液晶Panel部分即是液晶顯示模塊 LCM,它是整個液晶顯示器的核心部分。 它是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB 線路板、背光源、結(jié) 構(gòu)件配在一起的一體化組件。本文將對液晶顯示的基本原理,液晶的驅(qū)動 以及液晶模塊的構(gòu)成進(jìn)行簡要的介紹。 第一節(jié)、什么是液晶(Liquid Crystal) 液晶顯示器是以液晶為基本材料的組件,由于液晶是介于固態(tài)和液態(tài) 之間,不但具有固態(tài)晶體光學(xué)特性,又具有液態(tài)流動特性,所以液晶可以 說是處于一個中間相的物質(zhì)。而要了解液晶的所產(chǎn)生的光電效應(yīng),我們必 須先來解釋液晶的物理特性,包括它的黏性(visco-sity)與彈性 (elasticity)和其極化性(polarizalility)。液晶的黏性和彈性從流 體力學(xué)的觀點(diǎn)來看,可說是一個具有排列性質(zhì)的液體,依照作用力量的不 同方向,會有不同的效果。就好像是將一簇細(xì)短木棍扔進(jìn)流動的河水中, 短木棍隨著河水流著,起初顯得凌亂,過了一會兒,所有短木棍的長軸都 自然的變成與河水流動的方向一致,達(dá)到排列狀態(tài),這表示黏性最低的流 動方式,也是流動自由能最低的一個物理模型。 此外,液晶除了有黏性的特性反應(yīng)外,還具有彈性的表現(xiàn),它們都是 對于外加的力,呈現(xiàn)出方向性的特點(diǎn)。也因此光線射入液晶物質(zhì)中,必然 會按照液晶分子的排列方式傳播行進(jìn),產(chǎn)生了自然的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。至于液晶 分子中的電子結(jié)構(gòu),都具備著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動能力,所以,當(dāng)液晶分 子受到外加電場的作用,便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性(induced dipolar),這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產(chǎn)品中 所用的液晶顯示器,就是利用液晶的光電效應(yīng),藉由外部的電壓控制,再 通過液晶分子的光折射特性,以及對光線的偏轉(zhuǎn)能力來獲得亮暗差別(或 者稱為可視光學(xué)的對比),進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。 第二節(jié)、液晶的電光特性 液晶同固態(tài)晶體一樣具有特異的光學(xué)各向異性。而且這種光學(xué)各向異 性伴隨分子的排列結(jié)構(gòu)不同將呈現(xiàn)不同的光學(xué)形態(tài)。例如,選擇不同的初 期分子取向和液晶材料,將分別得到旋光性、雙折射性、吸收二色性、光 散射性等各種形態(tài)的光學(xué)特性。一旦使分子取向發(fā)生變化,這些光學(xué)特性 將隨之變化,于是在液晶中傳輸?shù)墓饩褪艿秸{(diào)制。由此可見,變更分子的 排列狀態(tài)即可實(shí)行光調(diào)制。 由于液晶是液體,分子排列結(jié)構(gòu)不象固態(tài)晶體那樣牢固。另一方面液晶又具有顯著的介電各向異性△ε和自發(fā)偶極子 P0。一旦給液晶層施加上 電壓,則在介電各向異性△ε和自發(fā)偶極子 P0 和電場的相互作用下,分子排列狀態(tài)很容易發(fā)生變化。因此利用外加電場即可改變液晶分子取向, 產(chǎn) 生 調(diào) 制 。 這 種由電場產(chǎn)生的光調(diào)制現(xiàn)象叫做液晶的電光效應(yīng)(electro-optic effect)。它是液晶顯示的基礎(chǔ)。 這種光學(xué)特性可通過表面處理、液晶材料選擇、電壓及其頻率的選擇獲得。 第三節(jié)、液晶顯示原理 1. 液晶的物理特性
液晶的物理特性是:當(dāng)通電施加上電場時,液晶排列變得有秩序,使
光線容易通過;不通電時排列混亂,阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻
隔或讓光線穿透,從技術(shù)上說,液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃
薄板,中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時,液晶本身會一排排站
立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀,因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有
機(jī)復(fù)合物,由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下,這些棒狀分子的長軸大
致平行。但將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面,液晶分子長軸會順著
槽排列。所以,假如那些槽非常平行,則各分子也是完全平行的。 由液晶顯示的四種基本原理而派生出多種工作模式。主要有:TN 模 式、STN 模式、FLC 模和液晶-聚合物模式等。由于液晶顯示的眾多不同分支,本章只介紹目前應(yīng)用得最為廣泛的 TFT-LCD 中使用的 TN 模式。 TN 模式是在 1971 年由 Schadt 等人發(fā)表的,它是在液晶顯示中最早 獲得廣泛應(yīng)用的一種模式。由于它具有電壓低,功耗小,壽命長以及易于 實(shí)現(xiàn)多灰度、全彩色顯示等特點(diǎn),使它始終成為液晶顯示的主流工作模式。 它是利用液晶材料的旋光性,采用電壓調(diào)光的工作原理。 TN 模式液晶顯示器件的基本構(gòu)成:在涂有透明電極的兩塊玻璃之間 夾有介電各向異性為正的向列相液晶,液晶厚度約為幾微米,電極表面做 平行取向處理。為使液晶分子成 90°扭曲排列,上下基板的取向方向?yàn)?正交設(shè)置,同時,為防止液晶層出現(xiàn)疇區(qū)等缺陷,在取向上要設(shè)置 1°~ 2°的預(yù)傾角,并在液晶中摻入能形成單一右旋或左旋的手性材料。盒子 外側(cè)的兩片偏振片有兩種設(shè)置方式:一是起偏器光軸和檢偏器光軸分別平 行(或垂直)于入射側(cè)和出射側(cè)分子取向方向,呈正交狀態(tài),稱之為常白 方式。另一種是起偏器光軸平行(或垂直)于入射側(cè)分子取向方向,而檢 偏器的光軸垂直(或平行)于出射側(cè)分子取向,兩偏振片光軸呈平行狀態(tài)。 稱之為常黑模式。 3. TN 型液晶顯示(LCD)原理 LCD 技術(shù)是把液晶灌入兩個列有細(xì)槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成 90 度)。也就是說,若一個平面上的分子南北向排列, 則另一平面上的分子?xùn)|西向排列,而位于兩個平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入 一種 90°扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播,所以光線經(jīng) 過液晶時也被扭轉(zhuǎn) 90°。但當(dāng)液晶上加一個電壓時,分子便會重新垂直 排列,使光線能直射出去,而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn) LCD 是依賴極化濾光器(片)和光線本身,自然光線是朝四面八方隨機(jī) 發(fā)散的。極化濾光器實(shí)際是一系列越來越細(xì)的平行線。這些線形成一張網(wǎng), 阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直,所 以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行,或者 光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個極化濾光器相匹配,光線才得以穿透。(如圖 2-1) LCD 正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構(gòu)成,所以在正常情況下應(yīng)該 阻斷所有試圖穿透的光線。但是,由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶, 所以在光線穿出第一個濾光器后,會被液晶分子扭轉(zhuǎn) 90 度,最后從第二 個濾光器中穿出。另一方面,若給液晶加一個電壓,分子又會重新排列并 完全平行,使光線不再扭轉(zhuǎn),所以正好被第二個濾光器擋住。總之,加電 將光線阻斷,不加電則使光線射出。(如圖 2-2)通常顯像面積上亮區(qū)域都比黑區(qū)域大,所以這種方式有利于省電。
從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看,無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng),采用的LCD 顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD 由兩塊玻璃板構(gòu)成,厚共約 1mm,其間由包含有液晶(LC)材料的 5μm 均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光,所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管,而在液晶顯示屏背面有一塊背光板(或稱勻光板)和反光膜,背光板是由熒光物質(zhì)組成的在燈管照射下可以再發(fā)射光線,其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中,一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極,電極分為行和列,在行與列的交叉點(diǎn)上,通過改變電壓進(jìn)而改變液晶的旋光狀態(tài)。液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料的周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分。當(dāng) LCD 中的電極產(chǎn)生電場時,液晶分子就會產(chǎn)生扭曲,從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的扭轉(zhuǎn)折射,然后經(jīng)過第二過濾層的過濾,最后在屏幕上顯示出來。 彩色液晶顯示器一般是通過控制所施加的電壓大小,使各 K 值在 0~1 之間變化,從而控制所顯示的顏色。 第四節(jié)、液晶顯示器件的采光技術(shù) 液晶顯示器件是被動型顯示器件,它本身不會發(fā)光,是靠調(diào)制外界光實(shí)現(xiàn)顯示的。外界光是顯示器件進(jìn)行顯示的前提條件。因此在液晶顯示裝配、使用中,要解決采光問題。目前液晶顯示的采光技術(shù)分為自然光采光技術(shù)和外光源設(shè)置技術(shù)。而外光源設(shè)置有背光源,前光源和投影光源三種技術(shù)。這里主要介紹 TFT-LCD 的背光源技術(shù)。
背光源采光技術(shù)的兩大任務(wù)是: 第五節(jié)、液晶顯示器件的驅(qū)動 液晶的光學(xué)傳輸特性取決于分子排列狀態(tài),改變分子的排列狀態(tài)就可以改變液晶層光學(xué)傳輸特性,這就是液晶電子學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)。而液晶分子排列的改變可以通過電、磁、熱等外部場的作用來實(shí)現(xiàn)。我們把這種通過
外場作用來改變分子排列狀態(tài)的過程稱為液晶顯示器的驅(qū)動。液晶顯示器常用的驅(qū)動方式分為如表 2-1 所示的幾種類型。目前,在 LCD Monitor 方面,使用的都是采用 TFT(薄膜式晶體管)LCD,它采用的是有源矩陣的驅(qū)動方式。因此本節(jié)將先對 TFT 器件進(jìn)行簡要的介紹,再著重介紹有源矩陣的驅(qū)動方式。 以下將對主流的 a-siTFT 三端有源矩陣液晶顯示器件進(jìn)行介紹。a-siTFT 是一種非晶硅-薄膜晶體管類型的三端有源矩陣液晶顯示器件。它制作容易,基板玻璃成本低,導(dǎo)通比大,可靠性高,容易大面積化。因此受到廣泛應(yīng)用。圖 2-3 為其基本結(jié)構(gòu)。同一般液晶顯示器件類似,a-SiTFT 液晶顯示器件也是在兩片玻璃之間封入液晶,而且液晶顯示器件就是普通的 TN 型方式。不過,其玻璃基板則與普通液晶顯示器件大不相同,在下玻璃板上要配制上掃描線和尋址線(即行、列線),將其組合成一個個矩陣,在其交點(diǎn)上再制作上 TFT 有源器件和像素電極,如圖 2-4 所示。
2. TFT-LCD 的驅(qū)動原理 第六節(jié)、TFT 液晶顯示器件寫入機(jī)理
液晶顯示器件寫入機(jī)理,即液晶顯示器件是依靠什么方法將人們所需顯示的信息用來作用于器件,使器件達(dá)到顯示的目的。 而對于像素控制方面的要求,則包含有以下兩層意思:首先,由于器件像素電極連線的排布不同,要求外部必須配置相應(yīng)的硬件,以提供驅(qū)動電壓波形。其次,按照一定的指令將若干個顯示像素組合成不同的數(shù)字、字符、圖形或圖像。
2. 液晶顯示器件的寫入機(jī)理 第七節(jié)、TFT 液晶顯示器件的驅(qū)動方法
依據(jù)液晶顯示器件寫入機(jī)理和顯示像素電極的排布方式即可確定對其進(jìn)行驅(qū)動的基本條件。液晶顯示器件的種類繁多,驅(qū)動的方法也不同。但是無論哪種類型的器件,還是使用什么不同的驅(qū)動方法都是以調(diào)整施加到像素電極上的電壓、相位、頻率、峰值、有效值、時序、占空比等一系列參數(shù)、特性來建立起一定的驅(qū)動條件,實(shí)現(xiàn)顯示。主要的驅(qū)動有很多,在此僅介紹 TFT-LCD所采用的有源矩陣驅(qū)動法。由于有源矩陣液晶顯示器件的每個像素點(diǎn)上都有一套有源器件,所以對這種器件的驅(qū)動是對每個像素點(diǎn)上的有源器件的驅(qū)動。
第八節(jié)、液晶顯示驅(qū)動器原理 第九節(jié)、液晶顯示驅(qū)動系統(tǒng)和液晶顯示模塊的構(gòu)成 更多內(nèi)容:電器維修 |
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