TFT-LCD显示屏工作原理图文解析

光电与显示2019-02-10 16:36:04

液晶显示器是什么?不同的应用环境,有不同的说法,车载显示屏,笔记本电脑上的显示器,手机屏,露天广告机屏幕等。时至今日,液晶显示器,对于一般普罗大众,已经不再是生涩的名词。而它更是继半导体后另一种可以再创造大量营业额的新兴科技产品,更由于其轻薄的特性,因此它的应用范围比起原先使用阴极射线管(CRT, athode-ray tube)所作成的显示器更多更广。


如同前面所提到的,液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器。而今日对液晶显示器这个名称,大多是指使用于笔记本,或是桌面电脑显示器。也就是薄膜晶体管液晶显示器。其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display,简称之TFT LCD。从它的英文名称中我们可以知道,这一种显示器它的构成主要有两个特征,一个是薄膜晶体管,另一个就是液晶本身。


液晶的分类


我们一般都认为物质都有三态,分别是固态液态跟气态。其实物质的三态是针对水而言,对于不同的物质,可能有其它不同的状态存在。以我们要谈到的液晶态而言,它是介于固体跟液体之间的一种状态,其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程,只要材料具有上述的过程,即在固态及液态间有此一状态存在,物理学家便称之为液态晶体。



一般以水而言,固体中的晶格因为加热,开始吸热而破坏晶格,当温度超过熔点时便会溶解变成液体。而热致型液晶则不一样,当其固态受热后,并不会直接变成液态,会先溶解形成液晶态。当您持续加热时,才会再溶解成液态(等方性液态)。这就是所谓二次溶解的现象。而液晶态顾名思义,它会有固态的晶格,及液态的流动性。


液晶的光电特性


由于液晶分子的结构为异方性(Anisotropic),所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异,简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性,因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度,以便形成灰阶,来应用于显示器组件上。液晶特性中最重要的就是液晶的介电系数与折射系数。介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性,而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数。而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性,适当的利用电压,来控制液晶分子的转动,进而影响光线的行进方向,来形成不同的灰阶,作为显示影像的工具。当然啦,单靠液晶本身是无法当作显示器的,还需要其它的材料来帮忙,以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理。


偏光板(polarizer)


大家都知道光也是一种波动,而光波的行进方向,是与电场及磁场互相垂直的。同时光波本身的电场与磁场分量,彼此也是互相垂直的。也就是说行进方向与电场及磁场分量,彼此是两两互相平行的。而偏光板的作用就像是栅栏一般,会阻隔掉与栅栏垂直的分量,只准许与栅栏平行的分量通过。所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看,会感觉像是戴了太阳眼镜一般,光线变得较暗。但是如果把两片偏光板迭在一起,那就不一样了。当旋转两片的偏光板的相对角度,会发现随着相对角度的不同,光线的亮度会越来越暗。当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时,光线就完全无法通过了。而液晶显示器就是利用这个特性来完成的。利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间,充满液晶,再利用电场控制液晶转动,来改变光的行进方向,如此一来,不同的电场大小,就会形成不同灰阶亮度了。


上下两层玻璃与配向膜



这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的,在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管。(Thin film transistor,TFT),而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter)。这两片玻璃在接触液晶的那一面,并不是光滑的,而是有锯齿状的沟槽。这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子,会沿着沟槽排列。如此一来,液晶分子的排列才会整齐。因为如果是光滑的平面,液晶分子的排列便会不整齐,造成光线的散射,形成漏光的现象。其实这只是理论的说明, 告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面,做好处理,以便让液晶的排列有一定的顺序。但在实际的制造过程中,并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布, 一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide),然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作,好让PI的表面分子不再是杂散分布,会依照固定而均一的方向排列。而这一层PI就叫做配向膜,它的功用就像玻璃的凹槽一样, 提供液晶分子呈均匀排列的接口条件,让液晶依照预定的顺序排列。


TN LCD液晶屏显示原理



当上下两块玻璃之间没有施加电压时,液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说,上下的配向膜的角度差恰为90度.所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度,当入射的光线经过上面的偏光板时,会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时,由于液晶分子总共旋转了90度,所以当光波到达下层偏光板时,光波的极化方向恰好转了90度。而下层的偏光板与上层偏光板,角度也是恰好差异90度。所以光线便可以顺利的通过,但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时,由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε//>ε⊥,代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大,因此当液晶分子受电场影响时,其排列方向会倾向平行于电场方向。液晶分子的排列都变成站立着的,此时通过上层偏光板的单方向的极化光波,经过液晶分子时便不会改变极化方向,因此就无法通过下层偏光板。


TFT LCD液晶屏显示原理



TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器,我们提到液晶显示器需要电压控制来产生灰阶。而利用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转向的显示器,就叫做TFT LCD。从切面结构来看,在上下两层玻璃间,夹着液晶,便会形成平行板电容器,我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal)。它的大小约为0.1pF,但是实际应用上,这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候。也就是说当TFT对这个电容充好电时,它并无法将电压保持住,直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms的时间.)这样一来,电压有了变化,所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上,会再加一个储存电容CS(storage capacitor大约为0.5pF),以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候。不过正确的来说,长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关。它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来。至于这个点要充到多高的电压,以便显示出怎样的灰阶.都是由外面的LCD source driver来决定的。


全球液晶屏面板供应链厂家汇总


随着液晶面板材料应用范围不断的扩展,液晶面板材料的需求量也是逐年攀升。这给液晶面板上下游厂家的发展带来了积极的影响和利好,使液晶面板企业在实际发展中获得了有力的支持。我们来看看全球主要的液晶屏面板供应链厂家有哪些?


芯片厂商:矽创、联咏、奇景、格科微、旭耀、天利、天域、瑞鼎、瑞萨、新向微、奕力等。


模组厂商:天马、同兴达、信利、三龙显示、TCL显示、帝晶、中光电、天亿富、比亚迪、永信、星源、煜彩、国显、京东方、宝锐视、亿都、夏普、东芝、NEC、日立、京瓷、三菱、索尼、富士通、亿华、博一、雅视、易欣达、优纳思、维拓、比亚迪、宇顺、海飞、德思普、凯圣德、立德通讯、莱宝、兴展、聚睿鼎、易快来等。


液晶屏面板厂家:韩国有LG,三星,HYDIS,现代,金星等;欧美有元太、IBM,Pixel Qi,爱普生,FINLUX等;日本则有夏普(被鸿海收购),东芝、松下、NEC、京瓷、三菱、光王、鸟取三洋、索尼、IDTech、富士通、精工、IPS Alpha、卡西欧、STI、先锋、星电、IMLS、西铁城、阿尔卑斯等。


中国大陆面板厂近年迅速崛起,以京东方boe为首的面板商已成功打入苹果供应链。除京东方boe之外,内地主要厂商还有天马、奇信、龙腾、上广电、奇菱、凌巨、清达光电、信利、中星光电、中电熊猫、比亚迪、华森、海信、维信诺、翰图微、长智光电、彩虹、宝锐视、德邦、虹欧、吉林彩晶、亿都、平达、静电、智炫等。


台湾地区面板制造商主要有奇美-群创、友达、中华映管、瀚宇彩晶、统宝、锦祥、广辉、ORTUSTECH、全台晶象、联友、奇晶、达基、晶采、晶达、众福、久正光电、光联、悠景、台盛、富相、智晶、铼宝科技、南亚光电等。


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