液晶显示器的工作原理

正如固体和液体有很多种一样，液晶物质也有很多种。根据温度和物质的特殊性质，液晶可以处于几个不同的阶段之一（见下文）。在这篇文章中，我们将在向列相，使液晶显示器成为可能的液晶。

液晶的一个特点是它们受到电流. 一种特殊的向列相液晶，称为扭曲向列相（TN），自然扭曲。向这些液晶施加电流将使它们不同程度地解扭，这取决于电流的电压。液晶显示器之所以使用这些液晶，是因为它们对电流的反应是可以预测的，可以控制电流光通道

大多数液晶分子是棒状的，大致可分为两类热致性或溶致性.

热致液晶会对温度变化或某些情况下的压力变化发生反应。用于制造肥皂和洗涤剂的溶致液晶的反应取决于它们所混合的溶剂类型。热致液晶是各向同性或向列相. 关键的区别在于，各向同性液晶物质中的分子排列是随机的，而向列相具有一定的顺序或模式。

向列相中分子的取向是基于经理. 导向器可以是任何物体，从磁场到表面有微小凹槽。在向列相中，液晶可以通过分子彼此定向的方式进一步分类。近晶，最常见的排列方式，创造出分子层。近晶相有许多变化，例如近晶相，其中每一层中的分子与前一层成一定角度倾斜。另一个常见阶段是胆固醇的，亦称手性向列相在这个阶段，分子从一层到下一层轻微扭曲，形成螺旋状。

铁电液晶（FLCs）使用具有近晶型排列的手性分子的液晶物质，因为这些分子的螺旋性质允许微秒开关响应时间，这使得FLCs特别适合于高级显示器。表面稳定铁电液晶（SSFLCs）通过使用玻璃板施加受控压力，抑制分子的螺旋，使切换更加迅速。

制作LCD不仅仅是简单地制作一片液晶。四个因素的结合使液晶显示器成为可能：

LCD是一种以令人惊讶的方式使用这四个事实的设备。

要创建LCD，您需要两件偏光玻璃. 在玻璃表面没有偏振膜的一侧摩擦一种特殊的聚合物，这种聚合物可以在表面形成微小的凹槽。凹槽的方向必须与偏光膜的方向相同。然后添加一个向列相液晶涂层到其中一个过滤器。凹槽将使第一层分子与过滤器的方向对齐。然后将第二块玻璃加入直角偏振膜第一件。每个连续的TN分子层将逐渐扭曲，直到最上层与底部成90度角，与偏振玻璃滤光片匹配。

当光照射到第一个滤光片时，它被极化。每一层中的分子然后将它们接收到的光引导到下一层。当光通过液晶层时，分子也改变光的振动平面以匹配它们自己的角度。当光到达液晶物质的远侧时，它振动如果最后一层与第二个偏振玻璃滤光片匹配，那么光就会通过。

如果我们申请电荷对于液晶分子来说，它们会解缠绕。当它们变直时，它们会改变通过它们的光线的角度，使其不再与顶部偏振滤光片的角度匹配。因此，没有光线可以通过LCD的该区域，这使得该区域比周围区域更暗。

构建一个简单的LCD比你想象的要容易。你可以从上面描述的玻璃和液晶三明治开始，并在其中添加两个透明电极。例如，想象一下，你想要创建一个简单的LCD，其上只有一个矩形电极。各层如下所示：

液晶显示器需要做这项工作是非常基本的。它有一面镜子(A.)在后面，这使它反光。然后，我们添加一块玻璃(B)底部有一个偏光膜和一个公共电极平面(C)顶部由氧化铟锡制成。一个公共电极平面覆盖LCD的整个区域。上面是一层液晶物质(D).接下来是另一块玻璃(E)底部有一个矩形电极，顶部有另一个偏振膜(F)，与第一个垂直。

电极连接到电源上，如电池. 当没有电流时，通过LCD前部进入的光线将直接击中后视镜并反弹回来。但当电池向电极提供电流时，公共平面电极和矩形电极之间的液晶会松开，阻止该区域的光线通过。这使得LCD将矩形显示为黑色区域。

请注意，我们的简单LCD需要一个外光源. 液晶材料不发光光他们自己的。小而便宜的液晶显示器通常很受欢迎反思的，这意味着显示任何它们必须反射来自外部光源的光的东西。看看一块液晶手表：数字出现在小电极给液晶充电的地方，使液晶层解缠绕，这样光线就不会透过偏振光膜。

大多数电脑显示器都有内置照明荧光灯管在LCD上方、旁边，有时在LCD后面。LCD后面的白色漫射板将光线重定向并均匀散射，以确保均匀显示。在穿过滤光片、液晶层和电极层的过程中，大量光线丢失——通常超过一半！

在我们的例子中，我们有一个公共电极平面和一个单电极条，控制哪些液晶对电荷做出反应。如果你在包含单电极的层上再添加一些，你就可以开始构建更复杂的显示器。

基于公共平面的LCD适用于需要反复显示相同信息的简单显示器。手表和微波计时器属于这一类。尽管前面所示的六边形条形是此类设备中最常见的电极排列形式，但几乎任何形状都是可能的。只需看看一些便宜的手持games:打牌，外星人、鱼和老虎机只是一些你会看到的电极形状。

无源矩阵液晶显示器使用简单的栅极向显示器上的特定像素充电。创建网格是一个相当复杂的过程！它从两层玻璃开始，称为基质. 一个基板为列，另一个为由透明导电材料制成的行。这通常是氧化铟锡。行或列已连接到集成电路当电荷向下发送到特定列或行时的控制。液晶材料夹在两个玻璃基板之间，并在每个基板的外侧添加偏振膜。要打开像素，集成电路将电荷向下发送到一个基板的正确列，并在正确列上激活接地另一行的行。行和列横断在指定的像素，并提供电压，以解开液晶在该像素。

无源矩阵系统的简单性是美丽的，但它有明显的缺点，尤其是慢响应时间和不精确电压控制。响应时间指LCD刷新显示图像的能力。在无源矩阵LCD中观察缓慢响应时间的最简单方法是移动老鼠指针从屏幕的一边快速指向另一边。你会注意到指针后面有一系列的“鬼影”。不精确电压控制妨碍被动矩阵仅影响一个矩阵的能力像素一次。当施加电压以解缠绕一个像素时，其周围的像素也会部分解缠绕，这使得图像看起来模糊且缺乏对比度。

有源矩阵液晶显示器依赖于薄膜晶体管（TFT）。基本上，TFT是微型开关晶体管和电容器。它们排列在玻璃基板上的矩阵中。为了寻址特定像素，打开适当的行，然后向正确的列发送电荷。由于该列相交的所有其他行都被关闭，因此只有指定像素处的电容器接收电荷。电容器能够保持电荷直到下一个刷新周期。如果我们小心地控制提供给晶体的电压量，我们可以使它解扭曲，只允许一些光线通过。

通过以非常精确、非常小的增量执行此操作，LCD可以创建一个灰度。目前，大多数显示器的每像素亮度为256级。

能够显示颜色的LCD必须具有三个亚像素使用红色、绿色和蓝色滤色器创建每个颜色像素。

通过仔细控制和改变施加的电压，每个亚像素的强度可以超过256色.组合子像素会产生一个可能的调色板1680万种颜色（256深浅的红色x 256深浅的绿色x 256深浅的蓝色），如下所示。这些彩色显示器需要大量的晶体管。例如，一台典型的笔记本电脑支持决议高达1024x768。如果我们将1024列乘以768行，再乘以3个子像素，就会在玻璃上蚀刻2359296个晶体管！如果这些晶体管中的任何一个出现问题，就会在显示器上产生一个“坏像素”。大多数有源矩阵显示器都会在屏幕上散布一些坏像素。

LCD技术在不断发展。如今，液晶显示器采用了多种液晶技术，包括超扭曲向列相（STN）、双扫描扭曲向列相（DSTN）、铁电液晶（FLC）和表面稳定铁电液晶（SSFLC）。

显示大小受到制造商面临的质量控制问题的限制。简言之，为了增加显示器尺寸，制造商必须增加更多的像素和晶体管。随着像素和晶体管数量的增加，他们也增加了在显示器中包含坏晶体管的机会。现有大型液晶显示器的制造商通常拒绝使用约40%从装配线下来的面板的成本。拒收水平直接影响LCD价格，因为好的LCD的销售必须包括好的和坏的LCD的制造成本。只有制造技术的进步才能导致更大尺寸的价格合理的显示器。

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