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LCD（液晶顯示）工作原理

您可能每天都在使用包含LCD（液晶顯示）的物品。它們無處不在——筆記本電腦、電子鐘、表、微波爐、CD機(jī)以及許多其他的電子設(shè)備上都有LCD。和其他的顯示屏技術(shù)相比，LCD確實(shí)有一些實(shí)實(shí)在在的優(yōu)點(diǎn)，因此它們被普遍應(yīng)用。例如，它們比陰極射線管（CRT）更薄更輕，并且耗電也更少。

計(jì)算器上簡(jiǎn)單的LCD顯示屏

但這些叫做液晶的東西究竟是什么呢？“液晶”這個(gè)名字聽起來好像有些自相矛盾。我們認(rèn)為晶體是像石英那樣的固體材料，通常像石頭一樣堅(jiān)硬，而液體和它明顯不同。一種材料怎么可能既含“液”又是“晶”呢？

在本文中，您能夠了解液晶是如何擁有這一特性的，我們還將探討使LCD得以發(fā)揮功效的技-術(shù)。您還會(huì)了解人們?nèi)绾卫靡壕У奶匦詠碇圃煲环N新型的光閥，以及這些開開合合的光閥所構(gòu)成的網(wǎng)格又如何呈現(xiàn)各種圖案來表示數(shù)字、文字和圖片！

什么是液晶？

物質(zhì)有三種常見的形態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。固體之所以呈固態(tài)是因?yàn)槠浞肿优帕蟹较虮３植蛔?，分子之間的相對(duì)位置也保持固定。液體中的分子則正好相反：它們可以變換方向，也能夠在液體中任意移動(dòng)。但是有些物質(zhì)能夠處在一種奇異的狀態(tài)，有些像液體，又有些像固體。當(dāng)它們處在這種狀態(tài)時(shí)，其分子像在固體中一樣傾向于保持它們的方向，同時(shí)又擁有液體分子的性質(zhì)，可以移動(dòng)到不同的位置。也就是說，液晶既不是固體也不是液體。這就是它為什么叫“液晶”這個(gè)顯得有些自相矛盾的名字的原因。

那么，液晶的性質(zhì)到底是像固體、液體，還是某種其他的物質(zhì)？事實(shí)表明液晶更接近于液態(tài)而不是固態(tài)。把一種適合的物質(zhì)從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕枰喈?dāng)多的熱量，而再將其從液晶轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲囊后w只需要再吸收一點(diǎn)點(diǎn)熱量。這就解釋了為什么液晶對(duì)溫度十分敏感，以及為什么它們被用來制造溫度計(jì)和心情戒指。這也解釋了為什么在很冷的天氣里或炎熱的海灘上，筆記本電腦的屏幕可能會(huì)呈現(xiàn)怪異的顯示效果！

向列相液晶

固體和液體都有許多不同的種類，同樣地，液晶材料也有許多種。根據(jù)溫度和物質(zhì)特性的不同，液晶可以處在一系列不同的相中的某一個(gè)相中。在本文中，我們將討論用來制造LCD的液晶，即處在向列相下的液晶。

液晶的一大特點(diǎn)是它們的性質(zhì)會(huì)受到電流的影響。有一種特殊的向列相液晶稱為扭曲向列相（TN）液晶，它在自然狀態(tài)下是扭曲的。當(dāng)給這種液晶加上電流后，它們將依所加電壓的大小反向扭曲相應(yīng)的角度。這種液晶對(duì)于電流的反應(yīng)很精確，因此可以被用來控制光的流通，從而用于制造LCD。

液晶的種類大多數(shù)液晶分子為棒狀，大體上可以把它們分為熱致液晶和溶致液晶。

液晶研究所Oleg Lavrentovich博士供圖

熱致液晶對(duì)于溫度（或壓力）的變化產(chǎn)生反應(yīng)。溶致液晶的反應(yīng)則取決于它們與何種溶劑相混合，這被用于制造肥皂和清潔劑中。熱致液晶可能是各向同性的或向列的。兩者最主要的區(qū)別在于，各向同性液晶中的分子排布是隨機(jī)的，而向列液晶中的分子排布有著特定的順序或模式。

向列相液晶中的分子排列方向取決于指向矢。指向矢可以是任何物質(zhì)，比如磁場(chǎng)或有著細(xì)微刻槽的表面。向列相液晶可以按照分子間的相對(duì)取向做進(jìn)一步的分類。層列相是最常見的排布方式，分子一層一層地排列。層列相又有許多的變體，例如C型層列相液晶每層的分子排列方向相對(duì)上一層呈一定的傾斜角度。另一種常見的相是膽固醇相，或叫做手性向列相。這種相中，每層的分子排列方向與相鄰層有輕微的扭曲，從而形成一個(gè)螺旋狀的結(jié)構(gòu)。

鐵電液晶（FLC）使用手性分子呈C型層列相排布的液晶材料，因?yàn)榉肿优帕械穆菪匦允箵Q向反應(yīng)時(shí)間處于微秒量級(jí)，故FLC特別適用于先進(jìn)的顯示屏。表面穩(wěn)定型鐵電液晶（SSFLC）利用玻璃板加一個(gè)可調(diào)的壓力，從而抑制分子的螺旋性，進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間。

怎樣制造LCD？

制造一臺(tái)LCD比制造一片液晶要復(fù)雜得多。制造LCD需要的條件是：

光具有偏振性。（參見太陽(yáng)鏡面面觀中關(guān)于偏振的內(nèi)容。）
液晶可以傳輸和改變偏振光。
液晶的結(jié)構(gòu)可以依電流而改變。
存在可以導(dǎo)電的透明物質(zhì)。

LCD設(shè)備巧妙地利用了這四個(gè)條件。

制造一臺(tái)LCD需要兩塊偏振玻璃片。有一種特殊聚合物可以在物體表面制作出細(xì)微刻槽，這種聚合物擦在玻璃上沒有偏光膜的一面。刻槽必須與偏光膜同向。接著在一片濾光片上加一層向列相液晶?？滩蹠?huì)使液晶中第一層分子的取向和濾光片的方向相同。接下來再加上第二片玻璃，使其偏光膜的方向和第一塊玻璃的偏光膜方向成直角。因此后續(xù)每一層向列相分子都會(huì)扭曲一個(gè)角度，直到最上面一層和最下面一層相差90°，從而和偏振玻璃濾光片相吻合。

當(dāng)光照射在第一個(gè)濾光片上時(shí)，它發(fā)生偏振。每一層分子都會(huì)將它們接收到的光引領(lǐng)至下一層。當(dāng)光穿過液晶的每一層時(shí)，相應(yīng)的分子同時(shí)也改變光的偏振面使其符合分子自身方向的角度。當(dāng)光到達(dá)液晶材料的最遠(yuǎn)端時(shí)，它的偏振方向和最后一層分子的角度相同。如果液晶的最后一層和第二塊偏振玻璃濾光片的方向吻合，光就可以穿過。

大部分計(jì)算機(jī)屏幕靠LCD上方、側(cè)面或背后的內(nèi)置熒光管來提供光源。LCD后面的一塊白色漫射板將光均勻地進(jìn)行反射和散射，以保證屏幕亮度的一致性。大量的光在通過濾光片、液晶層和電極層時(shí)散失掉了——通常會(huì)損失一半以上的光！

在上面的例子中，我們使用的是一塊普通電極板和一個(gè)單獨(dú)的電極條來控制哪些液晶受電荷的影響。如果在單獨(dú)的電極條那一層中加入其他一些電極，就可以制造出更加復(fù)雜的顯示屏了。

LCD系統(tǒng)

普通平板LCD適用于那些反復(fù)顯示同樣圖案的簡(jiǎn)單顯示器，比如手表和微波爐定時(shí)器上的屏幕。在這些設(shè)備中，前述的六角形棒狀是最常見的電極排列，而實(shí)際上電極可以排成任何形狀。只要看看那些很普通的掌上游戲機(jī)，玩紙牌游戲機(jī)、外星人游戲機(jī)、釣魚游戲機(jī)和老虎機(jī)等，里面五花八門的圖案不過是各種形狀的電極而已。

計(jì)算機(jī)中使用的LCD有兩大類：無源矩陣和有源矩陣。在以下兩節(jié)中，我們將分別介紹這兩類LCD。

LCD的歷史如今，LCD隨處可見，不過它們并不是一夜之間突然冒出來的。從發(fā)現(xiàn)液晶到制成如今我們所享用的各種LCD用品花了很長(zhǎng)一段時(shí)間。1888年，奧地利植物學(xué)家弗里德里?！とR尼澤（Friedrich Reinitzer）首先發(fā)現(xiàn)了液晶。萊尼澤觀察到，在融解一種奇怪的類膽固醇物質(zhì)（膽甾醇苯甲酸酯）時(shí)，它首先變成渾濁的液體，而隨著溫度的上升又會(huì)變清。在冷卻時(shí)，液體首先變藍(lán)，然后才最終結(jié)晶。八十年后的1968年，RCA才首次制造出實(shí)驗(yàn)性的LCD。從那時(shí)起，LCD制造商們穩(wěn)步地發(fā)展出各種富有創(chuàng)造性的產(chǎn)品并提高相應(yīng)的技術(shù)，從而將LCD的技術(shù)復(fù)雜性提升到了一個(gè)驚人的高度。所有的跡象都表明，未來我們將繼續(xù)享用LCD新的進(jìn)步！

無源矩陣LCD

無源矩陣LCD使用簡(jiǎn)單的網(wǎng)格來給顯示屏上的特定像素供電。制造這種網(wǎng)格是相當(dāng)復(fù)雜的過程！首先必須有兩層被稱為基片的玻璃層。透明導(dǎo)電物質(zhì)在一片基片上排成列，在另一片基片上排成行。導(dǎo)電物質(zhì)通常是氧化銦錫。這些行和列連接在集成電路上，集成電路則控制電荷何時(shí)被送到特定的列或行中。液晶材料被壓在兩塊玻璃基片之間，每個(gè)基片的外表面則附著偏振膜。若要點(diǎn)亮某個(gè)像素，集成電路將電荷送到一個(gè)基片的特定列上，再將另一個(gè)基片的特定行接地。行與列交于指定的像素點(diǎn)，由此產(chǎn)生的電壓會(huì)消除該像素區(qū)域液晶分子的扭曲。

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什么是液晶？

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怎樣制造LCD？

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