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1、液晶显示技术的研究介绍By：标准时间 3引言如今，科技进步给我们的生活带来了很大的变化。液晶显示设备越来越多，各种各样的液晶显示产品走进我们生活中。从手机到电脑显示器，从掌上电脑到平板电视。无处没有液晶显示技术的身影。 本文围绕液晶显示技术，简要地介绍了扭曲向列型（TN） 、超扭曲向列型（STN ）和有源矩阵型（AM）液晶显示技术的工作原理，以及液晶显示技术的发展历史和未来显示技术的发展方向。1. 液晶显示技术的工作原理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(Liquid Crystal) 。液晶分为溶致液晶和热致液晶两大类,作为显示技术应用的液晶都是热致
2、液晶。1.1 液晶的物理特性液晶的物理特性是：当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。所以，假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。1.2 液晶显示的主要工作模式由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作
3、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。本文就以上几种液晶显示技术进行讨论。1.3 扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）原理TN 型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术，而之后其它种类的液晶显示器也是以TN 型为基础来进行改良。而且，它的运作原理也较其它技术来的简单。图中所表示的是 TN型液晶显示器的简易构造图，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。 1图 1-1 TN 型液晶显示器的简易构造图在不加电场的情况下，入射光经过偏光板
4、后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转 90 度。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。 当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。 TN 型的显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附向膜的细沟槽方向，按序旋转排列。如果电场未形成，光线就会顺利的从偏光板射入，液晶分子将其行进方向旋转，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会造成电
5、场，进而影响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twisted nematic field effect） 。电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。1.4 超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）原理STN 型的显示原理与 TN 相类似。不同的是，TN 扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转 90 度，而 STN 超扭转式向列场效应是将入射光旋转 180270 度。图 1-2 STN 超扭转式向列场效应图2必须在这里指出的是，单纯的 TN 液晶显示器本身只有明暗两种情形（或
6、称黑白） ，并没有办法做到色彩的变化。而 STN 液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色 STN 液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter） ，并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel） ，分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN 型的液晶显示器显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由 STN 的改良技术，亦可以在一定程度上弥补对比度不足的情况。1.5 有源矩阵液晶显示（AM-LCD）原理有源矩阵液晶显示采用了像
7、质最优的扭曲向列型液晶显示材料。图 1-3三端有源矩阵液晶示意图有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种：二端型以 MIM（金属-绝缘体-金属）二极管阵列为主。三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。2. 液晶显示技术的发展历史1888 年，奥地利植物植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer)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（O.Lehmann)使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装
8、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。自 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（19681972）：1968 年美国 RCA 公司研制了动态散射形液晶显示器，19723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
9、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，TFTLCD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。3. 液晶
10、显示技术的应用前景近年来，PDP，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。某些观点喜欢将显示器分为“代” ，而且认为“新一代”的显示会取代“老一代”的显示，如最近，某些人即声称 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
11、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，特别是突破 2 到 4m 的盒厚控制工艺等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。目前已有报导，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
12、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4上的大屏显示。由于它可以用最少的材料制作，实现比 PDP 显示面积还要大的大屏显示，因而可能成为今后大屏幕高清晰度数字电视的主流显示器。参考文献1 刘永智，杨开愚液晶显示技术 M. 成都：电子科技大学出版社，2000.2 李文峰，光电显示技术 M. 北京：清华大学出版社，2010.3 液晶显示技术论述EB/OL. http:/ 液晶显示技术EB/OL. http:/
