TFTLCD液晶显示器的工作原理.docx

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TFTLCD液晶显示器的工作原理

TFTLCD液晶显示器的工作原理

 2004-8-19

本文谢崇凯     图片制作：

FPDisplay

    我一直记得, 起初刚开始从事有关液晶显示器相关的工作时, 常常遇到的困扰, 确实是不明白如何跟人家说明, 液晶显示器是什么?

 只好随着不同的应用环境, 来说明给人家听. 在最早的时候是告诉人家, 确实是掌上型电动玩具上所用的显示屏, 随着笔记型运算机开始普及, 就能够告诉人家说, 确实是使用在笔记型运算机上的显示器. 随着手机的流行, 又能够告诉人家说, 是使用在手机上的显示板. 时至今日, 液晶显示器, 关于一样普罗大众, 差不多不再是生涩的名词. 而它更是继半导体后 另一种能够再制造大量营业额的新兴科技产品, 更由于其轻薄的特性, 因此它的应用范畴比起原先使用阴极射线管（CRT, cathode-ray tube）所作成的显示器更多更广. 

    如同我前面所提到的, 液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器. 而今日对液晶显示器那个名称, 大多是指使用于笔记型运算机, 或是桌上型运算机应用方面的显示器. 也确实是薄膜晶体管液晶显示器. 其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display, 简称之TFT LCD. 从它的英文名称中我们能够明白, 这一种显示器它的构成要紧有两个特点, 一个是薄膜晶体管, 另一个确实是液晶本身. 我们先谈谈液晶本身. 

液晶（LC, liquid crystal）的分类 

    我们一样都认为物质像水一样都有三态, 分别是固态液态跟气态. 事实上物质的三态是针对水而言, 关于不同的物质, 可能有其它不同的状态存在. 以我们要谈到的液晶态而言, 它是介于固体跟液体之间的一种状态, 事实上这种状态仅是材料的一种相变化的过程（请见图1）, 只要材料具有上述的过程, 即在固态及液态间有此一状态存在, 物理学家便称之为液态晶体.  

    这种液态晶体的首次发觉, 距今差不多度过一百多个年头了. 在公元1888年, 被奥地利的植物学家Friedrich Reinitzer所发觉, 其在观看从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇（cholesteryl benzoate） 的融解行为时发觉, 此化合物加热至145.5度℃时, 固体会熔化,出现一种介于固相和液相间之半熔融流淌白浊状液体. 这种状况会一直坚持温度升高到178.5度℃, 才形成清亮的等方性液态（isotropic liquid）. 隔年, 在1889年, 研究相转移及热力学平稳的德国物理学家O.Lehmann, 对此化合物作更详细的分析. 他在偏光显微镜下发觉, 此黏稠之半流淌性白浊液体化合物,具有异方性结晶所特有的双折射率（birefringence）之光学性质, 即光学异相性（optical anisotropic）. 故将这种似晶体的液体命名为液晶. 此后, 科学家将此一新发觉的性质, 称为物质的第四态-液晶（liquid crystal）. 它在某一特定温度的范畴内, 会具有同时液体及固体的特性. 

一样以水而言, 固体中的晶格因为加热, 开始吸热而破坏晶格, 当温度超过熔点时便会溶解变成液体. 而热致型液晶那么不一样（请见图2）, 当其固态受热后, 并可不能直截了当变成液态, 会先溶解形成液晶态. 当您连续加热时, 才会再溶解成液态（等方性液态）. 这确实是所谓二次溶解的现象. 而液晶态顾名思义, 它会有固态的晶格, 及液态的流淌性. 当液态晶体刚发觉时, 因为种类专门多, 因此不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光显微镜所观看到的结果, 将液晶大致分为Nematic Smectic及Cholesteric三类. 然而假如是依分子排列的有序性来分（请见图3）, 那么能够分成以下四类:

   1.层状液晶（Sematic） :

    其结构是由液晶棒状分子集合一起, 形成一层一层的结构. 其每一层的分子的长轴方向相互平行. 且此长轴的方向关于每一层平面是垂直或有一倾斜角. 由于其结构专门近似于晶体, 因此又称做近晶相. 其秩序参数S（order parameter）趋近于1. 在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂 ,因此层与层间较易滑动. 然而每一层内的分子键结较强, 因此不易被打断. 因此就单层来看, 其排列不仅有序且黏性较大. 假如我们利用巨观的现象来描述液晶的物理特性的话, 我们能够把一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢（director）, 这确实是这一群区域性的液晶分子平均方向. 而以层状液晶来说, 由于其液晶分子会形成层状的结构, 因此又可就其指向矢的不同再分类出不同的层状液晶. 当其液晶分子的长轴差不多上垂直站立的话, 就称之为"Sematic A phase". 假如液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜（tilt）角度,就称之为"Sematic C phase". 以A,C等字母来命名, 这是依照发觉的先后顺序来称呼, 依此类推, 应该会存在有一个"Sematic B phase"才是. 只是后来发觉B phase事实上是C phase的一种变形而已, 缘故是C phase假如带chiral的结构确实是B phase. 也确实是说Chiral sematic C phase确实是Sematic B phase（请见图4）. 而其结构中的一层一层液晶分子, 除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外, 一层一层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构.   

    2.线状液晶（Nematic） :

     Nematic那个字是希腊字, 代表的意思与英文的thread是一样的. 要紧是因为用肉眼观看这种液晶时, 看起来会有像丝线一样的图样. 这种液晶分子在空间上具有一维的规那么性排列, 所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向（也确实是指向矢）作为主轴并相互平行排列. 而且不像层状液晶一样具有分层结构. 与层列型液晶比较其排列比较无秩序, 也确实是其秩序参数S较层状型液晶较小. 另外其黏度较小, 因此较易流淌（它的流淌性要紧来自关于分子长轴方向较易自由运动）。

线状液晶确实是现在的TFT液晶显示器常用的TN（Twisted nematic）型液晶. 

    3.胆固醇液晶（cholesteric） :

    那个名字的来源,是因为它们大部份是由胆固醇的衍生物所生成的. 但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相. 这种液晶如图5所示, 假如把它的一层一层分开来看, 会专门像线状液晶. 然而在Z轴方一直看, 会发觉它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布, 而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch. 正因为它每一层跟线状液晶专门像,因此也叫做Chiral nematic phase. 以胆固醇液晶而言, 与指向矢的垂直方向分布的液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就会有不同的光学或是电学的差异, 也因此造就了不同的特性.  

    4.碟状液晶（disk） :

    也称为柱状液晶, 以一个个的液晶来说, 它是长的像碟状（disk）, 然而其排列就像是柱状（discoid）.  

    假如我们是依分子量的高低来分的话那么能够分成高分子液晶（polymer liquid crystal, 聚合许多液晶分子而成）与低分子液晶两种. 就此种分类来说 TFT液晶显示器是属于低分子液晶的应用. 倘假设就液晶态的形成缘故, 那么能够分成因为温度形成液晶态的热致型液晶（thermotropic）,与因为浓度而形成液晶态的溶致型液晶（lyotropic）. 以之前所提过的分类来说, 层状液晶与线状液晶一样多为热致型的液晶, 是随着温度变化而形成液晶态. 而关于溶致型的液晶, 需要考虑分子溶于溶剂中的情形. 当浓度专门低时, 分子便杂乱的分布于溶剂中而形成等方性的溶液, 只是当浓度升高大于某一临界浓度时, 由于分子已没有足够的空间来形成杂乱的分布, 部份分子开始集合形成较规那么的排列, 以减少空间的阻碍. 因此形成异方性（anisotropic）之溶液. 因此溶致型液晶的产生确实是液晶分子在适当溶剂中 达到某一临界浓度时,便会形成液晶态. 溶致型的液晶有一个最好的例子,确实是肥皂. 当肥皂泡在水中并可不能赶忙便成液态, 而其在水中泡久了之后, 所形成的乳白状物质, 确实是它的液晶态. 

液晶的光电特性

    由于液晶分子的结构为异方性 （Anisotropic），因此所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，简单的说也确实是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们能够利用这些性质来改变入射光的强度, 以便形成灰阶, 来应用于显示器组件上. 以下我们要讨论的, 是液晶属于光学跟电学相关的特性, 大约有以下几项:

1.介电系数ε（dielectric permittivity） :

    我们能够将介电系数分开成两个方向的重量, 分别是ε// （与指向矢平行的重量）与ε⊥（与指向矢垂直的重量）. 当ε// >ε⊥ 便称之为介电系数异方性为正型的液晶, 能够用在平行配位. 而ε// <ε⊥ 那么称之为介电系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透与否。

现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性Δε（=ε//-ε⊥）越大的时候, 那么液晶的临界电压（threshold voltage）就会越小. 如此一来液晶便能够在较低的电压操作.  

2.折射系数（refractive index） :

     由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，因此液晶分子也被称做是异方性晶体。

与介电系数一样, 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向, 分成两个方向的向量. 分别为n // 与n⊥.  

    此外对单光轴（uniaxial）的晶体来说, 原本就有两个不同折射系数的定义. 一个为no ,它是指关于ordinary ray的折射系数, 因此才简写成no .而ordinary ray是指其光波的电场重量是垂直于光轴的称之. 另一个那么是ne ,它是指关于extraordinary ray的折射系数, 而extraordinary ray是指其光波的电场重量是平行于光轴的. 同时也定义了双折射率（birefrigence）Δn = ne-no为上述的两个折射率的差值.  

    依照上面所述, 对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状, 因此其指向矢的方向与分子长轴平行. 再参照单光轴晶体的折射系数定义, 它会有两个折射率，分别为垂直于液晶长轴方向n⊥（=ne）及平行液晶长轴方向n //（= no）两种，因此当光入射液晶时，便会受到两个折射率的阻碍，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。

     假设光的行进方向与分子长轴平行时的速度, 小于垂直于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率（因为折射率与光速成反比），也确实是ne-no > 0 .因此双折射率Δn > 0 ,我们把它称做是光学正型的液晶, 而层状液晶与线状液晶几乎差不多上属于光学正型的液晶. 倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折射率,因此双折射率Δn < 0.我们称它做是光学负型的液晶. 而胆固醇液晶多为光学负型的液晶. 

3.其它特性 :

    关于液晶的光电特性来说, 除了上述的两个重要特性之外, 还有许多不同的特性. 比如说像弹性常数（elastic constant :

κ11 , κ22 , κ33 ）, 它包含了三个要紧的常数, 分别是, κ11 指的是斜展（splay）的弹性常数, κ22 指的是扭曲（twist）的弹性常数, κ33 指的是弯曲（bend）的弹性常数. 另外像黏性系数（viscosity coefficients ,η ）, 那么会阻碍液晶分子的转动速度与反应时刻（response time）, 其值越小越好. 然而此特性受温度的阻碍最大. 另外还有磁化率（magnetic susceptibility）, 也因为液晶的异方性关系, 分成c // 与c⊥ .而磁化率异方性那么定义成Δc = c // -c⊥ . 此外还有电导系数（conductivity）等等光电特性. 

    液晶特性中 最重要的确实是液晶的介电系数与折射系数. 介电系数是液晶受电场的阻碍决定液晶分子转向的特性, 而折射系数那么是光线穿透液晶时阻碍光线行进路线的重要参数. 而液晶显示器确实是利用液晶本身的这些特性, 适当的利用电压, 来操纵液晶分子的转动, 进而阻碍光线的行进方向, 来形成不同的灰阶, 作为显示影像的工具. 因此啦, 单靠液晶本身是无法当作显示器的, 还需要其它的材料来帮忙, 以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.

偏光板（polarizer） 

    我记得在高中时的物理课, 当教到跟光有关的物理特性时, 做了好多的物理实验, 目的是为了要证明光也是一种波动. 而光波的行进方向, 是与电场及磁场互相垂直的. 同时刻波本身的电场与磁场重量, 彼此也是互相垂直的. 也确实是说行进方向与电场及磁场重量, 彼此是两两互相平行的.（请见图7） 而偏光板的作用就像是栅栏一样, 会阻隔掉与栅栏垂直的重量, 只准许与栅栏平行的重量通过. 因此假如我们拿起一片偏光板对着光源看, 会感受像是戴了太阳眼镜一样, 光线变得较暗. 然而假如把两片偏光板迭在一起, 那就不一样了. 当您旋转两片的偏光板的相对角度, 会发觉随着相对角度的不同, 光线的亮度会越来越暗. 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时, 光线就完全无法通过了.（请见图8） 而液晶显示器确实是利用那个特性来完成的. 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间, 充满液晶, 再利用电场操纵液晶转动, 来改变光的行进方向, 如此一来, 不同的电场大小, 就会形成不同灰阶亮度了.（请见图9）

上下两层玻璃与配向膜（alignment film） 

    这上下两层玻璃要紧是来夹住液晶用的. 在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管（Thin film transistor, TFT）, 而上面的那层玻璃那么贴有彩色滤光片（Color filter）. 假如您注意到的话（请见图3）, 这两片玻璃在接触液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有锯齿状的沟槽. 那个沟槽的要紧目的是期望长棒状的液晶分子, 会沿着沟槽排列. 如此一来, 液晶分子的排列才会整齐. 因为假如是光滑的平面, 液晶分子的排列便会不整齐, 造成光线的散射, 形成漏光的现象. 事实上这只是理论的说明, 告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面, 做好处理, 以便让液晶的排列有一定的顺序. 但在实际的制造过程中, 并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布, 一样会在玻璃的表面上涂布一层PI（polyimide）, 然后再用布去做磨擦（rubbing）的动作, 好让PI的表面分子不再是杂散分布, 会依照固定而均一的方向排列. 而这一层PI就叫做配向膜, 它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样, 提供液晶分子呈平均排列的接口条件, 让液晶依照预定的顺序排列.

TN（Twisted Nematic） LCD 

    从图10中我们能够明白, 当上下两块玻璃之间没有施加电压时, 液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定. 关于TN型的液晶来说, 上下的配向膜的角度差恰为90度.（请见图9） 因此液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度, 当入射的光线通过上面的偏光板时, 会只剩下单方向极化的光波. 通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 因此当光波到达下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度. 而下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度.（请见图9） 因此光线便能够顺利的通过, 然而假如我们对上下两块玻璃之间施加电压时, 由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶（ε// >ε⊥ ,代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大, 因此当液晶分子受电场阻碍时, 其排列方向会倾向平行于电场方向.）, 因此我们从图10中便能够看到, 液晶分子的排列都变成站立着的. 现在通过上层偏光板的单方向的极化光波, 通过液晶分子时便可不能改变极化方向, 因此就无法通过下层偏光板. 

Normally white及normally black 

     所谓的NW（Normally white）,是指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是透光的画面, 也确实是亮的画面, 因此才叫做normally white. 而反过来, 当我们对液晶面板不施加电压时, 假如面板无法透光, 看起来是黑色的话, 就称之为NB（Normally black）. 我们刚才所提到的图9及图10差不多上属于NW的配置, 另外从图11我们能够明白, 对TN型的LCD而言, 位于上下玻璃的配向膜差不多上互相垂直的, 而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已. 对NB来说, 其上下偏光板的极性是互相平行的. 因此当NB不施加电压时, 光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光. 什么缘故会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢?

 要紧是为了不同的应用环境. 一样应用于桌上型运算机或是笔记型运算机, 大多为NW的配置. 那是因为, 假如你注意到一样运算机软件的使用环境, 你会发觉整个屏幕大多是亮点, 也确实是说运算机软件多为白底黑字的应用. 既然亮着的点占大多数, 使用NW因此比较方便. 也因为NW的亮点不需要加电压, 平均起来也会比较省电. 反过来说 NB的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了.

STN（Super Twisted Nematic）型LCD 

    STN LCD与TN型LCD在结构上是专门相似的, 其要紧的差别在于 TN型的LCD,其液晶分子的排列, 由上到下旋转的角度总共为90度. 而STN型LCD的液晶分子排列, 其旋转的角度会大于180度, 一样为270度.（请见图12） 正因为其旋转的角度不一样, 其特性也就跟着不一样. 我们从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线能够明白, 当电压比较低时, 光线的穿透率专门高. 电压专门高时, 光线的穿透率专门低. 因此它们是属于Normal White的偏光板配置. 而电压在中间位置的时候, TN型LCD的变化曲线比较平缓, 而STN型LCD的变化曲线那么较为陡峭. 因此在TN型的LCD中, 当穿透率由90%变化到10%时, 相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大. 我们前面曾提到, 在液晶显示器中, 是利用电压来操纵灰阶的变化. 而在此TN与STN的不同特性, 便造成TN型的LCD,先天上它的灰阶变化就比STN型的LCD来的多. 因此一样TN型的LCD多为6~8 bits的变化, 也确实是64~256个灰阶的变化. 而STN型的LCD最多为4 bits的变化 也就只有16阶的灰阶变化. 除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地点确实是反应时刻（response time） 一样STN型的LCD其反应时刻多在100ms以上 而TN型的LCD其反应时刻多为30~50ms 当所显示的影像变动快速时 对STN型的LCD而言 就容易会有残影的现象发生

TFT LCD（Thin film transistor liquid crystal display）

   TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器, 我们从一开始就提到 液晶显示器需要电压操纵来产生灰阶. 而利用薄膜晶体管来产生电压,以操纵液晶转向的显示器, 就叫做TFT LCD. 从图8的切面结构图来看, 在上下两层玻璃间, 夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 我们称之为CLC（capacitor of liquid crystal）. 它的大小约为0.1pF, 然而实际应用上, 那个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也确实是说当TFT对那个电容充好电时, 它并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候.（以一样60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时刻.） 如此一来, 电压有了变化, 所显示的灰阶就会不正确. 因此一样在面板的设计上, 会再加一个储存电容CS（storage capacitor 大约为0.5pF）, 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候. 只是正确的来说, 长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关. 它要紧的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到那个点来. 至于那个点要充到多高的电压, 以便显示出如何样的灰阶. 差不多上由别处的LCD source driver来决定的.

彩色滤光片（color filter, CF）

   假如你有机会, 拿着放大镜, 靠近液晶显示器的话. 你会发觉如图9中所显示的模样. 我们明白红色, 蓝色以及绿色, 是所谓的三原色. 也确实是说利用这三种颜色, 便能够混合出各种不同的颜色. 专门多平面显示器确实是利用那个原理来显示杰出彩. 我们把RGB三种颜色, 分成独立的三个点, 各自拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点, 当作一个显示的差不多单位, 也确实是pixel. 那这一个pixel,就能够拥有不同的色彩变化了. 然后关于一个需要辨论率为1024*768的显示画面, 我们只要让那个平面显示器的组成有1024*768个pixel, 便能够正确的显示这一个画面. 在图9中,每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我们回过头来看图8就能够发觉, black matrix要紧是用来遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走线, 或是Cr/Al的走线, 或者是TFT的部分. 这也确实是什么缘故我们在图9中, 每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩形, 在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分, 这一块黑色缺角的部份确实是TFT的所在位置. 

   图10是常见的彩色滤光片的排列方式. 条状排列（stripe）最常使用于OA的产品, 也确实是我们常见的笔记型运算机,或是桌上型运算机等等. 什么缘故这种应用要用条状排列的方式呢?

 缘故是现在的软件, 多半差不多上窗口化的接口. 也确实是说, 我们所看到的屏幕内容,确实是一大堆大小不等的方框所组成的. 而条状排列,恰好能够使这些方框边缘, 看起来更笔直, 而可不能有一条直线, 看起来会有毛边或是锯齿状的感受. 然而假如是应用在AV产品上, 就不一样了. 因为电视信号多半是人物, 人物的线条不是笔直的, 其轮廓大部分是不规那么的曲线. 因此一开始, 使用于AV产品差不多上使用马赛克排列（mosaic,或是称为对角形排列）. 只是最近的AV产品, 多已改进到使用三角形排列（triangle,或是称为delta排列）. 除了上述的排列方式之外, 还有一种排列, 叫做正方形排列. 它跟前面几个不一样的地点在于,