面板架构

第二章 PANEL部分工作原理Panel部分即是液晶显示模块LCM，它是整个液晶显示器的核心部分。

它是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件配在一起的一体化组件。

本章将对液晶显示的基本原理，液晶的驱动以及液晶模块的构成进行简要的介绍。

第一节什么是液晶（Liquid Crystal）液晶显示器是以液晶为基本材料的组件，由于液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性，所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。

而要了解液晶的所产生的光电效应，我们必须先来解释液晶的物理特性，包括它的黏性（visco-sity）与弹性（elasticity）和其极化性（polarizalility）。

液晶的黏性和弹性从流体力学的观点来看，可说是一个具有排列性质的液体，依照作用力量的不同方向，会有不同的效果。

就好像是将一簇细短木棍扔进流动的河水中，短木棍随着河水流着，起初显得凌乱，过了一会儿，所有短木棍的长轴都自然的变成与河水流动的方向一致，达到排列状态，这表示黏性最低的流动方式，也是流动自由能最低的一个物理模型。

此外，液晶除了有黏性的特性反应外，还具有弹性的表现，它们都是对于外加的力，呈现出方向性的特点。

也因此光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方式传播行进，产生了自然的偏转现象。

至于液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电子共轭运动能力，所以，当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。

而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压控制，再通过液晶分子的光折射特性，以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比），进而达到显像的目的。

第二节液晶的电光特性液晶同固态晶体一样具有特异的光学各向异性。

而且这种光学各向异性伴随分子的排列结构不同将呈现不同的光学形态。

例如，选择不同的初期分子取向和液晶材料，将分别得到旋光性、双折射性、吸收二色性、光散射性等各种形态的光学特性。

一旦使分子取向发生变化，这些光学特性将随之变化，于是在液晶中传输的光就受到调制。

由此可见，变更分子的排列状态即可实行光调制。

由于液晶是液体，分子排列结构不象固态晶体那样牢固。

另一方面液晶又具有显著的介电各向异性△ε和自发偶极子P0。

一旦给液晶层施加上电压，则在介电各向异性△ε和自发偶极子P0和电场的相互作用下，分子排列状态很容易发生变化。

因此利用外加电场即可改变液晶分子取向，产生调制。

这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应（electro-optic effect）。

它是液晶显示的基础。

这种光学特性可通过表面处理、液晶材料选择、电压及其频率的选择获得。

第三节液晶显示原理1．液晶的物理特性液晶的物理特性是：当通电施加上电场时，液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。

让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃薄板，中间夹着一层液晶。

当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。

在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。

但将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子长轴会顺着槽排列。

所以，假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

2.液晶显示的主要工作模式由液晶显示的四种基本原理而派生出多种工作模式。

主要有：TN模式、STN模式、FLC模和液晶-聚合物模式等。

由于液晶显示的众多不同分支，本章只介绍目前应用得最为广泛的TFT-LCD中使用的TN模式。

TN模式是在1971年由Schadt等人发表的，它是在液晶显示中最早获得广泛应用的一种模式。

由于它具有电压低，功耗小，寿命长以及易于实现多灰度、全彩色显示等特点，使它始终成为液晶显示的主流工作模式。

它是利用液晶材料的旋光性，采用电压调光的工作原理。

TN模式液晶显示器件的基本构成：在涂有透明电极的两块玻璃之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，液晶厚度约为几微米，电极表面做平行取向处理。

为使液晶分子成90°扭曲排列，上下基板的取向方向为正交设置，同时，为防止液晶层出现畴区等缺陷，在取向上要设置1°～2°的预倾角，并在液晶中掺入能形成单一右旋或左旋的手性材料。

盒子外侧的两片偏振片有两种设置方式：一是起偏器光轴和检偏器光轴分别平行（或垂直）于入射侧和出射侧分子取向方向，呈正交状态，称之为常白方式。

另一种是起偏器光轴平行（或垂直）于入射侧分子取向方向，而检偏器的光轴垂直（或平行）于出射侧分子取向，两偏振片光轴呈平行状态。

称之为常黑模式。

3. TN型液晶显示（LCD）原理LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。

这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。

也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。

由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。

但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的。

极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。

这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。

极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。

只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。

（如图2-1）图2-1 光线穿透示意图LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。

但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。

另一方面，若给液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。

总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。

（如图2-2）通常显像面积上亮区域都比黑区域大，所以这种方式有利于省电。

图2-2光线阻断示意图从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。

LCD由两块玻璃板构成，厚共约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。

因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的在灯管照射下可以再发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。

液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压进而改变液晶的旋光状态。

液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。

在液晶材料的周边是控制电路部分和驱动电路部分。

当LCD 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的扭转折射，然后经过第二过滤层的过滤，最后在屏幕上显示出来。

4．彩色再现：目前对于液晶显示而言，主要采用加法混色法来再现彩色。

根据三色学说和颜色混合定律，很容易理解加法混色的工作原理。

加法混色（如图2-3所示）采用红（Red ）、绿（Green ）、蓝（Blue ）三基色，简称RGB 混色法。

混合色的光谱为：()()()()()[]λλλλαλb b g g r r T K T K T K I I ⋅+⋅+⋅⋅⋅=0 2-1 ()λr T ，()λg T ,()λb T 分别为对应脚注颜色的光谱， r K 、g K 、b K 分别表示各种颜色强度的系数，α是入射光利用率的系数，()λ0I 表示入射光的光谱。

图2-3 加法混色三基色透射光谱彩色液晶显示器一般是通过控制所施加的电压大小，使各K 值在0～1之间变化，从而控制所显示的颜色。

第四节 液晶显示器件的采光技术液晶显示器件是被动型显示器件，它本身不会发光，是靠调制外界光实现显示的。

外界光是显示器件进行显示的前提条件。

因此在液晶显示装配、使用中，要解决采光问题。

目前液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术。

而外光源设置有背光源，前光源和投影光源三种技术。

这里主要介绍TFT-LCD的背光源技术。

背光源采光技术的两大任务是：1. 使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能够使用；2. 提高背景光亮度，改善显示效果。

液晶显示背光源的特点：1．亮度均匀一致，能形成均匀的面光源；2．亮度高，并可调亮度范围；3．平板、薄型，适于装配；4．重量轻；5．光色悦目、基色准确、对液晶显示器件有较好的透过能力；6．功耗低，效率高；在目前的TFT-LCD中采用的是冷阴极荧光灯（CCF）为背光源的。

这是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉而发光的光源。

掺有少量水银的稀薄气体在高电压下会产生电离，被电离的气体的二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发涂布于管壁的荧光粉层，使其发光。

由于电致发光的荧光粉品种齐全，转化率高，所以这种光源可制成三基色准确、色温高、亮度高的理想光源。

冷阴极荧光灯大都作成管型，所以CCF是管型线光源，用作液晶显示背光源时，必须将其变为面光源。

要实现线光源到面光源的转变，需要在液晶显示模块后加背光板，这样可以使光源均匀的通过滤色膜产生RGB三基色，通过液晶材料的光调制就可以实现彩色显示效果。

第五节液晶显示器件的驱动液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。

而液晶分子排列的改变可以通过电、磁、热等外部场的作用来实现。

我们把这种通过表2-1外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。

液晶显示器常用的驱动方式分为如表2-1所示的几种类型。

目前，在LCD Monitor方面，使用的都是采用TFT（薄膜式晶体管）LCD，它采用的是有源矩阵的驱动方式。

因此本节将先对TFT器件进行简要的介绍，再着重介绍有源矩阵的驱动方式。

1．薄膜式有源矩阵液晶显示器介绍由于普通的矩阵液晶显示器的电光特性对多路、视频活动图象显示是很难满足要求的，因为每个像素都等效于一个无极电容，显示中会产生串扰。

为了改善，又会限制驱动的路数。

因此在每个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，从而克服了串扰，解决了大容量多路显示遇到的困难，提高了画面质量，使多路显示画面成为可能。