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?????? LCD（LiquidCrystalDisplay）對(duì)于許多的用戶而言可能已經(jīng)不是一個(gè)新鮮的名詞，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們的想象――在1888年，一位奧地利的植物學(xué)家F.Renitzer便發(fā)現(xiàn)了液晶特殊的物理特性。?
?????? 在85年之后，這一發(fā)現(xiàn)才產(chǎn)生了商業(yè)價(jià)值，1973年日本的夏普公司首次將它運(yùn)用于制作電子計(jì)算器的數(shù)字顯示。現(xiàn)在，LCD是筆記型計(jì)算機(jī)和掌上計(jì)算機(jī)的主要顯示設(shè)備，在投影機(jī)中，它也扮演著非常重要的角色，而且它開始逐漸滲入到桌面顯示器市場中。?
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為什么叫液晶？?
?????? 液晶得名于其物理特性：它的分子晶體，不過以液態(tài)存在而非固態(tài)。大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物。這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點(diǎn)：如果你讓電流通過液晶層，這些分子將會(huì)以電流的流向方向進(jìn)行排列，如果沒有電流，它們將會(huì)彼此平行排列。如果你提供了帶有細(xì)小溝槽的外層，將液晶倒入后，液晶分子會(huì)順著槽排列，并且內(nèi)層與外層以同樣的方式進(jìn)行排列。?
?????? 液晶的第三個(gè)特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。液晶層表現(xiàn)的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過濾掉除了那些從特殊方向射入之外的所有光線。此外，如果液晶層發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，光線將會(huì)隨之扭轉(zhuǎn)，以不同的方向從另外一個(gè)面中射出。?
?????? 液晶的這些特點(diǎn)使得它可以被用來當(dāng)作一種開關(guān)-即可以阻礙光線，也可以允許光線通過。液晶單元的底層是由細(xì)小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過當(dāng)上下兩個(gè)表面之間呈一定的角度時(shí)，液晶成了隨著兩個(gè)不同方向的表面進(jìn)行排列，就會(huì)發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個(gè)扭曲了的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會(huì)按照電流的方向進(jìn)行排列，這樣就會(huì)消除光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個(gè)偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線通過了，而沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。也有某些設(shè)計(jì)了省電的需要，有電流時(shí)，光線不能通過，沒有電流時(shí)，光線通過。?
?????? 顯示技術(shù)由于不同的應(yīng)用目的而分成不同的類型。有的是成了靜態(tài)顯示，比如道路標(biāo)志和顯示牌，它們的顯示信息是不變的。平面顯示技術(shù)則被用于傳遞發(fā)生變化的顯示信息，所以顯示信息量的大小就決定了所采用的顯示技術(shù)類型。對(duì)于便攜式的計(jì)算器等設(shè)備而言，由于所傳遞的信息量相對(duì)較低，被稱為「低信息密度」顯示技術(shù)；對(duì)于計(jì)算機(jī)顯示器而言，由于傳遞的信息量大，則相應(yīng)被稱為「高信息密度」顯示技術(shù)。?
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被動(dòng)矩陣液晶顯示技術(shù)?
?????? 高信息密度顯示技術(shù)中首先商品化的是「被動(dòng)矩陣顯示技術(shù)」。它得名于控制液晶單元的開和關(guān)的簡單設(shè)計(jì)。?
?????? 被動(dòng)矩陣液晶顯示的驅(qū)動(dòng)方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成，單獨(dú)的液晶單元夾在彼此垂直的電極中間。因此，任何一組電極的驅(qū)動(dòng)就會(huì)在特定的單元中引起電流通過。?
?????? 被動(dòng)矩陣顯示畫面的原理就是輸入的信號(hào)依次去驅(qū)動(dòng)每一排的電極，于是當(dāng)某一排被選定的時(shí)候，列向上的電極將被觸發(fā)打開位于排和列交叉上的那些像素。這種方法比較簡單，而且對(duì)液晶屏幕的成本增加也不多。不過它也有缺點(diǎn)，如果有太大的電流通過某個(gè)單元，附近的單元都會(huì)受到影響，引起虛影。如果電流太小，單元的開和關(guān)就會(huì)變得遲緩，降低對(duì)比度和丟失移動(dòng)畫面的細(xì)節(jié)。?
?????? 早期，被動(dòng)矩陣板依賴于扭轉(zhuǎn)向列的設(shè)計(jì)。上層和下層的偏光板的偏振光方向呈90度，因此中間的液晶以90度進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。這樣制造的液晶板對(duì)比度很低、響應(yīng)時(shí)間也很慢。這種方式運(yùn)用在低信息量顯示時(shí)很好，不過被證明不適合計(jì)算機(jī)顯示。?
?????? 超扭轉(zhuǎn)向列（SuperTwistedNematic）方法是通過改變液晶材料的化學(xué)成分，使液晶分子發(fā)生不止一次的扭轉(zhuǎn)，光線扭轉(zhuǎn)達(dá)到180度到270度，這樣便可大大地改善畫面的顯示品質(zhì)。80年代初期STN技術(shù)一度非常流行，至今它還在可攜式設(shè)備如PDA，手機(jī)中使用。雖然STN技術(shù)提高了顯示的對(duì)比度，不過它會(huì)引起光線的色彩偏差，尤其是在屏幕偏離主軸的位置上。這就是為什么早期的筆記型計(jì)算機(jī)屏幕總是偏藍(lán)和偏黃的原因。?
?????? 為了解決這一問題，雙層超扭曲向列型顯示技術(shù)DSTN出現(xiàn)了，它具有兩層扭轉(zhuǎn)方向相對(duì)的LCD層，第二層使得第一層遺留的色偏問題得以解決。當(dāng)然它的制造工藝比前兩種方式要復(fù)雜的多。?
?????? 后來人們發(fā)現(xiàn)了比DSTN更簡單易行的方法--在底層和頂層的外表面加上補(bǔ)償膜，來改善STN技術(shù)中所產(chǎn)生的特定波段光線的散射和反射現(xiàn)象，這就是補(bǔ)償膜超扭轉(zhuǎn)向列Film-compensatedSTN（FSTN）。FSTN的顯示效果和DSTN相當(dāng)，但價(jià)格和工藝難度大大降低，所以現(xiàn)在大多數(shù)被動(dòng)式LCD都采用了FSTN技術(shù)。?
????? ?FSTN技術(shù)的LCD顯示效果，人們又于90年代初期提出了雙掃描概念。所謂雙掃描，就是將面板水平對(duì)等地分為兩部分，頂端和底端相對(duì)應(yīng)的部分同時(shí)掃描，這就大大提高了掃描的頻率。雙掃描解決了小電流、長時(shí)間使用的情況下常常產(chǎn)生的鬼影現(xiàn)象。和主動(dòng)矩陣顯示相比顯著提高了對(duì)比度、畫質(zhì)和響應(yīng)時(shí)間，所以現(xiàn)在還廣為低價(jià)位的筆記型計(jì)算機(jī)所采用。?
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主動(dòng)矩陣LCD及其弱勢(shì)?
????? 被動(dòng)矩陣 LCD 的最大問題是難以快速地控制單獨(dú)的液晶單元，并以足夠大的電流保證來獲得好的對(duì)比度、足夠的灰階級(jí)和較快的響應(yīng)時(shí)間，從而影響了動(dòng)態(tài)影像的顯示效果。主動(dòng)矩陣 LCD 通過單獨(dú)地控制每個(gè)單元，有效地解決了上面的問題。?
?????? 與被動(dòng)矩陣LCD 相似，主動(dòng)矩陣 （ Active Matrix） LCD 的上下表層也縱橫有序排列著用銦錫氧化物做成的透明電極。所不同的是在每個(gè)單元中都加入了很小的晶體管，由晶體管來控制電流的開和關(guān)。晶體管電極是利用薄膜技術(shù)而做成的。晶體管利用了薄膜來形成半導(dǎo)體。薄膜晶體管 LCD （ TFT-LCD）也因此得名。?
????? ?晶體管可以迅速地控制每個(gè)單元，由于單元之間的電干擾很小，所以你可以使用大電流，而不會(huì)有鬼影和拖尾現(xiàn)象。更大的電流會(huì)提供更好的對(duì)比度、更銳利的和更明亮的圖像。?
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視角及反應(yīng)速度?
?????? 在傳統(tǒng)的 CRT 顯示器或電視機(jī)中，圖像的顯示是通過發(fā)光物體 -- 磷來實(shí)現(xiàn)的，光線從這一層向各個(gè)方向發(fā)射，只是強(qiáng)弱稍有不同而已。因此，你可以從一個(gè)很大的可視角范圍來觀看屏幕，無論從哪個(gè)角度去觀察，顯示的亮度、色彩都和正視效果相近。?
?????? LCD和其它大多數(shù)顯示技術(shù)，都需要強(qiáng)的背景光線穿過液晶層或者其它顯示層來形成圖像，從而完成圖像的傳遞過程。 LCD 的特性決定了它所需的背景光是定向的。舉一個(gè)形象的例子來說，就好比你手中握有一把吸管，它們的一端對(duì)準(zhǔn)光源。如果你通過另一端直視吸管，你將會(huì)看到光源射出的光線。但是如果你?
?????? 稍微移開眼睛，從其它的方向去看的話，你就無法觀察到光線了。 LCD 技術(shù)正是如此。雖然液晶分子并不像吸管一樣是中空的，但是它們的有序排列阻止了光線向其它方向發(fā)射。
?????? 為了解決視角問題，制造商們也想出了許多方法。直接在顯示器外面附加一層漫射膜是辦法之一，漫射膜可以將特定傳播方向的光線散射向各個(gè)方向，從而增大可視角度。不過這種方法只能達(dá)到一定程度的改善。另一種做法是改變通過液晶的電流方向來增大可視角度。電流不再是從頂端流向底端，而是從側(cè)面方向流過。這就使得液晶分子在水平方向上有序排列，從而增大了傳遞光線的可視角度。這兩種技術(shù)通常用在水平可視角度的改善上。?
?????? 第三種解決方案比較復(fù)雜，而且會(huì)使制造成本大大增加。主要方法是將每個(gè)液晶單元分割成大量微小的部分，事先將這些微小子單元以不同的方向傾斜，這就使得傳播光線在到達(dá)這些微小面板的時(shí)候向各個(gè)方向散射，從而增大可視角度。昂貴的成本限制了它的廣泛使用，僅在一些具有需要同時(shí)從遠(yuǎn)處和近處觀察的桌上型顯示器中才應(yīng)用這種技術(shù)。
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反應(yīng)速度?
????? ?LCD單元在控制信號(hào)到達(dá)與變化完成之間存在滯后現(xiàn)象，這使得 LCD 在顯示快速移動(dòng)圖像時(shí)與 CRT 相比具有一種先天的缺陷。?
?????? CRT 的電子槍發(fā)射電子束到被激發(fā)的熒光粉發(fā)光之間幾乎是瞬間的。?
?????? 這種時(shí)間滯后被稱「反應(yīng)時(shí)間」，其單位通常是毫秒。被動(dòng)矩陣顯示器響應(yīng)時(shí)間很長，約有 150 毫秒或更多，所以不適于顯示諸如電影的移動(dòng)畫面。?
?????? 在主動(dòng)矩陣顯示器中像素響應(yīng)時(shí)間隨設(shè)計(jì)的不同而異，主要受到幾個(gè)因素影響，包括用來驅(qū)動(dòng)單元的電壓，單元的厚度和使用的液晶材料。標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)矩陣顯示器一般有 40 毫秒的響應(yīng)時(shí)間，也就是說每秒能顯示 25 幀。平面內(nèi)轉(zhuǎn)換增加了可視角度，但顯示會(huì)變慢，一般有 70 毫秒反應(yīng)時(shí)間。顯示器更快一些，有 25 毫秒反應(yīng)時(shí)間。?
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耗電量?
?????? 主動(dòng)矩陣式 LCD 顯示器與 CRT 相比較小，需要很少的電量。事實(shí)上，它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)顯示器，從 PDA 到筆記型計(jì)算機(jī)均廣泛運(yùn)用。但不管怎樣， LCD 技術(shù)還是可悲的效率低下：即使你將屏幕顯示白色，從背景光源中發(fā)射的光也只有不到 10% 穿過屏幕發(fā)出，其它的都被吸收。?
?????? 筆記型計(jì)算機(jī)的低效迫使其設(shè)計(jì)者面臨一些艱難的選擇。如果你希望在戶外這樣強(qiáng)光環(huán)境下圖像更明亮，你就需要一個(gè)更亮的背景光源，這將需要更多的電力。如果你使用的電池容量一定，更亮的背景光源就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)耗盡電源。?
?????? 設(shè)計(jì)者用更大的電池容量解決這個(gè)問題，但是對(duì)于目前的電池技術(shù)來說，就意味著設(shè)備重量的增加，對(duì)消費(fèi)者的吸引力就會(huì)下降。這三者之間的三角平衡推動(dòng)著顯示器、電池及節(jié)能技術(shù)的研究。?
?????? 總而言之，背景光源所哪芰渴?span> LCD 顯示器總耗電量的最大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都將使筆記型計(jì)算機(jī)顯示器的耗電量大大增加。另一方面，技術(shù)進(jìn)步通過降低系統(tǒng)電壓和提高孔徑比使更多的光能通過液晶單元，降低系統(tǒng)的電源需求。結(jié)果是，筆記型顯示器的總耗電量維持在 2 到 5 瓦之間。一根管子的背景光源大約需要 1.2 瓦，所以根據(jù)使用一只或兩只管子一個(gè)屏幕中共需要 1.2 或 2.4 瓦的能量。?
?????? PDA，如 Palm 和 Compaq iPAQ常使用反射顯示器。這意味著環(huán)境光射進(jìn)顯示器中，穿過極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來顯示成圖像。據(jù)估計(jì)，在此過程中 84% 的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，雖然還有待改進(jìn)，但已足以提供可視影像需要的對(duì)比度。單向反射和反射顯示器使得不同光照條件下耗費(fèi)最少能源使用 LCD 顯示器成為可能。?
?????? LCD顯示器的關(guān)鍵因素之一是它的價(jià)格。如果比 CRT 更加便宜，它將會(huì)占據(jù)幾乎全部的顯示器市場。但不幸的是，對(duì)于桌上計(jì)算機(jī)經(jīng)常使用的15、17吋顯示器來說，相同顯示面積的 LCD 的造價(jià)幾乎是 CRT 的 3 到 5 倍。顯示面積越大，造價(jià)差距越大。為什么LCD 造價(jià)如此之高？這取決于它們的制造方式。它的制造工藝異常復(fù)雜，維持高良率需要不斷努力。?
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顯示色彩?
?????? LCD 顯示的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)是顯示色彩。?
???? ? CRT 顯示器所能表現(xiàn)出的色彩幾乎是無窮的，因?yàn)樗悄M設(shè)備。只需改變紅綠藍(lán)三種模擬信號(hào)的強(qiáng)度，你就可以得到不同的色彩。與 CRT 一樣， LCD 技術(shù)也是根據(jù)電壓的大小來改變亮度，但是只有主動(dòng)矩陣 LCD 可以單獨(dú)控制每個(gè)像素，被動(dòng)矩陣 LCD 每次都要驅(qū)動(dòng)整行或整列像素，因此它的灰階表現(xiàn)能力很差。?
?????? 每個(gè)LCD的子像素顯示的顏色取決于色彩過濾器。由于液晶本身沒有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色，而不是子像素，子像素只能通過控制光線的通過強(qiáng)度來調(diào)節(jié)灰階，只有少數(shù)主動(dòng)矩陣顯示采用模擬信號(hào)控制，大多數(shù)則采用數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)。大部分?jǐn)?shù)字控制的 LCD 都采用了 8 位控制器，可以產(chǎn)生 256 級(jí)灰階。每個(gè)子像素能夠表現(xiàn) 256 級(jí)，那么你就能夠得到 256×3種色彩，每個(gè)像素能夠表現(xiàn) 16,777,216 種成色。因?yàn)槿说难劬?duì)亮度的感覺并不是線性變化的，人眼對(duì)低亮度的變化更加敏感，所以這種 24 位的色度并不1能完全達(dá)到理想要求。工程師們通過脈沖電壓調(diào)節(jié)的方法以使色彩變化看起來更加統(tǒng)一。?
?????? 制造商還采用了兩種技術(shù)來提高主動(dòng)矩陣顯示中每個(gè)液晶單元的灰階顯示數(shù)目。第一種是抖動(dòng)方法。將四個(gè)毗連呈正方形的像素作為一個(gè)單元，如果其中一個(gè)的灰階太低，那么相鄰的像素就會(huì)提高自身的亮度，從而顯示出一個(gè)比較適中的灰階，四個(gè)像素最后會(huì)顯示出三個(gè)適中的最終灰階作為顯示結(jié)果。這種方法的最大缺點(diǎn)在于降低了顯示的分辨率。?
????? ?另一項(xiàng)技術(shù)是框架速率控制（FRC ）或者暫時(shí)的高頻振動(dòng)。這種方法在顯示每屏圖像時(shí)多次刷新像素。與高頻振動(dòng)中將灰階的混合用空間來顯示不同，這種方法通過時(shí)間控制。如果顯示一幅畫面需要的時(shí)間分為很多幀，像素就可以在幀的切換當(dāng)中造成一種灰階的過渡態(tài)，四幀就可以造成三個(gè)過渡態(tài)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以不降低圖像的分辨率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的主動(dòng)矩陣顯示器中。?
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傳統(tǒng)工藝流程?
????? ?LCD 的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大約只有 1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生產(chǎn)中，設(shè)備不同會(huì)造成玻璃厚度不同。所以，顯示器只能在一套模具中制造。玻璃底層鍍有一層非晶硅，從而在每個(gè)像素單元上可以制造半導(dǎo)體組件。經(jīng)過一系列的平板照相、蝕刻、覆膜和沈積步驟，在每個(gè)像素上都生成了開關(guān)晶體管、濾色器及其它部分。?
?????? ?在所有的元器件上沈積有一個(gè)透明數(shù)組膜，在頂層上貼上另一個(gè)相似的透明的數(shù)組膜。這些膜運(yùn)用光化學(xué)工藝流程進(jìn)行刻蝕或印刷，在每層膜上形成極小的刻槽。當(dāng)液晶材料注入時(shí)，液晶分子就在這些槽中有序排列。在屏幕的兩面間噴灑小隔片，保證在每個(gè)像素位置上有一到兩個(gè)隔片。這樣就可以分隔開玻璃層的上下面，為液晶材料提供一個(gè)存在的空間。接著，在每個(gè)顯示器的?
?????? LCD 技術(shù)中最引人矚目的是低溫多晶硅的使用。傳統(tǒng)工藝中使用非晶硅制造 LCD 單元元器件，相對(duì)來說制造成本較低，但是比半導(dǎo)體芯片制造所使用的單晶硅的電子活性較低。電子活性隨著硅結(jié)晶度的提高而增加，這樣晶體管就可以越來越小s，而這又意味著更大的孔徑比 -- 更多光線將通過液晶顯示器單元 -- 所以顯示器耗電量更低，也就是說電池使用壽命將延長或整機(jī)重量降低。多晶硅用于小型 LCD 顯示器 -- 例如數(shù)據(jù)讀取設(shè)備中的面板 - 但它們都需要可抵抗高溫的特殊玻璃。覆蓋在底層的硅被加熱到一定溫度然后冷卻，從而產(chǎn)單晶硅。?
?????? 近幾年，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了可以制造標(biāo)準(zhǔn)的玻璃底層和在室溫下制造晶體硅。使用激光掃描硅膜，可以使膜表面特定的極小區(qū)域產(chǎn)生高溫，冷卻后生成單晶硅。這種工藝比傳統(tǒng)的鍍膜更加昂貴，但是它帶來了一些其它的利益。除了孔徑比增加之外，多晶硅層的使用使得在面板的邊緣構(gòu)造驅(qū)動(dòng)電路成為可能。從而大部分與電路的接頭能夠無需接片（TAB）就能夠在底層很好的實(shí)現(xiàn)連接。這就意味著連接到面板上的接頭數(shù)目減少 95 ％以上，而且同時(shí)增加顯示的物理可靠性。
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