液晶起源于1888年，是奧地利植物學(xué)家萊尼茲發(fā)現(xiàn)的一種特殊的混合物質(zhì)，此物質(zhì)在常態(tài)下處于固態(tài)和液態(tài)之間，不僅如此，其還兼具固態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)的雙重特性，因此就稱之為Liquid Crystal（液態(tài)的晶體）。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。

1.1  液晶顯示的發(fā)展與特點(diǎn)

一、液晶顯示的發(fā)展過程 

液晶起源于1888年，是奧地利植物學(xué)家萊尼茲發(fā)現(xiàn)的一種特殊的混合物質(zhì)，此物質(zhì)在常態(tài)下處于固態(tài)和液態(tài)之間，不僅如此，其還兼具固態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)的雙重特性，因此就稱之為Liquid Crystal（液態(tài)的晶體）。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。1963年時(shí)，美國RCA公司的威廉發(fā)現(xiàn)液晶受到電場的影響會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，也發(fā)現(xiàn)光線射入到液晶中會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。在1968年，也就是威廉發(fā)現(xiàn)光會(huì)因液晶產(chǎn)生折射后的5年，RCA的Heil震蕩器開發(fā)部門發(fā)表了全球首臺(tái)利用液晶特性來顯示畫面的屏幕。在萊尼茲發(fā)現(xiàn)液晶物質(zhì)整整80年后，“液晶”和“顯示器”兩個(gè)專有名詞才連結(jié)在一起，“液晶顯示器（LCD）”才成為行業(yè)的專業(yè)名詞。當(dāng)然，1968年首次亮相的液晶顯示器還不穩(wěn)定，和日常生活的實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。直到1973年，英國大學(xué)教授葛雷先生發(fā)現(xiàn)了可以利用聯(lián)苯來制作液晶顯示器，才使液晶顯示器的產(chǎn)品正式量產(chǎn)出貨，此產(chǎn)品為日本SHARP公司的EL-8025電子計(jì)算機(jī)提供了屏幕。從此以后，開啟了液晶多方面的應(yīng)用，也逐漸促成LCD產(chǎn)業(yè)的興起。

二、 液晶顯示的特點(diǎn) 

1. 在各類顯示器件特性比較中，液晶具有下列優(yōu)點(diǎn) 

（1）低壓，低功耗

 極低的工作電壓，只要2～3V，工作電流只有幾個(gè)微安，即功耗只有10-6～10-5瓦/cm2。 

（2）平板結(jié)構(gòu)

 液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是兩片導(dǎo)電玻璃，中間灌有液晶的薄型盒。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：開口率高，最有利于作顯示窗口； 顯示面積做大、做小都比較容易；便于自動(dòng)化大量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低； 器件很薄，只有幾個(gè)毫米厚。 

（3） 被動(dòng)顯示型

液晶本身不發(fā)光，靠調(diào)制外界光達(dá)到顯示目的，即依靠對外界光的不同反射和透射形成不同對比度來達(dá)到顯示目的。 

（4）顯示信息量大 

液晶顯示中，各像素之間不用采取隔離措施，所以在同樣顯示窗口面積可容納更多的像素，利于制成高清晰度電視。 

（5）易于彩色化 

 一般液晶為無色，所以可采用濾色膜很容易實(shí)現(xiàn)彩色。 

（6）長壽命 

 液晶本身由于電壓低，工作電流小，所以幾乎不會(huì)劣化，壽命很長。 

（7）無輻射，無污染 

 CRT顯示中有X射線輻射，PDP顯示中有高頻電磁輻射，而液晶不會(huì)出現(xiàn)這類問題。 

2、液晶顯示也具有下列缺點(diǎn) 

（1）顯示視角小 

    由于大部分液晶顯示的原理依靠液晶分子的向異性，對不同方向的入射光，反射率不一樣的以視角較小，只有30～40度，隨著視角的變大，對比度迅速變壞。 

（2）響應(yīng)速度慢 

    液晶顯示大多是依靠在外電場作用下，液晶分子的排列發(fā)生變化，所以響應(yīng)速度受材料的粘滯度影大，一般均為100～200ms。所以一般液晶在顯示快速移動(dòng)的畫面時(shí)質(zhì)量不好。 

1.2  常見的液晶顯示器件 

目前的液晶顯示器可分成扭曲向列型（Twisted Nematic；簡稱TN）、超扭曲向列型（Super Twisted Nematic簡稱STN）和彩色薄膜型（Thin Film Transistors－薄膜晶體管；簡稱TFT）三大種類。 

一、 扭曲向列液晶顯示器（TN-LCD） 

TN是繼DSM型的液晶材料后所發(fā)展的新液晶材料，TN-LCD的最大特點(diǎn)就如同其名稱“扭轉(zhuǎn)向列”一般，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是呈90度的3D螺旋狀。TN-LCD的出現(xiàn)奠定了現(xiàn)今LCD發(fā)展的主要方式，但是由於TN-LCD具有兩個(gè)重大缺點(diǎn)，那就是無法呈現(xiàn)黑、白兩色以外色調(diào)，以及當(dāng)液晶顯示器越做越大時(shí)其對比會(huì)越來越差，使得各種新的技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)。 

二、 超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD） 

STN-LCD的出現(xiàn)是為了改善TN-LCD對比不佳的問題，最大差別點(diǎn)在于液晶分子扭轉(zhuǎn)角度不同以及在玻璃基板的配合層有預(yù)傾角度，其液晶分子從最上層到最下層的排列方向恰好是180度至260度的3D螺旋狀。但是，STN-LCD雖然改善了TN-LCD的對比問題，其顏色的表現(xiàn)依然無法獲得較好的解決，STN-LCD的顏色除了黑、白兩個(gè)色調(diào)外，就只有橘色和黃綠色等少數(shù)顏色，對於色彩的表達(dá)仍然無法達(dá)到全彩的要求，因此仍然不是一個(gè)完善的解決方式。 

三、 彩色薄膜型液晶顯示器件（TFT-LCD）

為了改善對于色彩的要求，又發(fā)明了TSTN（Triple Super Twisted Nematic）和FSTN（Film Super Twisted Nematic）兩種新技術(shù)。TSTN和FSTN的基本構(gòu)造原理與STN相同，差別在于TSTN在兩片玻璃上加上兩片色補(bǔ)償用薄膜，而FSTN則是加上一片色補(bǔ)償用薄膜。TSTN和FSTN具有高解析度和全彩的優(yōu)點(diǎn)，完全改善TN的比對度差問題和STN的色彩問題。但可惜的是，TSTN和FSTN卻有液晶分子的反應(yīng)較慢的問題，在放映數(shù)量較大的資料時(shí)，會(huì)造成無法負(fù)荷的缺點(diǎn)，因此也不是完善的解決方式。因此，為了解決此問題，接下來液晶顯示器的研發(fā)方向，焦點(diǎn)放在驅(qū)動(dòng)方式的改良。從最早的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式、接下來的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式、單純Matrix驅(qū)動(dòng)方式到Active Matrix驅(qū)動(dòng)方式，發(fā)展出許多驅(qū)動(dòng)方式。而其中以Active Matrix驅(qū)動(dòng)方式和目前液晶顯示器的發(fā)展關(guān)系最大，Active Matrix驅(qū)動(dòng)方式的中文名稱為主動(dòng)矩陣型驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式是在原本配置畫素的電極交叉處加上一個(gè)Active素子，產(chǎn)生了嶄新的點(diǎn)制御模式。而主動(dòng)矩陣型的驅(qū)動(dòng)方式中又可分為兩種方式，一是MIM（Metal Insulator Metal）方式，利用兩邊金屬中間夾絕緣層做為簡單的Active素子；另一就是TFT（Thin Film Transistor）方式，TFT方式是在原本配置畫素的電極交叉處，再加上一個(gè)對向電極，并且在此三個(gè)電極的交叉處放置薄膜狀的Active素子。從TN-LCD、STN-LCD到TFT-LCD，液晶顯示器在對比度、解析度和色彩等方面越做越好，產(chǎn)品也越來越普及。而在這三大類的液晶顯示器中，是以TFT-LCD的市場最大，原因是筆記型電腦的熱賣和TFT-LCD顯示器銷售量越來越好的帶動(dòng)，不僅如此，TFT-LCD還有日漸取代傳統(tǒng)陰極射線管（Cathode Ray Tube；簡稱CRT）屏幕的趨勢，是最有可能登上顯示器霸主寶座的明日之星。 

1.3  LCD顯示器的顯像原理

液晶顯示器(LCD/Liquid Crystal Display)的顯像原理，是將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠兩個(gè)電極間電場的驅(qū)動(dòng)，引起液晶分子扭曲向列的電場效應(yīng)，以控制光源透射或遮蔽功能，在電源關(guān)開之間產(chǎn)生明暗變化，從而將影像顯示出來。若加上彩色濾光片，則可顯示彩色影像。在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會(huì)沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉(zhuǎn)型，當(dāng)玻璃基板沒有加入電場時(shí)，光線透過偏光板跟著液晶做90度扭轉(zhuǎn)，通過下方偏光板，液晶面板顯示白色（如圖1－3－1左）；當(dāng)玻璃基板加入電場時(shí)，液晶分子產(chǎn)生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無法透出，液晶面板顯示黑色（如圖1－3－1右））。液晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無，使面板達(dá)到顯示效果。 

圖1－3－1 

TFT就是“Thin Film Transistor”的簡稱，一般代指薄膜液晶顯示器，而實(shí)際上指的是薄膜晶體管（矩陣）—— 可以“主動(dòng)的”對屏幕上的各個(gè)獨(dú)立的像素進(jìn)行控制，這也就是所謂的主動(dòng)矩陣TFT（active matrix TFT）的來歷。那么圖像究竟是怎么產(chǎn)生的呢？基本原理很簡單：顯示屏由許多可以發(fā)出任意顏色的光線的像素組成，只要控制各個(gè)像素顯示相應(yīng)的顏色就能達(dá)到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技術(shù)，為了能精確地控制每一個(gè)像素的顏色和亮度就需要在每一個(gè)像素之后安裝一個(gè)類似百葉窗的開關(guān)，當(dāng)“百葉窗”打開時(shí)光線可以透過來，而“百葉窗”關(guān)上后光線就無法透過來。當(dāng)然，在技術(shù)上實(shí)際上實(shí)現(xiàn)起來就不像剛才說的那么簡單，如圖1－3－2所示：一個(gè)成品TFT顯示屏，一般由一個(gè)夾層組成，組成這個(gè)夾層的每一層大致是偏光板、玻璃基片、彩色濾光片、ITO電極等組成。這兩層之間就是液晶層，偏光板、彩色濾光片決定了多少光可以通過以及生成何種顏色的光。液晶層位于兩層玻璃基板之間。在上層玻璃基板上有FED晶體管，而下層是共同電極，他們共同作用可以生成能精確控制的電場，電場決定了液晶的排列方式。 大家知道三原色，所以構(gòu)成顯示屏上的每個(gè)象素需上面介紹的三個(gè)類似的基本組件來構(gòu)成，分別控制紅、綠、藍(lán)三種顏色。  

圖 1－3－2  

目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶顯示器（Twisted Nematic TFT LCD），下圖就是解釋的此類TFT顯示器的基本工作原理。 

圖1－3－3 

在上、下兩層上都有溝槽，其中上層的溝槽是縱向排列，而下層是橫向排列的。當(dāng)不加電壓液晶處于自然狀態(tài)，從發(fā)光圖（圖1－3－3左）扭曲向列TFT顯示器工作原理示意圖層發(fā)散過來的光線通過夾層之后，會(huì)發(fā)生90度的扭曲，從而能在下層順利透過。 

當(dāng)兩層之間加上電壓之后，就會(huì)生成一個(gè)電場，這時(shí)液晶都會(huì)垂直排列，所以光線不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)——結(jié)果就是光線無法通過下層（見圖1－3－3右）。  

圖 1－3－4 彩色濾膜 

TFT像素架構(gòu)如圖1－3－4所示，彩色濾光鏡依據(jù)顏色分為紅、綠、藍(lán)三種，依次排列在玻璃基板上組成一組（dot pitch）對應(yīng)一個(gè)像素每一個(gè)單色濾光鏡稱之為子像素（sub-pixel）。也就是說，如果一個(gè)TFT顯示器最大支持1280×1024分辨率的話，那么至少需要1280×3×1024個(gè)子像素和晶體管。對于一個(gè)15英寸的TFT顯示器（1024×768）那么一個(gè)像素大約是0.0188英寸（相當(dāng)于0.30mm），對于18.1英寸的TFT顯示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相當(dāng)于0.28mm）