2.3 LCD的原理

LCD技术成为应用最广的显示技术之一，离不开LCD技术的先天优势和后续的大量研究。从1888年液晶被发现到20世纪80年代，人们对LCD进行了很长时间的基础研究，之后在半导体工业发展的推动下进行了量产开发，并取得了巨大的成果。

2.3.1 LCD的发展

1888年，奥地利植物学家弗里德里希·莱尼泽（Friedrich Reinitzer）发现了液晶。

1964年，乔治·海尔迈耶（George H.Heilmeier）发现了液晶特殊的光电效应，由此开创了动态散射（DSM）模式LCD，也是第一个工作的LCD。

20世纪70年代，液晶开始步入产业化阶段，推出了液晶计算器、液晶腕表等应用产品。同时，TN液晶显示器件专利、TFT-LCD及彩色LCD等陆续出现。

20世纪80年代，彩色LCD电视机应用。同时，超扭曲向列型（Super Twisted Nematic，STN）液晶显示器件被发明。

20世纪90年代，平面转换（In-Plane Switching，IPS）液晶得到了发展。

21世纪00年代，LCD在图像性能上超越了CRT。同时，LCD电视市场逐渐超越了CRT电视市场。

21世纪10年代，液晶显示器已经成为所有计算机的主要显示设备，并出现了新的背光技术（区域背光、量子点背光、Mini-LED背光）等。

2.3.2 TN液晶

LCD的基本原理是，将液晶置于两块玻璃基板之间，在两块玻璃基板的两个电极的作用下，液晶分子扭曲变形，改变通过液晶盒光束的偏振态，实现对背光源光束的开关控制。若在两块玻璃基板之间加上滤色片，则可实现彩色显示。

采用TN液晶的LCD大致有以下几种：TN-LCD、STN-LCD（Super Twisted Nematic LCD，超扭曲向列型液晶显示）、HTN-LCD（High Twisted Nematic LCD，高扭曲向列型液晶显示）、FSTN-LCD（Film compensated STN LCD，薄膜补偿超扭曲向列型液晶显示）等。其中，TN-LCD是发明较早、应用最广的LCD。

图2-24所示为无源TN-LCD的典型结构。液晶的上下表面会有相互垂直的取向膜（配向膜），使液晶沿沟槽取向，上下取向膜方向不同，液晶会均匀扭转。将液晶置于两个电极之间，液晶靠两个电极之间的电场驱动。两块玻璃基板外侧是偏光片，上下偏光片之间偏光轴正交90°。在不同的电场下，液晶做不同排列，产生旋光性的差别，通过偏光片就能产生明暗。依此原理控制每个像素，便可构成图像。若在玻璃基板内侧加上滤色片（Color Filter，CF），则可显示彩色图像。

图2-24中，具体显示原理如下。

（1）当电极两端不加电场时，自然光通过下偏光片后，变成单一方向的偏振光，该偏振光经过未加电场而保持原排列方向的TN液晶，由于液晶分子排列所致的旋光现象，偏振方向由原来的方向旋转90°，变为正交的水平方向，该方向的偏振光与上偏光片的透光轴一致射出液晶盒，从而显示亮态。

（2）同理，若给液晶施加电场，并且电压大于阈值电压 V _t ，则TN液晶分子由扭曲排列状态变为随电场方向的排列状态，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，入射的线偏振光的偏振方向将不发生转变（沿着指向矢-光轴传播的光不发生双折射现象），偏振光方向与上偏光片的透光轴方向相互垂直而被上偏光片遮挡，最终没有光线从液晶盒透出，从而显示暗态。

有源矩阵（AM）的LCD，即AM-LCD，通常采用薄膜晶体管（TFT）的电路来控制每个电极，这种LCD也称为TFT-LCD。如图2-25所示，通过TFT的开关作用，给每个像素分别输入不同大小的数据信号电压，液晶分子在不同电压下旋转的状态不同，对线偏振光的旋转程度也不同，导致背光经过液晶后，在上偏光片透光轴上的分量不同，出射光的亮度也不同。这样就能实现多灰阶的画面显示；加上滤色片，可显示彩色图像。

2.3.3 视角补偿膜

对于TN液晶来说，如图2-26（a）所示，由于液晶的连续性，接近取向层的两端液晶层因锚定力的关系，无法完全垂直站立，而是具有一定的倾斜角度，导致观测者从不同角度看液晶分子，可分别看到液晶分子的长轴、短轴，如图2-26（b）所示。由于液晶的各向异性，若光线与光轴成一定角度通过液晶分子后，o光和e光之间会有相位延迟，并随角度的增大而增大，出射光将变成椭圆偏振光，在通过偏光片时出现漏光现象，导致亮态和暗态的对比度均有所下降，甚至发生灰阶反转。

为了解决TN液晶在接近取向层的两端液晶层因锚定力的关系而无法垂直站立的问题，可以按图2-27所示在上下玻璃基板外侧增加碟形液晶补偿膜。由于此部位的漏光程度按梯度变化，因此可以通过改变碟形液晶在厚度方向的倾角来补偿。

虽然通过加液晶补偿膜来弥补TN-LCD视角的不足，改良后的TN-LCD在对比度为10:1的情况下测得的视角极限值可达160°，但实际上，在对比度下降到100:1时，图像就已经出现失真甚至偏色。

2.3.4 IPS液晶

为了增大视角，人们引入了其他类型的液晶，如IPS液晶。IPS液晶是平面转换（In-Plane Switching）液晶，电极的电场平行于液晶平面，能实现广视角。与TN液晶不同，IPS液晶中的液晶分子不是站起来的，而是通过横向电场进行扭转的，不存在液晶分子倾角不对称的问题。它的原理为：①当不施加电场时，液晶分子完全不会旋转，通过上下两片垂直的偏光片滤除光线，显示为暗态，如图2-28（a）所示；②当施加电场后，液晶分子旋转，如图2-28（b）所示， θ （入射光偏振方向与指向矢的初始夹角）及相位差 δ 也随电压逐渐变化，如图2-28（c）所示，在 θ 和 δ 的变化下，偏振态随之变化，出射光的偏振态也在变化，偏振态逐渐变成椭圆偏振，出射光可以部分通过偏光片。偏振态逐渐变成旋转90°后的线偏振，出射光可以完全通过偏光片，显示为亮态。IPS液晶不通电时为常闭状态。

图2-29所示为从不同角度看到的TN液晶分子和IPS液晶分子的长轴和短轴。可以看出，从不同角度都看到了IPS液晶分子的长轴，这得益于电场方向和液晶分子长轴处于同一平面，从不同观测角度看过去没有方向性，能得到高达178 ° 的视角。

IPS液晶由日本的日立（Hitachi）公司于1996年研发。其特点是液晶分子始终平行于屏幕，能有效控制漏光。经过多年发展，目前显示器用IPS液晶主要由韩国LG公司研发和生产。与图2-30（a）所示的早期IPS液晶相比，S-IPS液晶通过导入人字形电极和双畴模式，改善了特定角度的灰阶逆转现象，并进一步拓宽了视角，实现了S-IPS（Super IPS）178°广视角技术，如图2-30（b）所示。S-IPS液晶不仅在视角广度上达到178°，仰角、俯角的有效收视范围也能达到178°，有效解决了视角范围小、侧面观看略有失真的问题。按照研发的时间线来看，目前IPS液晶包括IPS液晶（日立），DD-IPS液晶（IBM），ACE液晶（三星），S-IPS液晶（LG），E-IPS液晶、H-IPS液晶、P-IPS液晶，AS-IPS液晶，UH-IPS液晶和H2-IPS液晶，AH-IPS液晶，PLS/S-PLS液晶，AD-PLS液晶和AHVA液晶。目前IPS液晶的主要生产厂家有日立、松下、东芝、三菱电机、LG和TOPFOISON等。

IPS液晶屏的优点为178°的大视角、色域广（S-IPS液晶、H-IPS液晶）、响应速度快，缺点为功耗较高、良品率较低、价格偏高。

2.3.5 边缘电场液晶

Hydis在引入日立的IPS技术后进行了一系列的重大改进，形成了自己的FFS（Fringe Field Switching）技术。而后京东方完成了对Hydis的收购，通过交叉专利授权，获得了FFS技术的使用权，将这个以FFS为基础的广视角液晶技术命名为ADS，并注册为商标。

如图2-31（a）所示，在IPS技术中，像素电极（Pixel Electrode）与公共电极（Common Electrode）制备在一个平面内，采用金属/ITO叉指形电极。要通过平面内的电场控制液晶分子的偏转，对电极之间的距离、电极宽度及液晶盒的厚度是有一定的要求的。这种模式的电极，正上方的电场较弱，不能充分控制液晶分子的偏转，需要较大的工作电压。

如图2-31（b）所示，在ADS（本质为FFS）技术中，像素电极和公共电极分两层制备，其间用绝缘膜隔开，二者之间的距离非常近。第一层ITO组为公共电极，形状一般为与像素形状一致的正方形，具有较大的面积。在ADS技术中，像素电极与公共电极之间存在较强的平面内电场，因此ADS技术的工作电压可以比IPS技术的更低。

在ADS技术中，边缘电场的存在使液晶盒内液晶分子的转动情况更为复杂，既有水平分量，也有垂直分量。由于边缘电场的存在，电极上方液晶分子会发生偏转。相比IPS技术，ADS技术具有更大的透光面积，克服了IPS技术透光效率低的问题，在大视角的前提下，实现了高的透光效率。ADS技术经过多代发展，具有高透过率、大视角、低色偏等特点。

2.3.6 VA液晶

另一种增大视角的液晶是VA液晶（Vertical Alignment Liquid Crystal，垂直排列液晶）。VA液晶为负性液晶（转向垂直于电场），其液晶分子在未施加电场时不像TN液晶分子那样平行于屏幕，而是垂直于屏幕，如图2-32（a）所示，在施加电场时液晶分子倒伏，如图2-32（b）所示。随着外加电压的增加，液晶分子指向矢相对于入射光的夹角增大，相位差发生变化，出射光偏振态也发生变化，如图2-32（c）所示。

VA液晶显示最早于1971年被提出。1997年，日本的富士通提出了具有凸起结构件的MVA（Multi-domain Vertical Alignment，多畴垂直排列）液晶显示模式[见图2-33（a）]，之后又陆续出现了其他的VA液晶显示模式，如CPA（Continuous Pin-wheel Alignment）、PVA（Patterned Vertical Alignment）、PSVA（Polymer Sustained Vertical Alignment）等显示模式。PVA显示模式是三星推出的一种面板类型，采用透明的ITO电极代替MVA显示模式中的液晶层凸起物，如图2-33（b）所示，透明电极可以获得更高的开口率，最大限度地减少背光源的浪费。

这些显示模式的工作机制都相同，都采用多畴结构，每个像素都是由多个这样的垂直排列的液晶分子畴组成的，区别是实现液晶分子在垂直面内旋转的结构或制造工艺不同。

当施加电压时，液晶分子便倒向不同的方向，从不同的角度观察屏幕都可以获得相应角度的补偿，从而改善了视角，如图2-34所示。与传统的TN液晶相比，MVA液晶与PVA液晶对视角都有很大的改善。VA液晶的视角可以达到170°，常用于大尺寸液晶电视产品中。

从产品来看，自富士通的MVA液晶技术授权以来，奇美电子、友达光电（AUO）等均采用了这项液晶技术，如P-MVA（AUO）、AMVA（AUO）、AMVA+/2/3（AUO），S-MVA（奇美电子、富士通）等，并且改良后的P-MVA液晶的视角可以达到178°，灰阶响应时间可以达到8ms以下。同时，三星的PVA液晶技术也有很多改良型号，如S-PVA、c-PVA、A-PVA、SVA等。

上面分别对TN液晶显示模式、IPS液晶显示模式及VA液晶显示模式的原理和视角进行了详细的介绍，对三种液晶显示模式的视角、对比度、响应速度、价格进行了相应的对比。可以看出，TN液晶显示模式的响应速度最高，对比度较低，视角较小；IPS液晶显示模式的视角较大，响应速度适中，价格昂贵；VA液晶显示模式的性价比较高，虽然响应速度较低，但价格、视角等都在可以接受的范围内。目前在大屏幕液晶电视市场上，VA液晶占83%的份额，IPS液晶占17%的份额，而在计算机显示器市场上，IPS液晶的份额大于VA液晶。二者是当今液晶技术的两大主流。

注意，在未施加电压时，由于原理的不同，TN液晶显示模式为常亮显示，IPS液晶显示模式和VA液晶显示模式均为常暗显示。在出现坏点时，TN液晶显示模式一般为亮点，IPS液晶显示模式、VA液晶显示模式一般为暗点，并且暗点一般比亮点更容易接受。IPS液晶显示模式、TN液晶显示模式、VA液晶显示模式对比如表2-1所示。

2.3.7 宾主液晶

除上述液晶外，还有一类宾主液晶。将少量染料分子溶于液晶中，染料分子与液晶分子同向排列，在电场的作用下随之偏转，称为宾主（Guest-Host）效应，简称GH效应，如图2-35所示。由于染料分子具有二向色性，吸收与分子轴平行的偏振光，因此可以不用或只用一片偏光片。