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要全面、深入了解液晶显示器件必须对上述提及的领域有一定的知识面。

2．LCD技术的发展过程

自1968年第一块液晶显示器延生以后，LCD发展经历了5个发展阶段。

第一阶段（1968～1972年）：

1968年美国RCA公司研制了动态散射型液晶显示器，1971～1972年制造出动态散射型液晶手表，LCD技术从此走向实用化阶段。

第二阶段（1971～1984年）：

1971瑞士人发明了扭曲向列型（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。

但是由于TN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显示及简单字符型显示。

第三阶段（1985～1990年）：

1985年后，由于超扭曲（STN）液晶显示器的发展及非晶硅薄膜晶体管（α-SiTFT）液晶显示技术的发明，使LCD技术发展进入了大容量显示的阶段，即进人大信息容量显示的膝上电脑、笔记本电脑、电子翻译机等。

第四阶段（1990～1995年）：

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年以后）：

LCD已在笔记本电脑中普及应用。

从1998年开始，TFT-LCD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基本解决。

液晶显示器的性能在不断提高的同时，价格以5年降价3／4的经验规律大幅度下降，使LCD技术得到广泛的应用与推广。

我国的液晶显示技术研究始于1969年，基本上与世界同步，但是真正形成液晶显示产业则是在1980年以后，到目前为止，大体上经历了4个阶段。

第一阶段（1980－1984年）：

国内先后引进了3条l0.3cm基片玻璃的LCD生产线，主要用于生产手表、计算器和一些仪表的液晶产品。

目前这些生产线巳停产或被改造。

第二阶段（1985－1990年）：

国内先后引进5条17.9cm生产线，目前大部分还在生产。

第三阶段（从1989年始）：

引进30.6cm×

35.7cm、35.7cm×

35.7cm（40.8cm）TN-LCD生产线，这些线产量大，设备较先进，成品率高，是目前主要的TN-LCD生产线。

与此同时，台、港、新加坡商人也纷纷在广东、福建设厂，以生产低档TN-LCD为主。

第四阶段（从1992年始）：

开始引进35.7cm×

35.7cm或30.6cm×

35.7cmSTN-LCD生产线，除个别厂能正常大批量生产外，由于技术不过关，因此大多数生产厂难以大批量生产高档STN-LCD产品。

2000年长春市从日本DTI引进第一条小尺寸TFT生产线。

总的来说，目前我国是TN-LCD生产大国，STN-LCD生产量不大，TFT-LCD产品还是缺门。

由于我们不掌握大面积TFT矩阵制造工艺，使LCD产品停留在较低的水平。

3．液晶显示的特点

在各类显示器件特性比较中，液晶具有下列独到的特点：

（1）低压、微功耗

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10﹣6～10﹣5W／cm2。

这是任何别的显示器件做不到的。

液晶的低压、微功耗正好与大规模集成电路的发展相适应，使电子手表、计算器、便携仪表、手提电脑、GSP电子图成为可能。

（2）平板结构

液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒。

这种结构的优点是：

①开口率高，最有利于用作显示窗口；

②显示面积做大、做小都较容易；

③便于自动化大量生产，生产成本低；

④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。

当然，液晶在黑暗中是本能显示的，但在自然界中，人类所获得的视觉信息中，90％以上是靠外部物体的反射光，而并非靠物体本身的发光，所以被动显示更适合于人眼视觉，不易引起眼部疲劳。

由于是被动显示，外光越强，显示内容也越清晰；

对于主动显示，则外光越强，显示内容的对比度越差，发生“光冲刷”现象。

（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或预甾隔离区，所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素，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。

液晶所能重视的彩色可与CRT显示器相媲美。

（6）长寿命

只要液晶的配套件不损坏，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，而液晶显示中不会出现这类问题。

液晶显示也具有下列缺点：

（1）显示视角小

出于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不一样的，所以视角较小，只有30。

～40。

，随着视角的变大，对比度迅速变坏。

虽然己开发出一系列新工艺，可以大大改善液晶显示的视角，但都会使制造成本大大增加。

（2）响应速度慢

液晶显示大多是依靠在外加电场作用下，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响很大，一般均为100～200ms。

特别在零下几十度低温下，就无法工作。

所以一般液晶在显示快速移动的画面时，质量不好。

目前已有解决的办法，即减薄液晶厚度和在电路上想办法。

液晶器件不适于高寒地区军用，也不适用于高热地区军用，因为高温会破坏液晶的定向层，造成不可恢复的损坏。

（3）由于是非主动发光，暗时看不清

虽然可以用加背光源解决此问题。

如亮度、对比度达到主动发光显示器件（如CRT）程度，则低功耗的优点也就不存在了。

第二章液晶显示的基础知识

液晶显示（LiquidCrystalDisplayLCD）器件是众多平面显示器件中发展最成熟、应用面最广、已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显示器件。

它在显示器件市场中的产值占有率超过CRT显示器件已是指日可待，究其原因是由于液晶自身的一系列无可比拟的特点和相关配套技术的发展所决定的。

第一节液晶的相关知识

一、液晶的概念

液晶是一种几乎完全透明的物质。

在物理学上把物质分为三态，即固态、液态和气态。

通常固体加热至熔点就变成透明的液体。

然而有些有机材料不是直接从固体转变为液体，而是先要经过一个中间状态才能转变为液体，这种中间状态外观是流动性的浑浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射性。

普通的无机物或有机物分子在晶格结点上作有规则排列，即三维有序。

这种结构使晶体具有各向异性。

在一定压力下，晶体具有确定的熔点，熔点以上呈液态，晶体所具有的各种特征均消失，变为各向同性的液体。

熔点是晶体的灵敏的特征数值，物质纯度越高，固-液转变区间越窄。

上述的处于中间状态物质，一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有象晶体一样的各向异性。

显然，处于中间状态下的物质仍保留着晶体的某种有序性，只有这样才会在宏观上表现出物理性质的各向异性，这种分子排列具有方向性的流体就称为液晶。

二、液晶的种类

液晶的种类很多，自然存在的和人工合成的液晶多达千种，但他们基本上都是有机化和物。

按液晶相形成的条件来归纳分类，液晶可以分为热致液晶、溶致液晶、感应液晶及流致液晶。

1、热致液晶

热致液晶是当液晶物质加热时，任某一温度范围内呈现出各向异性的熔体。

目前，用于显示的液晶材料基本上都是可工作于室温的热致液晶。

液晶分子多为长度为几十埃，宽度为几埃。

细长形状。

热致液晶因分子排列有序状态不同，又分为近晶液晶（Smectic），又称层状液晶；

向列液晶（Nematic），又称丝状液晶；

胆甾相液晶（Cholesevic），也称螺旋状液晶。

这三种热致液晶的分子结构示意图如图2-1所示。

（a）近晶相液晶（层状液晶）（b）向列相液晶（丝状液晶）

（c）胆甾相液晶（螺旋状液晶）

图2-1近晶相、向列相和胆甾相液晶的分子排列示意图

（1）近晶相液晶（S型）

Smectic一词由希腊语而来，因为这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中，都显示特有的偏光显微镜像，因而命名为皂相。

分子分层排列，有同一方向，比较接近晶体，故译成近晶相。

近晶相液晶由棒状或条状分子组成，分子排列成层状，层内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面倾斜排列。

因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。

分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但层内分子之间作用力大（粘滞系数很大），层间分子作用力小，不能在上下层之间移动，每层厚度约2～3A。

因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温的范例内。

近晶液晶粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件，多用于光记忆材料。

（2）向列相液晶（N型）

Nematic也是由希腊语而来，液晶的薄层在偏光显微镜下观察时，呈现丝状型结构，故称之为丝相。

他子位置杂乱，但方向大致一致，故译向列相。

向列相液晶由长、径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，分子不能排列成层，能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近似平行。

从宏观上看，向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序，并可在三维范围内移动，可以象液体一样流动，所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特性（折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同），而在电学上又具有明显的介电各向异性，这样，可以利用外加电场对具有各向异性的向列相液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示的目的。

向列相液晶已成为现代显示器件中应用最为广泛的一种液晶材料。

此外，与近晶相液晶相比，向列相液晶的粘度小，富于流动性。

产生这种流动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。

事实上不上向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。

向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。

（3）胆甾相液晶（CH）

由于这种液晶最早是从胆甾醇类物质中发现的，是胆甾醇在经过脂化或卤素取代后，呈现液晶，故称之为胆甾相。

这是一种分子成扁平状，排列成层状的液晶材料，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。

向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。

胆甾相液晶在显示技术中很有用，TN、STN、相变（Pc）显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的。

2、溶致液晶

溶致液晶是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。

溶致液晶至少由两种成分组成，其小之一是溶剂。

大多数溶致液晶可以看作是疏水性长

烃基链一端结合有亲水性极性基的两性化合物的水溶液。

肥皂水就是溶致液晶，具有双折射

特性，使肥皂泡表面具有彩虹色彩。

溶致液晶也可以是有机溶液，如某些芳香类的溶剂。

不过相对应的溶质应是另一类双亲

分子。

溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中，与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知

觉、信息传递等现象密切相关。

所以在生物工程、生命、医疗卫生和人工生命等研究领域倍

受重视。

在显示技术上溶致液晶、感应液晶和流致液晶尚无应用，故此处不作进一步介绍。

三、液晶的基本性质

1、边界取向性质

当无外场存在时，液晶分子在边界上的取向很复杂。

在最简单的自由边界上，液晶分子的取向会随液晶材料的不同而不同，可以垂直、平行或者倾斜于边界。

如果边界是一层刻有凹凸沟槽的取向膜，则凹凸沟槽对液晶分子的取向起主导作用，通过摩擦，液晶分子就朝沟槽的这个方向取向。

2、电气性质

两平行极板间注入液晶，当在上下极板之间加一电场时，电极板之间的液晶分子长轴就会沿着电场的方向排列，这就是液晶的电气性质，它是实现液晶显示的基础。

3、旋光性质

扭曲排列的液晶具有旋光性质，即入射光的偏振面能沿液晶的扭曲螺旋轴随液晶排列方向旋转。

这种旋光性质被应用在具有极大市场的显示器和光调制器上。

第二节液晶显示的基本知识

一、液晶显示器件的工作原理与特点

液晶显示器的制作是将两块带透明电极（ITO）的玻璃基板用数微米直径的玻璃珠或塑料珠隔垫，边缘用胶固定，注入扭曲向列相液晶，液晶在上下基板之间扭曲90度，上下基板外侧附着两片光轴互相垂直的偏振片。

上侧的偏振片光轴与上侧基板处的液晶取向平行，下侧的偏振片光轴与下侧基板处的液晶取向平行。

自然光自上基板至下基板入射液晶屏，不加电场时光线通过第一块偏振片变为平行上基板处液晶取向的偏振光，偏振光被液晶层旋光，转过90°

后正好与下基板处偏振片的光轴相平行，可以透过，作为显示器的亮态；

加电场时液晶分子沿电场方向竖起，原来的扭曲排列变为垂直平行排列，偏振光与垂直排列的液晶不作用，透过第一块偏振片的偏振光通过液晶层时偏振面不再发生旋转，到达出射端的偏振片时，偏光轴与出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈现暗态。

如果电场不特别强，液晶分子处于半竖立状态，旋光作用也处于半完全状态，则会有部分光透过，呈现中间灰度。

这就是液晶显示器的工作原理。

简单来讲，液晶显示器件的工作原理就是依靠外电场（也可以是光、热）作用于初始排列的液晶分子上，依靠液晶分子的各向异性和偶极矩的特点，使液晶分子的初始排列发生改变，调制通过液晶器件的外界光，使液晶器件发生明与暗、遮与透和变色等效果，达到显示的目的。

因此外加电压，必须达到一定强度，即超过液晶显示器件的阈值和维持一定时间，液晶显示必须时刻牢记下列三个特点：

①液晶在直流电压作用下会发生电解作用，所以必须用交流驱动。

并且限定交流成分中的直流分量不大于几十个毫伏；

②由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹件连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于103Hz情况下，液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关；

③液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。

二、背光照明系统

液晶本身不会发光，只会调制光，所以许多使用LCD的场合，例如电视机、计算机、GPS、PDA、VCD、DVD、手机、股票机等都需要背光源系统。

按背光源的性质有如下分类：

热阴极型，即ф1.5mm或ф3mm小型白炽灯，在电子手表中用过，现在巳陆续被淘汰；

场致发射发光和有机发充二极管发光从理论上讲是一种不错的背光源，但价格昂贵，属于大材小用，不会获得工业应用。

在背光源发展过程中，也曾使用热阴极荧光灯和平面荧光灯（VFD），它们已被淘汰或逐步被取代。

下面对其余背光源系统分别予以介绍。

1．发光二极管（LED）背光照明系统

LED背光照明系统可分为底发光式和侧发光式两种。

发光面积稍大最好采用底发光式，它由多个LED管芯均匀地分布在PCB板上，各LED为串联、并联或串并联。

供电后，LED管芯发光，通过透明硅胶、反射腔和扩散膜的共同作用得到高亮、均匀的平面发光效果。

底发光式LED背光照明结构如图2-4所示。

但是这类背光照明系统厚度稍厚一些，为4～7．5mm。

当发光面积较小时可用侧发光式，它由多个LED芯片排成－排，形成线光源，置于导光体的侧面（有单侧发光和双侧发光两种），LED芯片排所发出的光，通过导光体和扩散膜反射、折射和散射，最终形成均匀的发光面。

目前侧发光式的照明效果优于底发光式的，并且厚度也只有0.5～3.5mm，被广泛地采用。

2．电致发光（EL）背光照明系统

电致发光是一种面发光冷光源，是全固态平板结构、耐震动、薄形、可省掉漫反射导光板。

封装型电致发光板的厚度为1mm。

包膜型电致发光板的厚度为0.3mm。

它作为背照光源的一个好处是可以大范围调光，环境温度对发光影响很小。

但是EL的供电和驱动相对复杂一些，并且在工作过程中亮度会逐渐下降。

粉末电致发光板生产技术成熟，可以低成本大量生产，可发绿、蓝绿、橙等多种颜色，用滤色法还可实现白色及其他颜色。

虽然亮度比荧光灯低，但是已广泛应用于中小型LCD器件。

3．冷阴极荧光灯（CCFL）背光照明系统

这是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉面发光的光源。

由于光致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，是一种色温高、亮度高的理想光源。

这种光源可制成准确的三基色，所以曾经是彩色液晶电视的最佳光源。

冷阴极荧光灯管背光照明系统也可分为反射式与侧导光式两种。

反射式的基本结构如图

2－5所示。

它由数根平行排列的冷阴极荧光灯管、底背面的反射板和为实现表面亮度一致的漫散射板组成。

目前多用于户外需要高亮度场合，如汽车导航彩色TFT－LCD和高亮度航空仪TFT－LCD（STN-LCD）显示中。

现在光源已采用U形和W形灯管来取代多根灯管，但是使用量已越来越少。

大型液晶显示器用背光照明系统是平板背光照明系统的主要市场，主要用于笔记本PC的液晶显示器、台式液晶显示器等处。

如用多支荧光灯的直下式背光照明系统，厚度一般为15～20mm，重量大于0.5kg，功耗约为10W，而用侧导式单管（CCFL）背光照明系统，厚度只有3～5mm，重量约为100g，功耗约为1W左右，它的结构完全符合便携式设备的狭框架、超薄型、重量轻和低功耗的要求，已成为大型液晶显示设备中首选的配套产品。

（1）侧导光式CCFL背光照明系统基本结构

侧导光式CCFL背光照明系统的结构示意见图2－6。

基本过程为：

冷阴极灯管所发射的光经过聚光板的聚光后导入光导板，利用光在光导板两面的临界反射（全反射）将光导至光导板末端。

在光导过程中部分光散射漏出，并射于系统表面。

为了利用反面漏出的散射光，设置了反射板；

为了缓解辉斑设置了扩散板；

为了增加正面发光强度，又增加了棱镜板。

它符合薄型要求，只能获得高亮、均匀的平面光源。

几乎所有笔记本比和各种大型的LCD都使用这种方式的背光照明系统，已成为大型LCD器件中背光照明系统的主流产品。

（2）冷阴极荧光灯（CCFL）

侧导光式背光照明系统所使用的直线型冷阴极荧光灯，早期直径为3.6mm，现在主流产品为直径1.6mm、1.8mm、2mm等。

直径变细可以提高发光效率，管径为1.8mm时，发光效率最高，所以再细就没有必要，反而增加制造工艺的困难。

冷阴极荧光灯通常使用几十千赫兹的逆变电路，通过高频开启来减少阴极电极损耗，这部分占冷阴极荧光灯功率的1／3以上，还有改进的余地。

（3）入射光学系统和导光板

为了减轻重量，用树脂材料制作的光导板被做成了楔形。

为了更有效地将灯管发出的光射入光导板，最好将光导板的射入部分做厚和将聚光板做大，以减少灯管自身所遮去的光，但这与薄形、狭边框的要求相冲突。

对于直径2.6mm的灯管，采用3mm厚的光导板，则射入效率为50％左右。

光导板由高折射率的树脂制作，利用全反射进行光导。

其下层光散射体是用丝网印刷印制的100μm～1mm白色的圆形、蜂窝形或正方形的图案，其分布密度为由入射部到末端由疏渐密，具体光点疏密程度的分布与光导板侧面的聚光和灯管亮度分布有关，目的是获得均匀的亮度分布，可用计算机进行光路分析模拟，再用试验校正，反复几次。

最先进的光导板是在下侧设计了微小的凸凹光点将光散射出去，可以省去丝网印刷工序。

（4）棱镜板

棱镜板是用聚脂片和聚碳酸脂制作，厚度为150～230μm，间距为24～ll0μm。

置于扩散板之上时作为双凸透镜，可以会聚并定向性给出照明光线，以提高光源正面亮度。

单片棱镜板可使光源的面发光亮度改善1.6倍左右，两片棱镜板可以改善2倍以上。

4.液晶电视RGB-LED背光系统

2010年下半年在国外各大液晶电视巨头厂商发布的新品中，RGB-LED（三色LED背光，不同与我们平时所说的白色LED）背光系统凭借耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快等多项优势几乎已被全数应用这些厂商的新品中。

顺应平板电视轻薄化、大屏幕化、高画质化的发展趋势，

RGB-LED背光系统结合自身的诸多优势势必逐步将传统CCFL背光系统从液晶电视中替代。

回顾国内市场，最先与大家见面的RGB-LED背机型只有索尼和三星两家的70英寸机型，高昂的价格只能让消费者更多地去敬仰这些产品，而无法通过实际的使用去体会到RGB-LED背光系统为液晶电视缩带来的一股全新技术变革。

鉴于全新的RGB-LED背光系统将在以后逐步成为引领液晶电视市场发展的主要技术，在此向大家揭示一下LED背光系统对于液晶电视发展所起到的重要作用。

LED发展回眸一瞬：

从笔记本电脑起家QualiaTV太超前的观念即将结束

“在LED背光技术发展之初，该技术的成本及优势还在经受LCDTV和显示器制造商权衡时，LED的优势尚有许多不确定之处。

这也是报告中对LED背光源市场预测保守的主要原因。

”DisplaySearch显示技术部门负责人SteveJurichich解释说。

索尼2004年推出极高端LED背光QualiaTV而遭遇滑铁卢的教训让制造商们行动更加谨慎。

毕竟这一拥有450颗单个RGB-LED的Qualia电视太超前了，也太昂贵了。

也就从那时起，白色LED背光模组的市场被大大局限在笔记本电脑和便携式PC上，白色LED在这些应用中占有非常明显的优势。

如耗能低，在长距离飞行中可大大延长笔记本电脑的工作时间。

从2005年起，包括索尼11英寸的VAIO、Fu