TFT型液晶显示器的原理

液晶显示技术综述液晶(Liquid Crystal)是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。如果把它加热会呈现透明的液体状态，把它冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的Smectic液晶，类似细火柴棒的Nematic液晶和类似胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器被称为了LCD(Liquid Crystal Display)。 1液晶显示器技术初步 (1)液晶显示器的分类 按应用范围分类。 就使用范围分，液晶显示器分为两种：第一种是笔记本电脑(Notebook)液晶显示器Notebook LCD，这是目前我国最为常见的液晶显示器产品，它与笔记本电脑的其他部分连为一体，以轻便和小巧给其使用者带来了很多方便。第二种是桌面计算机(Desk top)液晶显示器Desktop LCD，是CRT传统显示器的替代产品，目前在国内还比较罕见。 按物理结构分类。 常见的液晶显示器按物理结构分为四种：1扭曲向列型(TNTwisted Nematic)；2超扭曲向列型(STNSuperTN)；3双层超扭曲向列型(DSTNDual Scan Tortuosity Nomograph)；4薄膜晶体管型(TFTThin Film Transistor)。前三种类型在名称上只有细微的差别，说明它们的显示原理具有很多共性。不同之处是液晶分子的扭曲角度各异。其中，DSTN可以算是这三种类型的“杰出”代表。由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度仍比较差、可视角度较小、色彩也欠丰富，但它因结构简单、价格低廉，故还占有着一定市场。第四种TFT是现在最为常用的类型。TFT是指液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。TFT液晶显示器具有屏幕反应速度快，对比度好、亮度高，可视角度大，色彩丰富等特点，并克服了DSTN液晶显示器固有的一些弱点，比其他三种类型更具优势。确实可以算是当前液晶显示器的主流设备。 (2)液晶显示器的原理 液晶显示器的原理与CRT显示器大不相同，主要特色在于体积小、薄，重量轻，低辐射等。LCD是基于液晶电光效应的显示器件，包括段显示方式的字符段显示器件，矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件，矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性。在通电时导通，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得无序，从而阻止光线通过。 1TN液晶显示器的原理 TN液晶显示器是在一对平行放置的偏光板间填充了液晶。这一对偏光板的偏振光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多层。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。正是由于分子按这种方式排列，所以被称为向列型液晶。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90°。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。也正是因为液晶分子呈现的这种扭曲排列，而被称为扭曲向列型液晶显示器。一旦通过电极给液晶分子加电之后，由于受到外界电压的影响，分子不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。当液晶分子竖立时光线就无法通过，显示屏上出现黑色。其结果形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。2TFT型液晶显示器的原理新型的TFT液晶显示器的工作原理是建立在TN原理基础上的。两者的结构亦基本相同，亦采用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。但两者的工作原理还是有一定的差别。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式，即假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上。具体做法是在液晶的背部设置类似日光灯的光管。光源照射时先通过下偏光板向上透出，由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，它也是借助液晶分子来传导光线。在FET电极导通时，液晶分子的排列状态如TN液晶一样也会发生改变，也是通过遮光和透光来达到显示的目的。所不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示的最大不同之处，亦是TFT液晶的优越之处。 (3)技术参数技术参数是衡量显示器性能高低的重要标准，由于原理不同，液晶显示器的技术参数也大不一样。1尺寸显示器的尺寸是显示屏对角线的长度，其单位是英(1英寸=25.39厘米)。目前市面上液晶显示器的主要尺寸有13.3英寸和15英寸，价格主要决定于尺寸。2点距点距是指荧光屏中两个荧光点之间的距离，点距越小显示效果就越好，一般有点28(0.28mm)、点26和点25三种。细心的朋友会发现，显示器的尺寸和点距会影响分辨率，其实只要用解析度(就是显示屏的长度除以点距)便可计算出来。3可视角度所谓“可视角度”是指站在始于屏幕法线的某个位置仍可清晰看见荧幕图像所构成的最大角度。这是一个相当重要的指标。可视角愈大愈好。LCD的可视角度小是其缺点之一，它通常是左右对称，但上下就不一定对称了，而且，常常是上下角度小于左右角度。由于每个人的视力不同，多以对比度为准。在最大可视角时所量到的对比愈大愈好。一般而言，业界有CR10及CR5两种标准(CR Contrast Ratio即对比度)。其中CR10较为严格，配合左右上下视角与对比度来确定LCD的性能。4亮度TFT液晶显示器的可接受亮度为150cd/m2以上，目前国内能见到的TFT液晶显示器亮度基本在200cd/m2左右。液晶显示器的亮度略低，会显得发暗；而稍亮一些，就会好很多。5响应时间这亦是液晶显示器的弱项之一，但随着技术的发展而有所改善。响应时间是愈小愈好，所谓响应时间是液晶显示器各象素点对输入信号反应的速度，即pixel由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会有尾影拖拽的感觉。一般将反应速率分为两个部分：Rising和Falling；而表示时以两者之和为准。一般以20ms左右为佳。6显示色素几乎所有15英寸LCD都只能显示高彩(256K)，因此许多厂商使用了所谓的FRC(Frame Rate Control)技术以仿真的方式表现出全彩的画面。当然，此全彩画面还必须依赖显示卡的显存，并非是显示卡可支持16×106色全彩，就能使LCD显示出全彩。7分辨率TFT液晶显示器分辨率通常用一个水平方向的像素点数与垂直方向的像素点数的乘积来表示，例如：800×600、1024×768、1280×1024等，像素数越高，图像就越细腻越精美。8外观液晶显示器具有纤巧的机身，显示板的厚度通常在6.5cm至8cm之间，充满时代感的造型，配以黑色或者标准的纯白色，让人看起来就相当舒适。现在一些液晶显示器还可以挂在墙上，充分体现其轻便性。 2人类探索的脚印 显示器是一台电脑不可缺少的部分，在家用电脑市场上，我们接触最多的是CRT(阴极射线显像管)显示器，尽管CRT显示器历经发展，目前技术已经越来越成熟，显示质量也越来越好，大屏幕也逐渐成为主流，但CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展。例如，当屏幕加大后，显示器的体积必然要加大，功耗增加。这是由于CRT显示器显像管长度要与屏幕对角线长度相当，当把显示器做得很大时，必然会加大显示器的厚度，在使用时候就会受到空间的限制。另外，由于CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，随之产生的辐射与电磁波干扰便成为其最大的不足，长期使用对健康必然产生不良影响。于是，液晶显示器便粉墨登场了。 第一台成型的液晶显示媒体出现在1971年，这就是最初的TNLCD(扭曲向列)。尽管当时仅是单色的十分简单的显示工具，但仍在某些领域得到了推广应用。还记得我们的电子表、计算器、掌上游戏机等，它们都是采用了类似的技术。到了80年代初，这一技术开始应用到计算机产品上。1984年，欧美提出了STNLCD(超扭曲向列)，同时TFTLCD(薄膜式晶体管)技术也被提出，但仍不成熟。80年代末，日本掌握了STNLCD的大规模生产技术，LCD工业开始飞跃。1993年，日本又掌握了TFTLCD的大规模生产技术，液晶显示器开始向廉价、低成本的方向发展，随后DSTNLCD(双层超扭曲向列)诞生。另一方面向高端的薄膜式晶体管TFTLCD发展，1997年，日本建成了一大批以550mm×670mm为代表的大基板尺寸第三代TFTLCD生产线。 我国液晶显示技术研究始于1969年，基本上与世界同时起步。在1980年之后形成产业，大体上经历了四个发展阶段。第一阶段：1980年，电子部774厂、科学院713厂和上海电子管厂先后引进4英寸基片玻璃的LCD生产线，主要生产用于手表、计算器和一些仪表的液晶产品。目前这些生产线，或停产或早已改造。第二阶段：1985年至1990年，长沙770厂，深圳天马、深辉，石家庄电光电子，福建莆辉等引进7英寸生产线，目前大部分厂还在生产。第三阶段：1989年开始，引进12×14、14×14(16)英寸TNLCD生产线，如天马二期、康惠、信利一期，河源精电、深辉二期、晶蕾等，这些生产线产量大，设备比较先进，成品率高，效益比较好，是目前主要的TNLCD生产线。与此同时一批台、港、新加坡商人也纷纷在广东、福建设厂，其中较大的有挺国、怡宝、华泰、钢达、新光、辉开等，这些厂一般均以生产TN低档产品为主。第四阶段：1992年以后，我国开始引进14×14或12×14英寸STNLCD生产线，其中投资10001500万美元从美国引进的设备，只适于生产点阵TN屏和中小尺寸STN屏。投资3000万美元以上，引进日本成套设备的厂家有深圳天马、河北冀雅、汕尾信利。这些生产线自动化程度高，生产节拍快(23片/分)，厂房净化条件好，具备生产高档、大尺寸STNLCD的条件，但除无锡夏普外，由于技术不过关，难以大批量生产高档STNLCD产品。目前正在我国长春建设的TFTLCD生产线是我国第一条引进的日本DTI第一代TET生产线，同时，一些大企业集团相继宣布投巨资建TFTLCD生产线。这些生产线的建成将结束中国大陆没有TFTLCD生产线的历史，并推动我国LCD产业向更高层次的发展。 3最新液晶显示技术追踪 与自发光型显示器件相比，LCD的最大问题是视角。做为对策，先后提出了膜补偿方式、多畴垂直排列方式(MVA)和平面驱动方式(IPS)。膜补偿法对视角有一定的改善，但不够理想。富士通公司开发的MVA和日立公司开发的IPS均可达到左右上下160°以上的视角，并在1999年后期，先后推出商品。在国际信息显示学会会议SID99上，韩国现代公司发表的边缘电场驱动模式(fringefield switching)类似于IPS模式，但性能有重大改进，视角和光利用率都十分优异。最近，韩国三星公司开发了边缘电场与垂直排列结合的扩展视角技术。从这些技术进展来看，LCD的视角障碍即将成为历史。 在LCD的动态画面显示中，高速移动图像会出现“拖尾”、“重影”等现象，这是由于液晶的响应速度慢于一帧(当帧频为60Hz时，约16ms)造成的，由此形成的一帧结束时的残像在下一帧显现出来。目前TN型器件的最亮态和最暗态间的响应时间一般长于20ms，而中间灰度间驱动的响应时