LCD（液晶顯示）工作原理

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(wú)源矩陣LCD 9. 有源矩陣LCD

10. 彩色LCD 11. LCD的未來(lái)

引言

您可能每天都在使用包含LCD（液晶顯示）的物品。它們無(wú)處不在——筆記本電腦、電子鐘、表、微波爐、CD機(jī)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(shí)有一些實(shí)實(shí)在在的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)算器上簡(jiǎn)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(gè)名字聽(tīng)起來(lái)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(jiān)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(huì)了解人們?nèi)绾卫靡壕У奶匦詠?lái)制造一種新型的光閥，以及這些開(kāi)開(kāi)合合的光閥所構(gòu)成的網(wǎng)格又如何呈現(xiàn)各種圖案來(lái)表示數(shù)字、文字和圖片！

什么是液晶？

物質(zhì)有三種常見(jiàn)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?yàn)槠浞肿优帕蟹较虮３植蛔?，分子之間的相對(duì)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(dòng)。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(shí)，其分子像在固體中一樣傾向于保持它們的方向，同時(shí)又擁有液體分子的性質(zhì)，可以移動(dòng)到不同的位置。也就是說(shuō)，液晶既不是固體也不是液體。這就是它為什么叫“液晶”這個(gè)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(shí)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(diǎn)點(diǎn)熱量。這就解釋了為什么液晶對(duì)溫度十分敏感，以及為什么它們被用來(lái)制造溫度計(jì)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(huì)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(gè)相中。在本文中，我們將討論用來(lái)制造LCD的液晶，即處在向列相下的液晶。

液晶的一大特點(diǎn)是它們的性質(zhì)會(huì)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(duì)于電流的反應(yīng)很精確，因此可以被用來(lái)控制光的流通，從而用于制造LCD。

液晶的種類大多數(shù)液晶分子為棒狀，大體上可以把它們分為熱致液晶和溶致液晶。 液晶研究所Oleg Lavrentovich博士 供圖 熱致液晶對(duì)于溫度（或壓力）的變化產(chǎn)生反應(yīng)。溶致液晶的反應(yīng)則取決于它們與何種溶劑相混合，這被用于制造肥皂和清潔劑中。熱致液晶可能是各向同性的或向列的。兩者最主要的區(qū)別在于，各向同性液晶中的分子排布是隨機(jī)的，而向列液晶中的分子排布有著特定的順序或模式。 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(chǎng)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(duì)取向做進(jìn)一步的分類。層列相是最常見(jiàn)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(duì)上一層呈一定的傾斜角度。另一種常見(jiàn)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(gè)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?yàn)榉肿优帕械穆菪匦允箵Q向反應(yīng)時(shí)間處于微秒量級(jí)，故FLC特別適用于先進(jìn)的顯示屏。表面穩(wěn)定型鐵電液晶（SSFLC）利用玻璃板加一個(gè)可調(diào)的壓力，從而抑制分子的螺旋性，進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間。

怎樣制造LCD？

制造一臺(tái)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(jiàn)太陽(yáng)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(gè)條件。

制造一臺(tái)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(méi)有偏光膜的一面?？滩郾仨毰c偏光膜同向。接著在一片濾光片上加一層向列相液晶?？滩蹠?huì)使液晶中第一層分子的取向和濾光片的方向相同。接下來(lái)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(huì)扭曲一個(gè)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(gè)濾光片上時(shí)，它發(fā)生偏振。每一層分子都會(huì)將它們接收到的光引領(lǐng)至下一層。當(dāng)光穿過(guò)液晶的每一層時(shí)，相應(yīng)的分子同時(shí)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(shí)，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(guò)。

自制LCD

制造一個(gè)簡(jiǎn)單的LCD比您想像中的要容易。首先準(zhǔn)備一個(gè)如上所述的玻璃-液晶-玻璃的“三明治”，然后再加上兩個(gè)透明的電極。比如說(shuō)，假設(shè)您準(zhǔn)備制造一種最簡(jiǎn)單的LCD，只包含一個(gè)矩形電極。它的各個(gè)層是這樣的：

這是LCD非常基本的功能。最后面是一塊鏡子（A），能夠進(jìn)行反射。接著，我們?cè)偌由弦黄撞烤哂衅饽さ牟ＡВ˙），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(gè)LCD。在這上面是一層液晶材料（D）。接下來(lái)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(méi)有電流通過(guò)時(shí)，從LCD前面射入的光只是簡(jiǎn)單地打在鏡子上并反射出來(lái)。但有電流通過(guò)時(shí)，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(guò)。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(qǐng)注意，我們這個(gè)簡(jiǎn)易的LCD需要一個(gè)外部光源。液晶材料本身并不發(fā)光。小型廉價(jià)的LCD通常是反射型的，也就是說(shuō)它們必須反射外部光源的光來(lái)顯像。請(qǐng)看這只LCD手表：小電極對(duì)液晶充電從而消除液晶層分子的扭曲，光線不能透過(guò)偏振膜，這樣數(shù)字便顯現(xiàn)出來(lái)了。

在上面的例子中，我們使用的是一塊普通電極板和一個(gè)單獨(dú)的電極條來(lái)控制哪些液晶受電荷的影響。如果在單獨(dú)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(jiǎn)單顯示器，比如手表和微波爐定時(shí)器上的屏幕。在這些設(shè)備中，前述的六角形棒狀是最常見(jiàn)的電極排列，而實(shí)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(jī)，玩紙牌游戲機(jī)、外星人游戲機(jī)、釣魚(yú)游戲機(jī)和老虎機(jī)等，里面五花八門的圖案不過(guò)是各種形狀的電極而已。

計(jì)算機(jī)中使用的LCD有兩大類：無(wú)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(wú)源矩陣LCD

無(wú)源矩陣LCD使用簡(jiǎn)單的網(wǎng)格來(lái)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(guò)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(shí)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(gè)基片的外表面則附著偏振膜。若要點(diǎn)亮某個(gè)像素，集成電路將電荷送到一個(gè)基片的特定列上，再將另一個(gè)基片的特定行接地。行與列交于指定的像素點(diǎn)，由此產(chǎn)生的電壓會(huì)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(jiǎn)單地說(shuō)，TFT是極小的開(kāi)關(guān)晶體管和電容器。它們?cè)诓ＡЩ媳慌帕谐梢粋€(gè)矩陣。為找到一個(gè)特定的像素，相應(yīng)的行被打開(kāi)，然后電荷被注入相應(yīng)的列。因?yàn)榕c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(gè)電容能在下一個(gè)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(guò)。

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(gè)像素可以提供256級(jí)不同的亮度。

彩色LCD

彩色LCD的每一個(gè)像素必須有三個(gè)子像素，三個(gè)子像素分別包含紅色、綠色和藍(lán)色濾光片。

通過(guò)對(duì)施加的電壓進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)和控制，每個(gè)子像素的亮度都可以在256個(gè)級(jí)別中變化。子像素色彩強(qiáng)度的排列組合可以產(chǎn)生1680萬(wàn)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(gè)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(gè)出了問(wèn)題，都會(huì)在顯示屏上產(chǎn)生一個(gè)“亮點(diǎn)”。大多數(shù)有源矩陣顯示器都會(huì)有幾個(gè)亮點(diǎn)分散在屏幕上。

LCD的未來(lái)

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(wèn)題的限制。簡(jiǎn)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(duì)于現(xiàn)在的大型LCD來(lái)說(shuō)，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(jià)格，因?yàn)楹玫腖CD的銷售收入必須彌補(bǔ)好的和壞的LCD的生產(chǎn)成本之和。只有制造技術(shù)的進(jìn)步才能生產(chǎn)出價(jià)格合適的大尺寸顯示屏。