液晶显示器的工作原理

由:杰夫泰森

一个尖锐的三维观察LCD面板。根据您查看它的方向,您可以看到三种不同的图像中的一个。查看更多高清图片
图片礼貌夏普公司

您可能使用包含的项目液晶(液晶显示器每天)。它们就在我们周围——在我们的身体里笔记本电脑,数字时钟手表,微波炉,CD玩家还有许多其他电子设备。LCD很常见,因为它们提供了其他展示技术的一些实际优势。它们更薄,更轻,比阴极射线管例如,(crt)。

但是这些东西到底叫什么液晶呢?“液晶”这个名字听起来有点矛盾。我们认为晶体是像石英这样的固体物质,通常和岩石一样坚硬,而液体显然不同。任何材料如何能将两者结合起来呢?

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我们在学校里学过物质有三种常见的状态:固态、液态和气态。固体按照它们的方式行动,因为它们的分子总是保持它们的方向,并且相对于其他分子保持在相同的位置。中的分子液体恰恰相反:它们可以改变方向,在液体中的任何地方移动。但是有一些物质可以以一种奇怪的状态存在有点像液体,也有点像固体。当它们处于这种状态时,它们的分子倾向于保持自己的方向,就像固体中的分子,但也会移动到不同的位置,就像液体中的分子。这意味着液晶既不是固体也不是液体。这就是为什么他们最终有了看似矛盾的名字。

那么,液晶是像固体、液体还是其他什么东西?事实证明,液晶更接近于液态而不是固态。把一种合适的物质从固体变成液晶需要相当多的热量,而把同样的液晶变成真正的液体只需要稍微多一点的热量。这就解释了为什么液晶对温度为什么他们用来制造温度计心情戒指。这也解释了为什么笔记本电脑在寒冷的天气或炎热的天气,在海滩上的展示可能会表现得很滑稽。

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向列相液晶

大多数液晶分子是棒状的,并且广泛分类为热致或旋流剂。”width=
大多数液晶分子是棒状的,并且广泛分类为热致或旋流剂。
图片礼貌Oleg Lavrentovich,液晶研究所

正如固体和液体有多种多样一样,液晶物质也有多种多样。根据温度和物质的特殊性质,液晶可以处于几种不同的相中的一种(见下文)。在这篇文章中,我们将讨论液晶征刊就是让液晶显示器成为可能的液晶。

液晶的一个特点是它们受到电流。一种特殊的向列相液晶,叫做扭曲向列(TN),自然是扭曲的。根据电流的电压,将电流施加到这些液晶将使它们不变为不同程度。LCD使用这些液晶,因为它们可以以可控制的方式预测到电流通道。

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大多数液晶分子是棒状的,大致分为两类恒温或者Lyotropic.

热致液晶会对温度的变化或在某些情况下对压力的变化发生反应。用于制造肥皂和洗涤剂的溶致液晶的反应取决于它们所混合的溶剂类型。热致液晶也是各向同性或者向列。关键的区别在于各向同性液晶物质的分子排列是随机的,而向列相液晶则有一定的顺序或模式。

分子在向列相中的取向是基于导演。导向器可以是从磁场到具有微观凹槽的表面的任何东西。在向列阶段中,液晶可以通过分子彼此定位的方式进一步分类。sm,最常见的排列方式,创造了分子层。近晶相有许多变化,如近晶C,其中每一层的分子从前一层倾斜一个角度。另一个共同的阶段是胆甾型,也被称为手性迎宾。在该阶段,分子略微从一层扭曲到下一个层,导致螺旋形成。

铁电液晶(FLCs)使用具有近晶C型排列的手性分子的液晶物质,因为这些分子的螺旋性质允许微秒的开关响应时间,这使得FLCs特别适合于高级显示器。表面稳定铁电液晶(SSFLCS)通过使用玻璃板施加受控压力,抑制分子的螺旋,使切换更快。

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创建一个液晶

(c) HowStuffWorks

建造一个液晶显示器不仅仅是简单地制造一层液晶。四个因素的结合使液晶显示器成为可能:

  • 可以被极化。(见太阳镜是如何工作的获取一些关于极化的有趣信息!)
  • 液晶可以传输和改变偏振光。
  • 电流可以改变液晶的结构。
  • 有一些透明的物质可以传导

液晶显示器是一种以一种令人惊讶的方式使用这四个事实的设备。

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要创建一个LCD,你需要两块极化玻璃。在玻璃侧面擦拭地表面上产生微观凹槽的特殊聚合物在其上没有偏振膜。凹槽必须与偏振膜相同的方向。然后你添加一个向列相液晶的涂层到其中一个过滤器。凹槽将导致第一分子层与过滤器的方向对齐。然后加入第二块玻璃偏振膜以直角到第一件。每个连续的TN分子层将逐渐扭转,直到最上层以90度到底部的角度,匹配偏振玻璃滤波器。

当光线照射到第一个滤光片时,就产生了偏振光。每一层中的分子将它们接收到的光引导到下一层。当光穿过液晶层时,分子也会改变光的振动面以匹配它们自己的角度。当光线到达液晶物质的远端时,它会以与分子最后一层相同的角度振动。如果最后一层与第二个偏振光玻璃滤光片相匹配,那么光就会通过。

此内容在此设备上不兼容。

如果我们应用电荷对液晶分子,它们是无意识的。当它们伸直时,它们会改变通过它们的光的角度,使得它不再匹配顶部偏振滤波器的角度。因此,没有光可以通过LCD的该区域,这使得该区域比周围区域更暗。

建立一个简单的LCD比你想象的更容易。您从上面描述的玻璃和液晶的三明治开始,并向其添加两个透明电极。例如,想象一下,您希望在其上仅使用单个矩形电极创建最简单的LCD。这些层看起来像这样:

做这项工作所需要的液晶是非常基本的。它有一面镜子(一个),使其反光。然后,我们加一块玻璃(B)底侧的偏振膜,以及公共电极平面(C)由氧化铟锡制成的顶部。公共电极平面覆盖LCD的整个区域。上面是液晶物质层(D)。接下来是另一块玻璃(E),底部有一个矩形的电极,顶部有另一个偏光膜(F),以直角到第一个角度。

电极被连接到一个电源,比如电池。当没有电流的时候,光线从液晶屏的前面进入,就会直接击中镜子,然后反弹回来。但是当电池为电极提供电流时,共面电极和矩形电极之间的液晶就会解开,阻挡了该区域的光线通过。这使得液晶显示矩形为黑色区域。

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背光与反射

请注意,我们的简单LCD需要一个外部光源。液晶材料没有他们自己的。小而便宜的液晶显示器通常是反光,这意味着要显示任何东西,它们必须反射外部光源的光。看看液晶手表:数字出现在小电极给液晶充电的地方,使液晶层解开,这样光就不会穿过偏振光膜。

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大多数电脑显示器都是内置照明的荧光管在液晶显示屏之前,旁边有时候。LCD后面的白色扩散面板重定向并均匀地散布光以确保均匀显示。在过滤器,液晶层和电极层的路上,很多这盏灯丢失 - 通常超过一半!

在我们的例子中,我们有一个共同的电极平面和一个单一的电极棒,控制液晶对电荷的反应。如果你把包含单个电极的那一层再加几个,你就可以开始制造更复杂的显示器了。

普通平面基于平面的lcd适合于需要反复显示相同信息的简单显示器。手表和微波炉定时器都属于这一类。虽然前面所示的六角形条形是这种装置中最常见的电极排列形式,但几乎任何形状都是可能的。以一些不贵的手持游戏为例:外星人,鱼和老虎机只是你会看到的一些电极形状。

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被动和有源矩阵

无源矩阵LCDS使用简单的网格将充电提供给显示屏上的特定像素。创建网格是一个很好的过程!它始于两个玻璃层基板。一种基板给定柱,另一种基板给定由透明导电材料制成的列。这通常是氧化铟锡。行或列已连接到集成电路当充电发送特定列或行时,控制该控制。液晶材料夹在两个玻璃基板之间,并将偏振膜添加到每个基板的外侧。要打开像素,集成电路将充电向下发送一个基板的正确列和在另一行上激活的地面。行和列相交在指定的像素处,并将电压输送到该像素处的液晶。

此内容在此设备上不兼容。

被动矩阵系统的简单性是美丽的,但它有明显的缺陷响应时间慢不精确的电压控制。响应时间是指LCD刷新所显示图像的能力。在被动矩阵LCD中观察慢响应时间的最简单方法是移动将屏幕一侧快速指向另一侧。您将注意到指针之后的一系列“幽灵”。不精确电压控制阻碍了被动矩阵只能影响其中一个的能力像素在一个时间。当施加电压解扭一个像素时,它周围的像素也部分解扭,这使图像显得模糊和缺乏对比。

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主动矩阵LCD取决于薄膜晶体管(TFT)。基本上,TFT是微小的开关晶体管和电容器。它们排列在玻璃基板上的基质中。为了寻址一个特定的像素,正确的行被打开,然后电荷被发送到正确的列。由于该列相交的所有其他行都被关闭,只有指定像素处的电容接收到电荷。电容器能够保持充电直到下一次刷新周期。如果我们小心地控制提供给晶体的电压,我们可以使它只允许一些光通过。

通过非常精确,非常小的增量,lcd可以创建一个灰色刻度。大多数显示器今天提供256级亮度每像素。

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彩色液晶

能显示颜色的液晶屏必须有三个子像素用红、绿、蓝滤镜创建每个颜色像素。

通过仔细控制和变化的电压施加,每个亚像素的强度可以范围超过256阴影。组合子像素产生可能的调色板1680万种颜色(256个红色x 256绿色x 256阴影的蓝色),如下所示。这些彩色显示器采用巨大数量的晶体管。例如,典型的笔记本电脑支持决议高达1,024x768。如果我们将1,024列乘以3个亚像素,我们将获得2,359,296个晶体管蚀刻到玻璃上!如果这些晶体管中的任何一个问题,它会在显示器上创建“坏像素”。大多数活动矩阵显示器具有跨屏幕散落的一些坏像素。

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LCD技术在不断发展。今天的液晶显示器采用了几种不同的液晶技术,包括超级扭曲向列相(STN)、双扫描扭曲向列相(DSTN)、铁电液晶(FLC)和表面稳定铁电液晶(SSFLC)。

显示尺寸受制造商面临的质量控制问题受限。简单地放置,增加显示尺寸,制造商必须添加更多像素和晶体管。当增加像素和晶体管的数量时,它们也增加了在显示器中包括一个坏晶体管的机会。现有大型液晶显示器的制造商通常拒绝大约40%的面板,这些面板从装配线上出现。自良好液晶公司的销售必须涵盖制造好坏的成本,拒绝水平直接影响LCD价格。只有制造业的进步可能导致更大的尺寸。

有关LCD和相关主题的更多信息,请查看下一页上的链接。

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