液晶屏如何成像？“液晶”究竟是什么材料？

出品：科普中國

作者：王智豪

監(jiān)制：中國科普博覽

從笨重的大部頭顯示器、等離子電視，再到當(dāng)下興起的激光電視，顯示器家族的成員可真的是不少。其中許多顯示技術(shù)都隨著時(shí)代發(fā)展被逐漸取代了，但是有一位成員從80年代誕生至今一直在“發(fā)光發(fā)熱”，它就是液晶顯示器（LCD）。

90年代大行其道的是CRT顯示器，它笨重且?guī)в幸粋€(gè)大屁股，可能很多人對(duì)它印象深刻，但它早已被更加輕便的液晶顯示器所取代

（圖片來源：維基百科）

LCD顯示器在取代了CRT顯示器后一直使用廣泛

（圖片來源：維基百科）

它與等離子電視的出現(xiàn)時(shí)間相近，但是明顯更有知名度，使用的也更廣泛。那么平價(jià)親民的液晶顯示器，運(yùn)用了什么技術(shù)，又有著什么特點(diǎn)呢？

兼具固體與液體性質(zhì)——液晶的特殊結(jié)構(gòu)

液晶顯示器在我們的生活中十分常見，電視，電腦，各種各樣小家電的顯示屏，幾乎都采用了液晶顯示器。要想了解液晶顯示器，我們先要了解什么是 “液晶”材料。
其實(shí)從它的名稱就能看出它的特點(diǎn)來：“液”表示液體，“晶”表示晶體——也就是一種固態(tài)物質(zhì)，說明液晶同時(shí)具有固體和液體的一些性質(zhì)。

我們都知道水有三種狀態(tài)：固態(tài)（冰）、液態(tài)（水）和氣態(tài)（蒸汽），大部分物質(zhì)也都具有這三態(tài)。液態(tài)物質(zhì)從分子分布上來看是各向同性的，意味著它的物理性質(zhì)在所有方向上都是一致的，這是分子不斷隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。固態(tài)是晶體，從分子分布來看是各向異性的，不同方向排列不同。這也導(dǎo)致晶體在不同方向上光的折射率、偏振性質(zhì)、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等物理性質(zhì)往往也不同。

晶體（左）、液晶（中）以及液體（右）的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)

（圖片來源：Rajak P, Nath L K, Bhuyan B. Liquid crystals: an approach in drug delivery[J]. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2019, 81(1): 11-21.）

在以往，人們認(rèn)為固態(tài)、液態(tài)是涇渭分明的，但1888年，植物學(xué)家菲德烈·萊尼澤（Friedrich Reinitzer）從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物，打破了這種認(rèn)知。它具有兩個(gè)不同溫度的熔點(diǎn)，在熔融狀態(tài)或被溶劑溶解之后，失去了固態(tài)物質(zhì)的剛性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質(zhì)的中間態(tài)。由于這類物質(zhì)獨(dú)特的狀態(tài)，人們將其命名為“Liquid Crystal”，就是液晶。
液晶按照其各向異性排列順序不同，可以分為三種，分別是向列相、近晶相和膽甾相。

向列相液晶的分子是長條形，它們在外力作用下會(huì)發(fā)生流動(dòng)，因此向列相液晶分子的長軸方向一般都沿著流動(dòng)方向，即大致位于同一方向，并且可以互相穿過。

而在近晶相中，液晶分子是分層的。層內(nèi)分子長軸互相平行，而且垂直于層面。但分子位置無一定規(guī)律，這種排列稱為方向有序，位置無序。近晶相液晶分子只能在本層內(nèi)活動(dòng)，而各層之間可以相互滑動(dòng)。

膽甾相的液晶分子同樣是分層的，每層同樣方向有序。但從整體看，層間是以螺旋圖案堆疊，每一層與其上下各層以微小角度旋轉(zhuǎn)。

液晶排列種類：向列相、近晶相和膽甾相

（圖片來源：鄭桂麗. 向列相液晶撓曲電效應(yīng)和撓曲電系數(shù)的研究[D].中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,2017.）

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)——液晶的多種效應(yīng)

液晶分子奇妙的規(guī)則排列也帶給它不同的性質(zhì)，比如扭曲向列效應(yīng)（TN）。

向列相液晶材料被夾在兩個(gè)玻璃基片之間，就好像一塊三明治。玻璃表面有十分精細(xì)的平行溝槽，被稱為配向膜。上玻璃附近的液晶按照上配向膜溝槽的方向排列，而下玻璃附近的液晶按照下配向膜溝槽的方向排列。兩個(gè)溝槽如果呈現(xiàn)十字交錯(cuò)，則上下玻璃之間的液晶會(huì)分層均勻扭曲。從俯視圖來看，上層液晶分子橫向排列，下層液晶分子縱向排列，整體沿著不同層級(jí)，像螺旋型般均勻扭曲，這樣的分子排列可以對(duì)光線的偏振方向造成影響。

扭曲向列效應(yīng)示意圖

（圖片來源：維基百科）

那什么是偏振呢？我們知道光是一種電磁波，而波其實(shí)有兩種類型，分別叫橫波和縱波。將一根繩子的一端固定，另一端用手拉緊水平的繩子并且上下振動(dòng)，你看到的繩子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就是橫波。橫波的特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向相互垂直，電磁波就是典型的橫波。而縱波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向平行，地震波就屬于縱波。

橫波示意圖，我們平時(shí)見到的水波就是橫波，它會(huì)上下起伏，但波的傳播方向與上下起伏的方向垂直

（圖片來源：維基百科）

縱波示意圖，它又被稱為密度波或疏密波，它的傳播方向與振動(dòng)方向一致，物質(zhì)內(nèi)部是靠疏-密-疏-密的變化來傳播波的

（圖片來源：維基百科）

光波是一種橫波，它由相互垂直的電場（z方向）和磁場（x方向）構(gòu)成，并且光的振動(dòng)方向始終在x-z平面內(nèi)，與光的傳播方向（y方向）垂直。

光波的傳播示意圖，圖中E為電場，B為磁場

（圖片來源：wikipedia）

這兩個(gè)不同方向的振動(dòng)矢量相互疊加，從x-z平面望去，就像是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在做著有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)振動(dòng)的振幅和相位不同，它的運(yùn)動(dòng)可以是呈現(xiàn)圓形，橢圓形或者線形，分別被稱為圓偏振光，橢圓偏振光和線偏振光。

圓偏振的示意圖，紅色和藍(lán)色表示兩個(gè)不同方向的振動(dòng)，黑色表示真實(shí)的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（圖片來源：維基百科）

假如我們放置一個(gè)狹縫，由于光波有振動(dòng)方向，它就會(huì)受到狹縫的限制，如果狹縫方向與振動(dòng)方向一致，波就能順利通過狹縫。如果狹縫方向與振動(dòng)方向垂直，波就會(huì)受到阻擋而不能繼續(xù)傳播。如果狹縫方向和振動(dòng)方向有一個(gè)角度，波可以通過狹縫但是光強(qiáng)會(huì)受到削弱。這種振動(dòng)方向和傳播方向的不對(duì)稱就叫做光波的偏振性，而上述的狹縫就是偏振片的原理。

偏振的示意圖，右側(cè)為一個(gè)圓偏振，在經(jīng)過中間的狹縫后，振動(dòng)方向變得跟狹縫一致了

（圖片來源：維基百科）

扭曲向列效應(yīng)正是利用偏振光的這一性質(zhì)，通過扭曲的液晶分子，改變?nèi)肷涔獾钠窠嵌?。那么，這個(gè)效應(yīng)要怎么應(yīng)用到液晶顯示器中，使其成像呢？

在液晶顯示器中本來有兩片偏振片。這兩片膜只能讓固定角度的偏振光通過。當(dāng)我們令這兩片膜互為90°排列時(shí)，任何光都無法通過。但是由于有扭曲液晶層的存在，來自上偏振片的光線穿透下來，通過液晶分子扭轉(zhuǎn)排列的道路后被旋轉(zhuǎn)90°，使得光線恰好可以從下偏振片穿出，形成了完整的傳播途徑。

當(dāng)給液晶層逐漸施加電壓時(shí)，液晶分子會(huì)隨著電壓的改變而逐漸垂直上升，通過的光會(huì)逐漸變?nèi)?。?dāng)電壓最大時(shí)，液晶分子變?yōu)榇怪保饩€全部無法通過下偏光片。

TN顯示技術(shù)原理圖

（圖片來源：方澤國. 面內(nèi)轉(zhuǎn)換(IPS)薄膜晶體管(TFT)液晶材料的研究[D].北京化工大學(xué),2015.）

了解了液晶層是如何透光的，接下來就來看看它的成像過程。液晶層實(shí)際上包含很小的單元格結(jié)構(gòu)，每一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成了屏幕上的一個(gè)像素。通過電路控制不同像素的光強(qiáng)，就形成了單色的圖像。

彩色液晶顯示器與單色顯示器的原理基本相同，只不過它的每個(gè)像素都由三個(gè)液晶單元格組成，每個(gè)單元格前面分別有紅、綠和藍(lán)色濾光片。光經(jīng)過濾光片的處理，利用空間混色法組合出豐富的色彩。

TN液晶顯示器微觀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)像素都是由紅藍(lán)綠三色單元格構(gòu)成的

（圖片來源：維基百科）

這種基于扭曲向列效應(yīng)（TN）的液晶屏幕也就是現(xiàn)在所說的TN屏，它也是LCD中元老級(jí)別的技術(shù)。它的優(yōu)勢就是響應(yīng)時(shí)間短，但是它也有缺點(diǎn)。TN屏的對(duì)比度較低，色彩的還原度較差，可視角度窄，使用者只有在正對(duì)屏幕的情況下才能得到最好的觀看效果。由于TN屏并不能夠提供人們足夠好的使用體驗(yàn)，目前處于一種逐漸退出主流市場的趨勢。

人們根據(jù)不同的液晶排列，對(duì)TN屏進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)明了VA屏（Vertical Alignment）和IPS屏（In-Plane Switching）。

VA屏并沒有利用扭曲向列效應(yīng)令液晶呈現(xiàn)螺旋狀，而是讓液晶分子全部呈垂直方向排列。

初始時(shí)液晶分子垂直于上下基板排列，在液晶盒兩側(cè)貼加相互正交的偏振片。不加電壓時(shí)，透過下偏振片的線偏振光傳播方向與液晶分子長軸方向平行，偏振狀態(tài)不發(fā)生改變，無法通過上偏振片，面板呈暗態(tài)。加電壓時(shí)，液晶分子在電場作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終液晶分子長軸方向?qū)⒀卮怪庇陔妶龇较蚺帕校高^下偏光片的線偏振光將會(huì)在液晶層中產(chǎn)生相位延遲，光的偏振態(tài)發(fā)生改變，直到線偏振光偏振方向在液晶層內(nèi)發(fā)生90°轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)偏振方向與上偏光片透光軸方向平行，面板呈亮態(tài)。

由于VA屏的液晶分子是垂直排列的，因此當(dāng)遇到外界作用時(shí)，屏幕會(huì)出現(xiàn)大幅度的感染，形成如同水波紋的圖案，因此它也被稱為軟屏。VA屏幕相比TN屏可視角度更大了，但是它的旋轉(zhuǎn)角度更大，導(dǎo)致它的響應(yīng)時(shí)間更長，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的殘影。

IPS顯示技術(shù)的原理如下圖所示，電極分布在下基板一側(cè)，液晶分子平行于基板排列并與電極方向成一定夾角，在液晶盒兩側(cè)貼加相互正交的偏振片，下基板偏振片透光方向平行于液晶分子排列方向。不加電壓時(shí)，透過下偏光片的線偏振光平行于液晶分子長軸方向，偏振狀態(tài)不發(fā)生改變，無法通過上偏振片，面板呈暗態(tài)。加電壓時(shí)，液晶分子在電場作用下發(fā)生平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，液晶分子長軸方向與透過下偏振片的線偏振光偏振方向正交，液晶層中發(fā)生雙折射現(xiàn)象，光的偏振態(tài)發(fā)生改變，線偏振光偏振方向在液晶層內(nèi)發(fā)生90°轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)偏振方向與上偏振片透光方向平行，面板呈亮態(tài)。

IPS成像原理圖

（圖片來源：李治福. TFT-LCD廣視角技術(shù)研究[D].復(fù)旦大學(xué),2011.）

與VA屏相比，IPS屏的液晶分子的排列順序?yàn)樗?，因此它能承受較大的壓力，不會(huì)影響到畫面成像，因此IPS又被稱為硬屏。

IPS和VA受到壓力時(shí)的液晶分子狀態(tài)

（圖片來源：李治福. TFT-LCD廣視角技術(shù)研究[D].復(fù)旦大學(xué),2011.）

由于IPS技術(shù)從暗態(tài)到亮態(tài)的變化過程中，液晶分子都是在基板平行的的平面上旋轉(zhuǎn)的，所以從液晶面板的各個(gè)角度觀察，顯示效果都差不多。所以IPS屏可以解決TN屏觀看角度有限的問題，提供給人們更廣的可視角度。

不能自發(fā)光——液晶顯示器光源來源

你可能發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，液晶的光源從哪來呢？
沒錯(cuò)，液晶并不是可以自發(fā)光的顯示器，它要想發(fā)光一定要借助外部光源。

液晶顯示器的光源主要有兩種，一種是類似于教室照明所使用的長條的熒光燈，它們主要分布在顯示器的兩側(cè)或者下端。而另一種則是目前廣泛使用的發(fā)光二極管（LED）光源，市面上常說的LED液晶顯示器就源自于此。因?yàn)長ED非常小，所以用LED做光源可以讓顯示器更薄。

LED屏幕結(jié)構(gòu)（從下到上分別為：LED背光層，散射片，偏振片，ITO基底，液晶層，RGB濾光片，偏振片，玻璃層）

（圖片來源：維基百科）

結(jié)語

其實(shí)基于LED發(fā)光的液晶顯示器并不是萬能的，它的色彩表現(xiàn)能力就不是非常優(yōu)秀。但它由于相對(duì)低廉的價(jià)格，較低的調(diào)制電壓等優(yōu)勢，從80年代誕生至今，持續(xù)活躍于我們的生活中。這么看來，液晶顯示器真可謂是顯示器家族的常青樹了！

編輯：郭雅欣

參考文獻(xiàn)：

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