液晶显示器

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液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)

目录

什么是液晶显示器

  液晶显示器是众多平板显示器件中发展最成熟、应用面最广、已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显示器。由于液晶自身一系列无法替代的优点和相关技术的发展,LCD在显示器件市场中将占有越来越大比例[1]

液晶显示器发展历史[1]

  液晶显示器的早期原型是美国RCA公司Heilmeier等人于1961年—1968年发明的,并制出液晶钟表、驾驶台显示器等应用产品。RCA公司领导曾将这些液晶发明列为企业的重大秘密,但是当时RCA是以硅工艺产品为主,加上初期液晶产品存在着一些缺点,所以未能将这些成果转化为大生产的产品,于是1968年RCA公司向世界公布了这批发明。1969年2月,日本NHK向国内报导了这项消息,立刻引起日本科技、工业界的极大重视。当时日本的半导体集成电路技术已成长起来,公用办公领域已电子化,正向着从家庭电子化到个人电子化迈进。个人电子化必须是袖珍式的,即要求结构简单、功耗少。而液晶刚好能与CMOS(互补MOS)相匹配;反之,以IC技术为中心的高精度固体电子器件制造技术也促进了液晶器件的大量生产。日本人从液晶手表、液晶计算器等低档产品起步,发展到小尺寸无源矩阵液晶黑白电视机、非晶硅有源矩阵液晶彩色显示器,直到目前多晶硅有源矩阵高分辨力彩色液晶显示器,一直领导着世界液晶工业的发展方向。

  液晶显示器的大量生产始于1970年,即发现扭曲效应后不久,当时LCD产品中有99%是应用扭曲效应的。早期LCD是用于手表、计算器、电子游戏机、移动电话显示屏、摄像机、科学和医学中的测量设备、汽车控制板、电子字典、火车、公共汽车、航空港和加油站中的显示屏,当LCD发展到能显示大容量信息阶段时,LCD大生产的增长率迅速提高,其应用市场十分广阔,包括:可携带电脑、文字处理器、小型电视机、视频显示器、桌上电脑、工作站,以及大尺寸直观式电视机和投影电视机等的显示屏。

  1985年后,由于超扭曲(STN)液晶用于显示器,使无源液晶显示器进人中档液晶产品行列、同时非晶硅薄膜晶体管(a-SiTFT)液晶显示技术的发明,使LCD进入大容量显示阶段,如笔记本电脑、电子翻译机等。1996年后液晶笔记本电脑已普及,并于1998年打入监视器市场,到2002年液晶监视器已成功地占有了监视器市场总额的显著部分。

  人们常以生产时所用玻璃基板的大小将液晶生产分代,如表所列。

表 液晶显示器的分代
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
对应的产品尺寸9英寸以下的移动及专用产品9英寸以下的移动及专用产品9英寸以下的移动及专用产品9英寸以下的移动及专用产品8英寸~32英寸移动、笔记本、显示器、电视
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
对应的产品尺寸18英寸~37英寸显示器、电视32英寸~42英寸电视32英寸~60英寸电视40英寸以上电视50英寸以上电视

  随着大尺寸低温多晶硅薄膜晶体管液晶技术的发展和长期困扰液晶三大难题(视角小、饱和度和亮度不足)的基本解决,从8英寸~15英寸的个人平板液晶电视、25英寸~45英寸的客厅液晶电视到2m2~20m2的液晶投影电视已大量进入了人们的生活。液晶电视正朝着画面精细化、多功能化和大屏幕化两方向发展。2002年底LG公司飞利浦公司已开发出50英寸TFT液晶面板,分辨力为1920×1080,亮度为500cd/m2,视角为172°,是面向高清晰度电视使用的。

  2007年,电视大视角技术取得了新成果——像素晶体管的个数终于达到了3个,韩国的三星电子和中国台湾的中华映管(CPT)宣布,作为改善MVA液晶残像的方法,在此前基于两个晶体管的驱动的基础上在像素内进一步追加一个晶体管形成三晶体管构造。

  在SID2008展会上,韩国三星电子展出了一款82英寸高清液晶电视,据称这款产品分辨力达到3840×2160,刷新率为120Hz;采用的红/绿/蓝LED背光系统大幅提高了色彩饱和度,色域达到NTSC标准的150%。

液晶显示器的特点[2]

  LCD最大的特征是兼备薄型、轻量、低功耗、低工作电压等。因此,迄今为止,在现有的各种平面显示板电子显示器中,LCD一直充当主角,而且还没有迹象表明这种局面会发生变化。LCD的优点有:

  1.由于低功耗(几微瓦~几十微瓦/平方厘米),利用电池即可长时间运行,为节能型显示器。

  2.低电压运行(几十伏),可由IC直接驱动,驱动电路小型、简单。

  3.元件为薄型(几毫米),而且从大型显示(对角线长几十厘米)到小型显示(对角线长几毫米)都可满足,特别适用于便携式装置。

  4.属于非主动发光型显示,即使在明亮的环境,显示也是鲜明的。

  5.容易实现彩色显示,因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。

  6.可以进行投影显示及组合显示,因此容易实现大画面(对角线为数米)显示。

  LCD也存在以下一些缺点:

  1.由于属于非主动发光型,在采用反射方式时,在比较暗的场所,显示不够鲜明。

  2.在需要鲜明的显示及彩色显示的场合,需要背景光。

  3.显示对比度与观察方向有关,视角受到限制。

  4.响应时间与环境温度有关,低温(-30℃~-40℃)时工作不能充分保证。

液晶显示器显像原理[3]

  液晶显示器依驱动方式的不同可分为静态驱动(Static Matrix)、单纯矩阵驱动(Simple Matrix)以及主动矩阵驱动(Active Matrix)三种。其中,单纯矩阵型即是俗称的被动式(Passive),又可分为扭转式向列型(Twisted Nematic,TN)和超扭转式向列型(Super Twisted Nematic,STN)两种;主动矩阵型则以薄膜式晶体管型(Thin Film Transistor,TFT)为代表,它是目前的主流LCD。

  TFT型液晶显示器的显像原理如图所示。首先背光源发光,也就是最下面的荧光灯管投射出可见光,光源发出的光经过导光板到达偏光板,然后再经过偏光板穿过液晶分子,液晶分子的排列方式改变穿透液晶的光线角度,最后这些光线还必须经过前方的彩色滤光板与另一块偏光滤色玻璃后导出。位于外层的薄膜式晶体管配向膜,可借由改变液晶的电压值控制最后出现的光线强度与色彩,并进而能在液晶面板上组合出有不同深浅颜色的图像。

Image:TFT型液晶显示器的显像原理.jpg

  液晶显示器的优点是工作电压低,功耗低:平板式结构,重量轻;彩色较柔和;无辐射,无污染,对视力损伤极小:寿命长(通常可达50000小时);分辨率很高。其缺点为显示视角较小;响应速度较慢;制造工艺较复杂:被动发光。

  近几年通过技术攻关,其响应速度、对比度不断提高,视角逐渐加大,大屏幕及超大屏幕技术也获得突破。近期世界最大的液晶显示屏(1100 mm×1300 mm)生产线将落户上海,生产目前世界上最先进的第五代薄膜晶体管液晶显示屏(TFT-LCD)。

液晶显示器的应用[2]

  LCD的主要应用有:

  1.数字、字符显示

  这方面的应用和LED相似,属于小型显示器件。可以显示数字、字符及标志等简单信息,在钟表、家用电器、仪器仪表中使用。

  2.平面显示

  LCD的优势在于平面显示,例如彩色电视、计算机显示器、大屏幕显示器等,尤其是便携式电脑显示器,目前均为LCD显示器。

  目前,显示辉度达500cd/m2,对比度达500:1。分辨率为200dpi,视角为170°的大屏幕场效应薄膜晶体管驱动的LCD已经上市。彩色电视已经进入大规模工业生产,其画质已经达到甚至超过CRT显示器,例如24英寸彩电的分辨率为1920×1200,水平与垂直视角都为170°。

  由于LCD器件的低温加工技术的突破,可以用有机柔性基板取代刚性的玻璃基板,从而使LCD器件更薄(屏厚度小于0.2mm)、更轻,不易破碎,易弯曲,可折叠,可折叠的便携式显示器的问世已为时不远。

  3.光开关

  利用液晶器件对光的通过、遮断特性,可将液晶器件作为光开关来使用。如在光纤通信系统光交叉连接设备中,已开发出基于液晶器件的光开关矩阵。在光信息处理系统中,液晶光开关也得到应用。

液晶显示器的分类[4]

  ①按转换机理分类

  液晶显示器按转换机理可分为扭曲列(TN)型、动态散射(DS)型、宾主(GH)型、超扭曲(STN)型、电控双折射(ECB)型、双频型、相变(PC)型和存储型等。

  ②按驱动方式分类

  液晶显示器按驱动方式可分为静态驱动式和动态驱动式。

  ③按用途分类

  液晶显示器按用途的不同可分为时钟用、手表用、计算机用、仪器仪表用、电脑显示器用、影碟机用、点阵显示器用等。

  ④按结构分类

  液晶显示器按结构可分为反射型、透射型和投影型等多种。

  ⑤按连接方式分类

  液晶显示器按与驱动电路之间的连接方式可分为导电橡胶式连接和插针式连接。⑥按控制方式分类液晶显示器按控制方式可分为被动式和主动式。

液晶显示器的参数[4]

  ①可视面积

  液晶显示所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围。

  ②可视角度

  液晶显示器的可视角度左右对称,而上下则不一定对称。

  ③点距

  点距表示每个像素之间的相对位置。一般14in LCD的可视面积为285.7mm×214.3mm,它的最大分辨率为1024×768,则该LCD的点距可视宽度一水平像素(或者可视高度/垂直像素),即285.7mm/1024=0.279mm(或者是214.3mm/768=0.279mm)。

  ④色彩度

  LCD重要的当然是色彩表现度。自然界是由1024×768个像素点组成显像的,每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示器.每个基本色(R、G、B)达到6位,即64种表现度,那么每个独立的像素有64×64×64=262144种色彩。

  ⑤对比值

  对比值定义为最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。

  ⑥亮度值

  液晶显示器的最大亮度,通常由背光源来决定,液晶显示器的亮度略低,会觉得屏幕发暗。虽然技术上可以达到更高亮度,但是这并不代表亮度值越高越好,因为太高亮度的显示器有可能使观看者眼睛受伤。

  ⑦响应时间

  响应时间是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度,此值越小越好。如果响应时间太长,就有可能使液晶显示器在显示动态图像时,有拖曳的感觉。一般的液晶显示器的响应时间在20~30ms之间。

参考文献

  1. 1.0 1.1 于军胜.显示器件技术.国防工业出版社,2010.07
  2. 2.0 2.1 杨永才,何国兴,马军山.光电信息技术.东华大学出版社,2009.04
  3. 裴昌幸,刘乃安.电视原理与现代电视系统.西安电子科技大学出版社,2011.08.
  4. 4.0 4.1 杨冶杰.电子元器件选用与检测一本通.化学工业出版社,2010.06
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