液晶顯示屏的工作原理簡(jiǎn)介

金紅莉，孫 彥

（北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院 北京 100102）

1 引言

液晶是一種液態(tài)晶體，介于固體和液體之間的特殊物質(zhì)，是一種有機(jī)化合物，是以碳為中心所構(gòu)成的化合物，常態(tài)下呈液態(tài)，由長(zhǎng)棒狀的分子構(gòu)成，分子排列和固體晶體一樣非常規(guī)則，因此取名液晶，目前采用分子排列最適合用于制造液晶顯示器的nematic細(xì)柱型液晶。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長(zhǎng)軸大致平行，是一種非線性的光學(xué)材料。液晶的內(nèi)部分子是按一定序列有規(guī)則的排列，在其上下基板間增加電勢(shì)差，或改變環(huán)境的溫度，施加外力，將導(dǎo)致分子排列方式發(fā)生改變，影響到液晶對(duì)光的透過(guò)率，這種因外加電勢(shì)差而改變液晶對(duì)光的透過(guò)率的特性被稱為電光效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)光被電信號(hào)調(diào)制，從而制成液晶顯示器件。顯示器中的液晶體本身并不發(fā)光，而是通過(guò)液晶分子排列結(jié)構(gòu)變化控制外部光的通過(guò)量。液晶分子排列的扭曲程度控制了光線的通過(guò)量，實(shí)現(xiàn)亮暗變化，從而可以顯示圖像。而液晶分子扭曲程度的大小由加在液晶分子兩邊的電壓大小來(lái)決定，可以實(shí)現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)換。即用電壓的高低控制光的通過(guò)量，從而把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光像。

將一定配比的液態(tài)晶體加入經(jīng)過(guò)化學(xué)試劑腐蝕后，帶有豎直交叉的透明導(dǎo)電膜的上下基板內(nèi)，水晶液滴被包含在相互垂直的平行溝槽構(gòu)成的細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，在平行槽的行與列的交叉點(diǎn)上是透明電極，電極分為行和列，周邊是控制電路和驅(qū)動(dòng)電路，改變電極電壓從而改變液晶的旋光狀態(tài)，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素；液晶分子在互相垂直的溝槽作用下產(chǎn)生了一定角度的扭曲，當(dāng)自然光照射到液晶表面時(shí)，由于盒內(nèi)的分子排列與光的傳輸方向相同，光可以通過(guò)，當(dāng)液晶上下基板施加一定電勢(shì)差時(shí)，盒內(nèi)的分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，遮擋住一部分自然光，造成被遮擋區(qū)域光無(wú)法通過(guò)，而沒(méi)有被遮擋的部分光可以通過(guò)，從而圖形被顯示出來(lái)。充滿液體晶體的兩個(gè)極板也被稱為液晶盒。

把液晶層放到兩個(gè)偏振化方向相互垂直的偏振片中，偏振化方向相互垂直的兩個(gè)偏振片疊放應(yīng)該阻斷所有光線。液晶層可以改變光線傳播方向，光線穿出第一個(gè)偏振片后成為單一偏振化方向的光線，此偏振化方向和第二個(gè)偏振片偏振化方向垂直，經(jīng)過(guò)液晶層扭轉(zhuǎn)90度與第二個(gè)偏振片偏振化方向一致，可以從第二個(gè)偏振片中穿出。在給液晶盒體的上下基板外加電勢(shì)后，上下基板間的液體晶體在外加電場(chǎng)的情況下分子序列被重新排布，分子對(duì)光線沒(méi)有任何遮擋，可以順利通過(guò)顯示器的上下極板，不發(fā)生傳播方向的改變，就不能穿過(guò)第二個(gè)偏振片?？偨Y(jié)起來(lái)，在有電勢(shì)差的情況下，液晶盒會(huì)遮擋可見(jiàn)光的傳播，在電勢(shì)差取消時(shí)自然光會(huì)不受遮擋順利傳播，也可以通過(guò)改變液態(tài)晶體分子的狀態(tài)，在有電勢(shì)差時(shí)可見(jiàn)光順利通過(guò)，無(wú)電勢(shì)差時(shí)可見(jiàn)光被遮擋，需要顯示的內(nèi)容始終顯示，這種利用加電勢(shì)差控制液晶遮擋光線的技術(shù)，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)超低的功耗驅(qū)動(dòng)。

液態(tài)晶體材料本身并不發(fā)光，LCD用燈管作背光源，通過(guò)輔助光學(xué)模組達(dá)到較為理想的光源（就是均勻直射光線）；使用一片疏導(dǎo)光線的PC板和反射光線的塑料薄膜，將發(fā)光二極管的光線變成與液晶表面呈豎直方向的各個(gè)點(diǎn)都能穩(wěn)定發(fā)光的光線。

在帶有顏色的液態(tài)晶體顯示屏中，每個(gè)顯示點(diǎn)通常由代表著紅，綠，藍(lán)三元色的三個(gè)單元組成，任何一個(gè)單元都可以對(duì)光起到過(guò)濾的作用，這樣當(dāng)可見(jiàn)光通過(guò)這些微小的單元時(shí)，在屏幕上即顯示出三原色來(lái)，完成時(shí)域和空間域的彩色重顯。

每個(gè)液態(tài)晶體顯示器都有預(yù)先設(shè)計(jì)好的微小單元，當(dāng)畫(huà)面全部顯示期間，全部的微小單元被打開(kāi)，單元也可以稱為像素，每個(gè)像素都由三個(gè)單元構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)紅、綠和藍(lán)色的顯示。這些微小的單元彼此是相對(duì)獨(dú)立的，可以單獨(dú)控制，避免了明暗不均的現(xiàn)象。這些微小的單元或者處于打開(kāi)或者處于關(guān)閉的狀態(tài)，避免了顯示器因?yàn)轭l率的快慢導(dǎo)致的不良，但這也經(jīng)常帶來(lái)一些其他問(wèn)題，有的單元會(huì)短路(出現(xiàn)“亮點(diǎn)”)，或者斷路(出現(xiàn)“黑點(diǎn)”)。

LED顯示器也屬于液晶顯示器的一種，它用LED代替了傳統(tǒng)的液晶背光模組。LED是指由發(fā)光二極管組成得主動(dòng)發(fā)光組件，它對(duì)環(huán)境的要求不高，在苛刻的環(huán)境下仍可以工作，例如高溫，高濕等條件，這種顯示組件由于其本身不發(fā)出任何射線，對(duì)人體沒(méi)有傷害，是一種節(jié)能環(huán)保型器件。

每個(gè)單元格上控制電極的開(kāi)關(guān)用金屬氧化物半導(dǎo)體作為其通斷的器件，金屬氧化物半導(dǎo)體管連接掃描驅(qū)動(dòng)電極的是柵極，柵極的電極線是橫向，而源極連接縱向的電極線，漏極通過(guò)一個(gè)用于存儲(chǔ)的電容與地線直接連接，金屬氧化物半導(dǎo)體管被激活的條件是橫向連接的柵極與縱向的源極都被導(dǎo)通，同時(shí)被選中的單元通過(guò)電流進(jìn)行充電，每個(gè)顯示單元的信號(hào)強(qiáng)弱與施加在該單元上的電勢(shì)成正比，顯示信息按順序?qū)ń饘傺趸療o(wú)半導(dǎo)體管，用于存儲(chǔ)的電容充電，充電的目的是延長(zhǎng)顯示單元的顯示時(shí)間，并大于掃描周期，增加電容的漏極可以降低顯示單元的壓降，降低顯示脈沖的波動(dòng)，顯示單元被導(dǎo)通激活后顯示的時(shí)間只有一瞬間，不超過(guò)10微秒，但隨著電容的存在，這個(gè)時(shí)間可以提升到15秒左右，減少顯示的波動(dòng)，保持顯示的穩(wěn)定，存儲(chǔ)電容可以保持顯示穩(wěn)定在一次完整的掃描過(guò)后，電容開(kāi)始放電，在放電的過(guò)程中顯示呈現(xiàn)漸變并產(chǎn)生灰度，于是就顯示出了需要傳遞的圖像。

TFT是薄膜晶體管的簡(jiǎn)稱，是一種存儲(chǔ)的單元來(lái)構(gòu)建各個(gè)有源像素的顯示技術(shù)，這中彩色顯示器件，也是由上下兩片基板，偏振板，顏色過(guò)濾薄膜，導(dǎo)電電極幾大部分構(gòu)成，液態(tài)晶體充滿在上下兩片基板組成的盒體內(nèi)，偏振膜片與顏色過(guò)濾薄膜一個(gè)用于控制可見(jiàn)光的透光率，一個(gè)用于控制要顯示什么顏色，位于液晶盒的上層基板，帶有發(fā)光二極管，而下層基板是二者共用的導(dǎo)電電極，通過(guò)上述結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確的對(duì)施加在顯示器件上的電場(chǎng)進(jìn)行控制，從而控制器件的顯示。

液晶顯示器制作工藝新技術(shù)：背光屏和顏色濾光鏡是顯示器的重要組成部分，為了提高畫(huà)面的品質(zhì)，在每一個(gè)液晶像素上加裝上了Active素子來(lái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，在顯示的精度上，比以往的控制方式高得多。在色濾光鏡本體還沒(méi)被制作成型以前，將顏色濾光膜片經(jīng)過(guò)上色后通過(guò)特殊的制造工藝處理后，能夠增強(qiáng)顯示的識(shí)別度，增強(qiáng)色彩特性，延長(zhǎng)使用壽命，還可以使得LCD能在高分辨率環(huán)境下創(chuàng)造色彩斑瀾的畫(huà)面。外界光線對(duì)液晶顯示屏幕的干擾很大，影響戶外顯示的效果，為了提高器件戶外的可讀性，可以在偏振片的表面增加一層抵消反色光的表層，通過(guò)這一技術(shù)，可以抵消基板玻璃的反色光線，提高器件在日光下的可讀性。為了提高像素反應(yīng)速度，消滅畫(huà)面延遲

現(xiàn)象，需要提高像素的反應(yīng)速度，采用先進(jìn)的Si TFT（連續(xù)料界結(jié)晶矽）液晶顯示方式，通過(guò)使用這種專門的技術(shù)，將液態(tài)晶體材料的遷移速率大幅提高，促進(jìn)顯示器件響應(yīng)時(shí)間的降低，避免了顯示的延遲。