市占率最高的显示器件：LCD Cell的结构与显示原理 Part One |
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市占率最高的显示器件：LCD Cell的结构与显示原理 Part One
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目录 一、定义 二、光的产生 三、光路处理 （1）偏振片和液晶 （2）配向膜与电场 （3）TFT与电极 （4）滤光片与黑色矩阵 四、分类 （1）按液晶布设方式（面板）分类 （2）按TFT沟道材料分类 LCD器件是显示器中最常见的，其可以分为三部分来详细介绍，分别是LCD Cell 结构及其组件、LCD Cell 结构及其组件以及TFT工作原理与分类，本章首先介绍的是Part One 的部分LCD Cell 结构及其组件，了解LCD的基本组成结构，奠定后续理解的基础。 一、定义LCD Cell，即液晶显示单元，是液晶显示器（Liquid Crystal Display, LCD）中除去背光模组之外的核心部分，负责实现图像的显示功能。其结构复杂，包含多个关键组件，协同工作以控制光线的透射，从而产生彩色图像。以下是LCD Cell的主要结构及其组件： TFT（Thin Film Transistor）层：TFT层位于LCD Cell的最底层，是由非晶硅（a-Si）或低温多晶硅（LTPS）制成的薄膜晶体管阵列。每个像素点对应一个TFT，用于控制通过该像素的电信号，精确调节液晶分子的排列，进而控制光线的透过量。偏光片（Polarizer）：LCD Cell上下两侧各有一片偏光片，它们的方向相互垂直（通常为90度）。自然光经过第一个偏光片后变为偏振光，通过液晶层后，再经过第二个偏光片时，根据液晶分子的排列状态，不同强度的光线得以透过，形成不同的灰阶或色彩。彩色滤光片（Color Filter）：位于TFT层上方，是一层由红、绿、蓝三原色组成的滤色矩阵，每个像素对应一组RGB，通过组合不同亮度的三原色光，可以生成各种颜色。间隔器（Spacer）：用来维持两片玻璃基板之间的精确距离，保证液晶分子能均匀分布。间隔器可以是球状、柱状或采用连续间隔层技术。液晶材料（Liquid Crystal）：填充在两片玻璃基板之间的透明有机化合物，液晶分子具有独特的光电特性，能在电场作用下改变排列方向，影响光的偏振状态，是实现图像显示的关键。共通电极（Common Electrode/ITO层）：通常位于彩色滤光片层之上，与TFT层中的像素电极相对，两者之间形成电场，控制液晶分子的排列方向。导电胶和密封材料：用于粘合两片玻璃基板，并确保整个结构的气密性，防止液晶材料泄漏和湿气进入。综上所述，LCD Cell通过这些精密组件的协作，利用电场对液晶分子排列的调控，实现了光线的精准控制，从而在屏幕上显示出清晰、色彩丰富的图像。
在LCD Cell中，液晶分子的控制是通过一个精细的电控过程来实现的，这个过程涉及到以下几个关键方面： TFT阵列控制：每个像素点都配备有一个薄膜晶体管（TFT），它作为开关控制着通过像素的电压。当TFT接收到从驱动集成电路（IC）传来的信号时，会根据信号的强度调整像素上的电压。电场作用：在TFT层产生的电压与位于彩色滤光片侧的共通电极之间形成了一个横向电场。这个电场的强度直接影响到液晶分子的排列。液晶分子排列变化： 无电场状态：在无电场或低电场条件下，液晶分子倾向于保持其自然取向（通常是扭曲或螺旋状排列），这取决于预设的取向层（通常通过摩擦力或物理刻蚀在两片玻璃基板内表面形成的定向层）。这种排列方式会使得光线难以通过，或者仅允许部分特定偏振态的光线通过。电场施加状态：当电场施加到液晶层时，液晶分子会尝试重新排列以对齐电场线的方向。这种重新排列改变了光线穿过液晶层的方式，允许更多的光线通过或者改变光线的偏振状态，具体效果取决于液晶材料的类型（如向列相、扭曲向列相等）和电场的强度。偏振片调控：入射光首先通过一个偏振片，然后经过液晶层，最终到达另一侧的偏振片。通过液晶分子排列的变化，控制光线的偏振状态，从而决定有多少光线能够通过第二个偏振片，实现光强的调节。色彩生成：在彩色LCD中，每个像素被分割成红、绿、蓝三个子像素，每个子像素上的彩色滤光片只允许对应颜色的光线通过。通过控制每个子像素的亮度，可以混合出所需的色彩。通过上述机制，LCD Cell能够精确控制每一个像素的明暗和色彩，从而在屏幕上呈现出动态变化的图像。这一过程对于LCD显示器的显示质量、响应速度以及功耗都有重要影响。 （1）偏振片和液晶
偏振片：将自然光转变为偏振光液晶：扭转偏振光的偏振方向 在LCD（液晶显示器）的Cell结构中，光路处理主要涉及偏振片和液晶层的相互作用，以控制光线的透射，进而形成图像。下面是这一过程的详细解释： 1. 入射光与起偏 起偏器（前偏振片）：光首先通过一个偏振片，通常称为起偏器。这个偏振片只允许与其透振方向平行的光波振动通过，其他方向的光波被阻挡或大幅减弱。因此，入射的自然光变为线偏振光，具有了特定的偏振方向。2. 液晶层的作用 液晶分子排列：在两个透明玻璃基板之间的液晶层中，液晶分子按照一定的初始取向排列。这两个基板的内表面涂有取向层，引导液晶分子沿特定方向排列。电场效应：当在液晶层两侧施加电压时，液晶分子的排列会发生改变。无电压时，液晶可能维持自然扭曲状态或特定排列（如TN型LCD中的90度扭曲），使得入射的线偏振光旋转一定角度。施加电压后，液晶分子倾向于沿电场方向排列，减小或消除原本的扭曲，影响光的偏振状态。3. 检偏器（后偏振片）与光的透射 光的透射与阻断：经过液晶层后的偏振光接着到达另一个偏振片，称为检偏器或后偏振片。这个偏振片的透振方向通常与起偏器正交（即两者呈90度夹角）。在没有电压作用下，由于液晶层的扭曲，入射光的偏振方向已经旋转90度，刚好能够通过检偏器。而当电压施加，液晶层的扭曲减少或消失，偏振光无法完全旋转到与检偏器匹配的角度，导致大部分光线被阻挡，像素变暗。4. 彩色显示 在彩色LCD中，每个像素点进一步分为红、绿、蓝三个子像素，每个子像素前都有一层彩色滤光片，分别允许对应颜色的光通过。通过控制每个子像素背后的液晶单元的电压，调节透过的光量，可以混合出各种颜色。综上所述，LCD Cell中的光路处理是一种精密的光学调控过程，利用偏振片和液晶分子对光的偏振状态的控制，实现了从明亮到暗淡乃至色彩的变化，从而在屏幕上显示出丰富的图像信息。 （2）配向膜与电场在LCD（液晶显示器）Cell结构中，液晶分子的控制依赖于配向膜（Alignment Layer）与电场的共同作用，来实现光线透射的精确调控，进而展示图像。具体过程如下： 配向膜（Alignment Layer） 作用：配向膜位于玻璃基板的内表面，其主要功能是引导液晶分子在未施加电场时按照特定的方向排列。这种有序排列是LCD正常工作的基础。工艺：配向膜可以通过物理或化学方法制备，比如摩擦定向法或涂覆特定的配向物质。物理摩擦法中，通过特定织物或刷子在基板表面摩擦，形成微观沟槽引导液晶分子排列；化学方法则可能涉及涂覆一层可聚合物质，经光照或热处理后形成有序结构。电场控制 TFT与共通电极：LCD Cell中，TFT（薄膜晶体管）阵列和位于彩色滤光片侧的共通电极（Common Electrode）共同形成电场。TFT为每个像素提供开关控制，而共通电极覆盖整个显示区域，与之形成横向电场。电场效应：当TFT开启并施加电压时，电场作用于液晶分子，改变其自然排列状态。液晶分子的排列变化取决于电场强度和液晶材料的特性，可以是从扭曲排列变为近似直线排列，或者在不同方向上的轻微偏转。光的调制：液晶分子排列的变化影响光的偏振状态，进而控制光线透过的能力。无电场时，液晶分子的扭曲排列使光波旋转，使其能够通过检偏器；施加电场后，排列变化，光的偏振状态随之改变，透射光量减少，导致像素变暗。结合效果 像素亮暗控制：通过调整施加在每个像素上的电压，即可控制该像素的亮度，实现灰阶或色彩的显示。快速响应与视角：液晶分子的响应速度和视角依赖于其材质和电场控制的精确度。高级LCD技术，如IPS（面内切换）和VA（垂直对齐）技术，通过优化电场和配向膜设计，改善了视角和色彩均匀性。综上所述，LCD Cell中液晶分子的控制是一个精密而复杂的过程，涉及配向膜的精确导向和电场的动态调节，共同作用以实现对光的高效调制，展示清晰、色彩丰富的图像。
在LCD（液晶显示器）Cell的结构中，液晶分子的控制主要是通过薄膜晶体管（Thin Film Transistor, TFT）和电极（像素电极与共通电极）的配合来实现的，这一过程是基于主动矩阵寻址技术，具体操作如下： 1. 薄膜晶体管（TFT）的作用 像素控制开关：每个像素点都配备有一个TFT，它相当于一个微型开关，负责控制施加在该像素上的电压。TFT由栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）组成，与栅极线和源极线相连，接收来自驱动电路的信号。信号转换：当栅极接收到扫描脉冲时，TFT开启，允许数据电压从源极传递到像素电极。这个数据电压决定了通过像素的电场强度，从而控制液晶分子的排列。2. 电极结构 像素电极：位于TFT层，与TFT的漏极相连，负责接收从TFT传递过来的电压，并在像素区域内形成电场。共通电极：位于彩色滤光片（CF）层或液晶层之上，覆盖整个显示区域，与像素电极相对，形成一个横向电场。共通电极通常由透明导电材料（如ITO，氧化铟锡）制成，以允许光线通过。3. 电场控制液晶分子 电场方向：当TFT开启，像素电极与共通电极之间形成电场，这个电场的方向和强度决定了液晶分子的排列方向。液晶分子具有负介电各向异性，意味着它们在电场中倾向于与电场方向排列。光线调制：无电场时，液晶分子通常按照配向膜的指引排列，允许光线在通过偏光片和彩色滤光片后形成图像。施加电场后，液晶分子的排列发生变化，影响光线的偏振状态，从而改变透射光的强度。通过调整电场强度，可以控制每个像素的亮度，进而显示不同灰阶或颜色。综上所述，TFT与电极在LCD Cell中共同协作，通过精确控制施加在液晶层上的电压，动态地调整液晶分子的排列，进而控制光的透射量，实现对屏幕每个像素点的单独控制，最终展示出清晰、细腻的图像。
TFT（Thin Film Transistor）的Gate端在打开时，Source与像素电极连通，为液晶电容和储存电容充电/放电。液晶电容容值较小且随显示内容变化，因漏电流存在无法维持像素电极的电压，因而Cell中额外设计一个较大的储存电容用于维持像素电极的电压。
在LCD（液晶显示器）Cell的结构中，液晶分子的控制虽然主要由TFT（薄膜晶体管）和电极来执行，但是彩色滤光片（Color Filter）与黑色矩阵（Black Matrix）也在显示图像的过程中扮演着至关重要的角色。它们的功能和作用如下： 彩色滤光片（Color Filter） 色彩生成：彩色滤光片位于LCD Cell的上基板（通常在共通电极之上），由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色的滤色单元组成，每个单元对应一个像素的子像素。这些滤色单元允许对应颜色的光通过，而吸收其他颜色的光，通过不同强度的白光（背光源提供）与RGB滤色片的组合，可以生成各种颜色。亮度调节：与TFT控制的电压调节相结合，彩色滤光片上的光通过量由液晶分子的排列状态决定，进而影响每个子像素的亮度，实现色彩和灰阶的显示。黑色矩阵（Black Matrix） 防止光泄露：黑色矩阵通常由金属或其他不透光材料制成，布置在彩色滤光片上，主要目的是遮挡像素间的间隙，防止相邻像素的光线互相干扰（串光现象），提高对比度和色彩纯净度。遮蔽非显示区：除了像素间隙，黑色矩阵还覆盖了TFT和其他非显示区域，如数据线和扫描线，避免这些区域透光，进一步提升显示质量。改善视角：通过减少不必要的光线散射和反射，黑色矩阵有助于改善LCD的视角稳定性，使得从不同角度观看时色彩失真减少。综上所述，彩色滤光片与黑色矩阵在LCD显示过程中不仅参与色彩的生成和亮度调节，还对提高图像的对比度、色彩纯度以及视角效果有着不可或缺的作用。它们与TFT、电极及液晶层一起构成了完整的显示系统，确保了高质量图像的输出。
TN：Twisted Nematic VA：Vertical Alignment IPS：In-Plane Switching （2）按TFT沟道材料分类A-Si：Amorphous Silicon LTPS：Low Temperature Poly Silicon IGZO：Indium Gallium Zinc Oxide 感谢您的阅读，不足之处尽情谅解，欢迎指正与探讨交流！ |
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