tft工作原理（液晶显示器的显像原理是什么）

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• 液晶显示器的显像原理是什么
• 窄边框液晶显示原理

液晶显示器的显像原理是什么

液晶显示器的工作原理 　　我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。 　　1.被动矩阵式LCD工作原理 　　TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例，向大家介绍其结构及工作原理。 　　在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板� 外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。假如有一块面板的分辨率为1280×1024，则它实际拥有3840×1024个晶体管及子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到5×10-6m)。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接。 　　在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色。为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。 　　2.主动矩阵式LCD工作原理 　　TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。 　　TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。

窄边框液晶显示原理

液晶起源于1888年，是奥地利植物学家莱尼兹发现的一种特殊的混合物质，此物质在常态下处于固态和液态之间，不仅如此，其还兼具固态物质和液态物质的双重特性，因此就称之为Liquid Crystal（液态的晶体）。而液晶的组成物质是一种有机化合物，是以碳为中心所构成的化合物。1963年时，美国RCA公司的威廉发现液晶受到电场的影响会产生偏转的现象，也发现光线射入到液晶中会产生折射现象。在1968年，也就是威廉发现光会因液晶产生折射后的5年，RCA的Heil震荡器开发部门发表了全球首台利用液晶特性来显示画面的屏幕。在莱尼兹发现液晶物质整整80年后，“液晶”和“显示器”两个专有名词才连结在一起，“液晶显示器（LCD）”才成为行业的专业名词。当然，1968年首次亮相的液晶显示器还不稳定，和日常生活的实际应用还有一段距离。直到1973年，英国大学教授葛雷先生发现了可以利用联苯来制作液晶显示器，才使液晶显示器的产品正式量产出货，此产品为日本SHARP公司的EL-8025电子计算机提供了屏幕。从此以后，开启了液晶多方面的应用，也逐渐促成LCD产业的兴起。

二、 液晶显示的特点 

1. 在各类显示器件特性比较中，液晶具有下列优点 

（1）低压，低功耗

 极低的工作电压，只要2～3V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10-6～10-5瓦/cm2。 

（2）平板结构

 液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄型盒。这种结构的优点是：开口率高，最有利于作显示窗口； 显示面积做大、做小都比较容易；便于自动化大量生产，生产成本低； 器件很薄，只有几个毫米厚。 

（3） 被动显示型

液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。 

（4）显示信息量大 

液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口面积可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。 

（5）易于彩色化 

 一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。 

（6）长寿命 

 液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。 

（7）无辐射，无污染 

 CRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶不会出现这类问题。 

2、液晶显示也具有下列缺点 

（1）显示视角小 

    由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的向异性，对不同方向的入射光，反射率不一样的以视角较小，只有30～40度，随着视角的变大，对比度迅速变坏。 

（2）响应速度慢 

    液晶显示大多是依靠在外电场作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影大，一般均为100～200ms。所以一般液晶在显示快速移动的画面时质量不好。 

1.2  常见的液晶显示器件 

目前的液晶显示器可分成扭曲向列型（Twisted Nematic；简称TN）、超扭曲向列型（Super Twisted Nematic简称STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors－薄膜晶体管；简称TFT）三大种类。 

一、 扭曲向列液晶显示器（TN-LCD） 

TN是继DSM型的液晶材料后所发展的新液晶材料，TN-LCD的最大特点就如同其名称“扭转向列”一般，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋状。TN-LCD的出现奠定了现今LCD发展的主要方式，但是由於TN-LCD具有两个重大缺点，那就是无法呈现黑、白两色以外色调，以及当液晶显示器越做越大时其对比会越来越差，使得各种新的技术陆续出现。 

二、 超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD） 

STN-LCD的出现是为了改善TN-LCD对比不佳的问题，最大差别点在于液晶分子扭转角度不同以及在玻璃基板的配合层有预倾角度，其液晶分子从最上层到最下层的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋状。但是，STN-LCD虽然改善了TN-LCD的对比问题，其颜色的表现依然无法获得较好的解决，STN-LCD的颜色除了黑、白两个色调外，就只有橘色和黄绿色等少数颜色，对於色彩的表达仍然无法达到全彩的要求，因此仍然不是一个完善的解决方式。 

三、 彩色薄膜型液晶显示器件（TFT-LCD）

为了改善对于色彩的要求，又发明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）两种新技术。TSTN和FSTN的基本构造原理与STN相同，差别在于TSTN在两片玻璃上加上两片色补偿用薄膜，而FSTN则是加上一片色补偿用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的优点，完全改善TN的比对度差问题和STN的色彩问题。但可惜的是，TSTN和FSTN却有液晶分子的反应较慢的问题，在放映数量较大的资料时，会造成无法负荷的缺点，因此也不是完善的解决方式。因此，为了解决此问题，接下来液晶显示器的研发方向，焦点放在驱动方式的改良。从最早的静态驱动方式、接下来的动态驱动方式、单纯Matrix驱动方式到Active Matrix驱动方式，发展出许多驱动方式。而其中以Active Matrix驱动方式和目前液晶显示器的发展关系最大，Active Matrix驱动方式的中文名称为主动矩阵型驱动方式，这种驱动方式是在原本配置画素的电极交叉处加上一个Active素子，产生了崭新的点制御模式。而主动矩阵型的驱动方式中又可分为两种方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用两边金属中间夹绝缘层做为简单的Active素子；另一就是TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置画素的电极交叉处，再加上一个对向电极，并且在此三个电极的交叉处放置薄膜状的Active素子。从TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶显示器在对比度、解析度和色彩等方面越做越好，产品也越来越普及。而在这三大类的液晶显示器中，是以TFT-LCD的市场最大，原因是笔记型电脑的热卖和TFT-LCD显示器销售量越来越好的带动，不仅如此，TFT-LCD还有日渐取代传统阴极射线管（Cathode Ray Tube；简称CRT）屏幕的趋势，是最有可能登上显示器霸主宝座的明日之星。 

1.3  LCD显示器的显像原理

液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗变化，从而将影像显示出来。若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如图1－3－1左）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如图1－3－1右））。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。 

图1－3－1 

TFT就是“Thin Film Transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）—— 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历。那么图像究竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的像素组成，只要控制各个像素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个像素的颜色和亮度就需要在每一个像素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单，如图1－3－2所示：一个成品TFT显示屏，一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、玻璃基片、彩色滤光片、ITO电极等组成。这两层之间就是液晶层，偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。液晶层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。 大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。  

图 1－3－2  

目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器（Twisted Nematic TFT LCD），下图就是解释的此类TFT显示器的基本工作原理。 

图1－3－3 

在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图（图1－3－3左）扭曲向列TFT显示器工作原理示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生90度的扭曲，从而能在下层顺利透过。 

当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列，所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层（见图1－3－3右）。  

图 1－3－4 彩色滤膜 

TFT像素架构如图1－3－4所示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dot pitch）对应一个像素每一个单色滤光镜称之为子像素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器最大支持1280×1024分辨率的话，那么至少需要1280×3×1024个子像素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024×768）那么一个像素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm），对于18.1英寸的TFT显示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相当于0.28mm）