是液晶？ 3. 向列相液晶 4. 怎樣制造LCD？ 5. 自制LCD
6. 背光型LCD與反射型LCD 7. LCD系統(tǒng) 8. 無源矩陣LCD 9. 有源矩陣LCD
10. 彩色LCD 11. LCD的未來
引言
您可能每天都在使用包含LCD（液晶顯示）的物品。它們無處不在——筆記本電腦、電子鐘、表、微波爐、CD機以及許多其他的電子設(shè)備上都有LCD。和其他的顯示屏技術(shù)相比，LCD確實有一些實實在在的優(yōu)點，因此它們被普遍應(yīng)用。例如，它們比陰極射線管（CRT）更薄更輕，并且耗電也更少。
 計算器上簡單的LCD顯示屏 |
但這些叫做液晶的東西究竟是什么呢？“液晶”這個名字聽起來好像有些自相矛盾。我們認(rèn)為晶體是像石英那樣的固體材料，通常像石頭一樣堅硬，而液體和它明顯不同。一種材料怎么可能既含“液”又是“晶”呢？
在本文中，您能夠了解液晶是如何擁有這一特性的，我們還將探討使LCD得以發(fā)揮功效的技術(shù)。您還會了解人們?nèi)绾卫靡壕У奶匦詠碇圃煲环N新型的光閥，以及這些開開合合的光閥所構(gòu)成的網(wǎng)格又如何呈現(xiàn)各種圖案來表示數(shù)字、文字和圖片！
什么是液晶？
物質(zhì)有三種常見的形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。固體之所以呈固態(tài)是因為其分子排列方向保持不變，分子之間的相對位置也保持固定。液體中的分子則正好相反：它們可以變換方向，也能夠在液體中任意移動。但是有些物質(zhì)能夠處在一種奇異的狀態(tài)，有些像液體，又有些像固體。當(dāng)它們處在這種狀態(tài)時，其分子像在固體中一樣傾向于保持它們的方向，同時又擁有液體分子的性質(zhì)，可以移動到不同的位置。也就是說，液晶既不是固體也不是液體。這就是它為什么叫“液晶”這個顯得有些自相矛盾的名字的原因。
那么，液晶的性質(zhì)到底是像固體、液體，還是某種其他的物質(zhì)？事實表明液晶更接近于液態(tài)而不是固態(tài)。把一種適合的物質(zhì)從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕枰喈?dāng)多的熱量，而再將其從液晶轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲囊后w只需要再吸收一點點熱量。這就解釋了為什么液晶對溫度十分敏感，以及為什么它們被用來制造溫度計和心情戒指。這也解釋了為什么在很冷的天氣里或炎熱的海灘上，筆記本電腦的屏幕可能會呈現(xiàn)怪異的顯示效果！
向列相液晶
固體和液體都有許多不同的種類，同樣地，液晶材料也有許多種。根據(jù)溫度和物質(zhì)特性的不同，液晶可以處在一系列不同的相中的某一個相中。在本文中，我們將討論用來制造LCD的液晶，即處在向列相下的液晶。
液晶的一大特點是它們的性質(zhì)會受到電流的影響。有一種特殊的向列相液晶稱為扭曲向列相（TN）液晶 ，它在自然狀態(tài)下是扭曲的。當(dāng)給這種液晶加上電流后，它們將依所加電壓的大小反向扭曲相應(yīng)的角度。這種液晶對于電流的反應(yīng)很精確，因此可以被用來控制光的流通，從而用于制造LCD。
向列相液晶中的分子排列方向取決于指向矢。指向矢可以是任何物質(zhì)，比如磁場或有著細(xì)微刻槽的表面。向列相液晶可以按照分子間的相對取向做進一步的分類。層列相是最常見的排布方式，分子一層一層地排列。層列相又有許多的變體，例如C型層列相液晶每層的分子排列方向相對上一層呈一定的傾斜角度。另一種常見的相是膽固醇相，或叫做手性向列相。這種相中，每層的分子排列方向與相鄰層有輕微的扭曲，從而形成一個螺旋狀的結(jié)構(gòu)。 鐵電液晶（FLC）使用手性分子呈C型層列相排布的液晶材料，因為分子排列的螺旋特性使換向反應(yīng)時間處于微秒量級，故FLC特別適用于先進的顯示屏。表面穩(wěn)定型鐵電液晶（SSFLC）利用玻璃板加一個可調(diào)的壓力，從而抑制分子的螺旋性，進一步縮短響應(yīng)時間。 |
怎樣制造LCD？
制造一臺LCD比制造一片液晶要復(fù)雜得多。制造LCD需要的條件是：
- 光具有偏振性。（參見太陽鏡面面觀中關(guān)于偏振的內(nèi)容。）
- 液晶可以傳輸和改變偏振光。
- 液晶的結(jié)構(gòu)可以依電流而改變。
- 存在可以導(dǎo)電的透明物質(zhì)。
LCD設(shè)備巧妙地利用了這四個條件。
制造一臺LCD需要兩塊偏振玻璃片。有一種特殊聚合物可以在物體表面制作出細(xì)微刻槽，這種聚合物擦在玻璃上沒有偏光膜的一面。刻槽必須與偏光膜同向。接著在一片濾光片上加一層向列相液晶?？滩蹠挂壕е械谝粚臃肿拥娜∠蚝蜑V光片的方向相同。接下來再加上第二片玻璃，使其偏光膜的方向和第一塊玻璃的偏光膜方向成直角。因此后續(xù)每一層向列相分子都會扭曲一個角度，直到最上面一層和最下面一層相差90°，從而和偏振玻璃濾光片相吻合。
當(dāng)光照射在第一個濾光片上時，它發(fā)生偏振。每一層分子都會將它們接收到的光引領(lǐng)至下一層。當(dāng)光穿過液晶的每一層時，相應(yīng)的分子同時也改變光的偏振面使其符合分子自身方向的角度。當(dāng)光到達(dá)液晶材料的最遠(yuǎn)端時，它的偏振方向和最后一層分子的角度相同。如果液晶的最后一層和第二塊偏振玻璃濾光片的方向吻合，光就可以穿過。
自制LCD
制造一個簡單的LCD比您想像中的要容易。首先準(zhǔn)備一個如上所述的玻璃-液晶-玻璃的“三明治”，然后再加上兩個透明的電極。比如說，假設(shè)您準(zhǔn)備制造一種最簡單的LCD，只包含一個矩形電極。它的各個層是這樣的：
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這是LCD非常基本的功能。最后面是一塊鏡子（A），能夠進行反射。接著，我們再加上一片底部具有偏光膜的玻璃（B），玻璃的上部是一塊普通的氧化銦錫電極板（C）。普通電極板覆蓋了整個LCD。在這上面是一層液晶材料（D）。接下來是另一片玻璃（E），它的底部是一塊矩形電極，頂部是另一層偏光膜 （F），其方向與第一層偏光膜成直角。
電極連在電池等電源上。當(dāng)沒有電流通過時，從LCD前面射入的光只是簡單地打在鏡子上并反射出來。但有電流通過時，普通電極板和矩形電極板之間的液晶的扭曲將被消除，從而阻止了光從這塊區(qū)域通過。這使得LCD中的矩形部分顯示為黑暗區(qū)域。
背光型LCD與反射型LCD
請注意，我們這個簡易的LCD需要一個外部光源。液晶材料本身并不發(fā)光。小型廉價的LCD通常是反射型的，也就是說它們必須反射外部光源的光來顯像。請看這只LCD手表：小電極對液晶充電從而消除液晶層分子的扭曲，光線不能透過偏振膜，這樣數(shù)字便顯現(xiàn)出來了。
在上面的例子中，我們使用的是一塊普通電極板和一個單獨的電極條來控制哪些液晶受電荷的影響。如果在單獨的電極條那一層中加入其他一些電極，就可以制造出更加復(fù)雜的顯示屏了。
LCD系統(tǒng)
普通平板LCD適用于那些反復(fù)顯示同樣圖案的簡單顯示器，比如手表和微波爐定時器上的屏幕。在這些設(shè)備中，前述的六角形棒狀是最常見的電極排列，而實際上電極可以排成任何形狀。只要看看那些很普通的掌上游戲機，玩紙牌游戲機、外星人游戲機、釣魚游戲機和老虎機等，里面五花八門的圖案不過是各種形狀的電極而已。
計算機中使用的LCD有兩大類：無源矩陣和有源矩陣。在以下兩節(jié)中，我們將分別介紹這兩類LCD。
無源矩陣LCD
無源矩陣LCD使用簡單的網(wǎng)格來給顯示屏上的特定像素供電。制造這種網(wǎng)格是相當(dāng)復(fù)雜的過程！首先必須有兩層被稱為基片的玻璃層。透明導(dǎo)電物質(zhì)在一片基片上排成列，在另一片基片上排成行。導(dǎo)電物質(zhì)通常是氧化銦錫。這些行和列連接在集成電路上，集成電路則控制電荷何時被送到特定的列或行中。液晶材料被壓在兩塊玻璃基片之間，每個基片的外表面則附著偏振膜。若要點亮某個像素，集成電路將電荷送到一個基片的特定列上，再將另一個基片的特定行接地。行與列交于指定的像素點，由此產(chǎn)生的電壓會消除該像素區(qū)域液晶分子的扭曲。
有源矩陣LCD
有源矩陣LCD的基礎(chǔ)是薄膜電晶體（TFT）。簡單地說，TFT是極小的開關(guān)晶體管和電容器。它們在玻璃基片上被排列成一個矩陣。為找到一個特定的像素，相應(yīng)的行被打開，然后電荷被注入相應(yīng)的列。因為與該列相交的其他行都處于關(guān)閉的狀態(tài)，所以只有位于指定像素處的電容能接收到電荷。這個電容能在下一個刷新循環(huán)之前一直保有此電荷。如果我們小心地控制加在晶體上的電壓值，就可以調(diào)整扭曲消除的程度，從而只允許一部分光透過。
如此這般地產(chǎn)生極其微小極其精細(xì)的增量，LCD便可以顯示灰度。如今大部分顯示屏每個像素可以提供256級不同的亮度。
彩色LCD
彩色LCD的每一個像素必須有三個子像素，三個子像素分別包含紅色、綠色和藍(lán)色濾光片。
通過對施加的電壓進行精細(xì)的調(diào)節(jié)和控制，每個子像素的亮度都可以在256個級別中變化。子像素色彩強度的排列組合可以產(chǎn)生1680萬種顏色（256種紅色x256 種綠色x256種藍(lán)色），如下所示。彩色顯示屏需要使用極其大量的電晶體。例如，普通筆記本電腦的分辨率可以達(dá)到1,024x768。如果將1,024行乘以768列再乘以3個子像素，我們得到的數(shù)字是2,359,296，這就是玻璃上需要蝕刻裝入的電晶體的數(shù)量！這些電晶體中的任何一個出了問題，都會在顯示屏上產(chǎn)生一個“亮點”。大多數(shù)有源矩陣顯示器都會有幾個亮點分散在屏幕上。
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LCD的未來
LCD技術(shù)一直在發(fā)展。如今的LCD采用了許多不同種的液晶技術(shù)，其中包括超扭曲向列相（STN）、雙掃描扭曲向列相（DSTN）、鐵電液晶（FLC）以及表面穩(wěn)定型鐵電液晶（SSFLC）。
顯示屏的尺寸受到制造廠商的質(zhì)量控制問題的限制。簡而言之，要增大顯示屏的尺寸，就必須添加更多的像素和電晶體。而隨著顯示屏中像素和電晶體數(shù)量的增加，其中包含壞的電晶體的幾率也在升高。對于現(xiàn)在的大型LCD來說，產(chǎn)品線上百分之四十的面板是被廠商廢棄的。廢棄率的高低直接影響著LCD的價格，因為好的LCD的銷售收入必須彌補好的和壞的LCD的生產(chǎn)成本之和。只有制造技術(shù)的進步才能生產(chǎn)出價格合適的大尺寸顯示屏。
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