PANEL部分電路分析

本文格式為Word版，下載可任意編輯——PANEL部分電路分析曾文鎮(zhèn)：LCD液晶顯示器工作原理研究

其次章PANEL部分工作原理

Panel部分即是液晶顯示模塊LCM，它是整個(gè)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。本章將對(duì)液晶顯示的基本原理，液晶的驅(qū)動(dòng)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（LiquidCrystal）

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)滾動(dòng)特性，所以液晶可以說是處于一個(gè)中間相的物質(zhì)。而要了解液晶的所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，我們必需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(gè)具有排列性質(zhì)的液體，依照作用力量的不同方向，會(huì)有不同的效果。就好像是將一簇細(xì)短木棍扔進(jìn)滾動(dòng)的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過了一會(huì)兒，所有短木棍的長軸都自然的變成與河水滾動(dòng)的方向一致，達(dá)到排列狀態(tài)，這表示黏性最低的滾動(dòng)方式，也是滾動(dòng)自由能最低的一個(gè)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(duì)于外加的力，浮現(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(huì)依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(dòng)能力，所以，當(dāng)液晶分子受到外加電場的作用，便很簡單的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性（induceddipolar），這也是液晶分子之間相互作用力量的來源。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(duì)光線的偏轉(zhuǎn)能力來獲得亮暗區(qū)別（或者稱為可視光學(xué)的對(duì)比），進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。

其次節(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)不同將浮現(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)晶體那樣穩(wěn)固。另一方面液

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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)很簡單發(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-opticeffect）。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(shí)，液晶排列變得有秩序，使光線簡單通過；不通電時(shí)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(shí)，液晶本身會(huì)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(gè)經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子長軸會(huì)順著槽排列。所以，假使那些槽十分平行，則各分子也是完全平行的。2.液晶顯示的主要工作模式

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)檎辉O(shè)置，同時(shí)，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(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽

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相互垂直(相交成90度)。也就是說，若一個(gè)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(gè)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(shí)也被扭轉(zhuǎn)90°。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)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是依靠極化濾光器(片)和光線本身，自然光線是朝周邊八方隨機(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(gè)垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個(gè)濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與其次個(gè)極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。（如圖2-1）

圖2-1光線穿透示意圖

LCD正是由這樣兩個(gè)相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常狀況下應(yīng)當(dāng)阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個(gè)濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個(gè)濾光器后，會(huì)被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最終從其次個(gè)濾光器中穿出。另一方面，若給液晶加一個(gè)電壓，分子又會(huì)重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被其次個(gè)濾光器擋住?？傊与妼⒐饩€阻斷，不加電則使光線射出。（如圖2-2）尋常顯像面積上亮區(qū)域都比黑區(qū)域大，所以這種方式有利于省電。

圖2-2光線阻斷示意圖

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。由于液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在

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液晶顯示屏后面有一塊背光板（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(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)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，在行與列的交織點(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(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料的周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時(shí)，液晶分子就會(huì)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)過其次過濾層的過濾，最終在屏幕上顯示出來。4．彩色再現(xiàn)：

目前對(duì)于液晶顯示而言，主要采用加法混色法來再現(xiàn)彩色。根據(jù)三色學(xué)說和顏色混合定律，很簡單理解加法混色的工作原理。加法混色（如圖2-3所示）采用紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）三基色，簡稱RGB混色法?；旌仙墓庾V為：

I??????I0????Kr?Tr????Kg?Tg????Kb?Tb?????2-1

Tr???，Tg???,Tb???分別為對(duì)應(yīng)腳注顏色的光譜，Kr、Kg、Kb分別表

示各種顏色強(qiáng)度的系數(shù)，α是入射光利用率的系數(shù)，I0???表示入射光的光譜。

圖2-3加法混色三基色透射光譜

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)

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液晶顯示器件是被動(dòng)型顯示器件，它本身不會(huì)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：

1.使液晶顯示器件在有無外界光的環(huán)境下都能夠使用；2.提高背景光亮度，改善顯示效果。液晶顯示背光源的特點(diǎn)：

1．亮度均勻一致，能形成均勻的面光源；2．亮度高，并可調(diào)亮度范圍；3．平板、薄型，適于裝配；4．重量輕；

5．光色悅目、基色確鑿、對(duì)液晶顯示器件有較好的透過能力；6．功耗低，效率高；

在目前的TFT-LCD中采用的是冷陰極熒光燈（CCF）為背光源的。這是一種依靠冷陰極氣體放電，激發(fā)熒光粉而發(fā)光的光源。摻有少量水銀的稀疏氣體在高電壓下會(huì)產(chǎn)生電離，被電離的氣體的二次電子發(fā)射，轟擊水銀蒸汽，使水銀蒸汽被激發(fā)，發(fā)射出紫外線，紫外線激發(fā)涂布于管壁的熒光粉層，使其發(fā)光。由于電致發(fā)光的熒光粉品種齊全，轉(zhuǎn)化率高，所以這種光源可制成三基色確鑿、色溫高、亮度高的理想光源。冷陰極熒光燈大都做成管型，所以CCF是管型線光源，用作液晶顯示背光源時(shí)，必需將其變?yōu)槊婀庠?。要?shí)現(xiàn)線