LCD（液晶显示）工作原理

1. 引言 2. 什么是液晶？ 3. 向列相液晶 4. 怎样制造LCD？ 5. 自制LCD

6. 背光型LCD与反射型LCD 7. LCD系统 8. 无源矩阵LCD 9. 有源矩阵LCD

10. 彩色LCD 11. LCD的未来

引言

您可能每天都在使用包含LCD（液晶显示）的物品。它们无处不在——笔记本电脑、电子钟、表、微波炉、CD机以及许多其他的电子设备上都有LCD。和其他的显示屏技术相比，LCD确实有一些实实在在的优点，因此它们被普遍应用。例如，它们比阴极射线管（CRT）更薄更轻，并且耗电也更少。

计算器上简单的LCD显示屏

但这些叫做液晶的东西究竟是什么呢？“液晶”这个名字听起来好像有些自相矛盾。我们认为晶体是像石英那样的固体材料，通常像石头一样坚硬，而液体和它明显不同。一种材料怎么可能既含“液”又是“晶”呢？

在本文中，您能够了解液晶是如何拥有这一特性的，我们还将探讨使LCD得以发挥功效的技­术。您还会了解人们如何利用液晶的特性来制造一种新型的光阀，以及这些开开合合的光阀所构成的网格又如何呈现各种图案来表示数字、文字和图片！

什么是液晶？

物质有三种常见的形态：固态、液态和气态。固体之所以呈固态是因为其分子排列方向保持不变，分子之间的相对位置也保持固定。液体中的分子则正好相反：它们可以变换方向，也能够在液体中任意移动。但是有些物质能够处在一种奇异的状态，有些像液体，又有些像固体。当它们处在这种状态时，其分子像在固体中一样倾向于保持它们的方向，同时又拥有液体分子的性质，可以移动到不同的位置。也就是说，液晶既不是固体也不是液体。这就是它为什么叫“液晶”这个显得有些自相矛盾的名字的原因。

那么，液晶的性质到底是像固体、液体，还是某种其他的物质？事实表明液晶更接近于液态而不是固态。把一种适合的物质从固体转变为液晶需要相当多的热量，而再将其从液晶转变为真正的液体只需要再吸收一点点热量。这就解释了为什么液晶对温度十分敏感，以及为什么它们被用来制造温度计和心情戒指。这也解释了为什么在很冷的天气里或炎热的海滩上，笔记本电脑的屏幕可能会呈现怪异的显示效果！

向列相液晶

固体和液体都有许多不同的种类，同样地，液晶材料也有许多种。根据温度和物质特性的不同，液晶可以处在一系列不同的相中的某一个相中。在本文中，我们将讨论用来制造LCD的液晶，即处在向列相下的液晶。

液晶的一大特点是它们的性质会受到电流的影响。有一种特殊的向列相液晶称为扭曲向列相（TN）液晶 ，它在自然状态下是扭曲的。当给这种液晶加上电流后，它们将依所加电压的大小反向扭曲相应的角度。这种液晶对于电流的反应很精确，因此可以被用来控制光的流通，从而用于制造LCD。

液晶的种类大多数液晶分子为棒状，大体上可以把它们分为热致液晶和溶致液晶。 液晶研究所Oleg Lavrentovich博士 供图 热致液晶对于温度（或压力）的变化产生反应。溶致液晶的反应则取决于它们与何种溶剂相混合，这被用于制造肥皂和清洁剂中。热致液晶可能是各向同性的或向列的。两者最主要的区别在于，各向同性液晶中的分子排布是随机的，而向列液晶中的分子排布有着特定的顺序或模式。 向列相液晶中的分子排列方向取决于指向矢。指向矢可以是任何物质，比如磁场或有着细微刻槽的表面。向列相液晶可以按照分子间的相对取向做进一步的分类。层列相是最常见的排布方式，分子一层一层地排列。层列相又有许多的变体，例如C型层列相液晶每层的分子排列方向相对上一层呈一定的倾斜角度。另一种常见的相是胆固醇相，或叫做手性向列相。这种相中，每层的分子排列方向与相邻层有轻微的扭曲，从而形成一个螺旋状的结构。 铁电液晶（FLC）使用手性分子呈C型层列相排布的液晶材料，因为分子排列的螺旋特性使换向反应时间处于微秒量级，故FLC特别适用于先进的显示屏。表面稳定型铁电液晶（SSFLC）利用玻璃板加一个可调的压力，从而抑制分子的螺旋性，进一步缩短响应时间。

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怎样制造LCD？

制造一台LCD比制造一片液晶要复杂得多。制造LCD需要的条件是：

• 光具有偏振性。（参见太阳镜面面观中关于偏振的内容。）
• 液晶可以传输和改变偏振光。
• 液晶的结构可以依电流而改变。
• 存在可以导电的透明物质。

LCD设备巧妙地利用了这四个条件。

制造一台LCD需要两块偏振玻璃片。有一种特殊聚合物可以在物体表面制作出细微刻槽，这种聚合物擦在玻璃上没有偏光膜的一面。刻槽必须与偏光膜同向。接着在一片滤光片上加一层向列相液晶。刻槽会使液晶中第一层分子的取向和滤光片的方向相同。接下来再加上第二片玻璃，使其偏光膜的方向和第一块玻璃的偏光膜方向成直角。因此后续每一层向列相分子都会扭曲一个角度，直到最上面一层和最下面一层相差90°，从而和偏振玻璃滤光片相吻合。

当光照射在第一个滤光片上时，它发生偏振。每一层分子都会将它们接收到的光引领至下一层。当光穿过液晶的每一层时，相应的分子同时也改变光的偏振面使其符合分子自身方向的角度。当光到达液晶材料的最远端时，它的偏振方向和最后一层分子的角度相同。如果液晶的最后一层和第二块偏振玻璃滤光片的方向吻合，光就可以穿过。

如果我们给液晶分子加上电荷，它们的扭曲就会被消除。伸直后的液晶分子改变了光穿过它们的角度，从而使光的方向和顶部偏振滤光片的方向不再匹配。因此，LCD上的这一特定区域便没有光能够通过，从而比周围的区域暗。

自制LCD

制造一个简单的LCD比您想像中的要容易。首先准备一个如上所述的玻璃-液晶-玻璃的“三明治”，然后再加上两个透明的电极。比如说，假设您准备制造一种最简单的LCD，只包含一个矩形电极。它的各个层是这样的：

这是LCD非常基本的功能。最后面是一块镜子（A），能够进行反射。接着，我们再加上一片底部具有偏光膜的玻璃（B），玻璃的上部是一块普通的氧化铟锡电极板（C）。普通电极板覆盖了整个LCD。在这上面是一层液晶材料（D）。接下来是另一片玻璃（E），它的底部是一块矩形电极，顶部是另一层偏光膜 （F），其方向与第一层偏光膜成直角。

电极连在电池等电源上。当没有电流通过时，从LCD前面射入的光只是简单地打在镜子上并反射出来。但有电流通过时，普通电极板和矩形电极板之间的液晶的扭曲将被消除，从而阻止了光从这块区域通过。这使得LCD中的矩形部分显示为黑暗区域。

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背光型LCD与反射型LCD

请注意，我们这个简易的LCD需要一个外部光源。液晶材料本身并不发光。小型廉价的LCD通常是反射型的，也就是说它们必须反射外部光源的光来显像。请看这只LCD手表：小电极对液晶充电从而消除液晶层分子的扭曲，光线不能透过偏振膜，这样数字便显现出来了。

大部分计算机屏幕靠LCD上方、侧面或背后的内置荧光管来提供光源。LCD后面的一块白色漫射板将光均匀地进行反射和散射，以保证屏幕亮度的一致性。大量的光在通过滤光片、液晶层和电极层时散失掉了——通常会损失一半以上的光！

在上面的例子中，我们使用的是一块普通电极板和一个单独的电极条来控制哪些液晶受电荷的影响。如果在单独的电极条那一层中加入其他一些电极，就可以制造出更加复杂的显示屏了。

LCD系统

普通平板LCD适用于那些反复显示同样图案的简单显示器，比如手表和微波炉定时器上的屏幕。在这些设备中，前述的六角形棒状是最常见的电极排列，而实际上电极可以排成任何形状。只要看看那些很普通的掌上游戏机，玩纸牌游戏机、外星人游戏机、钓鱼游戏机和老虎机等，里面五花八门的图案不过是各种形状的电极而已。

计算机中使用的LCD有两大类：无源矩阵和有源矩阵。在以下两节中，我们将分别介绍这两类LCD。

无源矩阵LCD

无源矩阵LCD使用简单的网格来给显示屏上的特定像素供电。制造这种网格是相当复杂的过程！首先必须有两层被称为基片的玻璃层。透明导电物质在一片基片上排成列，在另一片基片上排成行。导电物质通常是氧化铟锡。这些行和列连接在集成电路上，集成电路则控制电荷何时被送到特定的列或行中。液晶材料被压在两块玻璃基片之间，每个基片的外表面则附着偏振膜。若要点亮某个像素，集成电路将电荷送到一个基片的特定列上，再将另一个基片的特定行接地。行与列交于指定的像素点，由此产生的电压会消除该像素区域液晶分子的扭曲。

无源矩阵系统有着令人满意的简洁性，但也有明显的缺点，尤其是它的响应时间较慢并且电压控制不精确。响应时间反应了LCD刷新其显示的图像的能力。要观察无源矩阵LCD较慢的响应时间，最简单地方法就是在显示器上将鼠标指针从一端快速地移到另一端。您会注意到跟随指针的一系列“影子”。不精确的电压控制使无源矩阵系统不能够一次只调控一个。

有源矩阵LCD

有源矩阵LCD的基础是薄膜电晶体（TFT）。简单地说，TFT是极小的开关晶体管和电容器。它们在玻璃基片上被排列成一个矩阵。为找到一个特定的像素，相应的行被打开，然后电荷被注入相应的列。因为与该列相交的其他行都处于关闭的状态，所以只有位于指定像素处的电容能接收到电荷。这个电容能在下一个刷新循环之前一直保有此电荷。如果我们小心地控制加在晶体上的电压值，就可以调整扭曲消除的程度，从而只允许一部分光透过。

如此这般地产生极其微小极其精细的增量，LCD便可以显示灰度。如今大部分显示屏每个像素可以提供256级不同的亮度。

彩色LCD

彩色LCD的每一个像素必须有三个子像素，三个子像素分别包含红色、绿色和蓝色滤光片。

通过对施加的电压进行精细的调节和控制，每个子像素的亮度都可以在256个级别中变化。子像素色彩强度的排列组合可以产生1680万种颜色（256种红色x256 种绿色x256种蓝色），如下所示。彩色显示屏需要使用极其大量的电晶体。例如，普通笔记本电脑的分辨率可以达到1,024x768。如果将1,024行乘以768列再乘以3个子像素，我们得到的数字是2,359,296，这就是玻璃上需要蚀刻装入的电晶体的数量！这些电晶体中的任何一个出了问题，都会在显示屏上产生一个“亮点”。大多数有源矩阵显示器都会有几个亮点分散在屏幕上。

LCD的未来

LCD技术一直在发展。如今的LCD采用了许多不同种的液晶技术，其中包括超扭曲向列相（STN）、双扫描扭曲向列相（DSTN）、铁电液晶（FLC）以及表面稳定型铁电液晶（SSFLC）。

显示屏的尺寸受到制造厂商的质量控制问题的限制。简而言之，要增大显示屏的尺寸，就必须添加更多的像素和电晶体。而随着显示屏中像素和电晶体数量的增加，其中包含坏的电晶体的几率也在升高。对于现在的大型LCD来说，产品线上百分之四十的面板是被厂商废弃的。废弃率的高低直接影响着LCD的价格，因为好的LCD的销售收入必须弥补好的和坏的LCD的生产成本之和。只有制造技术的进步才能生产出价格合适的大尺寸显示屏。