LCD液晶的原理和发展趋势

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人们早在1888年就发现了液晶这一呈液体状的物质，它是一种几乎完全透明的物质，同时呈现固体与液体的某些特征。液晶从外形和外观看上去都是一种液体，但它的水晶式分子结构又表现出固体的形态。像磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列；如对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会答应光线穿透；光线穿透液晶的路径可由构成它的分子排列来决定，这又是固体的一种特征。　　六十年代起，人们发现给液晶充电会改变它的分子排列，继而造成光线的扭曲或折射。经过反复测试，1968年，在美国发明了液晶显示器件，随后LCD液晶显示屏就正式面世了。然而从第一台LCD显示屏的诞生以来，短短30年，液晶显示器技术得到了飞速的发展：七十年代初，日本开始生产TN-LCD，并推广应用；八十年代初，TN-LCD产品在计算器上得到广泛应用；在1984年，欧美国家提出TFT-LCD和STN-LCD显示技术之后，从八十年代末起，日本掌握了STN-LCD的大规模生产技术，使LCD产业获得飞速发展。　　大约1971年，液晶显示设备就在人类的生活中出现。这就是最初的TN-LCD（扭曲阵列）显示器。尽管当时还只是单色显示，但在某些领域已开始加以应用（例如医学仪器等）。到八十年代初期，TN-LCD开始被应用到电脑产品上。1984年，欧美国家提出STN-LCD（超扭曲阵列），同时TFT-LCD（薄膜式电晶体）技术也被提出，但技术和制程仍不够成熟。到八十年代末期，由于日本厂商掌握着STN-LCD的主要生产技术，它们开始在生产线上进行大规模的生产，这算得上是LCD将要普及的信号。　　1993年，在日本掌握TFT-LCD的生产技术后，液晶显示器开始向两个方向发展：一方向是朝着价格低、成本低的STN-LCD显示器方向发展，随后又推出了DSTN-LCD(双层超扭曲阵列)；而另一方向却朝高质量的薄膜式电晶体TFT-LCD发展。日本在1997年开发了一批以550×670mm为代表的大基板尺寸第三代TFT-LCD生产线，并使1998年大尺寸的LCD显示屏的价格比1997年下降了一半。1996年以后，韩国和中国台湾都投巨资建第三代的TFT-LCD生产线，准备在1999年以后与日本竞争。　　中国内地从八十年代初就开始引进了TN-LCD生产线，是目前世界上最大的TN-LCD生产国。据不完全统计，目前全国引进和建立LCD生产线40多条，有LCD配套厂30余家， 其中不乏TFT-LCD生产线。　　从1971年开始，液晶作为一种显示媒体使用以来，随着液晶显示技术的不断完善和成熟，使其应用日趋广泛，到目前已涉及微型电视、数码照相机、数码摄像机以及显示器等多个领域。在其经历了一段稳定、漫长的发展历程后，液晶产品已摒弃了以前那种简陋的单色设备形象。　　目前，它已在平面显示领域中占据了一个重要的地位，而且几乎是笔记本和掌上型电脑必备部分。1985年，自从世界第一台笔记本电脑诞生以来， LCD液晶显示屏就一直是笔记本电脑的标准显示设备，所以一谈到LCD必定会与笔记本电脑扯上关系。LCD显示器在笔记本电脑的发展历程中也发挥过不同的作用，但随着液晶显示技术的不断进步，基于LCD在笔记本电脑市场占据多年的领先地位之后，具备平滑显示屏幕的LCD液晶显示器又开始逐步地进入桌面系统市场。笔记本电脑为了达到轻、薄、小等功能，率先采用LCD液晶面板作为显示器。发展至今，更多的电子产品都纷纷采用LCD作为显示面板（如移动电话、便携式电视、游戏机等），因而也令LCD产业得到了蓬勃的发展。 （一）按物理结构分类 　　LCD按照物理结构，可以分为双扫描无源阵列显示器(DSTN-LCD)和薄膜晶体管有源阵列显示器(TFT-LCD)。而快速DSTN（HPA），性能界于两者之间。具体参数比较见表1。  类型 反应时间（ms） 对比度 视角 DSTN 300 25:1 20度 HPA 150 35:1 25度 TFT 80 100:1 45度　　　　　　　　　　　　　　表1：几种LCD显示器类型的技术参数比较 DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph）双扫描扭曲阵列　　它是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，来达到完成显示的目的。DSTN是由超扭曲向列型显示器（STN）发展而来的，由于DSTN采用双扫描技术，因而显示效果较STN有大幅度进步。笔记本电脑刚出现时主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反应时间都较慢，一般约为300ms左右。从液晶显示原理来看，STN的原理是用电场改变原为180度以上扭曲的液晶分子的排列从而改变旋光状态，外加电场通过逐行扫描的方式改变电场，在电场反复改变电压的过程中，每一点的恢复过程较慢，因而就会产生余辉现象。用户能感觉到拖尾（余辉），一般俗称为“伪彩”。由于DSTN显示屏上每个像素点的亮度和对比度不能独立控制，以至于显示效果欠佳，由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度较差、屏幕观察范围较小、色彩欠丰富，特别是反应速度慢，不适于高速全动图像、视频播放等应用，一般只用于文字、表格和静态图像处理，但是它结构简单并且价格相对低廉（其价格一般要比同等配置下的TFT笔记本电脑低3千元左右），耗能也比TFT-LCD少，而视角小可以防止窥视屏幕内容达到保密作用，结构简单可以减小整机体积，因此，在少数笔记本电脑中仍采用它作为显示设备，目前仍然占有一定的市场份额。　　实在DSTN-LCD并非真正的彩色显示器，它只能显示一定的颜色深度，与CRT的颜色显示特性相距较远，因而又称为“伪彩显”。DSTN的工作特点是这样的：扫描屏幕被分为上下两部分，CPU同时并行对这两部分进行刷新（双扫描），这样的刷新频率固然要比单扫描（STN）重绘整个屏幕快一倍，它进步了占空率，改善了显示效果。由于DSTN分上下两屏同时扫描，上下两部分会出现刷新不同步，所以当元件的性能不佳时，一般在使用过程中，显示屏中央会出现一条模糊的水平亮线。不过，现在采用DSTN-LCD的电脑因CPU和RAM速率高且性能稳定，这种不同步现象已经很少碰见到了。　　另外，由于DSTN的显示屏上的像素信息是由屏幕左右两侧的晶体管控制一整行像素来显示，每个像素点不能自身发光，是无源像点，所以反应速度不快，屏幕刷新后会留下幻影，其对比度和亮度也低，图像要比CRT显示器暗得多。HPA一般称为高性能定址或快速DSTN 　　是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反应时间、更高的对比度和更大的视角，由于它具有与DSTN相近的成本，因此在低端笔记本电脑市场具有一定的上风。TFT（Thin Film Transistor）即薄膜场效应晶体管　　所谓薄膜晶体管，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。　　由于彩色显示器中所需要的像素点数目是黑白显示器的4倍，在彩色显示器中像素大量增加，若仍然采用双扫描形式，屏幕不能正常工作，必须采用有源驱动方式代替无源扫描方式来激活像素。这样就出现了将薄膜晶体管（TFT）、或薄膜二极管、或金属－绝缘体－金属（MIM）等非线性有源元件集成到显示组件中的有源技术，用来驱动每个像素点，使每个像素都能保持一定电压，达到100％的占空化，但这无疑是将增加设备的功耗。　　TFT属于有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）中的一种，TFT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地进步，最少可以到80ms左右，而且对比度和亮度也大大进步了，同时分辨率也达到了空前程度。因其具有比其他两种显示器更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，俗称“真彩”。三种类型的对比 　　与DSTN-LCD和HPA相比，TFT的主要特点是在每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，因而每个节点相对独立，并可连续控制，这样不仅进步了反应时间，同时在灰度控制上可以做到非常精确，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色显示设备之一，TFT-LCD具有屏幕反应速度快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、色彩丰富、分辨率高等等特点，克服了两者的原有的很多缺点，是目前桌面型 LCD显示器和笔记本电脑LCD显示屏的主流显示设备。在色彩显示性能方面与CRT显示器相当，凡CRT显示器所能显示的各种信息都能同样显示，其效果已经接近CRT显示器。在有源矩阵LCD中，除了TFT-LCD外，还有一种黑矩阵LCD，是当前的高品质显示技术产品。它的原理是将有源矩阵技术与特殊镀膜技术相结合，既可以充分利用LCD的有源显示特点，又可以利用特殊镀膜技术，在减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、进步对比度的同时，可减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。（一）液晶的物理特性 　　液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线轻易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。（二）单色液晶显示器的原理 　　LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。　　LCD是依靠极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。　　LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。　　然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。　　从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。由于液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。（三）彩色LCD显示器的工作原理 　　对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。　　LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数目的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。　　CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清楚的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，由于每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清楚的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40～60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很轻易出现暇疵。对1024×768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(1024×768×3＝2359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“斑点”)。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。　　LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案(比如经抖动处理的图像)可能在液晶显示屏上出现丢脸的波纹或者干扰纹。　　现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格。TFT LCD技术能够显示更加清楚，明亮的图象。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，对比度小，固然能够显示清楚的文字，但是在快速显示图象时往往会产生阴影，影响视频的显示效果，因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑，呼机或手机中。　　随着技术的日新月异，LCD技术也在不断发展进步。目前各大LCD显示器生产商纷纷加大对LCD的研发用度，力求突破LCD的技术瓶颈，进一步加快LCD显示器的产业化进程、降低生产成本，实现用户可以接受的价格水平。 四）应用与液晶显示器的新技术 （1）采用TFT型Active素子进行驱动 　　为了创造更优质画面构造，新技术采用了用独占TFT型Active素子进行驱动。大家都知道，异常复杂的液晶显示屏幕中最重要的组成部分除了液晶之外，就要算直接关系到液晶显示亮度的背光屏以及负责产生颜色的色滤光镜。在每一个液晶像素上加装上了Active素子来进行点对点控制，使得显示屏幕与全统的CRT显示屏相比有天壤之别，这种控制模式在显示的精度上，会比以往的控制方式高得多，所以就在CRT显示屏会上出现图像的品质不良，色渗以及抖动非常厉害的现象，但在加入了新技术的LCD显示屏上观看时其画面品质却是相当赏心悦目的。（2）利用色滤光镜***创造色彩斑澜的画面 　　在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种工艺要求有非常高的制造水准。但与同其他普通的LCD显示屏相比，用这种类型的制造出来的LCD，无论在解析度，色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑澜的画面。（3）低反射液晶显示技术 　　众所周知，外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示屏，在外界光线比较强的时候，由于它表面的玻璃板产生反射，而干扰到它的正常显示。因此在室外一些明亮的公共场所使用时其性能和可观性会大大降低。目前很多LCD显示器即使分辨率再高，其反射技术没处理好，由此对实际工作中的应用都是不实用的。单凭一些纯粹的数据，实在是一种有偏差的去引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的“低反射液晶显示屏幕”技术就是在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术（AR coat），有了这一层涂料，液晶显示屏幕所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏幕的分辨率、防止反射等这四个方面都但到了更好的改善。（4）先进的“连续料界结晶矽”液晶显示方式 　　在一些LCD产品中，在观看动态影片的时候会出现画面的延迟现象，这是由于整个液晶显示屏幕的像素反应速度显得不足所造成的。为了进步像素反应速度，新技术的LCD采用目前最先进的Si TFT液晶显示方式，具有比旧式LCD屏快600倍的像素反应速度，效果真是不可同日而语。先进的“连续料界结晶矽”技术是利用特殊的制造方式，把原有的非结晶型透明矽电极，在以平常速率600倍的速度下进行移动，从而大大加快了液晶屏幕的像素反应速度，减少画面出现的延缓现象。　　现在，低温多晶硅技术、反射式液晶材料的研究已经进入应用阶段，也会使LCD的发展进入一个崭新的时代。而在液晶显示器不断发展的同时，其它平面显示器也在进步中，等离子体显示器（PDP）、场致发光阵列显示器（FED）和发光聚合体显示器（LEP）的技术将在未来掀起平板显示器的新浪潮。其中，最值得关注和看好的就是场致显示器，它具有很多比液晶显示器更出色的性能……不过可以断定，LCD显示技术进入新纪元，作为另一支显示产品的新气力，它们将可能取代CRT显示器。