1888年，奧地利植物植物學(xué)家萊尼茨爾發(fā)現(xiàn)了液晶，它是一個(gè)奇怪的有機(jī)化合物，分別有兩個(gè)熔點(diǎn)，把它的固態(tài)晶體加熱到145℃時(shí)，便熔成液體，只不過是渾濁的，而一切純凈物質(zhì)熔化時(shí)卻是透明的。如果繼續(xù)加熱到175℃時(shí)，它似乎再次熔化，變成清澈透明的液體。后來，德國(guó)物理學(xué)家萊曼使用他親自設(shè)計(jì)，在當(dāng)時(shí)作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對(duì)這些脂類化合物進(jìn)行了觀察。他發(fā)現(xiàn)，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性。于是萊曼將其命名為“液態(tài)晶體”，這就是“液晶”名稱的由來。萊尼澤和雷曼后來被譽(yù)為液晶之父。液晶自被發(fā)現(xiàn)后，人們并不知道它有何用途，直到1968年人們才把它作為電子工業(yè)上的的材料。

自1968年第一塊液晶顯示器誕生后，LCD的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了5個(gè)階段：

第一階段（1968—1972）

1968年美國(guó)RCA公司研制了動(dòng)態(tài)散射形液晶顯示器，1972年執(zhí)制造出動(dòng)態(tài)散射形液晶手表，LCD技術(shù)從此走向?qū)嵱没A段。

第二階段（1971-1984）

1971年瑞士發(fā)明人扭曲向列型（TN）液晶顯示器，日本廠家使其產(chǎn)業(yè)化，由于TN-LCD制造成本低，成為20世紀(jì)七八十年代液晶產(chǎn)品的主流。

第三階段（1985-1990）

1985年后，由于超扭曲（STN）液晶顯示器的發(fā)展及非晶體硅薄膜晶體管液晶顯示技術(shù)的發(fā)明，使LCD技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了人大容量顯示的階段。

第四階段（1990-1995）

在有源矩陣液晶顯示器飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，LCD技術(shù)開始進(jìn)入高畫質(zhì)液晶顯示階段。

第五階段（1996年后）

LCD已在筆記本電腦中普及應(yīng)用。從1998年開始，TFT—LCD產(chǎn)品打入監(jiān)視器市場(chǎng)，長(zhǎng)期困擾液晶的三大難題視角、色飽和度和亮度問題已你基本解決。

液晶及其分類

在機(jī)械上具有液體的流動(dòng)性，在光學(xué)上具有晶體性質(zhì)的物質(zhì)形態(tài)被命名為流動(dòng)晶體——液晶。

液晶分為兩大類：溶致液晶和熱致液晶；作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。

低于溫度T1，就變成固體（晶體），稱T1為液晶的熔點(diǎn)，高于溫度T2就變成清澈透明各向同性的液態(tài)，稱T2為液晶的清亮點(diǎn)。LCD能工作的極限溫度范圍基本上由T1和T2確定。

近晶相液晶分子呈二維有序性，分子排列成層，層內(nèi)分子長(zhǎng)軸相互平行，排列整齊，重心位于同一平面內(nèi)，其方向可以垂直層面，或與層面成傾斜排列，層的厚度等于分子的長(zhǎng)度，各層之間的距離可以變動(dòng)，分子只能在層內(nèi)做前后、左右滑動(dòng),但不能在上下層之間移動(dòng)。近晶相液晶的粘度與表面張力都比較大，對(duì)外界電、磁、溫度等的變化不敏感。

向列相液晶分子只有一維有序，分子長(zhǎng)軸互相平行，但不排列成層，它能上下、左右、前后滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)軸方向上保持相互平行或近于平行，分子間短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和運(yùn)動(dòng)比較自由，對(duì)外界電、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力都比較敏感，目前是顯示器件的主要材料。

膽甾相液晶是由膽甾醇衍生出來的液晶，分子排列成層，層內(nèi)分子相互平行，分子長(zhǎng)軸平行于層平面，不同層的分子的分子長(zhǎng)軸方向稍有變化，相鄰兩層分子，其長(zhǎng)軸彼此有一輕微的扭角（約為15分），多層扭轉(zhuǎn)成螺旋形，旋轉(zhuǎn)360o的層間距離稱螺距，螺距大致與可見光波長(zhǎng)相當(dāng)。膽甾相實(shí)際上是向列相的一種畸變狀態(tài)，因?yàn)槟戠尴鄬觾?nèi)的分子長(zhǎng)軸也是彼此平行取向，僅僅是從這一層到另一層時(shí)均一擇優(yōu)取向旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定角度，層層疊起來，就形成螺旋排列的結(jié)構(gòu)，所以在膽甾相中加消旋向列相液晶或?qū)⑦m當(dāng)比例的左旋、右旋膽甾相混合，可將膽甾相轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢?。一定?qiáng)度的電場(chǎng)、磁場(chǎng)也可使膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相易受外力的影響，特別對(duì)溫度敏感，溫度能引起螺距改變，而它的反射光波長(zhǎng)與螺距有關(guān)，因此，膽甾相液晶隨冷熱而改變顏色。

LCD液晶顯示屏的基本構(gòu)造及成像原理

1、背光板：LCD的顯像原理是靠液晶阻擋光線的分量達(dá)到控制明暗，所以必須要有光源才可能在屏幕上看到圖像，所以背光板負(fù)責(zé)為液晶屏顯像提供最基本的光源。

2、下偏光板：背光板送出來的光線方向性不一致，呈放射狀，如果這樣的光線通過液晶分子的扭轉(zhuǎn)，我們?cè)谄聊簧线€是看不到正常的圖像，看到的可能是白茫茫的一片，或者是花花綠綠的色塊，而不會(huì)是我們想看到的圖像。下面的偏光板承擔(dān)了將光線的方向規(guī)范成一致后再送往液晶層的工作。

3、薄膜基板：液晶分子的扭轉(zhuǎn)角度是由TFT控制。

4、液晶：這層液晶分子在TFT控制下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，達(dá)到將方向一致的光線通亮進(jìn)行控制，從而在通往后面像素單元的光線明暗度發(fā)生了改變。

5、彩色濾光片：如果你有幸關(guān)于20世紀(jì)80年代記憶的話，相信你會(huì)記得當(dāng)時(shí)的黑白電視屏幕前經(jīng)常會(huì)有一片彩色的塑料片片，安裝上了這片塑料片后，黑白電視機(jī)似乎變成了彩色電視機(jī)，我們可以看到某些時(shí)候人的臉蛋變粉紅了、嘴唇變紅了、其他的景物都有了顏色，雖然有時(shí)候顏色并不符合實(shí)際。其實(shí)這片塑料片就是彩色濾色片。

液晶本身沒有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色,液晶屏中每個(gè)液晶子像素顯示的顏色取決于色彩過濾器，而不是子像素, 背光源發(fā)出的是白色的光線，白色光線經(jīng)過各種顏色的濾色片后，我們?cè)跒V色片后面可以看到與濾色片對(duì)應(yīng)顏色的光線被傳出，所以在液晶顯示屏中，彩色濾色片的功能是上色，與CRT顯示器的熒光粉功能對(duì)應(yīng)。液晶子像素只能通過控制光線的通過強(qiáng)度來調(diào)節(jié)灰階,只有少數(shù)主動(dòng)矩陣顯示采用模擬信號(hào)控制,大多數(shù)則采用數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)。大部分?jǐn)?shù)字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器（也有的數(shù)字控制采用10位控制器），可以產(chǎn)生 256 級(jí)灰階。每個(gè)子像素能夠表現(xiàn) 256 級(jí),那么你就能夠得到 256×3種色彩,每個(gè)像素能夠表現(xiàn) 16,777,216 種成色，也就是我們常見的所謂1677.7216萬色。因?yàn)槿说难劬?duì)亮度的感覺并不是線性變化的,人眼對(duì)低亮度的變化更加敏感,所以這種 24 位的色度已經(jīng)能完全達(dá)到理想要求。工程師們通過脈沖電壓調(diào)節(jié)的方法以使色彩變化看起來更加統(tǒng)一。

6、上偏光板：原本方向一致光線經(jīng)過了液晶層的扭轉(zhuǎn)后又變得方向不一致，所以如果不把呈漫射狀的光線再次規(guī)整，則在屏幕前看到的依然是白茫茫一片，被液晶扭轉(zhuǎn)過了的光線并沒有體現(xiàn)出來，所以必須在此將漫射光進(jìn)行規(guī)整，使用一片與下偏光片偏光方向正交偏光片將經(jīng)過液晶扭轉(zhuǎn)的光心重新進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，不同角度的光線經(jīng)過上偏光板的亮度不同，所以我們可以在屏幕上可以看到明暗交替畫面，因?yàn)楸黄D(zhuǎn)的光線是經(jīng)過了彩色濾色片的彩色光，所以我們?cè)谄聊磺翱梢钥吹轿覀冃枰膱D像。

無上偏光板

有上偏光板與無上偏光板效果對(duì)比

加上偏光板的完整畫面

LCD的彩色成像原理與CRT一樣，還是通過紅、綠、藍(lán)三基色組成各種顏色。不同的是CRT通過高速電子束擊打三基色熒光粉產(chǎn)生彩色光，LCD通過規(guī)律涂有三基色的濾色片后產(chǎn)生彩色。通過控制濾色片每個(gè)基色下的液晶分子是透過液晶分子的光線亮度發(fā)生變化，從而達(dá)到有不同亮度的基色模擬自然界的各種色彩。由于濾色片在上偏光板的下面，所以造成了LCD屏看成像有視角要求，不過這個(gè)問題現(xiàn)在已經(jīng)解決的相當(dāng)?shù)暮昧恕?/p>

我們知道彩色濾色片的基色排列有不一樣。根據(jù)彩色濾色片基色的位置不一樣，其下面對(duì)應(yīng)液晶分子單元控制順序必須作相應(yīng)的更改，否則顯示出來的圖像只能是花屏。

上圖中的三種彩色濾色片基色排列中條形排列是最為簡(jiǎn)單的，因?yàn)榛帕泻?jiǎn)單成縱橫線，所以控制起來相對(duì)簡(jiǎn)單，但是這種排列順序的排列得到的圖象并不完美，它可能出現(xiàn)顯示的線條粗細(xì)不均勻，而且圖像斜線面的鋸齒現(xiàn)象嚴(yán)重。所以發(fā)展了馬賽克排列狀的綠色片，這種排列可以比較好地解決圖像鋸齒問題，但是這種排列順序依然無法解決線條的精細(xì)顯示問題，這種排列得到的圖象線條可能有時(shí)正常，但是有時(shí)候卻會(huì)粗細(xì)不一，所以戴爾形排列得彩色濾光片產(chǎn)生了，這種排列可以很好地解決鋸齒、線條粗細(xì)均勻的問題，但是這種排列的液晶分子控制是最復(fù)雜的。

液晶顯示的主要工作模式

由液晶顯示基本原理而派生出多種工作模式，主要有：TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。目前，扭曲向列型液晶（TN）即將淘汰，超扭曲向列型（STN）和有源矩陣（TFT）已成熟普及。

扭曲向列（TN）液晶顯示器

扭曲向列（TN 是英文Twisted Nematic的字頭縮寫）液晶是帶有90o扭曲的向列液晶。扭曲向列液晶顯示器是在上世紀(jì)七十年代出現(xiàn)的，它除了具備液晶顯示所需的基本特點(diǎn)外，還具有對(duì)比度高、制作技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。目前在便攜式計(jì)算器、鐘表、儀器儀表中大量使用的多是這種類型的液晶顯示器。目前國(guó)內(nèi)液晶顯示器廠家生產(chǎn)的也多是這類產(chǎn)品。

扭曲向列（TN）液晶顯示器是由兩塊ITO玻璃板之間夾著扭曲向列（TN）液晶材料形成的，液晶的厚度一般為5μm，其具體厚度與液晶材料的雙折射率有關(guān)，在上下ITO玻璃基板上面涂一層取向?qū)樱靡壕Х肿优c取向?qū)颖砻娴南嗷プ饔昧?，利用液晶分子與表面摩擦定向方向平行排列并帶有2—3o的傾斜角如圖所示。上下基片摩擦定向方向成90o，使液晶分子扭曲成90o，同時(shí)液晶中摻入少量手性劑材料，起到?jīng)Q定液晶分子扭曲方向的作用。在上下玻璃基片的外側(cè)貼有偏振片，偏振片的光軸與玻璃基片的摩擦方向一致，從而在液晶顯示屏上得到常白的顯示。當(dāng)入射光偏振面隨液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)90o，使偏振光通過偏振片，即得到亮態(tài)。當(dāng)施加電壓時(shí)正性液晶分子隨電場(chǎng)方向排列，線偏振光偏振面不變，偏振光不能通過出射光一側(cè)的偏振片得到暗態(tài)，所以液晶顯示器就是一個(gè)電控制的光閥。但由于扭曲向列（TN）液晶顯示器目前在參數(shù)最佳化的條件下，它實(shí)際上最大的掃描行數(shù)只能達(dá)到32，信息容量很小，而且由于它只能做成黑白、單色、低對(duì)比度（20：1）的液晶顯示器，視角只有30o，比較狹窄，面板尺寸最大只有三寸，所以在很大程度上限制了他的應(yīng)用范圍。目前只能用在電子表、計(jì)算器、簡(jiǎn)單的掌上游戲機(jī)上。

薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器

薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器是在扭曲向列（TN）液晶顯示器中引入薄膜晶體管開關(guān)而形成的有源矩陣顯示，從而克服無源矩陣顯示中交叉干擾、信息量少、寫入速度慢等缺點(diǎn)，大大改善了顯示品質(zhì)，使它可應(yīng)用到計(jì)算機(jī)高分辨率全色顯示等領(lǐng)域。目前采用的薄膜晶體管（TFT）是建立在非晶硅薄膜晶體管（α-Si TFTAM-LCD）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的。

在下層玻璃基板上建有TFT陣列，每個(gè)像素的ITO電極與TFT漏電極聯(lián)結(jié)，柵極與掃描總線連結(jié)，原源電源與信號(hào)總線連結(jié)。施加掃描信號(hào)電壓時(shí)，原源電極導(dǎo)通使信號(hào)電壓施加到存儲(chǔ)電容器上并充電，在幀頻內(nèi)存儲(chǔ)電容器的信號(hào)電壓施加到液晶像素上，使之處于選通態(tài)。再一次尋址時(shí)，由信號(hào)電壓大小來充電或放電。這樣各像素之間被薄膜晶體管開關(guān)元件隔離，既防止了交叉干擾又保證了液晶響應(yīng)速度滿足于幀頻速度，同時(shí)以存儲(chǔ)信息大小來得到灰度級(jí)，目前灰度已可達(dá)到256級(jí)，可得到1670萬種顏色，幾乎可獲得全色顯示。從上世紀(jì)90年代形成產(chǎn)業(yè)以來，薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器的生產(chǎn)線已由第一代發(fā)展到了第六代，沒換代一次基板玻璃的面積都大幅增加，而且產(chǎn)量不斷提高、成本不斷降低。如第七代薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器生產(chǎn)線的玻璃基板尺寸將達(dá)到1870*2200mm，目前可制成的液晶電視屏94cm(37inch),筆記本電腦屏幕的最大尺寸為38.1cm(15inch),監(jiān)視器屏幕最大尺寸達(dá)63.5cm(25inch)。薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器的另一種發(fā)展趨勢(shì)是薄型化、輕量化、低功耗化?；谛滦筒牧系拈_發(fā)、制造工藝技術(shù)的革新、設(shè)備精度和自動(dòng)化程度的提高及軟件技術(shù)的進(jìn)步，使得薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器產(chǎn)品的更新?lián)Q代的速度非?？?。

LCD背光源的結(jié)構(gòu)及其原理

背光源的分類及燈管（Lamp）的構(gòu)造

Backlight (以下稱為B/L)按Lamp(燈管)的排列方式分Direct Light Type和Side Light Type. Side Light Type需要起將自側(cè)面的Lamp上出射的光向B/L正面出光作用的導(dǎo)光板,但Direct Light Type是自Lamp出射的光直接向B/L正面出光,因此不需要導(dǎo)光板。

TFT-LCD B/L光源使用的燈管是陰極熒光燈(Cathode Fluorescent Lamp),自外部供應(yīng)一定的電壓,在陰極上放出電子, 掃描熒光體而作出可視光線的光源。CFL的構(gòu)造大體由玻璃板、電極、密封氣體(Hg,Ar,Ne)、熒光體構(gòu)成。CFL是將自密封的水銀發(fā)生的紫外線掃描在玻璃管內(nèi)壁涂的熒光體而發(fā)生可視光。為使少量的水銀易啟動(dòng)，并為抑制陰極物質(zhì)的蒸發(fā)，在玻璃管內(nèi)密封氬. CFL的種類按放出電子的機(jī)構(gòu)有CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp)和 HCFL (Hot Cathode Fluorescent Lamp)兩種。

1、Lamp：是自Inverter(反向交流器)接收高電壓而發(fā)生可視光線的光源。主要使用CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp)，還有HCFL(Hot Cathode Fluorescent

Lamp)。

2、Lamp housing：反射自Lamp出光的光源, 入射到導(dǎo)光板上。使用黃銅、鋁以及黃銅上附合Ag等材料的薄膜反射

3、Light guide Panel (導(dǎo)光板)：主要使用丙烯（PMMA)以Injection Molding或Casting的方法而制作的，導(dǎo)光入射的光源，并且具有均勻分布光源的作用。

4、Reflector：主要是聚醚(PET)器材上為減少導(dǎo)光板入射的光源損失，具有反射功能。

5、Diffuser Down (擴(kuò)散Sheet)：主要是聚醚(PET)器材上以丙烯類樹脂形成球形的形狀，均勻擴(kuò)散自導(dǎo)光板出光的光源，同時(shí)起集光的作用。

6、Bottom Prism：主要是聚醚(PET)器材上以丙烯類樹脂起規(guī)則地形成棱柱形狀而集光的作用，輝度增加率為user表面的1.55倍。

7、Top Prism：具有與Bottom Prism同樣的功能，以Bottom Prism表面的1.33倍增加輝度.

Prism以相互十字交叉布置，收集X軸和Y軸方向的光源。

8、Diffuser Up (Protector Film)：具有與Diffuser Down同樣的構(gòu)造，以保護(hù)Prism的作用為主要目的，亦稱為保護(hù)膜。要使用透過性的Diffuser，由此，多少帶來Top Prism集光的光源損失，但為減少Prism特性的不良而使用。

液晶顯示技術(shù)的前景

近年來， OLED，DMD，F(xiàn)ED等多種非液晶的平板顯示都已經(jīng)陸續(xù)成熟上市，它們針對(duì)液晶顯示的某些不足，如亮度低，不易大屏幕化等缺陷，來勢(shì)洶洶發(fā)起了對(duì)液晶顯示的挑戰(zhàn)。如最近，有人即聲稱OLED將會(huì)取代液晶顯示。

事實(shí)上，由于各種顯示各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)和各自特性，一般不可能互相取代，但是，利用本身的某一特長(zhǎng)部分取代或沖擊另一類顯示器件是完全現(xiàn)實(shí)的。液晶顯示不得不面對(duì)這一挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)。這一挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)既是對(duì)液晶顯示產(chǎn)業(yè)的威脅，又是液晶顯示產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)力。

今后，液晶顯示在應(yīng)對(duì)其他各類顯示器件挑戰(zhàn)中將針對(duì)自身的不足在以下幾大方面力爭(zhēng)作出重大突破：

1、通過發(fā)展反射式顯示和改進(jìn)背光源，提高開口率，以及增加偏光片透過率等多種方式提高顯示亮度和對(duì)比度。

2、改進(jìn)材料、器件結(jié)構(gòu)、工藝，提高液晶顯示的響應(yīng)速度。同時(shí)，還將努力開發(fā)一些快速響應(yīng)的新型液晶顯示模式，從而使液晶顯示能更理想的滿足視頻顯示的要求。

3、工作溫度范圍窄是液晶材料決定的一大缺陷，所以它的克服只有從液晶材料入手。目前已經(jīng)開發(fā)出了可以在零下50度致零上90度工作的液晶材料。此外輔助加溫系統(tǒng)的開發(fā)也將保證液晶示的工作溫度范圍會(huì)大大加寬

4、為了實(shí)現(xiàn)大屏幕顯示，液晶顯示開拓了一條全新的途徑——投影顯示。在原有透射式非晶硅TFT投影顯示的基礎(chǔ)上，近年已經(jīng)向多晶硅TFT投影顯示過渡，多晶硅雖然可以提高開口率10%~15%以上，使顯示亮度，清晰度大大提高，但還不理想，為了與PDP等大屏顯示競(jìng)爭(zhēng)，近年液晶顯示又開發(fā)了一種“硅上液晶”LCOS。將大規(guī)模集成電路作基板，與液晶集合制成反射式的微型液晶顯示器。通過外光源的反射式投影實(shí)現(xiàn)50寸~100寸以上的大屏顯示。