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产品管理LCDPANEL培训教材液晶产品专业知识

（产品管理）LCDPANEL培训教材-液晶产品专业知识

LCDPANEL培训课件

（液晶产品专业知识）

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核准：

售后服务技术支持部（内部资料）

JUL-07-04

液晶产品专业知识

（培训课件目录）

壹、液晶显示器基本常识……神射手………………………3

二、液晶显示器件的结构……………………………5

三、液晶显示器件的基本性能………………………7

四、液晶显示器件的基本参数………………………8

五、IC和LCD的常见连接方式……………………12

六、LCD专业术语解释……………………………13

七、液晶显示原理……………………………………14

八、液晶显示器件的驱动……………………………16

一、液晶显示器基本常识

1.晶显示器（LCD）

目前科技信息产品均朝着轻、薄、短、小的目标发展，于计算机周边中拥有悠久历史的显示器产品当然也不例外。

于便于携带和搬运为前提之下，传统的显示方式如CRT映像管显示器及LED显示板等等，皆受制于体积过大或耗电量甚巨等因素，无法达成使用者的实际需求。

而液晶显示技术的发展正好切合目前信息产品的潮流，无论是直角显示、低耗电量、体积小、仍是零辐射等优点，均能让使用者享受最佳的视觉环境。

2.液晶的诞生

要追溯液晶显示器的来源，必须先从「液晶」的诞生开始讲起。

于公元1888年，壹位奥地利的植物学家，菲德烈．莱尼泽（FriedrichReinitzer）发现了壹种特殊的物质。

他从植物中提炼出壹种称为螺旋性甲苯酸盐的化合物，于为这种化合物做加热实验时，意外的发现此种化合物具有俩个不同温度的熔点。

而它的状态介于我们壹般所熟知的液态和固态物质之间，有点类似肥皂水的胶状溶液，但它于某壹温度范围内却具有液体和结晶双方性质的物质，也由于其独特的状态，后来便把它命名为「LiquidCrystal」，就是液态结晶物质的意思。

不过，虽然液晶早于1888年就被发现，可是真正实用于生活周遭的用品时，却是于80年后的事情了。

公元1968年，于美国RCA公司（收音机和电视的发明公司）的沙诺夫研发中心，工程师们发现液晶分子会受到电压的影响，改变其分子的排列状态，且且能够让射入的光线产生偏转的现象。

利用此壹原理，RCA公司发明了世界第壹台使用液晶显示的屏幕。

尔后，液晶显示技术被广泛的用于壹般的电子产品中，举凡计算器、电子表、手机屏幕、医院所使用的仪器（因为有辐射计量的考虑）或是数字相机上面的屏幕等等。

令人玩味的是，液晶的发现比真空管或是阴极射线管仍早，但世人了解此壹现象的且不多，直到1962年才有第壹本，由RCA研究小组的化学家乔．卡司特雷诺（JoeCastellano）先生所出版的书籍来描述。

而和映像管相同的，这俩项技术虽然均是由美国的RCA公司所发明的，却分别被日本的新力（Sony）和夏普（Sharp）俩家公司发扬光大。

3.LCD基本常识

液晶显示是壹种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环境的光。

它显示图案或字符只需很小能量。

正因为低功耗和小型化使LCD成为较佳的显示方式。

液晶显示所用的液晶材料是壹种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构于液晶盒内壹般平行排列，但于电场作用下能改变其排列方向。

对于正性TN-LCD，当未加电压到电极时，LCD处于"OFF"态，光能透过LCD呈白态；当于电极上加上电压LCD处于"ON"态，液晶分子长轴方向沿电场方向排列，光不能透过LCD，呈黑态。

有选择地于电极上施加电压，就能够显示出不同的图案。

对于STN-LCD，液晶的扭曲角更大，所以对比度更好，视角更宽。

STN-LCD是基于双折射原理进行显示，它的基色壹般为黄绿色，字体蓝色，成为黄绿模。

当使用紫色偏光片时，基色会变成灰色成为灰模。

当使用带补偿膜的偏光片，基色会变成接近白色，此时STN成为黑白模即为FSTN,之上三种模式的偏光片转90°，即变成了蓝模，效果会更佳。

4.液晶显示器的种类

液晶显示器，英文通称为LCD（LiquidCrystalDisplay），是属于平面显示器的壹种，依驱动方式来分类可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）以及主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

其中，被动矩阵型又可分为扭转式向列型（TwistedNematic；TN）、超扭转式向列型（SuperTwistedNematic；STN）及其它被动矩阵驱动液晶显示器；而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型（ThinFilmTransistor；TFT）及二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二种方式。

（详细的分类请参考附图）

TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同，于視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低程次之差別，使其于產品的應用範圍分類亦有明顯區隔。

以目前液晶顯示技術所應用的範圍以及層次而言，主動式矩陣驅動技術是以薄膜式電晶體型（TFT）為主流，多應用於筆記型電腦及動畫、影像處理產品。

而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列（TN）、以及超扭轉向列（STN）為主，目前的應用多以文書處理器以及消費性產品為主。

于這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術需求較高，而TN及STN所需的技術及資金需求則相對較低。

二、液晶显示器件的结构

下图是壹个反射式TN型液晶显示器的结构图.

从图中能够见出,液晶显示器是壹个由上下俩片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料-胶框（壹般为环氧树脂）密封，盒的俩个外侧贴有偏光片。

液晶盒中上下玻璃片之间的间隔，即通常所说的盒厚，壹般为几个微米（人的准确性直径为几十微米）。

上下玻璃片内侧，对应显示图形部分，镀有透明的氧化甸-氧化锡（简称ITO）导电薄膜，即显示电极。

电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着壹层定向层。

定向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个定向层通常是壹薄层高分子有机物，且经摩擦处理；也能够通过于玻璃表面以壹定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。

于TN型液晶显示器中充有正性向列型液晶。

液晶分子的定向就是使长棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿壹个固定方向排列，分子长轴的方向沿着定向处理的方向。

上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，于垂直于玻璃片表面的方向，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°（参见下图），这就是扭曲向列型液晶显示器名称的由来。

实际上，靠近玻璃表面的液晶分子且不完全平等于玻璃表面，而是和其成壹定的角度，这个角度称为预倾角，壹般为1°~2°。

液晶盒中玻璃片的俩个外侧分别有偏光片，这俩片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且和液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。

偏光片壹般是将高分子塑料薄膜于壹定的工艺条件下进行加工而成的。

我们通常所见的多是反向型的液晶显示器，这种显示器于下边的偏振片后仍贴有壹片反光片。

这样，光的入射和观察均是于液晶盒的同壹侧。

TN、HTN、STN的结构：

FSTN、ECB-Multi-colorSTN的结构：

ColorSTN的结构：

三、液晶显示器件的基本性能

Ø电光性能：

LCD光学透过率随电压变化的曲线，如图1。

Ø响应速度：

LCD加电压后，透过率变化的快慢程度，如图2。

Ø对比度：

LCD于选态透过率和非选态透过率的比值。

如图3。

Ø视角图：

LCD于不同视角下观察所获得的等对比度曲线图。

如图4。

Ø温度性能：

由于液晶材料本身的物理性质随温度变化而变化，因而引起LCD的阈值、透过光谱等会随温度漂移。

Ø频率响应：

LCD只能工作于壹个适当的频率范围，太低会引起显示闪动太高则液晶分子跟不上电场变化。

ØLCD功耗：

指单位显示面积的电流密度。

Ø寿命：

1）工业品保证100000小时。

2）民用品保证50000小时。

3）其他性能：

防紫外、防眩目、防划伤等。

四、液晶显示器件的基本参数

LCD显示类型

TN型：

STN型：

显示模式

背景

前景

黄绿模

黄绿色

蓝黑色

蓝模

蓝色

白色

灰模

灰白色

深蓝色

黑白模

白色

黑色

照明方式

LCD有三种显示方式：

反射型，全透型和半透型。

（1）反射型LCD的底偏光片后面加了壹块反射板，它壹般于户外和光线良好的办公室使用。

（2）全透型LCD的底偏光片是全透偏光片，它需要连续使用背光源，壹般于光线差的环境使用。

（3）半透型LCD是处于之上俩者之间，底偏光片能部分反光，壹般也带背光源，光线好的时候，可关掉背光源；光线差时，可点亮背光源使用LCD。

LCD显示方式仍分正性和负性。

正性LCD呈现白底黑字，于反射和半透型LCD中显示最佳；负性LCD呈现黑底白字，壹般用于全透型LCD，加上背光源，字体清晰，易于阅读。

正显模式（白底黑字）POSITIVETYPE

负显模式（黑底白字）NEGATIVETYPE

温度特性

类型

TN

STN

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅰ

Ⅱ

工作温度（℃）

0～50

-10～60

-20～70

-30～80

0～50

-20～70

储存温度（℃）

-20～60

-20～70

-30～80

-40～90

-20～60

-30～80

LCD的采光技术

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。

外界光是液晶显示器件进行显示的前提条件。

因此，于液晶显示装配、使用中，巧妙地解决采光，不仅能够保证和提高液晶显示的质量，而且壹般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。

而外光源设置上，又有背光源、前光源和投影光源三类技术。

这里，我们就较为常见的背光源作简单介绍:

壹.背光源采光技术的俩大任务是：

1.使液晶显示器件于有无外界光的环境下均能使用；

2.提高背景光亮度，改善显示效果。

二.分类：

现对常用的背照明光源，按如下分类说明：

光源种类

LED

EL（电致发光）

CCFL

寿命（小时）

100,000

（半衰期）2000～5000

（半衰期）5000～8000

特点

优点

寿命长

分光特性好,无亮斑,薄而轻,耐振抗冲击

于可见光范围光谱峰值可任选,亮度高,寿命长，适于彩色化

缺点

单色光，调光难

寿命短，电压高

不能调光，驱动电压高，有壹定厚度

发光方式

边光

背光

壹般为边光

工作电压

3.8～4.5V

60～200V

500～1000V

推荐工作电压

70～110V

工作频率

-

50～1000Hz

20KHz

推荐工作频率

-

400～700Hz

工作电流

不定（由LED的数量决定）

0.1～0.25mA/cm2

4～6mA

电容值

-

100～1000pF/cm2

工作温度

-30℃～+50℃

+10℃～50℃

存储温度

-40℃～+60℃

-20℃～60℃

存储湿度

<70%RH

亮度

3000～35000cd/m2

功耗

不定（由LED的数量决定）

1～4W

颜色种类

黄、红、绿、橙、白

EL是低亮度照明光源，发光颜色仅绿色、蓝绿色、橙色。

白色

外接元器件

外接5V电源时须限流

需DC-AC逆变器

需DC-AC逆变器,串联限流电阻100KΩ～200KΩ

全透型和半全透型LCD壹般均需要加背光源，其放置位置根据实际情况下面介绍几种常见的背光源：

电致发光（EL）：

EL背光源厚度薄，重量轻、发光均匀。

它可用于不同颜色，但最常用于LCD白光背光。

EL背光源功耗低，只需电压80-110VAC，通过变压器将5V,12V或24VDC转变得到。

EL背光源的半衰期约为2000-5000小时。

发光二极管（LED）:

LED背光源主要用于字符型模块。

比EL寿命更长（最少5000小时），光更强，但能耗更大。

作为固态装置，它直接使用5VDC。

LCD壹般直接排列于LCD的后面，厚度要增加5mm，LED能够发不同颜色的光，最常见的是黄绿光。

冷阴极荧光灯（CCFL）:

CCFL能够提供能耗低，光亮强的白光。

它由冷阴极荧光管发光，通过散射器将光均匀分散于视窗区。

侧背光源体积小，能耗低，但CCFL需要壹个变压器来供应270-300VAC的电源。

它主要用于图形LCD，寿命达10000-15000小时。

LCD的视角

视角简单地说就是显示图案能见得清楚的角度。

它是由定向层的摩擦方向决定，不能通过旋转偏光片改变。

视角以时针的钟点来命名，如6:

00视角，12:

00视角等等。

6:

00视角就是指于6点时针的平面方向到法线方向这个区域LCD显示效果理想；12:

00视角是指12点时针的平面到法线方向区域显示理想。

LCD的视角是由LCD显示屏于仪器上的位置来确定。

例如计算器壹般放于桌上或拿于手上使用，LCD做成6:

00视角最好。

有些仪器上的LCD屏装于低于人眼视线以下，壹般做成12:

00视角。

汽车上的时钟壹般装于驾驶员的右边，做成9:

00的视角最佳。

LCD视角示意图

LCD模块

早期液晶显示器只生产LCD屏，驱动部分由客户自己设计制作。

目前LCD生产厂家把LCD屏连接到COB板（带IC的PCB板）上，就做成了LCD模块。

LCD模块分字符型模块和图象型模块。

字符模块有1~4行，划分16~40个字块，每个字块由5x7点阵组成。

每个字块单独驱动。

图象型模块由多行多列的点阵象素组成，每个象素单独驱动，可显示文本、图象或同时显示文本和图象。

图象型模块需要IC来控制，这种控制IC有些也装于LCD模块上。

字符型模块可使用TN-LCD或者STN-LCD，但图象型模块均是采用STN-LCD。

大多数模块的背光源可用EL或者LED。

五、IC和LCD的常见连接方式

六、LCD专业术语解释

LCD：

LiquidCrystalDisplay液晶显示

LCM：

LiquidCrystalModule液晶模块

TN：

TwistedNematic扭曲向列。

液晶分子的扭曲取向偏转90°

STN：

SuperTwistedNematic超级扭曲向列。

约180~270°扭曲向列

FSTN：

FormulatedSuperTwistedNematic格式化超级扭曲向列。

壹层光程补偿片加于

STN，用于单色显示

TFT：

ThinFilmTransistor薄膜晶体管

COB：

ChipOnBoard通过邦定将IC裸片固定于印刷线路板上

COF：

ChipOnFPC将IC固定于柔性线路板上

COG：

ChipOnGlass将芯片固定于玻璃上

Backlight：

背光

LEDLightEmittingDiode发光二极管

ELElectroLuminescence电致发光。

EL层由高分子量薄片构成

Inverter：

逆变器OSD：

OnScreenDisplay于屏上显示

DVI：

DigitalVisualInterface（VGA）数字接口

LVDS：

LowVoltageDifferentialSignaling低压差分信号

IC：

IntegrateCircuit集成电路

TCP：

TapeCarrierPackage柔性线路板

Duty：

占空比，高出点亮的阀值电压的部分于壹个周期中所占的比率

CCFL（CCFT）：

ColdCathodeFluorescentLight/Tube冷阴极荧光灯

PDP：

PlasmaDisplayPanel等离子显示屏

CRT：

CathodeRadialTube阴极射线管

VGA：

VideoGraphicArray视频图形阵列

PCB：

PrintedCircuitBoard印刷电路板

Compositevideo：

复合视频

NTSC：

NationalTelevisionSystemsCommitteeNTSC制式,全国电视系统委员会制式

PAL：

PhaseAlternatingLinePAL制式（逐行倒相制式）

SECAM：

SEquentialCouleurAvecMemoireSECAM制式（顺序和存储彩色电视系统）

VOD：

VideoOnDemand视频点播

DPI：

DotPerInch点每英寸

七、液晶显示原理

TN型液晶显示原理

TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。

同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。

图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图，包括了垂直方向和水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。

（1）不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度，离开液晶层时，其偏光方向恰和另壹偏光板的方向壹致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈光亮。

（2）当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向和电场方向壹致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向和另壹偏光片的偏光方向成垂直的关系，且无法通过，电极面因此呈现黑暗的状态。

其显像原理是将液晶材料置于俩片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另壹边射出。

如果于俩片导电玻璃通电之后，俩片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。

这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twistednematicfieldeffect）。

于电子产品中所用的液晶显示器，几乎均是用扭转式向列场效应原理所制成。

STN液晶显示原理

STN型的显示原理和TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

要于这里说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗俩种情形（或称黑白），且没有办法做到色彩的变化。

而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调均以淡绿色和橘色为主。

但如果于传统单色STN液晶显示器加上壹彩色滤光片（colorfilter），且将单色显示矩阵之任壹像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也能够显示出全彩模式的色彩。

另外，TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，则能够弥补对比度不足的情况。

TFT液晶显示原理

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。

首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过壹个偏光板然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。

然后这些光线接下来仍必须经过前方的彩色的滤光膜和另壹块偏光板。

因此我们只要改变刺激液晶的电压值就能够控制最后出现的光线强度和色彩，且进而能于液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。

八、液晶显示器件的驱动

液晶屏幕的驱动方式

于TN和STN型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，均是采用X、Y轴的交叉方式来驱动，如下图所示，因此如果显示部份越做越大的话，那么中心部份的电极反应时间可能就会比较久。

而为了让屏幕显示壹致，整体速度上就会变慢。

讲的简单壹点，就好象是CRT显示器的屏幕更新频率不够快，那是使用者就会感到屏幕闪烁、跳动；或着是当需要快速3D动画显示时，但显示器的显示速度却无法跟上，显示出来的要果可能就会有延迟的现象。

所以，早期的液晶显示器于尺寸上有壹定的限制，而且且不适合拿来见电影、或是玩3D游戏。

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能够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能够通过电、磁、热等外部场的作用来实现。

我们把这种通过

表2-1

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，于LCDMonitor方面，使用的均是采用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、视频活动图象显示是很难满足要求的，因为每个像素均等效于壹个无极电容，显示中会产生串扰。

为了改善，又会限制驱动的路数。

因此于每个像素上设计壹个非线性的有源器件，使每个像素能够被独立驱动，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。

表2-2

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。

图2-1TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构

a-siTFT是壹种非晶硅-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2-1为其基本结构。

同壹般液晶显示器件类似，a-SiTFT液晶显示器件也是于俩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，其玻璃基板则和普通液晶显示器件大不相同，于下玻璃板上要配制上扫描线和寻址线（即行、列线），将其组合成壹个个矩阵，于其交点上再制作上TFT有源器件和像素电极，如图2-2所示。

图2-2TFT有源矩阵液晶显示屏的电极排布

为了改善此壹情形，后来液晶显示技术采用了主动式矩阵（active-matrixaddressing）的方式来驱动，这是目前达到高资料密度液晶显示效果的理想装置，且分辨率极高。

方法是利用薄膜技术所做成的硅晶体管电极，利用扫描法来选择任意壹个显示点（pixel）的开和关。

这其实是利用薄膜式晶体管的非线性功能来取代不易控制的液晶非线性功能。

如上图，于TFT型液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关，于每个线路相交的地方则有着壹弄控制匣，虽然驱动讯号快速地于各显示点扫瞄而过，但只有电极上晶体管矩阵中被选择的显示点得到足以驱动液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成「亮」的对比，不被选择的显示点自然就是「暗」的对比，也因此避免了显示功能对液晶电场效应能力的依靠。

2.TFT-LCD的驱动原理

由于TFT-LCD矩阵结构是由壹块带有TFT三端元件阵列和像素电极阵列的基板和另壹块带有彩色膜和公共电极的基板，以及由此俩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均设置于同壹个三端子元件的基板上。

扫描线和该行上所有TFT元件的栅极相连，而信号线和该列上所有的TFT元件的源电极相连。

TFT-LCD的等效电路如图2-3所示。

于以行顺序驱动方式依次扫描行电极过程中，当某行壹旦被选通，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。

和行扫同步，各列信号电荷分别通过列电极从保持电路送入和导通元件TFT相连的各相应像素电容，信号电压被记录于像素电容和储存电容上。

当行选壹结束，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且持续驱动像素液晶，直到下帧扫描到来之前。

称此驱动为准