液晶显示屏的结构及工作原理

8.2.2　TFT液晶显示屏的结构及工作原理

目前，液晶显示器常使用的显示屏技术是TFT技术，下面讲述TFT液晶显示屏的结构及其工作原理。

1.TFT液晶显示屏的工作原理

TFT LCD的中文名称叫做薄膜晶体管液晶显示屏。液晶显示屏需要用电压来控制灰阶产生。TFT LCD就是利用薄膜晶体管产生电压控制液晶转向的显示屏。从图8-11的截面结构图中可以看出，在上下两层玻璃间夹着液晶，形成了平行板电容器，在实际应用上，这个电容无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候，也就是说当TFT对这个电容充好电时，它并无法将电压保持住，直到下一次TFT再对此点充电的时候（以一般60Hz的画面更新频率，需要保持约16ms的时间）。这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确，因此一般在面板的设计上，会再加一个储存电容，以便让充好电的电容将电压能保持到下一次更新画面的时候。不过准确地说，玻璃上的TFT，只是一个使用晶体管制作的开关，它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点，至于这个点要充到多高的电压，以便显示出怎样的灰阶，都是由外面的LCD驱动来决定的。

TFT液晶显示屏需要在液晶显示屏的上玻璃和下玻璃之间将液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作。在下基板上光刻出行扫描和寻址线，构成一个矩阵，在其交点上制作出TFT有源器件和像素电极，其工作原理如图8-12所示。同一行中与各像素串联的场效应管（FET）的栅极是连在一起的，故行电极X也称栅极母线；而信号电极Y将同一列中各FET的漏极连在一起，故列电极也称漏极母线；而FET的源极则与液晶的像素电极相连。

图8-11　TFT LCD的截面结构图

图8-12　TFT矩阵驱动LCD的工作原理

为了增加液晶像素的延迟时间，还为液晶像素并联了一个合适的电容。当扫描到某一行时，扫描脉冲使该行上所有的FET导通，同时各列将信号电压加到液晶像素上，并对并联的电容器充电，该液晶单元格就显示了一个点。这一行扫描过后，各FET处于开路状态，无论以后列上信号如何变化，对未扫描行上的像素都无影响，即在选址行脉冲消失后，电容器仍会维持液晶单元继续显示一帧时间，使占空比达到百分之百，这样移动多列的液晶平面矩阵就可以显示字符与图形了。

为TFT LCD液晶显示屏提供光源的是盘绕在其背后的照明荧光管。如果光源出现问题，屏幕的某一部分可能会出现异常亮的线条，还可能会出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案（比如经过抖动处理的图像）还可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。

液晶显示器的LCD显示屏还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色和蓝色的过滤器，这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

LCD克服了CRT显示器体积庞大、耗电大和有闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示器可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示（每个单元就是一个像素）。对分辨率为1024×768的LCD屏幕来说，每个像素都由三个单元结构分别负责红色、绿色和蓝色的显示，所以总共约需240万个单元（1024×768×3=2 359 296单元），很难保证所有这些单元都完好无损，最有可能出现的故障是其中一部分已经短路（出现“亮点”），或者断路（出现“黑点”）。

另外，CRT屏幕是利用高速的电子枪发射出电子，打击荧光屏上的荧光粉，借以产生亮光，来显示出画面。然而液晶显示器仅能控制光线通过的亮度，其本身并无发光的功能。因此，液晶显示器就必须加上一个光源，来提供一个高亮度且亮度分布均匀的光源。由图8-11中可以看到，组成背光板的主要零件有灯管（冷阴极管）、反射板、导光板、Prism Sheet、扩散板等等。灯管是主要的发光零件，藉由导光板，将光线分布到各处。而反射板则控制光线都只往TFT LCD的方向前进。最后由Prism Sheet及扩散板的作用，将光线均匀地分布到各个区域去，提供给TFT LCD一个明亮的光源。而TFT LCD则通过电压控制液晶的转动，控制通过光线的亮度，形成不同的灰阶。

2.TFT液晶显示屏的结构

TFT液晶显示屏是由玻璃基极、电极、彩色滤光膜、FET和偏光极组成，图8-13是TFT LCD的外形图，图8-14为TFT液晶显示器的结构。

TFT液晶显示器在其液晶显示屏的玻璃基板上有TFT矩阵，它在基板上蚀刻扫描线和寻址线（即行、列线），并将其组合成一个个矩阵，在其交点上制作所有元器件和像素电极，组成液晶单元格，再在玻璃基片上制作彩色滤色膜。下面的FET及其信号线相连的液晶像素与上面彩色滤光膜上的滤光单元一一对应。FET位于扫描电极和信号电极的交叉点处，它的漏极和源极分别与信号电极和像素电极相连，栅极与扫描电极相连，上玻璃基片内表面为连成一片的透明公共电极，相对于下玻璃基片内表面制作透明的FET矩阵，如图8-15所示。

图8-13　TFT LCD的外形图　

图8-14　TFT液晶显示器的结构

3.彩色滤光膜

TFT LCD的上玻璃是一整块公共电极，如果是彩色显示，还要在上面用微细加工方式制作与下面矩阵像素对应的R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色的彩色滤光膜。

典型的彩色是在传统的LCD上加彩色膜和背光源。整个彩色滤光膜以下几个部分组成：上、下玻璃基板、ITO电极、TFT阵列、CF（彩色滤色膜）、保护膜、偏光板和密封垫以及盒中液晶，如图8-16所示。彩色滤色膜的R、G、B三基色按一定图案排列，并与TFT阵列一一对应。背光源发出的白光，经滤色膜滤色后变成R、G、B色光，通过TFT阵列可以调节加在液晶上的电压，从而改变各种颜色比例，实现彩色显示。

图8-15　TFT液晶显示器的等效电路图　

图8-16　彩色TFT液晶显示器结构图

彩色滤色膜的结构由透明基板、黑矩阵、彩色滤色膜（R、G、B三基色）、保护膜和ITO层组成，如图8-17所示。黑矩阵沉积在三基色图案之间的不透光部位，起防止混色作用，并为TFT矩阵中多晶硅材料作遮光板用。含有R、G、B三基色的滤色层用染料或颜料制成，滤色层制成后再沉积上一层保护层，起平整滤色片和在工序中对滤色起保护作用，这个保护层对染料滤色膜是必不可少的。最后，在低温下沉积ITO膜。

图8-17　彩色液晶显示器滤色膜的基本结构

4.冷阴极荧光灯（CCFL）背光照明系统

这是一种依靠冷阴极气体放电激发荧光粉而发光的光源。由于发光的荧光粉品种齐全、转化率高，是一种色温高、亮度高的理想光源。这种光源可制成准确的三基色，所以是彩色液晶显示的最佳光源。

大部分液晶显示屏采用的背光照明系统，主要用于液晶显示器的液晶显示屏、台式液晶显示器等。如用多支荧光灯的直下式背光照明系统，厚度一般为15mm～20mm，重量大于0.5kg，功耗约10W。而用侧导式单管（CCFL）背光照明系统，厚度只有3mm～5mm，重量约为100g，功耗约为1W左右，它的结构完全符合便携式设备的狭框架、超薄型、重量轻和低功耗的要求，已成为大型液晶显示设备中首选的配套产品。背光灯管如图8-18所示。

5.侧导光式CCFL背光照明系统基本结构

侧导光式CCFL背光照明系统的结构如图8-19所示。它的基本工作过程是冷阴极灯管所发射的光经过聚光板的聚光后导入导光板，利用光在导光板两面的临界反射（全反射），将光反射到导光板末端，在光导过程中部分光散射漏出，并射于系统表面。为了利用表面漏出的散射光，设置了反射板；为了缓解辉斑设置了散射板；为了增加下面发光强度，又增加了棱镜板。它符合薄型要求，且能获得高亮、均匀的平面光源。几乎所有液晶显示器都使用这种方式的背光照明系统，它已成为大型LCD器件中背光照明系统的主流产品。

图8-18　TFT LCD的背光灯管

图8-19　侧导光式CCFL背光照明系统结构图

（1）冷阴极荧光灯（CCFL）

侧导光式背光照明系统所使用的是直线型冷阴极荧光灯，其早期产品的直径为3.6mm，现在主流产品的直径为1.6mm、1.8mm、2mm等。直径变短可以提高发光效率，管径为1.8mm时，发光效率最高，再细就没有必要了，反而增加了制造工艺的困难。

冷阴极荧光灯通常使用几十千赫兹频率的逆变电路，通过高频开启来减少阴极电极损耗，这部分占冷阴极荧光灯功率的1/3以上，应该还有改进的余地。

（2）入射光学系统和导光板

为了减轻重量，用树脂材料制作的导光板是楔形。为了更有效地将灯管发出的光射入导光板，最好将导光板的射入部分做厚和将聚光板做大，以减少灯管自身所遮去的光，但这与薄形、狭边框的要求相冲突。对于直径2.6mm的灯管，采用3mm厚的导光板，射入效率为50％左右。

导光板由高折射率的树脂制作，利用全反射进行导光，其下层光散射体是用丝网印刷印制的100μm～1mm白色的圆形、蜂窝形或正方形的图案。其分布密度为从入射部到末端由疏渐密，具体光点疏密程度的分布与导光板侧面的聚光和灯管亮度分布有关，目的是获得均匀的亮度分布，可用计算机进行光路分析模拟，再用试验校正，反复几次形成。最先进的导光板在下侧设计了微小的凹凸光点，将光线散射出去可以省去丝网印刷工序。

（3）棱镜板

棱镜板由聚酯片和聚碳酸酯制作，厚度为150μm～230μm，间距为24μm～110μm。置于扩散板之上作为双凸透镜，可以会聚并定向性给出照明光线，以提高光源正面亮度。单片棱镜板可使光源的面发光亮度改善1.6倍左右，两片棱镜板就可以改善2倍以上。

在背光源发展过程中，曾使用过白炽灯、热阴极荧光灯和平面荧光灯（VFD）等材料，它们已处于被淘汰或逐步被取代的地位。目前中小液晶显示屏采用EL或LED，高亮度的彩色显示屏毫无例外地使用了CCFL。

背光源决定了显示屏的亮度，STN-LCD屏的透过率为15％～20％，TFT液晶显示屏只有3％。当屏的亮度要求为100cd/m²时，背光源表面亮度要高达10cd/m²。因此，对背光源的亮度要求是较高的。它在液晶显示器件总消耗功率中占2/3以上，所以提高照明光源的效率是减少液晶显示器和液晶电视机功耗的有效途径。