原创 LCD液晶原理大剖析

LCD液晶原理大剖析

LCD（LiquidCrystalDisplay）对于许多的用户而言可能已经不是一个新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象――在1888年，一位奥地利的植物学家F.Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。

在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记型计算机和掌上计算机的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。

为什么叫液晶？

液晶得名于其物理特性：它的分子晶体，不过以液态存在而非固态。大多数液晶都属于有机复合物。这些晶体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点：如果你让电流通过液晶层，这些分子将会以电流的流向方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。如果你提供了带有细小沟槽的外层，将液晶倒入后，液晶分子会顺着槽排列，并且内层与外层以同样的方式进行排列。
  

液晶的第三个特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入之外的所有光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。

液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关-即可以阻碍光线，也可以允许光线通过。液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶成了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。也有某些设计了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。

显示技术由于不同的应用目的而分成不同的类型。有的是成了静态显示，比如道路标志和显示牌，它们的显示信息是不变的。平面显示技术则被用于传递发生变化的显示信息，所以显示信息量的大小就决定了所采用的显示技术类型。对于便携式的计算器等设备而言，由于所传递的信息量相对较低，被称为「低信息密度」显示技术；对于计算机显示器而言，由于传递的信息量大，则相应被称为「高信息密度」显示技术。
  

被动矩阵液晶显示技术

高信息密度显示技术中首先商品化的是「被动矩阵显示技术」。它得名于控制液晶单元的开和关的简单设计。

被动矩阵液晶显示的驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成，单独的液晶单元夹在彼此垂直的电极中间。因此，任何一组电极的驱动就会在特定的单元中引起电流通过。

被动矩阵显示画面的原理就是输入的信号依次去驱动每一排的电极，于是当某一排被选定的时候，列向上的电极将被触发打开位于排和列交叉上的那些像素。这种方法比较简单，而且对液晶屏幕的成本增加也不多。不过它也有缺点，如果有太大的电流通过某个单元，附近的单元都会受到影响，引起虚影。如果电流太小，单元的开和关就会变得迟缓，降低对比度和丢失移动画面的细节。

早期，被动矩阵板依赖于扭转向列的设计。上层和下层的偏光板的偏振光方向呈90度，因此中间的液晶以90度进行扭转。这样制造的液晶板对比度很低、响应时间也很慢。这种方式运用在低信息量显示时很好，不过被证明不适合计算机显示。
  

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超扭转向列（SuperTwistedNematic）方法是通过改变液晶材料的化学成分，使液晶分子发生不止一次的扭转，光线扭转达到180度到270度，这样便可大大地改善画面的显示品质。80年代初期STN技术一度非常流行，至今它还在可携式设备如PDA，手机中使用。虽然STN技术提高了显示的对比度，不过它会引起光线的色彩偏差，尤其是在屏幕偏离主轴的位置上。这就是为什么早期的笔记型计算机屏幕总是偏蓝和偏黄的原因。

为了解决这一问题，双层超扭曲向列型显示技术DSTN出现了，它具有两层扭转方向相对的LCD层，第二层使得第一层遗留的色偏问题得以解决。当然它的制造工艺比前两种方式要复杂的多。

后来人们发现了比DSTN更简单易行的方法--在底层和顶层的外表面加上补偿膜，来改善STN技术中所产生的特定波段光线的散射和反射现象，这就是补偿膜超扭转向列Film-compensatedSTN（FSTN）。FSTN的显示效果和DSTN相当，但价格和工艺难度大大降低，所以现在大多数被动式LCD都采用了FSTN技术。

FSTN技术的LCD显示效果，人们又于90年代初期提出了双扫描概念。所谓双扫描，就是将面板水平对等地分为两部分，顶端和底端相对应的部分同时扫描，这就大大提高了扫描的频率。双扫描解决了小电流、长时间使用的情况下常常产生的鬼影现象。和主动矩阵显示相比显着提高了对比度、画质和响应时间，所以现在还广为低价位的笔记型计算机所采用。
   

主动矩阵LCD及其弱势

被动矩阵 LCD 的最大问题是难以快速地控制单独的液晶单元，并以足够大的电流保证来获得好的对比度、足够的灰阶级和较快的响应时间，从而影响了动态影像的显示效果。主动矩阵 LCD 通过单独地控制每个单元，有效地解决了上面的问题。

与被动矩阵LCD 相似，主动矩阵 （ Active Matrix） LCD 的上下表层也纵横有序排列着用铟锡氧化物做成的透明电极。所不同的是在每个单元中都加入了很小的晶体管，由晶体管来控制电流的开和关。晶体管电极是利用薄膜技术而做成的。晶体管利用了薄膜来形成半导体。薄膜晶体管 LCD （ TFT-LCD）也因此得名。

晶体管可以迅速地控制每个单元，由于单元之间的电干扰很小，所以你可以使用大电流，而不会有鬼影和拖尾现象。更大的电流会提供更好的对比度、更锐利的和更明亮的图像。
  

视角及反应速度

在传统的 CRT 显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体 -- 磷来实现的，光线从这一层向各个方向发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。

LCD和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。 LCD 的特性决定了它所需的背景光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光源。如果你通过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线。但是如果你

稍微移开眼睛，从其它的方向去看的话，你就无法观察到光线了。 LCD 技术正是如此。虽然液晶分子并不像吸管一样是中空的，但是它们的有序排列阻止了光线向其它方向发射。
   

为了解决视角问题，制造商们也想出了许多方法。直接在显示器外面附加一层漫射膜是办法之一，漫射膜可以将特定传播方向的光线散射向各个方向，从而增大可视角度。不过这种方法只能达到一定程度的改善。另一种做法是改变通过液晶的电流方向来增大可视角度。电流不再是从顶端流向底端，而是从侧面方向流过。这就使得液晶分子在水平方向上有序排列，从而增大了传递光线的可视角度。这两种技术通常用在水平可视角度的改善上。

第三种解决方案比较复杂，而且会使制造成本大大增加。主要方法是将每个液晶单元分割成大量微小的部分，事先将这些微小子单元以不同的方向倾斜，这就使得传播光线在到达这些微小面板的时候向各个方向散射，从而增大可视角度。昂贵的成本限制了它的广泛使用，仅在一些具有需要同时从远处和近处观察的桌上 型显示器中才应用这种技术。

反应速度

LCD单元在控制信号到达与变化完成之间存在滞后现象，这使得 LCD 在显示快速移动图像时与 CRT 相比具有一种先天的缺陷。

CRT 的电子枪发射电子束到被激发的荧光粉发光之间几乎是瞬间的。

这种时间滞后被称「反应时间」，其单位通常是毫秒。被动矩阵显示器响应时间很长，约有 150 毫秒或更多，所以不适于显示诸如电影的移动画面。

在主动矩阵显示器中像素响应时间随设计的不同而异，主要受到几个因素影响，包括用来驱动单元的电压，单元的厚度和使用的液晶材料。标准的主动矩阵显示器一般有 40 毫秒的响应时间，也就是说每秒能显示 25 帧。平面内转换增加了可视角度，但显示会变慢，一般有 70 毫秒反应时间。显示器更快一些，有 25 毫秒反应时间。

耗电量

主动矩阵式 LCD 显示器与 CRT 相比较小，需要很少的电量。事实上，它已经变成了便携式设备的标准显示器，从 PDA 到笔记型计算机均广泛运用。但不管怎样， LCD 技术还是可悲的效率低下：即使你将屏幕显示白色，从背景光源中发射的光也只有不到 10% 穿过屏幕发出，其它的都被吸收。

笔记型计算机的低效迫使其设计者面临一些艰难的选择。如果你希望在户外这样强光环境下图像更明亮，你就需要一个更亮的背景光源，这将需要更多的电力。如果你使用的电池容量一定，更亮的背景光源就会在较短的时间内耗尽电源。

设计者用更大的电池容量解决这个问题，但是对于目前的电池技术来说，就意味着设备重量的增加，对消费者的吸引力就会下降。这三者之间的三角平衡推动着显示器、电池及节能技术的研究。

总而言之，背景光源所哪芰渴?span lang="EN-US"> LCD 显示器总耗电量的最大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都将使笔记型计算机显示器的耗电量大大增加。另一方面，技术进步通过降低系统电压和提高孔径比使更多的光能通过液晶单元，降低系统的电源需求。结果是，笔记型显示器的总耗电量维持在 2 到 5 瓦之间。一根管子的背景光源大约需要 1.2 瓦，所以根据使用一只或两只管子一个屏幕中共需要 1.2 或 2.4 瓦的能量。

PDA，如 Palm 和 Compaq iPAQ常使用反射显示器。这意味着环境光射进显示器中，穿过极化的液晶层，碰撞反射层，再反射出来显示成图像。据估计，在此过程中 84% 的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，虽然还有待改进，但已足以提供可视影像需要的对比度。单向反射和反射显示器使得不同光照条件下耗费最少能源使用 LCD 显示器成为可能。

LCD显示器的关键因素之一是它的价格。如果比 CRT 更加便宜，它将会占据几乎全部的显示器市场。但不幸的是，对于桌上计算机经常使用的15、17吋显示器来说，相同显示面积的 LCD 的造价几乎是 CRT 的 3 到 5 倍。显示面积越大，造价差距越大。为什么LCD 造价如此之高？这取决于它们的制造方式。它的制造工艺异常复杂，维持高良率需要不断努力。

显示色彩

LCD 显示的一个重要的技术指标是显示色彩。

CRT 显示器所能表现出的色彩几乎是无穷的，因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度，你就可以得到不同的色彩。与 CRT 一样， LCD 技术也是根据电压的大小来改变亮度，但是只有主动矩阵 LCD 可以单独控制每个像素，被动矩阵 LCD 每次都要驱动整行或整列像素，因此它的灰阶表现能力很差。

每个LCD的子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶本身没有颜色，所以用滤色片产生各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器，可以产生 256 级灰阶。每个子像素能够表现 256 级，那么你就能够得到 256×3种色彩，每个像素能够表现 16,777,216 种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的，人眼对低亮度的变化更加敏感，所以这种 24 位的色度并不1能完全达到理想要求。工程师们通过脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。

制造商还采用了两种技术来提高主动矩阵显示中每个液晶单元的灰阶显示数目。第一种是抖动方法。将四个毗连呈正方形的像素作为一个单元，如果其中一个的灰阶太低，那么相邻的像素就会提高自身的亮度，从而显示出一个比较适中的灰阶，四个像素最后会显示出三个适中的最终灰阶作为显示结果。这种方法的最大缺点在于降低了显示的分辨率。

另一项技术是框架速率控制（FRC ）或者暂时的高频振动。这种方法在显示每屏图像时多次刷新像素。与高频振动中将灰阶的混合用空间来显示不同，这种方法通过时间控制。如果显示一幅画面需要的时间分为很多帧，像素就可以在帧的切换当中造成一种灰阶的过渡态，四帧就可以造成三个过渡态。这种设计的优点是可以不降低图像的分辨率，被广泛应用于现代的主动矩阵显示器中。

传统工艺流程

LCD 的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大约只有 1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生产中，设备不同会造成玻璃厚度不同。所以，显示器只能在一套模具中制造。玻璃底层镀有一层非晶硅，从而在每个像素单元上可以制造半导体组件。经过一系列的平板照相、蚀刻、覆膜和沈积步骤，在每个像素上都生成了开关晶体管、滤色器及其它部分。

在所有的元器件上沈积有一个透明数组膜，在顶层上贴上另一个相似的透明的数组膜。这些膜运用光化学工艺流程进行刻蚀或印刷，在每层膜上形成极小的刻槽。当液晶材料注入时，液晶分子就在这些槽中有序排列。在屏幕的两面间喷洒小隔片，保证在每个像素位置上有一到两个隔片。这样就可以分隔开玻璃层的上下面，为液晶材料提供一个存在的空间。接着，在每个显示器的

LCD 技术中最引人瞩目的是低温多晶硅的使用。传统工艺中使用非晶硅制造 LCD 单元元器件，相对来说制造成本较低，但是比半导体芯片制造所使用的单晶硅的电子活性较低。电子活性随着硅结晶度的提高而增加，这样晶体管就可以越来越小，而这又意味着更大的孔径比 -- 更多光线将通过液晶显示器单元 -- 所以显示器耗电量更低，也就是说电池使用寿命将延长或整机重量降低。多晶硅用于小型 LCD 显示器 -- 例如数据读取设备中的面板 - 但它们都需要可抵抗高温的特殊玻璃。覆盖在底层的硅被加热到一定温度然后冷却，从而产单晶硅。

近几年，技术已经发展到了可以制造标准的玻璃底层和在室温下制造晶体硅。使用激光扫描硅膜，可以使膜表面特定的极小区域产生高温，冷却后生成单晶硅。这种工艺比传统的镀膜更加昂贵，但是它带来了一些其它的利益。除了孔径比增加之外，多晶硅层的使用使得在面板的边缘构造驱动电路成为可能。从而大部分与电路的接头能够无需接片（TAB）就能够在底层很好的实现连接。这就意味着连接到面板上的接头数目减少 95 ％以上，而且同时增加显示的物理可靠性。