液晶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。本文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 :鸵壕?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。?倜?ひ约耙子 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:谀J。

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)

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。

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:

彩色液晶显示器一般是通过控制所施加的电压大。?垢 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,轰击水银蒸汽,使水银蒸汽被激发,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。冷阴极荧光灯大都做成管型,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

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、视频活动图像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 AI 画面成为可能。有源矩阵液晶显示器件根据有源器件的种类可分为如表 2-2 所列的多种类型。

以下将对主流的 a-siTFT 三端有源矩阵液晶显示器件进行介绍。a-siTFT 是一种非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。它制作容易,基板玻璃成本低,导通比大,可靠性高,容易大面积化。因此受到广泛应用。图 2-3 为其基本结构。同一般液晶显示器件类似,a-SiTFT 液晶显示器件也是在两片玻璃之间封入液晶,而且液晶显示器件就是普通的 TN 型方式。不过,其玻璃基板则与普通液晶显示器件大不相同,在下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线(即行、列线),将其组合成一个个矩阵,在其交点上再制作上 TFT 有源器件和像素电极,如图 2-4 所示。

2. TFT-LCD 的驱动原理
由于TFT-LCD 矩阵结构是由一块带有TFT 三端元件阵列和像素电极阵列的基板与另一块带有彩色膜和公共电极的基板,以及由此两基板叠合后夹入的液晶层构成,此外,此方式的扫描线和信号线都设置在同一个三端子元件的基板上。扫描线与该行上所有 TFT 元件的栅极相连,而信号线与该列上所有的 TFT 元件的源电极相连。TFT-LCD 的等效电路如图 2-5 所示。在以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中,当某行一旦被选通,则该行上所有的 TFT 开关元件同时被行脉冲闭合,变成低阻(Ron)导通状态。与行扫同步,各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入与导通元件TFT 相连的各相应像素电容,信号电压被记录在像素电容和储存电容上。当行选一结束,TFT 开关元件即断开(处于高阻 Roff 状态),被记录的信号电压将被保持并持续驱像素液晶,直到下帧扫描到来之前。称此驱动为准静态驱动。由此工作过程可看出,扫描电压只做 TFT 元件的开关电压之用,而驱动液晶的电压是信号电压通过导通 TFT 元件对像素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差 VLC。VLC 大小决定于信号电压Vs。可见,采用 TFT 元件作有源矩阵驱动,可实现开关电压和驱动电压分开,从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合,可获得高像质显示。


第六节、TFT 液晶显示器件写入机理

液晶显示器件写入机理,即液晶显示器件是依靠什么方法将人们所需显示的信息用来作用于器件,使器件达到显示的目的。
1. 液晶显示器件写入的条件
众所周知,所有液晶显示器件的显示原理是依靠外。ò?ǖ、热、光等)作用于初始排列的液晶分子上。依靠液晶分子的偶极矩和各向异性的特点,使液晶分子的初始排列发生变化,通过液晶器件的外界光被调制,使液晶显示器件发生明、暗、遮、透、变色等效果达到显示目的。但是要想实现某一特性的显示目的,则需要满足以下两个基本条件:
⑴ 足够强的电(热、光)信号作用于液晶,使其改变其初始排列;
⑵ 每个电(热、光)信号均可以在一段时内作用于一个或几个像素单元。使像素能够组合成一个视觉信号。由于直流电场将会导致液晶材料的电化学反映和电极劣化、老化,因此只能在像素电极上建立交流电。??矣Ω镁】赡芗跎俳涣鞯绯≈械闹绷鞒煞,实用中应保持直流成分在几十毫伏以下,所施加的交流电场的强弱以其有效值来表示。只有所施加的交流电场有效值大于液晶显示器件的阀值电压时,该像素才能呈显示状态。由于液晶显示器件有类型、规格、型号的不同,对所施加电压的波形、相位、频率、占空比、有效值都有不同的要求。

而对于像素控制方面的要求,则包含有以下两层意思:首先,由于器件像素电极连线的排布不同,要求外部必须配置相应的硬件,以提供驱动电压波形。其次,按照一定的指令将若干个显示像素组合成不同的数字、字符、图形或图像。

2. 液晶显示器件的写入机理
在满足液晶显示器件写入基本条件下,信息信号作用与不同类型的液晶显示器件的机理也不一样。这里只介绍有源矩阵薄膜晶体管(TFT)液晶显示器件的写入机理。对于其他类型液晶显示件的写入机理将不做介绍。
TFT-LCD 的写入机理:以行扫描信号和列寻址信号控制作用于被写入像素电极上的薄膜晶体管有源电路,使有源电路产生足够大的通断比(Ron/Roff),从而间接控制像素电极间呈 TN 型的液晶分子排列,达到显示的目的。该写入的特点就是经 TFT 有源电路间接控制的 TN 型器件显示像素,可实现高路数多路显示和视频图象显示。


第七节、TFT 液晶显示器件的驱动方法

依据液晶显示器件写入机理和显示像素电极的排布方式即可确定对其进行驱动的基本条件。液晶显示器件的种类繁多,驱动的方法也不同。但是无论哪种类型的器件,还是使用什么不同的驱动方法都是以调整施加到像素电极上的电压、相位、频率、峰值、有效值、时序、占空比等一系列参数、特性来建立起一定的驱动条件,实现显示。主要的驱动有很多,在此仅介绍 TFT-LCD所采用的有源矩阵驱动法。由于有源矩阵液晶显示器件的每个像素点上都有一套有源器件,所以对这种器件的驱动是对每个像素点上的有源器件的驱动。
图 2-6 为 TFT 液晶显示驱动的时序图。


从图中可以看出,外电路不能直接将电压施加到液晶像素上,施加在像素上的电压决定于 TFT 晶体管的特性。当晶体管开、关比达到 10Ω以上时,则可以满足液晶功能像素对通断比的要求。
晶体管 TFT 是这样工作的,当 TFT 栅极 G 扫描被选通时,VG被接入一个正高脉冲,此时同步输入选址的源极信号是一个围绕一个中心值为 VC 的永远低于 VG选通脉冲幅值的选址数据电压 VLD,TFT 晶体管被打开。从源极到接通液晶像素的漏极之间呈一通路,电压被加到液晶像素电极和补偿电容电极上。这时即使施加电场撤掉,由于电容作用,其像素上施加的电压也将保持相当时间,直至下次选通的到来。若设置的电容值使其像素选通达半帧时间,同时使下半帧寻址信号以 VC进行反相,则可以实现:
⑴ 如图 2-6 所示,使加在像素上的驱动波形呈交流态;
⑵ 驱动路数与 TFT 晶体管特性有关,而与液晶电光响应特性无关。这将彻底解决液晶多路驱动难题;
⑶ 从图中波形还可以看出,这种驱动方式没有半选通波形,因此也就没有交叉效应以及对比度下降等缺陷;
⑷ 此外,这种驱动也不受液晶电光响应速度的影响,可以显示视频活动图象,没有闪烁也没有拖尾。


第八节、液晶显示驱动器原理
液晶显示器驱动器是为液晶显示器件的像素提供电场的器件。由于液晶显示像素上施加的必须是交流电。?虼艘?笠壕?允厩??鞯那??涑霰匦胧墙涣髑??坏绯〉缪褂行е翟谝壕?袼氐姆е档缪垢浇?,液晶将呈现较弱的电光效应,此态将会影响液晶显示器件的显示对比度。因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压幅值,用以实现对比度控制。液晶显示驱动器通过对其输出到液晶显示器件上的电位信号进行相位、峰值、频率等参数的调制来建立交流电。?允迪窒允拘Ч。应用上的液晶显示驱动器有静态驱动器和动态驱动器。点阵式液晶显示器件都是采用动态驱动器。驱动器又有行驱动器和列驱动器之分。


第九节、液晶显示驱动系统和液晶显示模块的构成
1. 液晶显示驱动系统
利用多片液晶驱动器组合成一个点阵液晶显示器件的驱动系统。这个系统包括有行驱动器,列驱动器,偏压电路,驱动电源发生器以及温度补偿电路等。
在大规模点阵液晶显示器件的驱动电路中主要的控制时序信号是不变的。行驱动脉冲 LCP 与列驱动器的锁存脉冲 LP 是同步的,所以这两个信号是合为一个 LP 信号的。显示数据的传输方式将根据列驱动器组的数据传输方式而定。常见的有串行数据传输方式和并行数据传输方式。偏压电路:在动态驱动方式中,偏置电压的设置是非常重要的。根据所需的偏置电压系数,把液晶驱动电压均分为不同的电压档,这就是偏压生成电路的功能。偏压生成电路实际上是等分电压电路,常用的有两种方式:电阻分压电路和运放分压电路。温度补偿电路一般是利用电阻、二极管或三极管等元件的温度系数在分压电路中的影响,来补偿液晶材料由于环境温度的影响而使电压阀值电压下降,从而影响显示的对比度。驱动电源(DC-DC)电路:液晶的驱动是建立一定电压的电场来实现的,为了保证驱动器的控制信号能够与控制系统的信号电平兼容,驱动器的逻辑电源都使用了 CMOS 芯片的逻辑电源。这个电源也作为液晶的驱动电源的一侧。但凭这个电源使点阵液晶显示器件产生显示效果还是不够的,它需要有更大的驱动电压。为了获得这个电压,驱动器还需要一个液晶驱动电源,通常是向负电压方向增加。若控制系统的电源有合适的负电源则直接使用即可。若没有则可以利用现有的 DC-DC 变换器从逻辑电源转换成负电源。由于液晶可以等效成一个电容,属电压型驱动,耗电流较。?? DC-DC 变换器所需的工作电流比较。?梢灾苯邮褂 IC 驱动。
2. 液晶显示模块的构成
由于点阵型液晶显示器件的引线众多,而且要将这些引线从玻璃上引到驱动系统的 PCB 板上,这在工艺上不是普通用户所能掌握的。所以液晶显示器件的制造商们将液晶显示器件产品进一步开发,制作出相应的驱动PCB 板和压框,然后用压框和导带或导电橡胶条将液晶显示器件固定在PCB 板上。PCB 板上含有完整的驱动器系统,电路接口包含了驱动器系统所需要的控制信号和电源。这就叫液晶显示模块(LCM)。液晶显示模块电路中的控制信号是用来接收控制系统发来的数据信号和操作信号的。这些信号有:
FLM:帧信号; LP:锁存脉冲信号; CP:移位脉冲信号;
M:交流驱动波形; D(i):显示数据。
图 2-7 为 Panel 的内部结构框图。