LCD显示技术

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1.技术简介

TFT-LCD是每一个子像素均由单独的薄膜晶体管（TFT）驱动实现显示，该方法在非晶硅显示面板上大规模的被使用，使得TFT-LCD成为目前主流的显示器件，下图是TFT的显示结构。

图1 TFT-LCD显示结构

该结构主要由前面的面板，后方主要由线光源和点光源构成的背光源构成，中间则是设计一些光学结构，包含扩散片，军光板，测光片等，将线光源或点光源转换为面光源，以便更好的使用，背光源后方还有导光板。

图2 TFT-LCD剖面结构

1.1液晶面板

面向用户的面板为液晶面板，主要由前基板及后基板，在其间充满液晶后构成。
前基板上主要有：

检偏器
彩色滤光膜

分为RGB三种颜色，以黑矩阵分割，分别使得背光源中红绿蓝三基色分量通过，背光透过的强度则受到每个子像素单元的TFT和液晶分子控制，实现灰度和彩色显示
黑矩阵

分割彩色滤光膜为单独的子像素，吸收杂散光，提高色彩显示效果及对比度
公共电极

施加显示图像的数据电压，控制每个子像素的单元的部分液晶偏转

后基板上有

TFT阵列
- 每个TFT和一个RGB子像素滤光膜一一对应。
ITO显示电极
- 寻址扫描用的行电极或者栅电极，存储电容，列电极或数据电极及起偏器等。列电极施加数据电压，控制液晶分子的转动。存储电容通过数据电极，储存子像素液晶分子偏转所需的电压值和电荷量，每一个像素均有一储存电容以保证液晶在下一次刷新时保持偏转角不变。

前后两层均有的对位层（Alignment Layer）则使得两玻璃基板之间的液晶分支按照一定角度整齐排列，当显示电极和公共电极施加一定的数据电压时，液晶分子则可以按照一定的预设角度快速转动，提高液晶的响应速度并减少漏光，电压撤去后液晶分子则恢复正常。

通过控制两层玻璃基板间的液晶分子状态，从而控制背光源发出光通过的强弱，在经过前基板的彩色滤光膜，从而实现灰度和色彩显示。

1.2TN型TFT-LCD实现亮暗显示

TFT控制存储电容存储电量，随后控制液晶的旋转角度，继而控制背光源出射的光亮度，实现显示器亮暗显示的。

图3 TN型TFT控制液晶显示

图中，红色曲线NW是常亮模式，即当施加电压为0时，液晶分子将透过液晶分子层，当施加电压时，光不通过液晶分子层，电压越高则光透过越少。NB为常暗模式，该模式下则与常暗相反。一般电脑液晶显示器为常亮模式，大部分时间处于亮的状态，而液晶电视则为常暗模式

2 液晶

2.1 液晶分子结构

液晶介于固体和液态之间的状态，即在业态和固态之间存在一状态，此状态即为液晶态，液晶加热超过某一稳定会变成液态，该温度称为清亮点，冷却之后会变成固态，固态与液晶态之间的临界温度称为熔点。
液晶的分类：

依照分子排列的有序性分，可以分为层状液晶（近晶相），线状液晶（向列相），胆固醇/胆甾型液晶（胆甾相）；
依照分子量高低，分为高分子液晶，小分子液晶，TFT—LCD属于小分子型
按液晶态形成的原因，因浓度而形成的液晶，为溶质型；因温度而形成的，可为热质型液晶。

图4 层状液晶

2.1.1层状液晶

层状液晶聚集在一起，形成一层一层的样子，长轴方向相互平行，总体对于某一平面是垂直或者具有某一倾斜角。层与层之间键会因为温度而断裂，容易滑动，层内分子键结合则比较强，不会断，比较稳定。层状液晶具有一定的指向，其液晶指向方向的平均称为指向矢。根据指向矢的不同又可以将层状液晶分类：
层状A相：液晶分子长轴垂直站立；
层状C相：液晶分子长轴站立方向有某种倾斜；
层状B相：若C相带有手性结构（即对称），则为层状B相，B相每层间的倾斜角度还会行层螺旋样的结构，即指向XoY面的一个圆。

2.1.2线状液晶（向列相）

图5 线状液晶

线状液晶肉眼观察起来像丝线一样，具有一维规则性排列，所有的长轴都会特定的指向某一方向，但是并没有明确的层与层之间的结构。相对于层状液晶，其特点为排列无序，其秩序参数S较层状更小，粘度也小，对于长轴易于流动。

2.1.3 胆固醇液晶

图5 胆固醇液晶

其每一层均很像线性液晶，因此也叫手性线状相，从Z轴方向看，形成360度所需的分子层厚度称之为节距。因为他的指向矢不同，因此造就了许多不同的特性

2.1.4 碟状液晶

图6 胆固醇液晶

单个像碟状，整体像柱状液晶受热会从固态变为液晶态，而液晶态可能为多种结构，对于向列相液晶结构，其相互作用只能沿长轴运动，因为长轴分子作用力远大于端轴，而胆固醇型则有向列相手性掺杂得到，相邻之间液晶分子的作用效果一样。而对于层状液晶，分子排列方式垂直于平面或有一倾角，其短轴作用力大于长轴，层间易于滑动。

2.2 液晶的光电特性

IPS为面内开关型光视角液晶，VA为垂直取向型广视角液晶。液晶分子具有各项异性，即介电系数和折射率等都具有各向异性，利用这些性质改变入射光的强度，以形成灰阶，之后经过彩色滤光膜形成彩色光。
具体，各向异性有：

2.2.1 介电系数\(\epsilon\)

该介电系数分为两个方向的分量：\(\epsilon\)//与\(\epsilon\)⊥,分别代表平行于指向矢量的分量和垂直于指向矢量的分量，若\(\epsilon\)//＞\(\epsilon\)⊥，则为介电系数各向异性为正型的液晶，用于平行配位；反之则为负型的液晶，只可用于垂直配位。

外加电场时，液晶分子会因为介电系数各向异性为正或者为负来决定液晶分子的转向是平行或者垂直于电场，从而决定光的穿透与否。

TFT LCD中所使用的TN型液晶也就是介电系数为正的液晶,\(\Delta\epsilon\)=\(\epsilon\)//-\(\epsilon\)⊥,当\(\Delta\epsilon\)越大，则液晶的临界电压就会越小，液晶在低电压下也可以达到相应角度的偏转

2.2.2 折射系数

折射系数也与上述介电系数一致，可以分为\(n//\)与\(n⊥\),表征方向分别与指向矢量平行和垂直的方向折射系数值，一般用\(n_{o}\)表垂直及\(n_{e}\)表垂直，双折射率\(\Delta_{n}=n_{e}-n_{o}\)，如下所示

图7 液晶分子的折射系数

当光入射液晶时，实际上会受到两个方向折射率的影响，造成垂直液晶长轴和平行于液晶长轴方向的光速不同。若\(\Delta\)大于0，则为光学正向液晶，此时若有光传入液晶，对液晶应该具有平行长轴方向速度小于垂直于分子长轴方向的速度（折射率与速度成反比），反之也相同。

2.2.3 液晶的序参数（平均指向矢）

液晶的序参数是指液晶的指向矢的平均值，其计算如下

\[S=<P_{2}(cos\theta)>=\frac{1}{2}((3cos^{2}\theta)-1) \]

当S等于0时液晶分子杂乱无序，呈现各向同性的流体。当S=1时液晶分子最有序，为最理想的液晶状态。

2.2.4 其他系数

其他系数主要包含弹性系数，黏性系数，磁化率及电导系数等。

弹性常数(elastic constant:κ11, κ22, κ33),κ11指的是张开弹性常数，电场方向垂直于长轴方向，双折射率大于0。κ22 指的是扭曲的弹性常数,具有此的液晶双折射率大于0，但电场方向和液晶长轴方向平行。κ33指的是弯曲的弹性常数，电场方向小于长轴方向，双折射率小于0;
黏性系数(η), 则会影响液晶分子的转动速度与反应时间,其值越小越好,但是此特性受温度的影响最大;
磁化率,也因为液晶的各向异性,分成\(χ//\)与χ⊥，磁化率的各向异性定义为Δχ = χ//-χ⊥。
很多系数实际上都和液晶的序参数呈现正比关系，如下

图8 液晶分子参数与序参数关系

液晶分子的介电系数和折射系数最为重要。介电系数是液晶分子受电场影响决定液晶分子转向的特性，而折射系数是光线穿透液晶时影响光线前进路线的重要参数。

3 液晶显示器的主要组件及功能

液晶显示器后基板发光，然后透过后基板的偏振片，形成偏振光，随后通过后基板的TFT阵列以及受TFT控制的液晶层，得到表示不同灰度等级的偏振光，再通过彩色滤光膜，前基板的检偏器得到彩色图像。

图9 液显示器个部分功能

下图是扭曲向列相LCD的基板结构

图10 基板结构

分开来说：

1，偏光板是自然光或者圆偏振光经过偏光片之后变为线偏振光，

图11 基板结构

偏光片会抑制某一方向的光通过，液晶显示器中，背光的光波行进方向与电场及磁场两两相互垂直，若两块偏振光都相互平行，那么只会抑制一方向的电场或者磁场能量，而若是慢慢旋转偏光片，当两个偏振光正交时，光线透过两偏光片后将变暗，无光线可通过偏光片。
2，上下两层基板及配向膜

上下两层基板是为了夹住固定液晶，而接触液晶的那一面有相对应的配向层，内部呈现凹槽，使得液晶排列均匀，按照预定的顺序排列,其排列方式可以是垂直的（需涂抹一定活性物），也可以是水平的，平行时一般有一定的预倾角，也就是其排列的倾向大体上平均上是朝向一定角度的。有一定预倾角其工作阈值电压可以减小，其响应时间和对比度都可以得到一定的改善。

图12 基板结构

3，存储电容
两层玻璃基板之间会行层平板电容器，但该容值仅仅为0.1pF，太小，不足以将电压保持到下一次刷新时，因此会导致所显示灰度不正确。故而一般在每一个像素部分增加一个储存电容Cs，大约0.5pF，该电容作用也就是为了保证电压在下一次刷新时都可以稳定，使得灰度显示正确。而制备的TFT也就是类似电压充电的开关，只管是否充电，至于充多少电，这是有外面的LCD数据驱动来确认的。

4.彩色滤光片
彩色滤光片产生三基色，实现彩色分量的显示，灰度光通过彩色滤光片后即可达到。彩色滤光片的像素和液晶的像素要完全对齐，排列方式和像素排列一样，一般有条状，三角形，马赛克排列等。

图13 彩色滤光片排列的方式

条状排列(stripe)最常使用于OA的产品
AV产品上：马赛克排列(mosaic，或是称为对角形排列)，三角形排列(triangle/delta)
正方形排列：以四个点来当作一个pixel, 而四个点刚好形成一个正方形。

5.背光板
液晶显示器并不会自己发光，因此还需要一个发光部分来提高高亮度且亮度分布均与的光源，即背光板。
背光板包含灯管，反射管，导光板，棱镜板和扩散板，框胶等。

灯管是主要的发光零件；
导光板将光线分布到各处；
反射板则将光线限制，只往TFT LCD的方向前进；
棱镜纸及扩散板将光线均匀的分布到各个区域；

6.开口率
开口率为有效透光区域与全部面积的比例，是决定亮度的最重要因素。光线经由背光板发出，并非所有的面板都能经过，如控制芯片，TFT和存储电容等地，他们的透光实际上是不受控的，因此使用黑矩阵将其加以遮蔽，避免对其他显示部分造成干扰，这些地方就是不发光区域

3.1 TFT LCD的工作原理

图14 TFT LCD的结构

TFT LCD基板分为上彩色滤光膜基板，下TFT基板，TFT基板由列方向上的数据电极和水平方向上的扫描电极分别将TFT的源极S和列栅极G连接，而彩色滤光膜对应下面TFT的像素TFT阵列。黄色区域对应每个子像素的像素电极，每一个像素电极相互独立。假设图像分辨率为800×600，那么应该共有2400个数据电极，当寻址到某行时，数据电极上的电压幅值将对应图像的亮暗情况，从而通过TFT导通从而对存储电容进行充电，充电时间一般为10-20ms，为液晶显示寻址一行所需的时间。存储电容上电压又通过电极的连接，从而加载到像素液晶分子的两侧，从而控制液晶分子扭转，从而控制偏振光通过情况。

图15 像素电极剖面及其等效电路

ClC为像素电容，也就是上下玻璃基板之间产生的小的电容。因此加了一个存储电容Cs。像素电容一段与TFT的地极相连，另一端和液晶显示面板公共电极相连。存储电容也与像素电容相同，当然存储电容也可以和下一端TFT的栅极相连。

图16 TFT电路的寄生电容

TFT电路在制造时由于工业原因，GNS间不可避免的会发生重叠，从而在三极之间形成寄生电容下方为存储电容刷新的状态变换

图17 电路刷新状态变换

状态1：假定在奇数帧，TFT导通，Cs的充电过程：上基板的公共电极Vcom电压假定为5V,数据电压，也就是充电电压为8V，充电时间一般为10-20多微秒，这也是液晶显示寻址一行需要的时间.
状态2：充电完毕后，TFT断开，加载在储存电容和像素电容两端的电压差是3V，电场方向指向下基板，该电场可以使液晶分子保持某种偏转角度，控制偏振光的通过。
状态3：在偶数帧，TFT再次导通，充电电压或数据电压为2V，由于公共电极的电压Vcom不变，因此储存电容两端的电压仍然是3V。
状态4：储存电容两端的电压被刷新后，TFT关闭，这时储存电容两端的电压保持为3V，但电场方向指向公共电极端，也就是，指向上基板一侧。

上面的电压差是相同的，但是电场方向相反，因此液晶分子的偏转方向也相反，这时候图像是一样的，但如果电压差不等，那么亮度会发生改变。
若是需要扫描控制某一行不变，那么则可使该行扫描信号为20V，其他行为-5V，对改行进行充电。
液晶像素单元两侧的电压每一帧的电场方向都和相邻帧相反，因为液晶分子不能一直固定在某一电压下不变，否则分子特性就会被破坏，不能形成灰阶。因而每隔一段时间就需要对其进行电压恢复，避免此情况产生。因而产生了行反转、列反转、德尔塔发转与帧反转及点反转，分别对应行和对应列或四领域及其他加相同的正电压和负电压得到。

图18 面板极性及驱动方式选择

之前已经提及，如果电压加的是一样值，虽然正负会影响液晶的偏转角度不一样，但是图像的出光强度是一样的，因而使用这样的方法去避免分子破坏的问题。

3.2 几种典型的TFT LCD电路

透射型TFT LCD电路
如上所讨论即为。

图19 透射式LCD效率

* 关键制程工艺在于薄膜晶体管的制备.TFT可以制备在多种基底上。这些基底主要有：非晶硅，多晶硅以及单晶硅，其中非晶硅适合用于大尺寸液晶面板的生产，多晶硅主要用于中等尺寸的液晶面板生产，单晶硅适用于微显示领域。 * 背光方式两种，一是直下式，二是侧光式，结构差异较大，但都是为了将点光源或线光源转换为均匀的面光源。 * 彩色滤光膜显示效率为80%，RGB三色有一定重叠，总透光效率为0.3×80%=24%，透光相对有限，不建议用于投影显示 * 效率低下，整体约5%，希望未来达30%以上。

反射式TFT LCD
透射式LCD适合室内使用，其必须有背光，消耗功率会比较大，显示彩色的能力强，但在户外阳光下适用性差；而反射可在户外使用，不需要背光，通过反射自然光的照射，通过液晶，该方法功耗低，在阳光下有较好的观看效果，且容易受到外界环境的影响，暗环境下对比度差。

图20 透射式LCD与反射型对比

反射型根据偏光片型的区别，又可分为三类：两个偏光片型，单个偏光片型，无偏光片型（涉及光学知识偏多，不再展开叙述）。

透反型TFT LCD
该型LCD为透射式和反射式的组合，一个子像素单位为透射式和反射式区域，透反区域面积之比为8:2到2:8.

图21 透反式LCD

3.3 LCD的广视角技术

当背光源之入射光通过偏极片、液晶及配向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。但是从斜的角度看入，会看到黑色或者彩色失真。从下往上看，比较暗，从上往下看时会变亮，同时大视角看正视角是，会出现原本较亮的变得比较暗，也就是灰阶反转，这是由于液晶分子倾角分布不对称造成，对LCD的广视角补偿技术一般用以下方式：

Film TN型
TN型液晶视角受到限制，增加视角最简单的方式就是在面板外侧贴上光学补偿膜。富士通公司为增加TN LCD的视角而开发出碟状补偿膜(discotic films)。该补偿膜主要是在面板处于暗状态时进行补偿，以提高对比度。优势：技术简单，沿用生产线，成本得到控制，技术门槛低。缺陷：不能对任意灰阶任意角度进行补偿。
MVA垂直取向技术
未加电压利用凸起物使得液晶分子长轴垂直于屏幕，施加电压则使长轴倾斜于屏幕，透射率上升，以此实现光线调制，改善可视角度。广泛应用于投影型反射式和直视型透射式的显示器件中。唯一不需要摩擦取向制程而改善视角的技术
IPS型

3.4 场序驱动

LCD场序驱动，即将原始图像分为三基色子图像，依次显示子图像，最后视觉延迟即可产生一样彩色图像。这意味着液晶反应速度至少要提高三倍，要求液晶至少应该具备快速开关能力的效果。场序驱动的最大优势在于不在需要彩色滤光膜了，大幅提高LCD的光效。原5%的显示效率可提高到15%。最大缺点是存在彩色分离，这一点可以提高刷新率去改善。

posted on 2024-07-17 16:51 dytu_153 阅读(130) 评论(0) 编辑收藏举报

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