液晶显示器如何工作？什么是 LCD？- 详细技术说明

液晶

1.1. 什么是LCD

我们都知道物质有固态、液态、气态三种状态，这三种状态又可以称为固相、液相、气相。自然界中大多数物质随温度变化呈现固态、液态、气态。如水、盐，以及元素周期表每一个元素组成的物质。它的组成单元，如水分子或硅原子，基本都是像小球一样，随着温度的降低或温度的升高，组成单元的排列由后来的无序排列，转变为整齐有序的排列。也就是从液相变成气相或固相。在晶体中，组成单元的有序排列，是指每个组成单元都处于一定的位置，不易流动，排列有规律，人们只要知道它的排列规律，就可以从一个组成单元出发，按照规律找到另一个单元，严格的空间有序排列。除了我们熟知的固态、液态、固态之外，有些物质，在由固态变成液态的过程中，并不是直接从固态变成液态，而是给出一个中间状态。外观呈浑浊液体的中间状态的物质。但其光学性质和某些电学性质与晶体相似。

具有各向异性，如双折射等特性。随着温度的升高，各种浑浊的物质会随着温度的升高而变成清澈均匀的液体。反之，这类物质由液态变成固态时，也要经过一个中间态。凡是在一定温度范围内既能具有液态又能具有晶体状态的物质，就称为液晶，又称液晶相、中间相或中间相，也被称为物质的第四态。

1.2. 液晶的起源

液晶最早是在1888年由奥地利植物学家F.莱尼茨尔发现的。在测量某些物质的熔点时发现，某些物质（苯甲酸酯和脂甾醇的酯类）在熔化后会经过一种不透明的白色浑浊液体状态，发出五彩缤纷的美丽光泽，变成透明液体。1889年，德国物理学家O.莱曼用他当时设计的带有加热装置的偏光显微镜观察了这些脂类化合物。他发现这种白色浑浊物质在外观上看起来像液体。但它却表现出各向异性晶体的双折射特性。因此莱曼将它命名为“液晶”。这就是LCD的由来。

详情请参阅这篇文章：《液晶显示器是如何发明的？屏幕显示技术的演进史》

1.3. LCD类型：

随着科学的发展和人们认识的提高，发现液晶物质基本上都是有机化合物，现存的每200种有机化合物中就有一种呈现液晶相。从组成成分和液晶相出现的物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类。有些有机物质在加热溶解时，由于加热破坏晶格而形成液晶，这种液晶称为热致液晶，也就是前面几位提到的有些物质因加热而出现液晶相。同样，有些有机物质放在某种溶剂中，由于溶剂破坏晶格而形成的液晶称为溶质液晶，是由于溶液浓度变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。目前，绝大部分显示材料都是热致液晶，至今已发现的液晶有20,000万多种。

在众多的液晶中，研究最多的液晶是由简单的棒状有机分子组成的单元液晶，在显示技术中的应用最为广泛。各类分子通常具有如图（1）所示的结构：分子的刚性核心由两个苯环和中间的功能基团组成，核心两端有较软的烷基或其他较软的有机分子链，如图（1）所示，熔融链中存在环氧树酯结构，使分子成为手性分子。

根据液晶分子排列方式的不同，可分为向列液晶、胆甾相液晶和近晶相液晶三类。

图1）

1.3.1向列液晶：

向列相液晶分子种类的重心比较混乱、无序，使其能够像普通液体一样流动，但分子棒的指向大致相同，如图（2）所示

1.3.2胆甾液晶：

在胆甾相液晶中，分子重心的排列是无序的，但分子的取向

矢量大致指向平面中的一个方向。指向垂直于该平面的方向。分子的指向矢​​将旋转形成螺旋结构，如图（3）所示：

1.3.3 近晶液晶：

在近晶相液晶中，分子形成层层结构，分子层厚度约为一个分子的长度，分子排列垂直于分子层平面，分子重心在分子层内无序排列，形成层层相间的二维流体。如图（4）所示

图(2)(3)(4)

综上所述，液晶大致可分为上述三类。各类液晶由于结构不同，物理性质也各有不同。由于热致各向异性的液晶材料在室温以上有特殊的稳定温度范围。只有该类液晶才可作为显示材料。由于其晶体结构十分坚固，很容易受到电场、磁场、温度应力、吸附杂质等外界影响。因此，其光学性质很容易发生改变。液晶这种脆弱的分子排列，正是液晶如今拥有广阔市场的关键条件。

2.液晶显示器

液晶具有固定的偶极矩，因此施加电场可以移动液晶分子的轴线，液晶分子的排列方式就会发生改变，从而改变其光学性质，达到显示效果。这就是液晶作为显示器的基本原理。

2.1. 什么是LCD显示屏：

利用液晶的各种电光效应，在一定条件下把电场、磁场、光、温度等边界条件的变化转换成视觉信号，这就叫液晶显示器，通常用LCD来表示。液晶最早于1968年XNUMX月由美国RCA公司用于显示器的制造，现已广泛应用于钟表、计算器、仪器仪表、手提电脑、移动电话、寻呼机、电子宠物、袖珍彩色电视、大型平板显示器、投影电视等家用、工业和军事显示领域。

2.2.液晶显示器的优缺点：

信息显示技术随着信息社会化的发展越来越重要，而液晶显示器相对于其它显示器有很多优点；平板显示，体积小，重量轻，便于携带；功耗低，驱动电压低；使用寿命长，一般在50,000万小时以上；不含有害射线，对人体无害；无源显示，不易被强光冲刷；驱动方便，可用大规模集成电路直接驱动；结构简单，没有复杂的机械零件；工程造价低。

随着液晶显示器的广泛应用，人们也能发现一些缺点：由于它是被动元件，本身不发光，所以需要依赖其他光源才可以在黑暗中可见；可视角度有限；响应速度（30ms-120ms）不如其他元件；寿命还不能成为半永久性元件。

3.LCD的分类

3.1液晶显示器的种类很多，按显示方式可分为透射式、反射式直视式和投影式显示器。

3.1.1透射式液晶显示器的北侧装有荧光灯、场致发光电极等光源，因此在昏暗的环境光下也能使用。

3.1.2反射式是在LCD背面的玻璃基板外侧贴上一层铝箔光反射片，将LCD的入射光反射后进行显示。在TN、STN两种方式中，在后玻璃基板上贴有偏光片和皱纹反射片。这种反射式充分利用了不发光LCD的低功耗特性。

3.2利用光电效应产生的LCD，大致分为以下几种类型：TN-LCD、STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD。

 3.2.1 TN-LCD即扭曲向列液晶显示器。我们都知道液晶分子基本是平行于基板排列，但上下液晶分子的取向是扭曲的，整体扭曲900，TN-LCD是出现最早、应用最广、规模最大、价格最便宜的显示器。TN-LCD的制造工艺基本成熟，目前主要在新加坡、台湾、中国大陆等地区生产。现在中国是TN-LCD的主要生产基地。我们平时在电子表、计算器、游戏机等中见到的液晶屏，大多都是TN-LCD。

3.2.2 STN-LCD是Super Twist Liquid Crystal Display的缩写。即超扭曲向列液晶显示器。它在结构上与TN-LCD类似，所不同的是它的扭曲角度不是90°，而是在180~270之间，虽然只是扭曲角度，但其工作原理与TN-LCD完全不同。STN-LCD是目前LCD生产中的中档产品，具有比TN-LCD显示信息量大的特点，主要应用于各种仪器仪表、汉字显示机、记事本、笔记本电脑等。STN-LCD的制造工艺已基本成熟，但主要技术掌握在日本、韩国等少数国家手中，国内有十余家STN-LCD制造公司。

3.2.3 HTN-LCD是Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display的缩写。即高度扭曲的向列液晶显示器。HTN-LCD的结构与TN-LCD、STN-LCD类似，只不过HTN-LCD的扭曲角度为100°~120°，介于TN-LCD和STN-LCD之间。目前HTN-LCD的数量不多，其性能介于TN-LCD和STN-LCD之间。

3.2.4 FSTN-LCD 是 Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的缩写。这个 Film 指的是补偿膜或者相位差膜，所以 FSTN-LCD 又叫补偿膜超扭曲向列液晶显示器。STN-LCD 的缺点可以通过经过特殊处理的补偿膜来克服。

3.2.5 TFT-LCD是采用薄膜晶体管的有源矩阵液晶显示器，是目前液晶显示器市场上档次最高的产品，主要应用于笔记本电脑、液晶电视等。TFT-LCD的制作工艺比较复杂，价格也较高。目前，日本、韩国是世界上生产TFT-LCD比较成熟的国家，在我国，只有吉林省计划投资建设TFT-LCD生产线。

4、LCD的结构、工作原理和主要技术指标（以TN-LCD为例）。

4.1 液晶结构  

① 偏光片；② 基板玻璃；③ SIO2阻挡层；④ 电极；⑤ 取向膜；⑥ 密封框架；⑦ 过渡电极；⑧ 液晶；

4.2液晶显示屏的工作原理：

要了解 LCD 的工作原理，我们首先需要了解光。这是一种电磁波。也就是说，电磁场以波的形式传播。人眼可见的光的波长范围大致在 380 纳米至 780 纳米之间。

通常光沿直线传播，光波的振动方向垂直于光的传播方向。对于自然光（例如阳光），在垂直于光传播方向的各个平面内，光波的振动方向都是随机均匀分布的。

如果光波振动的方向沿着一个方向，这样的光就叫做偏振光，这个振动方向叫做偏振方向，偏振方向与光波的传播方向构成的平面叫做振动平面。

偏光片具有固定的偏振轴，其作用是只允许振动方向与其偏振轴方向一致的光线通过，振动方向与偏振轴垂直的光线将被其吸收，这样当自然光线经过液晶盒的入射偏振片（称为其偏振片）时，只有与偏振片偏振轴振动方向相同的光线才能通过。

即线偏振光。偏振光通过液晶盒后，通过起偏镜（称为检偏镜）射出。这样，光是否通过检偏镜取决于线偏振光通过液晶盒后的偏振状态。从而控制通过检偏镜的光的状态，实现显示。

具体来说，TN型液晶盒内的液晶分子形成扭曲结构，在一定条件下，入射光的偏振态将沿着液晶分子的扭曲方向发生旋转，液晶分子长轴被扭曲90°，从而产生90°的旋光性；当在两片玻璃片上的电极上加一定的电压时，液晶分子转变为垂直于上下玻璃片的排列，扭曲结构消失，从而产生XNUMX°的旋光性，这种电光效应称为扭曲电场效应。

对于黑白液晶显示屏来说，上下偏光片是正交放置的。也就是偏振轴互相垂直，入射的自然光经过偏光片后变成平面偏振光。当液晶盒内不加电场时，偏振光会沿着分子的扭曲结构发生90°的扭转，振动方向变得和检偏片的偏振轴一致，因此可以顺利通过检偏片，此时显示器处于透明状态，处于非显示状态，驱动电路将驱动信号电压加到需要显示的相关电极上，这部分液晶分子的扭曲结构消失，失去光能。从偏光片出来的偏振光不加变化就直接到检偏片去了。由于它的偏振方向和检偏片的轴垂直。偏振光将无法通过检偏片，这样通过信号电压的那部分电极就会呈现黑色，处于显示状态。

4.3液晶显示屏主要技术指标：

4.3.1电光响应特性：

液晶显示器的相对透光率随着外界信号电压的变化而变化，这就是电光响应特性，是最重要的特性之一。

4.3.2 对比：

液晶显示器的对比度是显示状态与非显示状态的相对光透过率之比，对比度≥5时，图像清晰。

4.3.3 观点：

LCD的对比度与视角(即人眼的观看角度)有关，对比度随观看角度变化的特性称为视角特性。视角特性指标。一般会确定一个对比度的最小可接受值，考察对比度大于此值的视角范围，此范围称为视角锥。例如当LCD的对比度=3视角值时，它的上视角为10°，它的下视角为40°，它的左右视角均为30°。

视角是观看方向与显示设备法线之间的夹角。观看方向（最佳视角象限）：扭曲向列液晶显示器有一个最佳观看方向，一般正视角（正视角）就是由这个方向的θ角决定的。

LCD相对于其他显示器的一个缺点是视角范围较窄。如果盒厚与液晶折射率各向异性的乘积△n*d=0.5微米左右，器件的视角特性将得到很大的改善。但其制造环境要求较高。

4.3.4 响应时间：

液晶显示器经常显示变化的图像，人眼的反应时间在几毫秒量级，因此对显示图像变化和信号电压变化的响应不应低于这个速度。描述液晶显示器动态特性的响应时间通常用延迟时间、上升时间和下降时间三个常数来表示。

4.3.5功耗：

功耗就是LCD工作所消耗的能量，一般在微瓦/平方厘米数量级，低功耗是LCD最大的优点之一。LCD的功耗取决于显示面积、驱动电压及频率、液晶的电阻率、介电常数及盒厚等。其中，液晶的正电阻率容易随着液晶受到污染而急剧下降。因此，液晶的正确保存非常重要。

4.3.6温度特性：

我们知道液晶材料只有在一定的温度范围内才会呈现液晶状态，而且即使在液晶状态的温度范围内，温度的变化也会影响液晶材料的物理参数。如粘度、介电常数、弹性常数等。

5.制造液晶显示器所用的原材料和液晶显示器的制造过程。

5.1 LCD制造所用原材料是指LCD生产出来后，残留在产品中的原材料。主要包括：ITO玻璃液晶、偏光片、PI液、丝印胶（印框胶、导电胶）、封口胶、Ni粉、塑料垫片等。一般来说，LCD的三大主要原材料为：液晶、ITO玻璃、偏光片。LCD制造的辅助材料是指在生产过程中使用，并不存在于最终产品中的原材料，例如：光刻胶及稀释剂、NMP、PI稀释剂、BC液、SiO2稀释剂、砂布、异丙醇、乙醇、丙酮、清洗剂、酸、碱等。

5.2 以上就是我们所了解的LCD使用的原材料，其实LCD制造工艺、LCD生产过程就是这些原材料的加工、组合过程，具体工艺流程图如下：材料准备；清洁、干燥；涂胶；正烤；曝光；显影；硬片；蚀刻；去膜；涂配向膜；预干燥、固化；定向；丝印；铺膜；贴合（组合）；固化；切割；灌LC；灌封（点胶、灌胶）；清洁；小裂痕、清洁；改向（烘烤）；目检；电检；裁切粘贴；终检；包装；入库