液晶显示器是一种借助于薄膜晶体管(TFT)驱动的有源矩阵液晶显示器，它主要是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。IPS、TFT、SLCD都属于LCD的子类。 [1]
液晶显示器的工作原理是：在电场的作用下，利用液晶分子的排列方向发生变化，使外光源透光率改变（调制），完成电一光变换，再利用R、G、B三基色信号的不同激励，通过红、绿、蓝三基色滤光膜，完成时域和空间域的彩色重显。 [1]
液晶显示器(LCD)是一种平板显示器或其他电子调制光学设备，它利用了液晶与偏振器结合的光调制特性。液晶不发射光直接，[1]代替使用背光或反射器产生彩色或单色图像。[2]液晶显示器可用于显示任意图像(如通用计算机显示器)或低信息内容的固定图像，可以显示或隐藏这些图像，如预先设置的单词、数字和数字时钟中的七段显示。它们使用相同的基本技术，只是任意图像都是由小像素组成的矩阵，而其他显示器则使用较大的元素。液晶显示器可以正常开(正)或关(负)，取决于偏振器的安排。例如，带有背光的字符正极LCD将在背景上有黑色的字母，那是背光的颜色，而字符负极LCD将有黑色的背景，字母与背光的颜色相同。滤光片被添加到蓝色的白色液晶显示器上，以赋予它们特有的外观。
液晶显示器应用广泛，包括液晶电视、电脑显示器、仪表盘、飞机座舱显示器以及室内外标识。小型液晶显示屏在便携式消费设备中很常见，如数码相机、手表、计算器和包括智能手机在内的移动电话。液晶显示屏也用于消费电子产品，如DVD播放器，视频游戏设备和时钟。在几乎所有的应用中，液晶显示屏已经取代了笨重的阴极射线管(CRT)显示器。液晶显示屏比CRT和等离子显示器有更广泛的屏幕尺寸范围，液晶显示屏的尺寸从微型数字手表到非常大的电视接收器。液晶显示器正在慢慢取代oled,可以很容易地做成不同的形状,并有一个较低的响应时间,更广泛的色域,几乎无限的色彩对比度和可视角度,低体重对于一个给定的显示大小和苗条的概要文件(因为oled使用单一的玻璃或塑料面板,而液晶显示器使用两个玻璃面板;面板的厚度会随着尺寸的增加而增加，但这种增加在液晶显示器上更为明显)，而且可能会降低功耗(因为显示屏只在需要的地方“打开”，而且没有背光)。然而，由于使用非常昂贵的电致发光材料或荧光粉，对于给定的显示尺寸，oled更加昂贵。另外，由于使用了荧光粉，OLED显示屏会老化，目前还没有办法回收OLED显示屏，而LCD面板可以回收，尽管回收LCD所需的技术还没有广泛应用。提高液晶显示器寿命的尝试是量子点显示器，它提供与OLED显示器类似的性能，但是赋予这些显示器特性的量子点板还不能被回收利用。
由于液晶显示屏不使用荧光粉，当一个静态图像长时间显示在屏幕上时，它们很少遭受图像老化，例如，室内标志上航空公司航班时刻表的桌子框架。然而，液晶显示器容易受到图像持久性的影响。[3]液晶显示屏比阴极射线管更节能，处理起来也更安全。它的低耗电量使它比阴极射线管更有效地用于电池供电的电子设备。到2008年，全球液晶电视的年销量超过了阴极射电管的销量，而阴极射电管在大多数用途上已经过时。
一般特征
典型的液晶显示器的每个像素由排列在两个透明电极之间的分子层和两个偏振滤光片(平行和垂直)组成，偏振滤光片的传输轴(在大多数情况下)相互垂直。如果偏振片之间没有液晶，穿过第一个偏振片的光会被第二个(交叉)偏振片挡住。在施加电场之前，液晶分子的取向是由电极表面的排列决定的。在扭曲向列型(TN)装置中，两个电极的表面排列方向相互垂直，因此分子以螺旋结构排列，或扭曲。这就导致了入射光偏振的旋转，使得器件呈现灰色。如果施加的电压足够大，层中心的液晶分子几乎完全不扭曲，入射光通过液晶层时的偏振不会发生旋转。这束光将主要被垂直于第二个滤镜的偏振，因此被阻挡，像素将出现黑色。通过控制施加在每个像素的液晶层上的电压，可以允许光以不同的数量通过，从而构成不同的灰度级别。大多数彩色液晶显示器系统使用相同的技术，用彩色过滤器产生红，绿，和蓝色像素。滤色片是用光刻工艺制成的。使用红、绿、蓝、黑阻色。所有的电阻都含有研磨得很细的颜料粉末，其颗粒直径只有40纳米。首先使用黑色的抗蚀剂;这将创建一个黑色的网格，将分离红色，绿色和蓝色的子像素彼此。在黑色抗蚀剂已经在烤箱中干燥和暴露在紫外线通过掩模，未暴露的区域被洗掉。然后对剩余的抗性重复同样的过程。这将用相应的颜色电阻填充黑色网格(或矩阵)中的孔。[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]另一个color-generation方法用于早期颜色pda和一些计算器是由不同的电压Super-twisted向列液晶,tighter-spaced板块之间的变量扭曲会导致不同的双折射双折射,从而改变色调。它们通常被限制在每个像素3种颜色:橙色、绿色和蓝色。19
德州仪器计算器中的液晶显示器，从器件上取下偏振器并放在顶部，这样，顶部和底部的偏振器是垂直的。结果，颜色就倒过来了。
TN器件在电压开启状态下的光学效应对器件厚度变化的依赖性远远小于在电压关闭状态下的光学效应。正因为如此，低信息含量和没有背光的TN显示器通常在交叉偏振器之间操作，这样它们在没有电压的情况下显得明亮(眼睛对暗状态的变化比亮状态更敏感)。由于大多数2010年生产的液晶显示器用于电视机、显示器和智能手机，它们具有高分辨率的矩阵像素阵列，使用背光和黑暗背景显示任意图像。当没有显示图像时，使用不同的安排。为此，TN液晶显示器是在平行偏振器之间操作的，而IPS液晶显示器的特点是交叉偏振器。在许多应用中，IPS lcd已经取代了TN lcd，尤其是在iphone等智能手机中。所述液晶材料和取向层材料均含有离子化合物。如果一个特定极性的电场被施加很长一段时间，这种离子材料就会被吸引到表面并降低设备的性能。这可以通过施加交流电或在处理器件时逆转电场的极性来避免(无论应用电场的极性如何，液晶层的响应都是相同的)。
卡西欧带液晶显示屏的计时闹钟数字手表
对于少量的单个数字或固定符号(如数字手表和袖珍计算器)的显示可以通过每个部分的独立电极来实现。相比之下，全字母数字或可变图形显示器通常由像素作为矩阵来实现，这些矩阵由LC层的一边的电连接行和另一边的列组成，这使得在交叉点上对每个像素进行地址处理成为可能。一般的矩阵寻址方法是在矩阵的一侧按顺序寻址，例如逐个选择行，然后将另一侧的图像信息逐行应用于列。有关各种矩阵寻址方案的详细信息，请参阅无源矩阵寻址lcd和有源矩阵寻址lcd。
| Generation | Length [mm] | Height [mm] | Year of introduction | References |
| GEN 1 | 200-300 | 200-400 | 1990 | [21] [22] |
| GEN 2 | 370 | 470 | | |
| GEN 3 | 550 | 650 | 1996-1998 | [23] |
| GEN 3.5 | 600 | 720 | 1996 | [22] |
| GEN 4 | 680 | 880 | 2000-2002 | [22] [23] |
| GEN 4.5 | 730 | 920 | 2000-2004 | [24] |
| GEN 5 | 1100 | 1250-1300 | 2002-2004 | [22] [23] |
| GEN 6 | 1500 | 1800--1850 | 2002-2004 | [22] [23] |
| GEN 7 | 1870 | 2200 | 2006 | [25] [26] |
| GEN 7.5 | 1950 | 2250 | | [22] |
| GEN 8 | 2160 | 2460 | | [26] |
| GEN 8.5 | 2200 | 2500 | | [27] |
| GEN 10 | 2880 | 3130 | 2009 | [28] |
| GEN 10.5 (also known as GEN 11) | 2940 | 3370 | 2018 [29] | [30] |
历史
Joseph A. Castellano在其著作《Liquid Gold: The Story of lcd and The Creation of an Industry》中从一个业内人士的角度描述了液晶显示器的起源和早期复杂的历史。[32]另一份关于1991年以前LCD的起源和历史的报告由Hiroshi Kawamoto发表，可在IEEE历史中心查阅。描述瑞士对LCD发展的贡献，由Peter J. Wild写，可以在工程和技术历史的Wiki上找到。
背景
1888年,[35]弗里德里希Reinitzer(1858 - 1927)发现的胆固醇从胡萝卜中提取的液体结晶性质(即两个熔点和一代的颜色)和维也纳会议上发表他的发现化学协会5月3日1888 (f . Reinitzer: Beitrage zur Kenntniss des胆固醇Monatshefte毛皮化学(维也纳)9、421 - 441 (1888))。1904年，奥托·莱曼发表了他的著作《液晶》。1911年，Charles Mauguin首次实验了薄层平板之间的液晶。
1922年，Georges Friedel描述了液晶的结构和性质，并将其分为三种类型(列型、近型和胆固醇型)。1927年，弗塞沃洛德·弗雷德里克发明了一种电开关光阀，叫做弗里德里克斯转换，它是所有LCD技术的核心。1936年，马可尼无线电报公司为这项技术的第一次实际应用申请了专利——“液晶光阀”。1962年，第一本关于“液晶的分子结构和性质”的主要英文出版物，作者是乔治·w·格雷博士。[37] 1962年，RCA的Richard Williams发现液晶具有一些有趣的电光特性，他通过施加电压在液晶材料的薄层上产生条纹，从而实现了电光效应。这种效应是基于电动力的不稳定性，在液晶内部形成了现在被称为“威廉姆斯域”的东西
MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)是由贝尔实验室的Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng在1959年发明的，并于1960年面世。基于他们与MOSFETs的工作，RCA的Paul K. Weimer在1962年开发了薄膜晶体管。这是一种不同于标准体积MOSFET的MOSFET
20世纪60年代末，英国皇家雷达公司在英格兰莫尔文进行了液晶的开创性工作。RRE的团队支持了乔治·威廉·格雷和他在赫尔大学的团队正在进行的工作。乔治·威廉·格雷和他的团队最终发现了氰基苯基液晶，它具有正确的稳定性和温度特性，可用于液晶显示器。
1960s
1964年，当时在RCA实验室研究威廉姆斯发现的效应的George H. Heilmeier，通过场诱导双色染料在同向热带取向液晶上的重新排列，实现了颜色的改变。这种新的光电效应的实际问题促使Heilmeier继续研究液晶的散射效应，并最终实现了基于他所谓的动态散射模式(DSM)的第一台可操作液晶显示器。电压应用到DSM显示开关最初的透明液晶层进入乳白色混浊状态。DSM显示器可以在传输和反射模式下运行，但它们需要相当大的电流来运行。乔治·h·海尔梅耶被列入国家发明家名人堂，并因发明液晶显示器而被记入名人堂。Heilmeier的工作是IEEE的一个里程碑
基于tft的液晶显示器(LCD)的想法是由RCA实验室的Bernard Lechner在1968年提出的。1968年，Lechner, F.J. Marlowe, E.O. Nester和J. Tults用一个18x2矩阵动态散射模式(DSM)液晶显示器展示了这一概念，该液晶显示器使用标准的离散mosfet。
1970s
1970年12月4日，Hoffmann-LaRoche在瑞士申请了液晶扭曲向列相场效应(TN)的专利(瑞士专利号532 261)，Wolfgang Helfrich和Martin Schadt(当时在中央研究实验室工作)被列为发明者。随后，bbbmann - la Roche将这项发明授权给了瑞士制造商Brown, Boveri & Cie，该公司在20世纪70年代为包括日本电子工业在内的国际市场生产TN显示腕表和其他应用。日本电子工业很快生产了第一款带有TN- lcd和许多其他产品的数字石英腕表。1971年4月22日，James Fergason在肯特州立大学液晶研究所与Sardari Arora和Alfred Saupe合作时，在美国申请了一项相同的专利。[51]在1971年，费加森公司的ILIXCO(现在的LXD股份有限公司)生产了基于tni -effect的液晶显示器，由于低运行电压和低功耗的改进，这种液晶显示器很快取代了低质量的DSM类型。1971年2月，日本精工公司的滨哲郎(Tetsuro Hama)和西村清彦(Izuhiko Nishimura)为一款带有tn液晶显示屏的电子手表获得了美国专利。[52] 1972年，第一个带有TN-LCD的手表在市场上推出:Gruen Teletime，这是一个四位数的显示手表。
1972年，美国宾夕法尼亚州匹兹堡市西屋电气的t·彼得·布罗迪团队提出了有源矩阵薄膜晶体管(TFT)液晶显示面板的概念原型。1973年，Brody, J. A. Asars和G. D. Dixon在西屋研究实验室演示了第一个薄膜晶体管液晶显示器(TFT LCD)。截至2013年，所有现代高分辨率和高质量的电子视觉显示设备都使用基于tft的有源矩阵显示。Brody和Luo Fang-Chen在1974年演示了第一台平面有源矩阵液晶显示器(AM LCD)，然后在1975年Brody创造了“有源矩阵”一词
1972年，北美罗克韦尔微电子公司在劳埃德电子公司的市场推广中引入了DSM液晶显示器，尽管这需要一个内部光源来照明。随后，[57]夏普公司在1973年推出了用于口袋大小计算器的DSM液晶显示器，并在1975年大量生产用于手表的TN液晶显示器。其他日本公司很快在手表市场占据了领先地位，精工精工及其第一个6位数的tn液晶石英手表。基于主客互动的彩色液晶显示器是由RCA的一个团队在1968年发明的。[60]是日本夏普公司在20世纪70年代研制的一种特殊的彩色液晶显示器，他们的发明获得了专利，如1975年5月加藤信司和宫崎骏的专利[61]，1975年12月船田文明和松浦正孝对其进行了改进。[62]TFT液晶显示器相似原型由西屋电气团队1972年专利在1976年被锋利的一个小组包括来自Funada,东松浦,和Tomio和田,[63]1977年大幅改善团队组成的岸浩平表示,Hirosaku Nonomura,清水Keiichiro, Tomio和田。然而，这些tft - lcd还没有准备好在产品上使用，因为tft材料的问题还没有解决。
1980s
1983年，瑞士布朗Boveri & Cie (BBC)研究中心的研究人员发明了用于无源基质寻位液晶显示器的超扭曲列向列(STN)结构。H. Amstutz等人在1983年7月7日和1983年10月28日在瑞士提出的相应专利申请中被列为发明人。专利在瑞士CH 665491，欧洲EP 0131216，[65]美国专利4,634,229和更多的国家获得批准。1980年，Brown Boveri与荷兰飞利浦公司成立了一家合资公司，名为Videlec，各占一半股份。〔66〕飞利浦拥有设计和制造控制大型液晶面板的集成电路所需的专业知识。此外，飞利浦拥有更好的电子元件市场，并打算在新一代的高保真、视频设备和电话中使用lcd。1984年，飞利浦研究人员Theodorus Welzen和Adrianus de Vaan发明了一种视频加速驱动器方案，解决了STN-LCDs响应时间较慢的问题，在STN-LCDs上实现了高分辨率、高质量和平滑移动的视频图像。【67】1985年，飞利浦的发明者Theodorus Welzen和Adrianus de Vaan利用低压(基于cmos)驱动电子器件解决了驱动高分辨率stn -LCD的问题，使得高质量(高分辨率和视频速度)的LCD面板得以应用于电池驱动的便携式产品，如笔记本电脑和手机。【68】1985年，飞利浦收购了总部设在瑞士的Videlec AG公司100%的股份。随后，飞利浦将Videlec生产线搬到了荷兰。数年后，飞利浦为蓬勃发展的手机行业大量生产并销售完整的模块(包括LCD屏幕、麦克风、扬声器等)。
第一个彩色液晶电视是在日本作为手持式电视开发出来的。1980年，服部精子的研发小组开始开发彩色液晶袖珍电视。[69] 1982年，精工爱普生发布了第一个液晶电视，爱普生电视手表，这是一个配备了一个小的主动矩阵液晶电视腕表。【70】【71】夏普公司于1983年推出点阵TN-LCD。1984年，爱普生发布了ET-10，第一款全彩袖珍液晶电视。[72]同年，Citizen Watch推出了Citizen Pocket TV，[69]一款2.7英寸彩色液晶电视，[73]推出了首个商用TFT液晶显示屏。[69] 1988年，夏普展示了一款14英寸的有源矩阵全彩色全动态TFT-LCD。这使得日本开始了液晶产业，开发了包括TFT电脑显示器和液晶电视在内的大尺寸液晶显示器。[74]爱普生在20世纪80年代开发了3LCD投影技术，并于1988年获准用于投影仪。[75] 1989年1月发布的爱普生VPJ-700是世界上第一款小巧的全彩LCD投影仪。
1990s
1990年，在不同的头衔下，发明者构想了电光效应作为扭曲向列相场效应LCDs (TN-和STN- LCDs)的替代品。一种方法是在玻璃基板上使用数字间电极，只产生与玻璃基板基本平行的电场。[76][77]为了充分利用这一特性在平面开关(IPS)技术中还需要进一步的工作。经过深入分析，Guenter Baur等人在德国提出了具体的优势实施例，并在各国申请了专利。[78][79]这些发明者所在的弗莱堡伊兹弗劳恩霍夫研究所将这些专利转让给了默克公司(Merck KGaA)和达姆施塔特(Darmstadt)，后者是LC物质的供应商。此后不久的1992年，日立的工程师们制定出了IPS技术的各种实用细节，以矩阵的形式互连薄膜晶体管阵列，并避免像素之间不受欢迎的杂散场。日立还通过优化电极的形状(超级IPS)进一步改善了观察角度的依赖性。NEC和日立成为了基于IPS技术的有源矩阵寻址液晶显示器的早期制造商。这是实现具有可接受的视觉性能的平板电脑显示器和电视屏幕的大屏幕液晶显示器的里程碑。1996年，三星开发了光学图形技术，实现了多域液晶显示。多域和面内开关随后在液晶设计中占据主导地位直到2006年。【82】20世纪90年代末，LCD产业开始从日本转移到韩国和台湾，【74】后来又转移到中国。
2000s–2010s
2007年，液晶电视的图像质量超过了阴极射线管(CRT)电视。【83】2007年第四季度，液晶电视的全球销量首次超过阴极射线管电视。[84]根据Displaybank的数据，2006年全球2亿台电视机的出货量中，液晶电视预计将占到50%。[85][86] 2011年10月，东芝发布了一款6.1英寸(155毫米)的液晶面板，显示2560×1600像素，适合平板电脑使用，[87]特别是用于汉字显示。2010年代还广泛采用了TGP(跟踪像素门线)，它将驱动电路从显示屏的边界移动到像素之间，从而允许窄幅边框。[88]液晶显示器可以被制成透明和柔韧的，但它们不能在没有背光的情况下发光，如OLED和microLED，这是其他也可以被制成柔韧和透明的技术。[89][90][91][92]富士生产特殊胶片，用于增加液晶面板的观看角度。[93][94]
2016年，松下研发了IPS液晶显示器，对比度为100万:1，可与oled相媲美。这项技术后来作为双层或双面板液晶显示器投入量产。该技术使用两个液晶层而不是一个，并且可以与一个迷你led背光和量子点片一起使用。
参考
- 【硬件科普】全网最简洁易懂的OLED与LCD屏幕工作原理与优劣科普
- 液晶显示器技术 如何看到图像的 你们还要提高自己的知识水平