常見的液晶屏種類和區別介紹

常見的液晶屏種類和區別介紹

工程師譚軍 發表於 2018-09-03 11:13:24

　　本文主要是關於液晶屏的相關介紹，並著重對液晶屏的種類及其原理進行了詳盡的闡述。

　　液晶屏

　　液晶屏是以液晶材料為基本組件，在兩塊平行板之間填充液晶材料，通過電壓來改變液晶材料內部分子的排在列狀況，以達到遮光和透光的目的來顯示深淺不一，錯落有致的圖象，而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，就可實現顯示彩色圖象。液晶屏功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用於使用電池的電子設備。

　　液晶屏是以液晶材料為基本組件，由於液晶是介於固態和液態之間，

　　不但具有固態晶體光學特性，又具有液態流動特性，所以已經可以說是一個中間相。而要了解液晶的所產生的光電效應，必須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的觀點來看，可說是一個具有排列性質的液體，依照作用力量不同的方向，應該有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進流動的河水中，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，這表示著次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，液晶除了有黏性的反應外，還具有彈性的反應，它們都是對於外加的力量，呈現了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質中，必然會按照液晶分子的排列方式行進，產生了自然的偏轉現像。至於液晶分子中的電子結構，都具備著很強的電子共軛運動能力，所以當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應，藉由外部的電壓控制，再透過液晶分子的折射特性，以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況（或著稱為可視光學的對比），進而達到顯像的目的。

　　液晶屏的工作原理

　　簡單的來說，屏幕能顯示的基本原理就是在兩塊平行板之間填充液晶材料，

　　通過電壓來改變液晶材料內部分子的排列狀況，以達到遮光和透光的目的來顯示深淺不一，錯落有致的圖象，而且只要在兩塊平板間再加上三元色的濾光層，就可實現顯示彩色圖象。

　　認識了它的結構和原理，了解了它的技術和工藝特點，才能在選購時有的放矢，在應用和維護時更加科學合理。液晶是一種有機複合物，由長棒狀的分子構成。在自然狀態下，這些棒狀分子的長軸大致平行。

　　LCD第一個特點是必須將液晶灌入兩個列有細槽的平面之間才能正常工作。這兩個平面上的槽互相垂直（90度相交），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東西向排列，而位於兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由於光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當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，而不發生任何扭轉。

　　LCD的第二個特點是它依賴極化濾光片和光線本身，自然光線是朝四面八方隨機發散的，

　　極化濾光片實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網，阻斷不與這些線平行的所有光線，極化濾光片的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經極化的光線。 只有兩個濾光片的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光片相匹配，光線才得以穿透。一方面，LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光片構成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由於兩個濾光片之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光片後，會被液晶分子扭轉90度，最後從第二個濾光片中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列並完全平行，使光線不再扭轉，所以正好被第二個濾光片擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。當然，也可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。但由於液晶屏幕幾乎總是亮著的，所以只有「加電將光線阻斷」的方案才能達到最省電的目的。

　　主動矩陣式液晶屏

　　TFT-LCD液晶顯示器的結構與TN-LCD液晶顯示器基本相同，只不過將TN-LCD上夾層

　　的電極改為FET電晶體，而下夾層改為共通電極。

　　TFT-LCD液晶顯示器的工作原理與TN-LCD卻有許多不同之處。TFT-LCD液晶顯示器的顯像原理是採用「背透式」照射方式。當光源照射時，先通過下偏光板向上透出，藉助液晶分子來傳導光線。由於上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導通時，液晶分子的排列狀態同樣會發生改變，也通過遮光和透光來達到顯示的目的。但不同的是，由於FET電晶體具有電容效應，能夠保持電位狀態，先前透光的液晶分子會一直保持這種狀態，直到FET電極下一次再加電改變其排列方式為止。

　　被動矩陣式液晶屏

　　TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之間的顯示原理基本相同，

　　不同之處是液晶分子的扭曲角度有些差別。下面以典型的TN-LCD為例，向大家介紹其結構及工作原理。在厚度不到1釐米的TN-LCD液晶顯示屏面板中，通常是由兩片大玻璃基板，內夾著彩色濾光片、配向膜等製成的夾板，外面再包裹著兩片偏光板，它們可決定光通量的最大值與顏色的產生。彩色濾光片是由紅、綠、藍三種顏色構成的濾片，有規律地製作在一塊大玻璃基板上。每一個像素是由三種顏色的單元（或稱為子像素）所組成。假如有一塊面板的解析度為1280×1024，則它實際擁有3840×1024個電晶體及子像素。每個子像素的左上角（灰色矩形）為不透光的薄膜電晶體，彩色濾光片能產生RGB三原色。每個夾層都包含電極和配向膜上形成的溝槽，上下夾層中填充了多層液晶分子（液晶空間不到5×10-6m）。在同一層內，液晶分子的位置雖不規則，但長軸取向都是平行於偏光板的。另一方面，在不同層之間，液晶分子的長軸沿偏光板平行平面連續扭轉90度。

　　其中，鄰接偏光板的兩層液晶分子長軸的取向，與所鄰接的偏光板的偏振光方向一致。在接近上部夾層的液晶分子按照上部溝槽的方向來排列，而下部夾層的液晶分子按照下部溝槽的方向排列。最後再封裝成一個液晶盒，並與驅動IC、控制IC與印刷電路板相連接。

　　在正常情況下光線從上向下照射時，通常只有一個角度的光線能夠穿透下來，通過上偏光板導入上部夾層的溝槽中，再通過液晶分子扭轉排列的通路從下偏光板穿出，形成一個完整的光線穿透途徑。而液晶顯示器的夾層貼附了兩塊偏光板，這兩塊偏光板的排列和透光角度與上下夾層的溝槽排列相同。當液晶層施加某一電壓時，由於受到外界電壓的影響，液晶會改變它的初始狀態，不再按照正常的方式排列，而變成豎立的狀態。因此經過液晶的光會被第二層偏光板吸收而整個結構呈現不透光的狀態，結果在顯示屏上出現黑色。當液晶層不施任何電壓時，液晶是在它的初始狀態，會把入射光的方向扭轉90度，因此讓背光源的入射光能夠通過整個結構，結果在顯示屏上出現白色。為了達到在面板上的每一個獨立像素都能產生你想要的色彩，多個冷陰極燈管必須被使用來當作顯示器的背光源。

　　常見的液晶屏種類和區別介紹

　　GF液晶屏

　　GF是「Glass Fine Color」的縮寫，或許大家對於GF液晶屏比較陌生，因為在現在市面上採用GF液晶屏的數碼產品非常的少，其實GF也是屬於STN的一種，GF的主要特點是：在保證功耗很小的前提之下將亮度有所提高，但是GF的液晶屏會出現一些偏色。

　　TFT液晶屏

　　TFT是「Thin Film Transistor」的縮寫，它是屬於有源矩陣型液晶屏，是由薄膜電晶體所組成的屏幕，它的每一個液晶像素點基本都是由薄膜電晶體來驅動的，每一個像素點的後面都有著四個相互獨立的薄膜電晶體，它們驅動像素點然後發出彩色光，可以顯示出24bit色深的真彩色。在解析度上面，TFT液晶屏最大程度可以達到UXGA（1600×1200）。

　　

　　TFD液晶屏

　　TFD是「Thin Film Diode」的縮寫，由於TFT液晶屏的耗電量比較高，而且其成本也高，從而大大的增加了產品的成本，所以EPSON專門為手機屏幕開發出了了TFD技術，它也是有源矩陣的液晶屏，顯示屏上面的每一個像素一顆單獨的二極體，可以對每一個像素進行單獨的控制，使每個像素之間都不會互相影響，這樣就可以明顯的提高解析度，可以無拖尾的顯示動態畫面和絢麗的色彩。

　　OLED液晶屏

　　OLED是「Organic Light Emitting Display」的縮寫，也稱之為有機發光顯示屏，它是採用的有機發光的技術，這是目前來說最新的顯示技術了，OLED顯示技術和傳統的液晶顯示方式不同的是，它死不需要背光燈的，而是採用了非常薄的有機材料塗層以及玻璃基板，當它有電流通過的時候，這些有機材料就會自己發光，所以它的視角會變的很大，從各個方向上都可以看清楚屏幕上的內容，並且還可以做得很薄，而且OLED顯示屏能夠顯著的節省電能，被譽為「夢幻顯示器」。

　　主動式

　　Super AMOLED面板名為超級有源矩陣有機發光二極體面板（Super Active Matrix Organic Light Emitting Diode）。

　　LCD的顯示技術由於其天生的就是受（需要背光的支持），所以不管怎樣亮度總有損失，而且光要透過兩層玻璃與各種膜產生偏光，這樣會帶來色彩的損失，另外像素密度的提高也比較困難，成本會更高，所以人們更需要一種可以接近無損的屏幕，於是可以自發光的攻型顯示技術被發展了起來，這就是我們所說的AMOLED。

　　由於其不需要厚厚的玻璃與背光板，這種屏幕的發出的光可以直接被人眼接受，這樣不管是從色彩損失還是視角上，這種屏幕都是一種理想的屏幕。不過老天爺往往是公平的，OLED也有其不可克服的缺點，那就是三色發光損耗不一致。

　　我們知道現在的白光實際上是有三原色組成的，即紅、綠、藍三色，那麼要想發出這三種光我們所要給出的能量並不一致，反映到實際上就是所加電流不一致（E=hv，頻率不同所需要的能量也不同），這就好比你敲打東西，你所使用的力量越大，那麼工具也就越容易損壞，所以AMOLED中發紅光的電極損壞的就比藍綠電極要慢，也就是說屏幕越用會越偏紅。於是有些廠商為了減緩這種效果會將屏幕在出廠時調的比較藍，這樣使用一段時間屏幕顏色就正常了。

　　被動式

　　被動式的面板需要背光的支持，主要有下面這幾種類型。

　　TN面板名為扭曲向列型面板（Twisted Nematic），成本低廉註定了它是應用最廣泛的一種，TN有時候也會被稱之為TFT（好吧這是民間通俗不太科學叫法），TN面板的缺點是可視角度小、色彩還原能力有限。

　　VA面板全稱垂直配向型面板（Vertical Alignment），有富士通的MVA和三星的PVA兩種。比起TN面板，VA面板可以提供更廣的可視角度以及更好的色彩還原能力。三星的PVA（Patterned Vertical Alignment）面板技術是從富士通的MVA發展和繼承而來。VA面板的缺點是功耗較高、價格較高。

　　IPS面板全稱平面轉換面板（In-Plane Switching），是日立公司在1996年開發的面板技術，從TFT面板改進而來，所以也稱為「Super-TFT」面板。IPS面板分為S-IPS、AS-IPS、H-IPS、S-IPS和E-IPS等幾種，同樣擁有可視角度大，色彩還原能力較強的優點，但其功耗較Super AMOLED屏幕高。

　　CPA為連續焰火狀排列模式廣視角面板（Continuous Pinwheel Alignment），這一種面板同樣屬於夏普。夏普CPA面板色彩還原和可視角度都很優秀，但價格昂貴。需要注意夏普把自己所用過的TN+Film、VA、CPA等廣視角技術的產品都統稱為ASV。

　　許多高端手機都以IPS面板作為賣點

　　幾種顯示材料技術的介紹

　　a-Si為非晶矽技術，是目前應用最廣的一種，技術簡單、成本低廉，但開關所佔的像素本身的面積很大導致亮度無法做得很高（也就是開口率低），另外PPI也只能做到約200PPI的水平。

　　IGZO為銦鎵鋅氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide）的縮寫，它是一種薄膜電晶體技術，通過在TFT-LCD的主動層上打上一層IGZO金屬氧化層，從而獲得更出色的電子性能。相比a-Si其開關電晶體體積更小，可以實現更高的像素開口率，其PPI普遍在300以下。IGZO的優點是高精度、低功耗和高觸控性能。使用這一技術面板的有蘋果的iPad。

　　LTPS（Low Temperature Poly-silicon）低溫多晶矽技術是為了解決單晶矽的缺點開發而來，LTPS比起a-Si，把外圍電路集成到面板基板的可操作更強，載流子移動速度更快，面板的設計更簡單，PPI最高可實現500+，一般在300PPI以上的都是採用這種技術，代表產品有HTC One X、iPhone 4/4S/5。

　　CGS（CG-silicon）連續粒狀結晶矽屏幕技術是屬於LTPS的一個變種（夏普官方原文「CG-silicon is a variant of the LTPS process using laser annealing to get larger domains」），它的載流子移動速度是LTPS（Low Temperature Poly-silicon，低溫多晶矽）技術的3倍，是普通A-si（非晶矽）技術的600倍。可以實現更高的開口率，在同樣的背光亮度條件下，屏幕亮度更高，而在屏幕亮度不變的情況下，能夠使用更低亮度的背光以節約電量。此外它更輕薄，耐衝撞及扭曲。

　　CGS屏幕技術

　　關於玻璃貼合及觸控屏整合工藝

　　我們之前多個手機的評測中都談到了單玻璃貼合技術。這些技術都是把觸控部分整合到內層玻璃或者是顯示屏上面，實現減少厚度、簡化工藝製程、增加屏幕的通透程度、減少反光、不進灰等目的。目前這一類的技術主要有以觸控屏廠商為主導的One Glass/Touch on Lens方案，以及由面板廠商主導的On-Cell和In-Cell方案。

　　One Glass/Touch on Lens通過在保護玻璃內側鍍上ITO導電層，把觸控屏與保護玻璃集成在一起，代表產品有魅族MX2、小米手機2，使用這一方案的手機屏幕如果摔碎的話，觸控也隨之失效；

　　結語

　　關於液晶屏的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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