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Liquid Crystal Display

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液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)

目錄

  • 1 什麼是液晶顯示器
  • 2 液晶顯示器發展歷史[1]
  • 3 液晶顯示器的特點[2]
  • 4 液晶顯示器顯像原理[3]
  • 5 液晶顯示器的應用[2]
  • 6 液晶顯示器的分類[4]
  • 7 液晶顯示器的參數[4]
  • 8 參考文獻

什麼是液晶顯示器

  液晶顯示器是眾多平板顯示器件中發展最成熟、應用面最廣、已經產業化並且仍在迅猛發展著的一種顯示器。由於液晶自身一系列無法替代的優點和相關技術的發展,LCD在顯示器件市場中將占有越來越大比例。[1]

液晶顯示器發展歷史[1]

  液晶顯示器的早期原型是美國RCA公司Heilmeier等人於1961年—1968年發明的,並制出液晶鐘錶、駕駛台顯示器等應用產品。RCA公司領導曾將這些液晶發明列為企業的重大秘密,但是當時RCA是以硅工藝產品為主,加上初期液晶產品存在著一些缺點,所以未能將這些成果轉化為大生產的產品,於是1968年RCA公司向世界公佈了這批發明。1969年2月,日本NHK向國內報導了這項消息,立刻引起日本科技、工業界的極大重視。當時日本的半導體集成電路技術已成長起來,公用辦公領域已電子化,正向著從家庭電子化到個人電子化邁進。個人電子化必須是袖珍式的,即要求結構簡單、功耗少。而液晶剛好能與CMOS

(互補MOS)相匹配;反之,以IC技術為中心的高精度固體電子器件製造技術也促進了液晶器件的大量生產。日本人從液晶手錶、液晶計算器等低檔產品起步,發展到小尺寸無源矩陣液晶黑白電視機、非晶硅有源矩陣液晶彩色顯示器,直到目前多晶硅有源矩陣高分辨力彩色液晶顯示器,一直領導著世界液晶工業的發展方向。

  液晶顯示器的大量生產始於1970年,即發現扭曲效應後不久,當時LCD產品中有99%是應用扭曲效應的。早期LCD是用於手錶、計算器、電子游戲機、行動電話顯示屏、攝像機、科學和醫學中的測量設備、汽車控制板、電子字典、火車、公車、航空港和加油站中的顯示屏,當LCD發展到能顯示大容量信息階段時,LCD大生產的增長率迅速提高,其應用市場十分廣闊,包括:可攜帶電腦、文字處理器、小型電視機、視頻顯示器、桌上電腦、工作站,以及大尺寸直觀式電視機和投影電視機等的顯示屏。

  1985年後,由於超扭曲(STN)液晶用於顯示器,使無源液晶顯示器進人中檔液晶產品行列、同時非晶硅薄膜晶體管(a-SiTFT)液晶顯示技術的發明,使LCD進入大容量顯示階段,如筆記本電腦、電子翻譯機等。1996年後液晶筆記本電腦已普及,並於1998年打入監視器市場,到2002年液晶監視器已成功地占有了監視器市場總額的顯著部分。

  人們常以生產時所用玻璃基板的大小將液晶生產分代,如表所列。

表 液晶顯示器的分代
世代第1代第2代第3代第4代第5代
玻璃基板尺寸/mm320×400370×470550×650680×8801100×1300
對應的產品尺寸9英寸以下的移動及專用產品9英寸以下的移動及專用產品9英寸以下的移動及專用產品9英寸以下的移動及專用產品8英寸~32英寸移動、筆記本、顯示器、電視
世代第6代第7代第8代第10代第11代
玻璃基板尺寸/mm1500×18501950×22502200×25002880×31303000×3320
對應的產品尺寸18英寸~37英寸顯示器、電視32英寸~42英寸電視32英寸~60英寸電視40英寸以上電視50英寸以上電視

  隨著大尺寸低溫多晶硅薄膜晶體管液晶技術的發展和長期困擾液晶三大難題(視角小、飽和度和亮度不足)的基本解決,從8英寸~15英寸的個人平板液晶電視、25英寸~45英寸的客廳液晶電視到2m2~20m2的液晶投影電視已大量進入了人們的生活。液晶電視正朝著畫面精細化、多功能化和大屏幕化兩方向發展。2002年底LG公司和飛利浦公司已開發出50英寸TFT液晶面板,分辨力為1920×1080,亮度為500cd/m2

,視角為172°,是面向高清晰度電視使用的。

  2007年,電視大視角技術取得了新成果——像素晶體管的個數終於達到了3個,南韓的三星電子和中國臺灣的中華映管(CPT)宣佈,作為改善MVA液晶殘像的方法,在此前基於兩個晶體管的驅動的基礎上在像素內進一步追加一個晶體管形成三晶體管構造。

  在SID2008展會上,南韓三星電子展出了一款82英寸高清液晶電視,據稱這款產品分辨力達到3840×2160,刷新率為120Hz;採用的紅/綠/藍LED背光系統大幅提高了色彩飽和度,色域達到NTSC標準的150%。

液晶顯示器的特點[2]

  LCD最大的特征是兼備薄型、輕量、低功耗、低工作電壓等。因此,迄今為止,在現有的各種平面顯示板電子顯示器中,LCD一直充當主角,而且還沒有跡象表明這種局面會發生變化。LCD的優點有:

  1.由於低功耗(幾微瓦~幾十微瓦/平方釐米),利用電池即可長時間運行,為節能型顯示器。

  2.低電壓運行(幾十伏),可由IC直接驅動,驅動電路小型、簡單。

  3.元件為薄型(幾毫米),而且從大型顯示(對角線長幾十釐米)到小型顯示(對角線長幾毫米)都可滿足,特別適用於攜帶型裝置。

  4.屬於非主動發光型顯示,即使在明亮的環境,顯示也是鮮明的。

  5.容易實現彩色顯示,因此便於顯示功能的擴大及顯示的多樣化。

  6.可以進行投影顯示及組合顯示,因此容易實現大畫面(對角線為數米)顯示。

  LCD也存在以下一些缺點:

  1.由於屬於非主動發光型,在採用反射方式時,在比較暗的場所,顯示不夠鮮明。

  2.在需要鮮明的顯示及彩色顯示的場合,需要背景光。

  3.顯示對比度與觀察方向有關,視角受到限制。

  4.響應時間與環境溫度有關,低溫(-30℃~-40℃)時工作不能充分保證。

液晶顯示器顯像原理[3]

  液晶顯示器依驅動方式的不同可分為靜態驅動(Static Matrix)、單純矩陣驅動(Simple Matrix)以及主動矩陣驅動(Active Matrix)三種。其中,單純矩陣型即是俗稱的被動式(Passive),又可分為扭轉式向列型(Twisted Nematic,TN)和超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic,STN)兩種;主動矩陣型則以薄膜式晶體管型(Thin Film Transistor,TFT)為代表,它是目前的主流LCD。

  TFT型液晶顯示器的顯像原理如圖所示。首先背光源發光,也就是最下麵的熒光燈管投射出可見光,光源發出的光經過導光板到達偏光板,然後再經過偏光板穿過液晶分子,液晶分子的排列方式改變穿透液晶的光線角度,最後這些光線還必須經過前方的彩色濾光板與另一塊偏光濾色玻璃後導出。位於外層的薄膜式晶體管配向膜,可藉由改變液晶的電壓值控制最後出現的光線強度與色彩,併進而能在液晶面板上組合出有不同深淺顏色的圖像。

Image:TFT型液晶显示器的显像原理.jpg

  液晶顯示器的優點是工作電壓低,功耗低:平板式結構,重量輕;彩色較柔和;無輻射,無污染,對視力損傷極小:壽命長(通常可達50000小時);解析度很高。其缺點為顯示視角較小;響應速度較慢;製造工藝較複雜:被動發光。

  近幾年通過技術攻關,其響應速度、對比度不斷提高,視角逐漸加大,大屏幕及超大屏幕技術也獲得突破。近期世界最大的液晶顯示屏(1100 mm×1300 mm)生產線將落戶上海,生產目前世界上最先進的第五代薄膜晶體管液晶顯示屏(TFT-LCD)。

液晶顯示器的應用[2]

  LCD的主要應用有:

  1.數字、字元顯示

  這方面的應用和LED相似,屬於小型顯示器件。可以顯示數字、字元及標誌等簡單信息,在鐘錶、家用電器、儀器儀錶中使用。

  2.平面顯示

  LCD的優勢在於平面顯示,例如彩色電視、電腦顯示器、大屏幕顯示器等,尤其是攜帶型電腦顯示器,目前均為LCD顯示器。

  目前,顯示輝度達500cd/m2,對比度達500:1。解析度為200dpi,視角為170°的大屏幕場效應薄膜晶體管驅動的LCD已經上市。彩色電視已經進入大規模工業生產,其畫質已經達到甚至超過CRT顯示器,例如24英寸彩電的解析度為1920×1200,水平與垂直視角都為170°。

  由於LCD器件的低溫加工技術的突破,可以用有機柔性基板取代剛性的玻璃基板,從而使LCD器件更薄(屏厚度小於0.2mm)、更輕,不易破碎,易彎曲,可摺疊,可摺疊的攜帶型顯示器的問世已為時不遠。

  3.光開關

  利用液晶器件對光的通過、遮斷特性,可將液晶器件作為光開關來使用。如在光纖通信系統的光交叉連接設備中,已開發出基於液晶器件的光開關矩陣。在光信息處理系統中,液晶光開關也得到應用。

液晶顯示器的分類[4]

  ①按轉換機理分類

  液晶顯示器按轉換機理可分為扭曲列(TN)型、動態散射(DS)型、賓主(GH)型、超扭曲(STN)型、電控雙摺射(ECB)型、雙頻型、相變(PC)型和存儲型等。

  ②按驅動方式分類

  液晶顯示器按驅動方式可分為靜態驅動式和動態驅動式。

  ③按用途分類

  液晶顯示器按用途的不同可分為時鐘用、手錶用、電腦用、儀器儀錶用、電腦顯示器用、影碟機用、點陣顯示器用等。

  ④按結構分類

  液晶顯示器按結構可分為反射型、透射型和投影型等多種。

  ⑤按連接方式分類

  液晶顯示器按與驅動電路之間的連接方式可分為導電橡膠式連接和插針式連接。⑥按控制方式分類液晶顯示器按控制方式可分為被動式和主動式。

液晶顯示器的參數[4]

  ①可視面積

  液晶顯示所標示的尺寸就是實際可以使用的屏幕範圍。

  ②可視角度

  液晶顯示器的可視角度左右對稱,而上下則不一定對稱。

  ③點距

  點距表示每個像素之間的相對位置。一般14in LCD的可視面積為285.7mm×214.3mm,它的最大解析度為1024×768,則該LCD的點距可視寬度一水平像素(或者可視高度/垂直像素),即285.7mm/1024=0.279mm(或者是214.3mm/768=0.279mm)。

  ④色彩度

  LCD重要的當然是色彩表現度。自然界是由1024×768個像素點組成顯像的,每個獨立的像素色彩是由紅、綠、藍(R、G、B)三種基本色來控制。大部分廠商生產出來的液晶顯示器.每個基本色(R、G、B)達到6位,即64種表現度,那麼每個獨立的像素有64×64×64=262144種色彩。

  ⑤對比值

  對比值定義為最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。

  ⑥亮度值

  液晶顯示器的最大亮度,通常由背光源來決定,液晶顯示器的亮度略低,會覺得屏幕發暗。雖然技術上可以達到更高亮度,但是這並不代表亮度值越高越好,因為太高亮度的顯示器有可能使觀看者眼睛受傷。

  ⑦響應時間

  響應時間是指液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度,此值越小越好。如果響應時間太長,就有可能使液晶顯示器在顯示動態圖像時,有拖曳的感覺。一般的液晶顯示器的響應時間在20~30ms之間。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 於軍勝.顯示器件技術.國防工業出版社,2010.07
  2. 2.0 2.1 楊永才,何國興,馬軍山.光電信息技術.東華大學出版社,2009.04
  3. ↑ 裴昌幸,劉乃安.電視原理與現代電視系統.西安電子科技大學出版社,2011.08.
  4. 4.0 4.1 楊冶傑.電子元器件選用與檢測一本通.化學工業出版社,2010.06