深度解读TFT-LCD液晶显示技术

深度解读TFT-LCD液晶显示技术

2021-11-15 10:55:24 0

1888年,奥地利植物植物学家莱尼茨尔发现了液晶,它是一个奇怪的有机化合物,分别有两个熔点,把它的固态晶体加热到145℃时,便熔成液体,只不过是浑浊的,而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时,它似乎再次熔化,变成清澈透明的液体。后来,德国物理学家莱曼使用他亲自设计,在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现,这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体,但却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。莱尼泽和雷曼后来被誉为液晶之父。液晶自被发现后,人们并不知道它有何用途,直到1968年人们才把它作为电子工业上的的材料。

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1968年第一块液晶显示器诞生后,LCD的技术发展经历了5个阶段: 


第一阶段(1968—1972)

1968年美国RCA公司研制了动态散射形液晶显示器,1972年执制造出动态散射形液晶手表,LCD技术从此走向实用化阶段。 



第二阶段(1971-1984)

1971年瑞士发明人扭曲向列型(TN)液晶显示器,日本厂家使其产业化,由于TN-LCD制造成本低,成为20世纪七八十年代液晶产品的主流。


第三阶段(1985-1990)

1985年后,由于超扭曲(STN)液晶显示器的发展及非晶体硅薄膜晶体管液晶显示技术的发明,使LCD技术发展进入了人大容量显示的阶段。


第四阶段(1990-1995)

在有源矩阵液晶显示器飞速发展的基础上,LCD技术开始进入高画质液晶显示阶段。


第五阶段(1996年后)

LCD已在笔记本电脑中普及应用。从1998年开始,TFT—LCD产品打入监视器市场,长期困扰液晶的三大难题视角、色饱和度和亮度问题已你基本解决。



液晶及其分类


 

在机械上具有液体的流动性,在光学上具有晶体性质的物质形态被命名为流动晶体——液晶。

 

液晶分为两大类:溶致液晶和热致液晶;作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。

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低于温度T1,就变成固体(晶体),称T1为液晶的熔点,高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态,称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。

 

近晶相液晶分子呈二维有序性,分子排列成层,层内分子长轴相互平行,排列整齐,重心位于同一平面内,其方向可以垂直层面,或与层面成倾斜排列,层的厚度等于分子的长度,各层之间的距离可以变动,分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大,对外界电、磁、温度等的变化不敏感。

 

向列相液晶分子只有一维有序,分子长轴互相平行,但不排列成层,它能上下、左右、前后滑动,只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行,分子间短程相互作用微弱,向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感,目前是显示器件的主要材料。

 

胆甾相液晶是由胆甾醇衍生出来的液晶,分子排列成层,层内分子相互平行,分子长轴平行于层平面,不同层的分子的分子长轴方向稍有变化,相邻两层分子,其长轴彼此有一轻微的扭角(约为15分),多层扭转成螺旋形,旋转360º的层间距离称螺距,螺距大致与可见光波长相当。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态,因为胆甾相层内的分子长轴也是彼此平行取向,仅仅是从这一层到另一层时均一择优取向旋转一个固定角度,层层叠起来,就形成螺旋排列的结构,所以在胆甾相中加消旋向列相液晶或将适当比例的左旋、右旋胆甾相混合,可将胆甾相转变为向列相。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相易受外力的影响,特别对温度敏感,温度能引起螺距改变,而它的反射光波长与螺距有关,因此,胆甾相液晶随冷热而改变颜色。


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LCD液晶显示屏的基本构造及成像原理 



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1、背光板:LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗,所以必须要有光源才可能在屏幕上看到图像,所以背光板负责为液晶屏显像提供最基本的光源。

 

2、下偏光板:背光板送出来的光线方向性不一致,呈放射状,如果这样的光线通过液晶分子的扭转,我们在屏幕上还是看不到正常的图像,看到的可能是白茫茫的一片,或者是花花绿绿的色块,而不会是我们想看到的图像。下面的偏光板承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。

 

3、薄膜基板:液晶分子的扭转角度是由TFT控制。

 

4、液晶:这层液晶分子在TFT控制下发生扭转,达到将方向一致的光线通亮进行控制,从而在通往后面像素单元的光线明暗度发生了改变。

 

5、彩色滤光片:如果你有幸关于20世纪80年代记忆的话,相信你会记得当时的黑白电视屏幕前经常会有一片彩色的塑料片片,安装上了这片塑料片后,黑白电视机似乎变成了彩色电视机,我们可以看到某些时候人的脸蛋变粉红了、嘴唇变红了、其他的景物都有了颜色,虽然有时候颜色并不符合实际。其实这片塑料片就是彩色滤色片。

 

液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,液晶屏中每个液晶子像素显示的颜色取决于色彩过滤器,而不是子像素, 背光源发出的是白色的光线,白色光线经过各种颜色的滤色片后,我们在滤色片后面可以看到与滤色片对应颜色的光线被传出,所以在液晶显示屏中,彩色滤色片的功能是上色,与CRT显示器的荧光粉功能对应。液晶子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶,只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制,大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器(也有的数字控制采用10位控制器),可以产生 256 级灰阶。每个子像素能够表现 256 级,那么你就能够得到 256×3种色彩,每个像素能够表现 16,777,216 种成色,也就是我们常见的所谓1677.7216万色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种 24 位的色度已经能完全达到理想要求。工程师们通过脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。

 

6、上偏光板:原本方向一致光线经过了液晶层的扭转后又变得方向不一致,所以如果不把呈漫射状的光线再次规整,则在屏幕前看到的依然是白茫茫一片,被液晶扭转过了的光线并没有体现出来,所以必须在此将漫射光进行规整,使用一片与下偏光片偏光方向正交偏光片将经过液晶扭转的光心重新进行偏转,不同角度的光线经过上偏光板的亮度不同,所以我们可以在屏幕上可以看到明暗交替画面,因为被偏转的光线是经过了彩色滤色片的彩色光,所以我们在屏幕前可以看到我们需要的图像。

无上偏光板 


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有上偏光板与无上偏光板效果对比


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 加上偏光板的完整画面


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LCD的彩色成像原理与CRT一样,还是通过红、绿、蓝三基色组成各种颜色。不同的是CRT通过高速电子束击打三基色荧光粉产生彩色光,LCD通过规律涂有三基色的滤色片后产生彩色。通过控制滤色片每个基色下的液晶分子是透过液晶分子的光线亮度发生变化,从而达到有不同亮度的基色模拟自然界的各种色彩。由于滤色片在上偏光板的下面,所以造成了LCD屏看成像有视角要求,不过这个问题现在已经解决的相当的好了。


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我们知道彩色滤色片的基色排列有不一样。根据彩色滤色片基色的位置不一样,其下面对应液晶分子单元控制顺序必须作相应的更改,否则显示出来的图像只能是花屏。

 

上图中的三种彩色滤色片基色排列中条形排列是最为简单的,因为基色排列简单成纵横线,所以控制起来相对简单,但是这种排列顺序的排列得到的图象并不完美,它可能出现显示的线条粗细不均匀,而且图像斜线面的锯齿现象严重。所以发展了马赛克排列状的绿色片,这种排列可以比较好地解决图像锯齿问题,但是这种排列顺序依然无法解决线条的精细显示问题,这种排列得到的图象线条可能有时正常,但是有时候却会粗细不一,所以戴尔形排列得彩色滤光片产生了,这种排列可以很好地解决锯齿、线条粗细均匀的问题,但是这种排列的液晶分子控制是最复杂的。

 


液晶显示的主要工作模式

 

由液晶显示基本原理而派生出多种工作模式,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)即将淘汰,超扭曲向列型(STN)和有源矩阵(TFT)已成熟普及。

 

扭曲向列(TN)液晶显示器

 

扭曲向列(TN 是英文Twisted Nematic的字头缩写)液晶是带有90º扭曲的向列液晶。扭曲向列液晶显示器是在上世纪七十年代出现的,它除了具备液晶显示所需的基本特点外,还具有对比度高、制作技术简单、成本低等特点。目前在便携式计算器、钟表、仪器仪表中大量使用的多是这种类型的液晶显示器。目前国内液晶显示器厂家生产的也多是这类产品。

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扭曲向列(TN)液晶显示器是由两块ITO玻璃板之间夹着扭曲向列(TN)液晶材料形成的,液晶的厚度一般为5µm,其具体厚度与液晶材料的双折射率有关,在上下ITO玻璃基板上面涂一层取向层,利用液晶分子与取向层表面的相互作用力,利用液晶分子与表面摩擦定向方向平行排列并带有2—3º的倾斜角如图所示。上下基片摩擦定向方向成90º,使液晶分子扭曲成90º,同时液晶中掺入少量手性剂材料,起到决定液晶分子扭曲方向的作用。在上下玻璃基片的外侧贴有偏振片,偏振片的光轴与玻璃基片的摩擦方向一致,从而在液晶显示屏上得到常白的显示。当入射光偏振面随液晶分子转动90º,使偏振光通过偏振片,即得到亮态。当施加电压时正性液晶分子随电场方向排列,线偏振光偏振面不变,偏振光不能通过出射光一侧的偏振片得到暗态,所以液晶显示器就是一个电控制的光阀。但由于扭曲向列(TN)液晶显示器目前在参数最佳化的条件下,它实际上最大的扫描行数只能达到32,信息容量很小,而且由于它只能做成黑白、单色、低对比度(20:1)的液晶显示器,视角只有30º,比较狭窄,面板尺寸最大只有三寸,所以在很大程度上限制了他的应用范围。目前只能用在电子表、计算器、简单的掌上游戏机上。


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薄膜晶体管(TFT)液晶显示器

 

薄膜晶体管(TFT)液晶显示器是在扭曲向列(TN)液晶显示器中引入薄膜晶体管开关而形成的有源矩阵显示,从而克服无源矩阵显示中交叉干扰、信息量少、写入速度慢等缺点,大大改善了显示品质,使它可应用到计算机高分辨率全色显示等领域。目前采用的薄膜晶体管(TFT)是建立在非晶硅薄膜晶体管(α-Si TFTAM-LCD)结构基础上的。


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在下层玻璃基板上建有TFT阵列,每个像素的ITO电极与TFT漏电极联结,栅极与扫描总线连结,原源电源与信号总线连结。施加扫描信号电压时,原源电极导通使信号电压施加到存储电容器上并充电,在帧频内存储电容器的信号电压施加到液晶像素上,使之处于选通态。再一次寻址时,由信号电压大小来充电或放电。这样各像素之间被薄膜晶体管开关元件隔离,既防止了交叉干扰又保证了液晶响应速度满足于帧频速度,同时以存储信息大小来得到灰度级,目前灰度已可达到256级,可得到1670万种颜色,几乎可获得全色显示。从上世纪90年代形成产业以来,薄膜晶体管(TFT)液晶显示器的生产线已由第一代发展到了第六代,没换代一次基板玻璃的面积都大幅增加,而且产量不断提高、成本不断降低。如第七代薄膜晶体管(TFT)液晶显示器生产线的玻璃基板尺寸将达到1870*2200mm,目前可制成的液晶电视屏94cm(37inch),笔记本电脑屏幕的最大尺寸为38.1cm(15inch),监视器屏幕最大尺寸达63.5cm(25inch)。薄膜晶体管(TFT)液晶显示器的另一种发展趋势是薄型化、轻量化、低功耗化。基于新型材料的开发、制造工艺技术的革新、设备精度和自动化程度的提高及软件技术的进步,使得薄膜晶体管(TFT)液晶显示器产品的更新换代的速度非常快。


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LCD背光源的结构及其原理

背光源的分类及灯管(Lamp)的构造

 

Backlight (以下称为B/L)按Lamp(灯管)的排列方式分Direct Light Type和Side Light Type. Side Light Type需要起将自侧面的Lamp上出射的光向B/L正面出光作用的导光板,但Direct Light Type是自Lamp出射的光直接向B/L正面出光,因此不需要导光板。

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TFT-LCD B/L光源使用的灯管是阴极荧光灯(Cathode Fluorescent Lamp),自外部供应一定的电压,在阴极上放出电子, 扫描荧光体而作出可视光线的光源。CFL的构造大体由玻璃板、电极、密封气体(Hg,Ar,Ne)、荧光体构成。CFL是将自密封的水银发生的紫外线扫描在玻璃管内壁涂的荧光体而发生可视光。为使少量的水银易启动,并为抑制阴极物质的蒸发,在玻璃管內密封氩. CFL的种类按放出电子的机构有CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)和 HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp)两种。

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1、Lamp:是自Inverter(反向交流器)接收高电压而发生可视光线的光源。主要使用CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp),还有HCFL(Hot Cathode Fluorescent

Lamp)。

 

2、Lamp housing:反射自Lamp出光的光源, 入射到导光板上。使用黄铜、铝以及黄铜上附合Ag等材料的薄膜反射

 

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

 

4、Reflector:主要是聚醚(PET)器材上为减少导光板入射的光源损失,具有反射功能。

 

5、Diffuser Down (扩散Sheet):主要是聚醚(PET)器材上以丙烯类树脂形成球形的形状,均匀扩散自导光板出光的光源,同时起集光的作用。

 

6、Bottom Prism:主要是聚醚(PET)器材上以丙烯类树脂起规则地形成棱柱形状而集光的作用,辉度增加率为user表面的1.55倍。

 

7、Top Prism:具有与Bottom Prism同样的功能,以Bottom Prism表面的1.33倍增加辉度.

Prism以相互十字交叉布置,收集X轴和Y轴方向的光源。

 

8、Diffuser Up (Protector Film):具有与Diffuser Down同样的构造,以保护Prism的作用为主要目的,亦称为保护膜。要使用透过性的Diffuser,由此,多少带来Top Prism集光的光源损失,但为减少Prism特性的不良而使用。

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液晶显示技术的前景


 近年来, OLED,DMD,FED等多种非液晶的平板显示都已经陆续成熟上市,它们针对液晶显示的某些不足,如亮度低,不易大屏幕化等缺陷,来势汹汹发起了对液晶显示的挑战。如最近,有人即声称OLED将会取代液晶显示。 

 

事实上,由于各种显示各有不同的优缺点和各自特性,一般不可能互相取代,但是,利用本身的某一特长部分取代或冲击另一类显示器件是完全现实的。液晶显示不得不面对这一挑战和竞争。这一挑战和竞争既是对液晶显示产业的威胁,又是液晶显示产业的发展动力。

 

今后,液晶显示在应对其他各类显示器件挑战中将针对自身的不足在以下几大方面力争作出重大突破:

 

1、通过发展反射式显示和改进背光源,提高开口率,以及增加偏光片透过率等多种方式提高显示亮度和对比度。 

 

2、改进材料、器件结构、工艺,提高液晶显示的响应速度。同时,还将努力开发一些快速响应的新型液晶显示模式,从而使液晶显示能更理想的满足视频显示的要求。 

 

3、工作温度范围窄是液晶材料决定的一大缺陷,所以它的克服只有从液晶材料入手。目前已经开发出了可以在零下50度致零上90度工作的液晶材料。此外辅助加温系统的开发也将保证液晶示的工作温度范围会大大加宽 

 

4、为了实现大屏幕显示,液晶显示开拓了一条全新的途径——投影显示。在原有透射式非晶硅TFT投影显示的基础上,近年已经向多晶硅TFT投影显示过渡,多晶硅虽然可以提高开口率10%~15%以上,使显示亮度,清晰度大大提高,但还不理想,为了与PDP等大屏显示竞争,近年液晶显示又开发了一种“硅上液晶”LCOS。将大规模集成电路作基板,与液晶集合制成反射式的微型液晶显示器。通过外光源的反射式投影实现50寸~100寸以上的大屏显示。

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