LCD液晶原理大剖析

1、LCD液晶原理大剖析 LCD（LiquidCrystalDisplay）對于許多的用戶而言可能已經(jīng)不是一個新鮮的名詞，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠遠超過了我們的想象在1888年，一位奧地利的植物學(xué)家F.Renitzer便發(fā)現(xiàn)了液晶特殊的物理特性。 在85年之后，這一發(fā)現(xiàn)才產(chǎn)生了商業(yè)價值，1973年日本的夏普公司首次將它運用于制作電子計算器的數(shù)字顯示?，F(xiàn)在，LCD是筆記型計算機和掌上計算機的主要顯示設(shè)備，在投影機中，它也扮演著非常重要的角色，而且它開始逐漸滲入到桌面顯示器市場中。 為什么叫液晶？ 液晶得名于其物理特性：它的分子晶體，不過以液態(tài)存在而非固態(tài)。大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物。這些晶體分子

2、的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點：如果你讓電流通過液晶層，這些分子將會以電流的流向方向進行排列，如果沒有電流，它們將會彼此平行排列。如果你提供了帶有細小溝槽的外層，將液晶倒入后，液晶分子會順著槽排列，并且內(nèi)層與外層以同樣的方式進行排列液晶的第三個特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。液晶層表現(xiàn)的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過濾掉除了那些從特殊方向射入之外的所有光線。此外，如果液晶層發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，光線將會隨之扭轉(zhuǎn)，以不同的方向從另外一個面中射出。 液晶的這些特點使得它可以被用來當作一種開關(guān)-即可以阻礙光線，也可以允許光線通過。液晶單元的底層是由細小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平

3、行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過當上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶成了隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線通過了，而沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。也有某些設(shè)計了省電的需要，有電流時，光線不能通過，沒有電流時，光線通過。 顯示技術(shù)由于不同的應(yīng)用目的而分成不同的類型。有的是成了靜態(tài)顯示，比如道路標志和

4、顯示牌，它們的顯示信息是不變的。平面顯示技術(shù)則被用于傳遞發(fā)生變化的顯示信息，所以顯示信息量的大小就決定了所采用的顯示技術(shù)類型。對于便攜式的計算器等設(shè)備而言，由于所傳遞的信息量相對較低，被稱為低信息密度顯示技術(shù)；對于計算機顯示器而言，由于傳遞的信息量大，則相應(yīng)被稱為高信息密度顯示技術(shù)。 被動矩陣液晶顯示技術(shù) 高信息密度顯示技術(shù)中首先商品化的是被動矩陣顯示技術(shù)。它得名于控制液晶單元的開和關(guān)的簡單設(shè)計。 被動矩陣液晶顯示的驅(qū)動方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成，單獨的液晶單元夾在彼此垂直的電極中間。因此，任何一組電極的驅(qū)動就會在特定的單元中引起電流通過。 被動矩陣顯示畫面的原理就是輸入的信號依次去驅(qū)

5、動每一排的電極，于是當某一排被選定的時候，列向上的電極將被觸發(fā)打開位于排和列交叉上的那些像素。這種方法比較簡單，而且對液晶屏幕的成本增加也不多。不過它也有缺點，如果有太大的電流通過某個單元，附近的單元都會受到影響，引起虛影。如果電流太小，單元的開和關(guān)就會變得遲緩，降低對比度和丟失移動畫面的細節(jié)。 早期，被動矩陣板依賴于扭轉(zhuǎn)向列的設(shè)計。上層和下層的偏光板的偏振光方向呈90度，因此中間的液晶以90度進行扭轉(zhuǎn)。這樣制造的液晶板對比度很低、響應(yīng)時間也很慢。這種方式運用在低信息量顯示時很好，不過被證明不適合計算機顯示。    超扭轉(zhuǎn)向列（SuperTwistedNematic）方法是

6、通過改變液晶材料的化學(xué)成分，使液晶分子發(fā)生不止一次的扭轉(zhuǎn)，光線扭轉(zhuǎn)達到180度到270度，這樣便可大大地改善畫面的顯示品質(zhì)。80年代初期STN技術(shù)一度非常流行，至今它還在可攜式設(shè)備如PDA，手機中使用。雖然STN技術(shù)提高了顯示的對比度，不過它會引起光線的色彩偏差，尤其是在屏幕偏離主軸的位置上。這就是為什么早期的筆記型計算機屏幕總是偏藍和偏黃的原因。 為了解決這一問題，雙層超扭曲向列型顯示技術(shù)DSTN出現(xiàn)了，它具有兩層扭轉(zhuǎn)方向相對的LCD層，第二層使得第一層遺留的色偏問題得以解決。當然它的制造工藝比前兩種方式要復(fù)雜的多。 后來人們發(fā)現(xiàn)了比DSTN更簡單易行的方法-在底層和頂層的外表面加上補償膜，

7、來改善STN技術(shù)中所產(chǎn)生的特定波段光線的散射和反射現(xiàn)象，這就是補償膜超扭轉(zhuǎn)向列Film-compensatedSTN（FSTN）。FSTN的顯示效果和DSTN相當，但價格和工藝難度大大降低，所以現(xiàn)在大多數(shù)被動式LCD都采用了FSTN技術(shù)。 FSTN技術(shù)的LCD顯示效果，人們又于90年代初期提出了雙掃描概念。所謂雙掃描，就是將面板水平對等地分為兩部分，頂端和底端相對應(yīng)的部分同時掃描，這就大大提高了掃描的頻率。雙掃描解決了小電流、長時間使用的情況下常常產(chǎn)生的鬼影現(xiàn)象。和主動矩陣顯示相比顯著提高了對比度、畫質(zhì)和響應(yīng)時間，所以現(xiàn)在還廣為低價位的筆記型計算機所采用。    

8、 主動矩陣LCD及其弱勢 被動矩陣 LCD 的最大問題是難以快速地控制單獨的液晶單元，并以足夠大的電流保證來獲得好的對比度、足夠的灰階級和較快的響應(yīng)時間，從而影響了動態(tài)影像的顯示效果。主動矩陣 LCD 通過單獨地控制每個單元，有效地解決了上面的問題。 與被動矩陣LCD 相似，主動矩陣 （ Active Matrix） LCD 的上下表層也縱橫有序排列著用銦錫氧化物做成的透明電極。所不同的是在每個單元中都加入了很小的晶體管，由晶體管來控制電流的開和關(guān)。晶體管電極是利用薄膜技術(shù)而做成的。晶體管利用了薄膜來形成半導(dǎo)體。薄膜晶體管 LCD （ TFT-LCD）也因此得名。 晶體管可以迅速地控制每個單元

9、，由于單元之間的電干擾很小，所以你可以使用大電流，而不會有鬼影和拖尾現(xiàn)象。更大的電流會提供更好的對比度、更銳利的和更明亮的圖像。視角及反應(yīng)速度 在傳統(tǒng)的 CRT 顯示器或電視機中，圖像的顯示是通過發(fā)光物體 - 磷來實現(xiàn)的，光線從這一層向各個方向發(fā)射，只是強弱稍有不同而已。因此，你可以從一個很大的可視角范圍來觀看屏幕，無論從哪個角度去觀察，顯示的亮度、色彩都和正視效果相近。 LCD和其它大多數(shù)顯示技術(shù)，都需要強的背景光線穿過液晶層或者其它顯示層來形成圖像，從而完成圖像的傳遞過程。 LCD 的特性決定了它所需的背景光是定向的。舉一個形象的例子來說，就好比你手中握有一把吸管，它們的一端對準光源。如果

10、你通過另一端直視吸管，你將會看到光源射出的光線。但是如果你稍微移開眼睛，從其它的方向去看的話，你就無法觀察到光線了。 LCD 技術(shù)正是如此。雖然液晶分子并不像吸管一樣是中空的，但是它們的有序排列阻止了光線向其它方向發(fā)射。為了解決視角問題，制造商們也想出了許多方法。直接在顯示器外面附加一層漫射膜是辦法之一，漫射膜可以將特定傳播方向的光線散射向各個方向，從而增大可視角度。不過這種方法只能達到一定程度的改善。另一種做法是改變通過液晶的電流方向來增大可視角度。電流不再是從頂端流向底端，而是從側(cè)面方向流過。這就使得液晶分子在水平方向上有序排列，從而增大了傳遞光線的可視角度。這兩種技術(shù)通常用在水平可視角度

11、的改善上。 第三種解決方案比較復(fù)雜，而且會使制造成本大大增加。主要方法是將每個液晶單元分割成大量微小的部分，事先將這些微小子單元以不同的方向傾斜，這就使得傳播光線在到達這些微小面板的時候向各個方向散射，從而增大可視角度。昂貴的成本限制了它的廣泛使用，僅在一些具有需要同時從遠處和近處觀察的桌上 型顯示器中才應(yīng)用這種技術(shù)。 反應(yīng)速度 LCD單元在控制信號到達與變化完成之間存在滯后現(xiàn)象，這使得 LCD 在顯示快速移動圖像時與 CRT 相比具有一種先天的缺陷。 CRT 的電子槍發(fā)射電子束到被激發(fā)的熒光粉發(fā)光之間幾乎是瞬間的。 這種時間滯后被稱反應(yīng)時間，其單位通常是毫秒。被動矩陣顯示器響應(yīng)時間很長，約有

12、 150 毫秒或更多，所以不適于顯示諸如電影的移動畫面。 在主動矩陣顯示器中像素響應(yīng)時間隨設(shè)計的不同而異，主要受到幾個因素影響，包括用來驅(qū)動單元的電壓，單元的厚度和使用的液晶材料。標準的主動矩陣顯示器一般有 40 毫秒的響應(yīng)時間，也就是說每秒能顯示 25 幀。平面內(nèi)轉(zhuǎn)換增加了可視角度，但顯示會變慢，一般有 70 毫秒反應(yīng)時間。顯示器更快一些，有 25 毫秒反應(yīng)時間。 耗電量 主動矩陣式 LCD 顯示器與 CRT 相比較小，需要很少的電量。事實上，它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標準顯示器，從 PDA 到筆記型計算機均廣泛運用。但不管怎樣， LCD 技術(shù)還是可悲的效率低下：即使你將屏幕顯示白色，從背景光

13、源中發(fā)射的光也只有不到 10% 穿過屏幕發(fā)出，其它的都被吸收。 筆記型計算機的低效迫使其設(shè)計者面臨一些艱難的選擇。如果你希望在戶外這樣強光環(huán)境下圖像更明亮，你就需要一個更亮的背景光源，這將需要更多的電力。如果你使用的電池容量一定，更亮的背景光源就會在較短的時間內(nèi)耗盡電源。 設(shè)計者用更大的電池容量解決這個問題，但是對于目前的電池技術(shù)來說，就意味著設(shè)備重量的增加，對消費者的吸引力就會下降。這三者之間的三角平衡推動著顯示器、電池及節(jié)能技術(shù)的研究。 總而言之，背景光源所哪芰渴?span lang="EN-US"> LCD 顯示器總耗電量的最大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高

14、的分辨率都將使筆記型計算機顯示器的耗電量大大增加。另一方面，技術(shù)進步通過降低系統(tǒng)電壓和提高孔徑比使更多的光能通過液晶單元，降低系統(tǒng)的電源需求。結(jié)果是，筆記型顯示器的總耗電量維持在 2 到 5 瓦之間。一根管子的背景光源大約需要 1.2 瓦，所以根據(jù)使用一只或兩只管子一個屏幕中共需要 1.2 或 2.4 瓦的能量。 PDA，如 Palm 和 Compaq iPAQ常使用反射顯示器。這意味著環(huán)境光射進顯示器中，穿過極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來顯示成圖像。據(jù)估計，在此過程中 84% 的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，雖然還有待改進，但已足以提供可視影像需要的對比度。單向反射和反射顯示器

15、使得不同光照條件下耗費最少能源使用 LCD 顯示器成為可能。 LCD顯示器的關(guān)鍵因素之一是它的價格。如果比 CRT 更加便宜，它將會占據(jù)幾乎全部的顯示器市場。但不幸的是，對于桌上計算機經(jīng)常使用的15、17吋顯示器來說，相同顯示面積的 LCD 的造價幾乎是 CRT 的 3 到 5 倍。顯示面積越大，造價差距越大。為什么LCD 造價如此之高？這取決于它們的制造方式。它的制造工藝異常復(fù)雜，維持高良率需要不斷努力。 顯示色彩 LCD 顯示的一個重要的技術(shù)指標是顯示色彩。 CRT 顯示器所能表現(xiàn)出的色彩幾乎是無窮的，因為它是模擬設(shè)備。只需改變紅綠藍三種模擬信號的強度，你就可以得到不同的色彩。與 CRT

16、一樣， LCD 技術(shù)也是根據(jù)電壓的大小來改變亮度，但是只有主動矩陣 LCD 可以單獨控制每個像素，被動矩陣 LCD 每次都要驅(qū)動整行或整列像素，因此它的灰階表現(xiàn)能力很差。 每個LCD的子像素顯示的顏色取決于色彩過濾器。由于液晶本身沒有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色，而不是子像素，子像素只能通過控制光線的通過強度來調(diào)節(jié)灰階，只有少數(shù)主動矩陣顯示采用模擬信號控制，大多數(shù)則采用數(shù)字信號控制技術(shù)。大部分數(shù)字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器，可以產(chǎn)生 256 級灰階。每個子像素能夠表現(xiàn) 256 級，那么你就能夠得到 256×3種色彩，每個像素能夠表現(xiàn) 16,777,216 種成色。因為人

17、的眼睛對亮度的感覺并不是線性變化的，人眼對低亮度的變化更加敏感，所以這種 24 位的色度并不1能完全達到理想要求。工程師們通過脈沖電壓調(diào)節(jié)的方法以使色彩變化看起來更加統(tǒng)一。 制造商還采用了兩種技術(shù)來提高主動矩陣顯示中每個液晶單元的灰階顯示數(shù)目。第一種是抖動方法。將四個毗連呈正方形的像素作為一個單元，如果其中一個的灰階太低，那么相鄰的像素就會提高自身的亮度，從而顯示出一個比較適中的灰階，四個像素最后會顯示出三個適中的最終灰階作為顯示結(jié)果。這種方法的最大缺點在于降低了顯示的分辨率。 另一項技術(shù)是框架速率控制（FRC ）或者暫時的高頻振動。這種方法在顯示每屏圖像時多次刷新像素。與高頻振動中將灰階的混

18、合用空間來顯示不同，這種方法通過時間控制。如果顯示一幅畫面需要的時間分為很多幀，像素就可以在幀的切換當中造成一種灰階的過渡態(tài)，四幀就可以造成三個過渡態(tài)。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以不降低圖像的分辨率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的主動矩陣顯示器中。 傳統(tǒng)工藝流程 LCD 的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大約只有 1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生產(chǎn)中，設(shè)備不同會造成玻璃厚度不同。所以，顯示器只能在一套模具中制造。玻璃底層鍍有一層非晶硅，從而在每個像素單元上可以制造半導(dǎo)體組件。經(jīng)過一系列的平板照相、蝕刻、覆膜和沈積步驟，在每個像素上都生成了開關(guān)晶體管、濾色器及其它部分。 在所有的元器件上沉積有一個透明數(shù)組膜，在頂層上貼上另一個相似的透