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行業資訊

LCD液晶顯示屏的基本構造及成像原理

文章來源:本站人氣:712發表時間:2019-09-19

1888年,奧地利植物植物學家萊尼茨爾發現了液晶,它是一個奇怪的有機化合物,分別有兩個熔點,把它的固態晶體加熱到145℃時,便熔成液體,只不過是渾濁的,而一切純凈物質熔化時卻是透明的。如果繼續加熱到175℃時,它似乎再次熔化,變成清澈透明的液體。后來,德國物理學家萊曼使用他親自設計,在當時作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對這些脂類化合物進行了觀察。他發現,這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體,但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性。于是萊曼將其命名為“液態晶體”,這就是“液晶”名稱的由來。萊尼澤和雷曼后來被譽為液晶之父。液晶自被發現后,人們并不知道它有何用途,直到1968年人們才把它作為電子工業上的的材料。

1968年第一塊液晶顯示器誕生后,LCD的技術發展經歷了5個階段: 

第一階段(1968—1972)

1968年美國RCA公司研制了動態散射形液晶顯示器,1972年執制造出動態散射形液晶手表,LCD技術從此走向實用化階段。 

第二階段(1971-1984)

1971年瑞士發明人扭曲向列型(TN)液晶顯示器,日本廠家使其產業化,由于TN-LCD制造成本低,成為20世紀七八十年代液晶產品的主流。

第三階段(1985-1990)

1985年后,由于超扭曲(STN)液晶顯示器的發展及非晶體硅薄膜晶體管液晶顯示技術的發明,使LCD技術發展進入了人大容量顯示的階段。

第四階段(1990-1995)

在有源矩陣液晶顯示器飛速發展的基礎上,LCD技術開始進入高畫質液晶顯示階段。

第五階段(1996年后)

LCD已在筆記本電腦中普及應用。從1998年開始,TFT—LCD產品打入監視器市場,長期困擾液晶的三大難題視角、色飽和度和亮度問題已你基本解決。

液晶及其分類

機械上具有液體的流動性,在光學上具有晶體性質的物質形態被命名為流動晶體——液晶。

液晶分為兩大類:溶致液晶和熱致液晶;作為顯示技術應用的液晶都是熱致液晶。

低于溫度T1,就變成固體(晶體),稱T1為液晶的熔點,高于溫度T2就變成清澈透明各向同性的液態,稱T2為液晶的清亮點。LCD能工作的極限溫度范圍基本上由T1和T2確定。

近晶相液晶分子呈二維有序性,分子排列成層,層內分子長軸相互平行,排列整齊,重心位于同一平面內,其方向可以垂直層面,或與層面成傾斜排列,層的厚度等于分子的長度,各層之間的距離可以變動,分子只能在層內做前后、左右滑動,但不能在上下層之間移動。近晶相液晶的粘度與表面張力都比較大,對外界電、磁、溫度等的變化不敏感。

向列相液晶分子只有一維有序,分子長軸互相平行,但不排列成層,它能上下、左右、前后滑動,只在分子長軸方向上保持相互平行或近于平行,分子間短程相互作用微弱,向列相液晶分子的排列和運動比較自由,對外界電、磁場、溫度、應力都比較敏感,目前是顯示器件的主要材料。

膽甾相液晶是由膽甾醇衍生出來的液晶,分子排列成層,層內分子相互平行,分子長軸平行于層平面,不同層的分子的分子長軸方向稍有變化,相鄰兩層分子,其長軸彼此有一輕微的扭角(約為15分),多層扭轉成螺旋形,旋轉360o的層間距離稱螺距,螺距大致與可見光波長相當。膽甾相實際上是向列相的一種畸變狀態,因為膽甾相層內的分子長軸也是彼此平行取向,僅僅是從這一層到另一層時均一擇優取向旋轉一個固定角度,層層疊起來,就形成螺旋排列的結構,所以在膽甾相中加消旋向列相液晶或將適當比例的左旋、右旋膽甾相混合,可將膽甾相轉變為向列相。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉變為向列相液晶。膽甾相易受外力的影響,特別對溫度敏感,溫度能引起螺距改變,而它的反射光波長與螺距有關,因此,膽甾相液晶隨冷熱而改變顏色。

LCD液晶顯示屏的基本構造及成像原理

1、背光板:LCD的顯像原理是靠液晶阻擋光線的分量達到控制明暗,所以必須要有光源才可能在屏幕上看到圖像,所以背光板負責為液晶屏顯像提供最基本的光源。

2、下偏光板:背光板送出來的光線方向性不一致,呈放射狀,如果這樣的光線通過液晶分子的扭轉,我們在屏幕上還是看不到正常的圖像,看到的可能是白茫茫的一片,或者是花花綠綠的色塊,而不會是我們想看到的圖像。下面的偏光板承擔了將光線的方向規范成一致后再送往液晶層的工作。

3、薄膜基板:液晶分子的扭轉角度是由TFT控制。

4、液晶:這層液晶分子在TFT控制下發生扭轉,達到將方向一致的光線通亮進行控制,從而在通往后面像素單元的光線明暗度發生了改變。

5、彩色濾光片:如果你有幸關于20世紀80年代記憶的話,相信你會記得當時的黑白電視屏幕前經常會有一片彩色的塑料片片,安裝上了這片塑料片后,黑白電視機似乎變成了彩色電視機,我們可以看到某些時候人的臉蛋變粉紅了、嘴唇變紅了、其他的景物都有了顏色,雖然有時候顏色并不符合實際。其實這片塑料片就是彩色濾色片。

液晶本身沒有顏色,所以用濾色片產生各種顏色,液晶屏中每個液晶子像素顯示的顏色取決于色彩過濾器,而不是子像素, 背光源發出的是白色的光線,白色光線經過各種顏色的濾色片后,我們在濾色片后面可以看到與濾色片對應顏色的光線被傳出,所以在液晶顯示屏中,彩色濾色片的功能是上色,與CRT顯示器的熒光粉功能對應。液晶子像素只能通過控制光線的通過強度來調節灰階,只有少數主動矩陣顯示采用模擬信號控制,大多數則采用數字信號控制技術。大部分數字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器(也有的數字控制采用10位控制器),可以產生 256 級灰階。每個子像素能夠表現 256 級,那么你就能夠得到 256×3種色彩,每個像素能夠表現 16,777,216 種成色,也就是我們常見的所謂1677.7216萬色。因為人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 位的色度已經能完全達到理想要求。工程師們通過脈沖電壓調節的方法以使色彩變化看起來更加統一。

6、上偏光板:原本方向一致光線經過了液晶層的扭轉后又變得方向不一致,所以如果不把呈漫射狀的光線再次規整,則在屏幕前看到的依然是白茫茫一片,被液晶扭轉過了的光線并沒有體現出來,所以必須在此將漫射光進行規整,使用一片與下偏光片偏光方向正交偏光片將經過液晶扭轉的光心重新進行偏轉,不同角度的光線經過上偏光板的亮度不同,所以我們可以在屏幕上可以看到明暗交替畫面,因為被偏轉的光線是經過了彩色濾色片的彩色光,所以我們在屏幕前可以看到我們需要的圖像。

無上偏光板

有上偏光板與無上偏光板效果對比

加上偏光板的完整畫面

LCD的彩色成像原理與CRT一樣,還是通過紅、綠、藍三基色組成各種顏色。不同的是CRT通過高速電子束擊打三基色熒光粉產生彩色光,LCD通過規律涂有三基色的濾色片后產生彩色。通過控制濾色片每個基色下的液晶分子是透過液晶分子的光線亮度發生變化,從而達到有不同亮度的基色模擬自然界的各種色彩。由于濾色片在上偏光板的下面,所以造成了LCD屏看成像有視角要求,不過這個問題現在已經解決的相當的好了。

我們知道彩色濾色片的基色排列有不一樣。根據彩色濾色片基色的位置不一樣,其下面對應液晶分子單元控制順序必須作相應的更改,否則顯示出來的圖像只能是花屏。

上圖中的三種彩色濾色片基色排列中條形排列是最為簡單的,因為基色排列簡單成縱橫線,所以控制起來相對簡單,但是這種排列順序的排列得到的圖象并不完美,它可能出現顯示的線條粗細不均勻,而且圖像斜線面的鋸齒現象嚴重。所以發展了馬賽克排列狀的綠色片,這種排列可以比較好地解決圖像鋸齒問題,但是這種排列順序依然無法解決線條的精細顯示問題,這種排列得到的圖象線條可能有時正常,但是有時候卻會粗細不一,所以戴爾形排列得彩色濾光片產生了,這種排列可以很好地解決鋸齒、線條粗細均勻的問題,但是這種排列的液晶分子控制是最復雜的。

液晶顯示的主要工作模式

由液晶顯示基本原理而派生出多種工作模式,主要有:TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。目前,扭曲向列型液晶(TN)即將淘汰,超扭曲向列型(STN)和有源矩陣(TFT)已成熟普及。

扭曲向列(TN)液晶顯示器

扭曲向列(TN 是英文Twisted Nematic的字頭縮寫)液晶是帶有90o扭曲的向列液晶。扭曲向列液晶顯示器是在上世紀七十年代出現的,它除了具備液晶顯示所需的基本特點外,還具有對比度高、制作技術簡單、成本低等特點。目前在便攜式計算器、鐘表、儀器儀表中大量使用的多是這種類型的液晶顯示器。目前國內液晶顯示器廠家生產的也多是這類產品。

扭曲向列(TN)液晶顯示器是由兩塊ITO玻璃板之間夾著扭曲向列(TN)液晶材料形成的,液晶的厚度一般為5μm,其具體厚度與液晶材料的雙折射率有關,在上下ITO玻璃基板上面涂一層取向層,利用液晶分子與取向層表面的相互作用力,利用液晶分子與表面摩擦定向方向平行排列并帶有2—3o的傾斜角如圖所示。上下基片摩擦定向方向成90o,使液晶分子扭曲成90o,同時液晶中摻入少量手性劑材料,起到決定液晶分子扭曲方向的作用。在上下玻璃基片的外側貼有偏振片,偏振片的光軸與玻璃基片的摩擦方向一致,從而在液晶顯示屏上得到常白的顯示。當入射光偏振面隨液晶分子轉動90o,使偏振光通過偏振片,即得到亮態。當施加電壓時正性液晶分子隨電場方向排列,線偏振光偏振面不變,偏振光不能通過出射光一側的偏振片得到暗態,所以液晶顯示器就是一個電控制的光閥。但由于扭曲向列(TN)液晶顯示器目前在參數最佳化的條件下,它實際上最大的掃描行數只能達到32,信息容量很小,而且由于它只能做成黑白、單色、低對比度(20:1)的液晶顯示器,視角只有30o,比較狹窄,面板尺寸最大只有三寸,所以在很大程度上限制了他的應用范圍。目前只能用在電子表、計算器、簡單的掌上游戲機上。

薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器

薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器是在扭曲向列(TN)液晶顯示器中引入薄膜晶體管開關而形成的有源矩陣顯示,從而克服無源矩陣顯示中交叉干擾、信息量少、寫入速度慢等缺點,大大改善了顯示品質,使它可應用到計算機高分辨率全色顯示等領域。目前采用的薄膜晶體管(TFT)是建立在非晶硅薄膜晶體管(α-Si TFTAM-LCD)結構基礎上的。

在下層玻璃基板上建有TFT陣列,每個像素的ITO電極與TFT漏電極聯結,柵極與掃描總線連結,原源電源與信號總線連結。施加掃描信號電壓時,原源電極導通使信號電壓施加到存儲電容器上并充電,在幀頻內存儲電容器的信號電壓施加到液晶像素上,使之處于選通態。再一次尋址時,由信號電壓大小來充電或放電。這樣各像素之間被薄膜晶體管開關元件隔離,既防止了交叉干擾又保證了液晶響應速度滿足于幀頻速度,同時以存儲信息大小來得到灰度級,目前灰度已可達到256級,可得到1670萬種顏色,幾乎可獲得全色顯示。從上世紀90年代形成產業以來,薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器的生產線已由第一代發展到了第六代,沒換代一次基板玻璃的面積都大幅增加,而且產量不斷提高、成本不斷降低。如第七代薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器生產線的玻璃基板尺寸將達到1870*2200mm,目前可制成的液晶電視屏94cm(37inch),筆記本電腦屏幕的最大尺寸為38.1cm(15inch),監視器屏幕最大尺寸達63.5cm(25inch)。薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器的另一種發展趨勢是薄型化、輕量化、低功耗化?;谛滦筒牧系拈_發、制造工藝技術的革新、設備精度和自動化程度的提高及軟件技術的進步,使得薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器產品的更新換代的速度非???。

LCD背光源的結構及其原理

背光源的分類及燈管(Lamp)的構造

Backlight (以下稱為B/L)按Lamp(燈管)的排列方式分Direct Light Type和Side Light Type. Side Light Type需要起將自側面的Lamp上出射的光向B/L正面出光作用的導光板,但Direct Light Type是自Lamp出射的光直接向B/L正面出光,因此不需要導光板。

TFT-LCD B/L光源使用的燈管是陰極熒光燈(Cathode Fluorescent Lamp),自外部供應一定的電壓,在陰極上放出電子, 掃描熒光體而作出可視光線的光源。CFL的構造大體由玻璃板、電極、密封氣體(Hg,Ar,Ne)、熒光體構成。CFL是將自密封的水銀發生的紫外線掃描在玻璃管內壁涂的熒光體而發生可視光。為使少量的水銀易啟動,并為抑制陰極物質的蒸發,在玻璃管內密封氬. CFL的種類按放出電子的機構有CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)和 HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp)兩種。

1、Lamp:是自Inverter(反向交流器)接收高電壓而發生可視光線的光源。主要使用CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp),還有HCFL(Hot Cathode Fluorescent

Lamp)。

2、Lamp housing:反射自Lamp出光的光源, 入射到導光板上。使用黃銅、鋁以及黃銅上附合Ag等材料的薄膜反射

3、Light guide Panel (導光板):主要使用丙烯(PMMA)以Injection Molding或Casting的方法而制作的,導光入射的光源,并且具有均勻分布光源的作用。

4、Reflector:主要是聚醚(PET)器材上為減少導光板入射的光源損失,具有反射功能。

5、Diffuser Down (擴散Sheet):主要是聚醚(PET)器材上以丙烯類樹脂形成球形的形狀,均勻擴散自導光板出光的光源,同時起集光的作用。

6、Bottom Prism:主要是聚醚(PET)器材上以丙烯類樹脂起規則地形成棱柱形狀而集光的作用,輝度增加率為user表面的1.55倍。

7、Top Prism:具有與Bottom Prism同樣的功能,以Bottom Prism表面的1.33倍增加輝度.

Prism以相互十字交叉布置,收集X軸和Y軸方向的光源。

8、Diffuser Up (Protector Film):具有與Diffuser Down同樣的構造,以保護Prism的作用為主要目的,亦稱為保護膜。要使用透過性的Diffuser,由此,多少帶來Top Prism集光的光源損失,但為減少Prism特性的不良而使用。

液晶顯示技術的前景

近年來, OLED,DMD,FED等多種非液晶的平板顯示都已經陸續成熟上市,它們針對液晶顯示的某些不足,如亮度低,不易大屏幕化等缺陷,來勢洶洶發起了對液晶顯示的挑戰。如最近,有人即聲稱OLED將會取代液晶顯示。 

事實上,由于各種顯示各有不同的優缺點和各自特性,一般不可能互相取代,但是,利用本身的某一特長部分取代或沖擊另一類顯示器件是完全現實的。液晶顯示不得不面對這一挑戰和競爭。這一挑戰和競爭既是對液晶顯示產業的威脅,又是液晶顯示產業的發展動力。

今后,液晶顯示在應對其他各類顯示器件挑戰中將針對自身的不足在以下幾大方面力爭作出重大突破:

1、通過發展反射式顯示和改進背光源,提高開口率,以及增加偏光片透過率等多種方式提高顯示亮度和對比度。 

2、改進材料、器件結構、工藝,提高液晶顯示的響應速度。同時,還將努力開發一些快速響應的新型液晶顯示模式,從而使液晶顯示能更理想的滿足視頻顯示的要求。 

3、工作溫度范圍窄是液晶材料決定的一大缺陷,所以它的克服只有從液晶材料入手。目前已經開發出了可以在零下50度致零上90度工作的液晶材料。此外輔助加溫系統的開發也將保證液晶示的工作溫度范圍會大大加寬 

4、為了實現大屏幕顯示,液晶顯示開拓了一條全新的途徑——投影顯示。在原有透射式非晶硅TFT投影顯示的基礎上,近年已經向多晶硅TFT投影顯示過渡,多晶硅雖然可以提高開口率10%~15%以上,使顯示亮度,清晰度大大提高,但還不理想,為了與PDP等大屏顯示競爭,近年液晶顯示又開發了一種“硅上液晶”LCOS。將大規模集成電路作基板,與液晶集合制成反射式的微型液晶顯示器。通過外光源的反射式投影實現50寸~100寸以上的大屏顯示。

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