知识讲座——LCD

1、知识讲座知识讲座 液晶显示器液晶显示器 LCD概述 显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管 （CRT/Cathode Ray Tube）显示器为主，但随着科技 不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由 于液晶显示器（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐 射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势， 在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代CRT之主流 地位，显示器明日之星架势十足。 那么液晶显示器与传统的显示器相比，到底有什么新 的特点呢？ LCD的特点 显示质量高 没有电磁辐射 可视面积大 应用范围广 画面效果好 数字式接口 “身材”匀称小巧 功率消耗小 显示质量高 由于液晶显示

2、器每一个点在收到信号后 就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光， 而不象阴极射线管显示器（CRT）那样 需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器 画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳 降到最低。 没有电磁辐射 传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束 撞击荧光粉而显示，电子束在打到荧光粉上的 一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有 许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较 有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但 要彻底消除是困难的。相对来说，液晶显示器 在防止辐射方面具有先天的优势，因为它根本 就不存在辐射。在电磁波的防范方面，液晶显 示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密 封技术将来自驱动电路的少

3、量电磁波封闭在显 示器中。 可视面积大 对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示 器的可视面积要更大一些。液晶显示器 的可视面积跟它的对角线尺寸相同。阴 极射线管显示器显像管前面板四周有一 英寸左右的边框不能用于显示。 应用范围广 最初的液晶显示器由于无法显示细腻的字符， 通常应用在电子表、计算器上。随着液晶显示 技术的不断发展和进步，字符显示开始细腻起 来，同时也支持基本的彩色显示，并逐步用于 液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机 上。而随后出现的DSTN和TFT则被广泛制作 成电脑中的液晶显示设备，DSTN液晶显示屏 用于早期的笔记本电脑；TFT则既应用在笔记 本电脑上（现在大多数笔记本电脑

4、都使用TFT 显示屏），又用于主流台式显示器上。 数字式接口 液晶显示器都是数字式的，不像阴极射 线管彩显采用模拟接口。也就是说，使 用液晶显示器，显卡再也不需要像往常 那样把数字信号转化成模拟信号再行输 出了。理论上，这会使色彩和定位都更 加准确完美。 “身材”匀称小巧 传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个 笨重的射线管。液晶显示器突破了这一限制， 给人一种全新的感觉。传统显示器是通过电子 枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管颈不能 做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示 器的体积。而液晶显示器通过显示屏上的电极 控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕 加大，它的体积也不会成正比的增加

5、，而且在 重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功率消耗小 传统的显示器内部由许多电路组成，这 些电路驱动着阴极射线显像管工作时， 需要消耗很大的功率，而且随着体积的 不断增大，其内部电路消耗的功率肯定 也会随之增大。相比而言，液晶显示器 的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC上，因而耗电量比传统显示器也要小 得多。 画面效果好 与传统显示器相比，液晶显示器一开始就使用 纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的， 让人有一种耳目一新的感觉。而且液晶显示器 更容易在小面积屏幕上实现高分辨率，例如， 17英寸的液晶显示器就能很好地实现 12801024分辨率，而通常18英寸CRT彩显上 使用

6、12801024以上分辨率的画面效果是不能 完全令人满意的。 液晶发展史 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔 （F.Reinitzer)于1888年发现的； 第二年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann) 发现该物质显示出各向异性晶体特有的 双折射性。于是莱曼将其命名为“液态 晶体”，这就是“液晶”名称的由来； 液晶发展史 1963年，RCA公司的威利阿姆斯发现了 用电刺激液晶时，其透光方式会改变。5 年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组， 发明了应用此性质的显示装置。这就是 液晶显示屏的开端。 1973年，格雷教授（英国哈尔大学）发 现了稳定的液晶材料（联苯系）。 液晶发展史 1976年，由SHA

7、RP(夏普)公司在世界上 首次，将其应用于计算器（EL-8025）的 显示屏中，此材料目前已成为LCD材料 的基础。 液晶 液晶是一种介于固体与液体 之间，具有规则性分子排列 的有机化合物，一般最常用 的液晶型式为向列液晶，分 子形状为细长棒形，长宽约 1nm10nm，在不同电流电 场作用下，液晶分子会做规 则旋转90度排列，产生透光 度的差别，如此在电源 ON/OFF下产生明暗的区别， 依此原理控制每个像素，便 可构成所需图像。 物质的三态 物质有三态。此三态的特性可用下图来说明。固态是 一个分子很靠近且整齐排列的态。液态中的分子虽然 很靠近，但不具有空间上排列之秩序性。气态中之分 子则相互

8、间分离的很远。 固态液态气态 液晶态 液体也同样可具有不同之态。液体分子质心之排列虽 然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的 （或扁形的），它们的分子指向 就可能有规律性。于 是我们就可将液态又细分为许多态。那些分子方向没 有规律性的液体我们称之为各向同相液体或直接称为 液体，而具有方向性之液体则称之为液态晶体，又简 称液晶。请看下图中两者的差异。 有方向的固态无方向的液态有方向的液态 液晶的特点 液晶是由杆形分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部 分有序物质。它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有 别于分子排列完全有序的晶体。这种介于晶体与液体之间的分子 排列以及分子本身的

9、特殊形状与性质，导致了液晶呈现出液体与 晶体的特性，甚至远比它们更复杂的特性。一方面，液晶具有流 体的流动特性；另一方面，液晶又呈现出晶体固有的空间各向异 性，包括介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。液晶 分子的部分有序排列还使得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这 种秩序的切变应力。也就是说，液晶具有切变弹性模量。在实际 应用中，液晶的流动性，介电与光学性能的各向异性性以及液晶 的弹性，都是极为重要的，它们可控制液晶显示性能的参数。 偏振光 光是一种电磁波，我们将其电场方向称为光的偏极方向。我们可用偏光 器来选择某一特定方向之偏极光。已偏极化的光再经过一个偏光器时可 全部通过或部分通过，

10、视第二个偏光器的方向而定。 液晶显示原理 液晶显示器(LCD)的显像原理，是将液晶置于 两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动， 引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光 源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗 而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可 显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜， 所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向 膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型， 当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板 跟着液晶做90度 液晶显示原理 扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色 （如下图左）；当玻璃基板加入电场时，液晶 分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维 持原方向，被下

11、方偏光板遮蔽，光线被吸收无 法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。液 晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显 示效果。 液晶显示原理 液晶显示原理图 LCD制造流程 TN型液晶显示器 TN型液晶显示器件是最常见的一种液晶 显示器件常见的手表、数字仪表、电 子钟及大部分计算器所用的液晶显示器 件都是TN型器件。一般，只要是笔段式 数字显示所用的液晶显示器件大都是TN 型器件。因此，这种器件应该是人们最 熟知的液晶显示器了 TN型LCD的基本结构原理 将徐有ITO透明导电层的玻璃光刻上一定的透 明电板图形，将这种带有透明导电电极图形的 前后两片玻璃基板夹持上一层具有正介电各向 异性的向列相液晶材

12、料，四周进行密封，形成 一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。由于在玻 璃内表面涂有一层定向层膜，并进行了定向处 理，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但 由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互 相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲， 这就是扭曲向列液晶显示器件名称的由来图 1为TN型液晶显示器件的构造，图2为其原理图。 TN型LCD的基本结构原理 图1 典型TN液晶显示器件结构示意图 TN型液晶显示器件显示原理图 (a) TN型器件分子排布与透过光示意图 TN型液晶显示器件显示原理图 （b)TN型电光效应的原理示意图 TN型液晶显示器件显示原理 如果我们将液晶盒放置在正交或平行偏 振片之间，

13、即可用给液晶盒通电的办法 使光改变其透过-遮住状态，从而实现显 示平时我们看见液晶显示器件时隐时 现的黑字，不是液晶在变色，而是液晶 显示器件使光透过或被吸收所致。 STN型液晶显示器 顾名思义，“超扭曲”即扭曲角应很大， 要超过90，这是一种目前应用较多的 点阵式液晶显示器件。我们知道，TN型 及其他大部分类型的液晶显示器件的电 光响应曲线都不够陡峭，如下图所示。 液晶显示响应曲线 从图中可见，随着驱 动电压的升高，电光 响应缓慢增加，阈值 特性很不明显，这给 多路驱动造成了困难， 使液晶在大信息量显 示，视频显示上受到 了限制。 超扭曲(STN) 20世纪80年代初，人们发现，传统的扭 曲

14、向列液晶(TN)器件，只要将其液晶分 子的扭曲角加大，即可以改善其驱动特 性。经过努力，人们陆续开发出一系列 超过了TN扭曲角90的液晶显示器件， 我们把这类扭曲角在180360的 液晶显示器件称为超扭曲(STN)系列产品。 STN型LCD结构 目前，几乎所有的点阵图形和大部分点 阵字符液晶垦示器件均已采用了STN模 式STN技术在液晶产业中已处于成熟、 完善的阶段。STN模式的产品结构基本 和TN模式是一样的，只不过盒中液晶分 子排列不是沿着90扭曲排列，而是 180360扭曲排列，如图所示。 STN型LCD原理 STN型液晶显示器件原理示意图 LCD术语 TN: 扭曲向列的显示类型。 HTN: 高扭曲向列的显示类型。 STN: 超扭曲向列的显示类型。