TFT液晶显示器的工作原理

什么是TFT液晶屏?

A TFT液晶显示器 或薄膜晶体管液晶显示器,是当今发展最快的显示技术形式之一。 薄膜晶体管 (TFT) 是一种用于显示技术的半导体器件,可提高产品的效率、紧凑性和成本。 结合其半导体特性,TFT LCD 是一种有源矩阵显示器,可以单独主动地而不是被动地控制像素,从而进一步发挥了这种半导体器件的优势。

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由于与平板技术相结合,特别是液晶显示器 (LCD), TFT显示器增长 广泛用于显示屏和 LCD 显示器,如计算机显示器和智能手机。 随着这一发展,阴极射线管(也称为 CRT)开始成为过去,因为更轻、体积更小的 LCD 接管了显示器领域。 现代高分辨率和高质量显示器主要在 LCD 中使用 TFT 技术。

 

TFT LCD的结构

TFT LCD 由三个关键层构成。 两个夹层由玻璃基板组成,其中一个包含 TFT,而另一个包含 RGB 或红绿蓝滤色器。 玻璃层之间的层是液晶层。

 

图1: TFT LCD 显示器中使用的不同层和组件的视觉图。

TFT玻璃基板层 是设备电路板的最深或最后层。 它由非晶硅制成,非晶硅是一种具有非晶结构的硅。 然后将该硅沉积在实际的玻璃基板上。 该层中的 TFT 分别与每个子像素配对(参见 TFT 像素的架构 下)从设备的另一个基板层,并控制施加到它们各自的子像素的电压量。 该层还在基板和液晶层之间具有像素电极。 电极是将电流导入或导出某物(在本例中为像素)的导体。

表面是另一个玻璃基板。 在这个玻璃基板的正下方是实际像素和子像素所在的位置,形成了 RGB 滤色器。 为了抵消前面提到的层的电极,该表面层在靠近液晶的一侧具有反向(或公共)电极,用于关闭在两层之间传输的电路。 在这两个基板层中,电极最常由氧化铟锡 (ITO) 制成,因为它们具有透明度并具有良好的导电性能。

玻璃基板的外侧(最靠近表面或最靠近背面)具有称为偏振器的滤光层。 如果这些滤光器以特定方式偏振,则这些滤光器仅允许某些光束通过,这意味着光的几何波适合滤光器。 如果偏振不正确,光线将无法通过偏振器,从而形成不透明的 LCD 屏幕。

在两个衬底层之间是液晶。 总之,液晶分子在运动方面可能表现为液体,但它保持其结构为晶体。 有多种化学式可用于该层。 通常,液晶排列以某种方式定位分子,以诱导通过光波偏振的光的特定行为。 为此,必须使用磁场或电场; 然而,对于显示器而言,对于可用的磁场来说,它对于显示器本身来说太强了,因此使用了功耗非常低且不需要电流的电场。

在对电极之间的晶体施加电场之前,晶体的排列呈 90 度扭曲模式,允许适当的晶体偏振光以显示器的“正常白色”模式穿过表面偏振器。 这种状态是由特意涂有材料的电极引起的,该材料使结构具有这种特定的扭曲方向。

然而,当施加电场时,随着晶体变直,扭曲被打破,也称为重新排列。 通过的光仍然可以通过背偏光片,但是由于晶体层不会将光线偏光通过面偏光片,因此光线不会透射到表面,因此显示不透明。 如果电压降低,只有一些晶体重新排列,允许部分光通过并产生不同的灰度(光的水平)。 这种效应称为扭曲向列效应。

图2: 左边是扭曲的液晶层,偏振光在其中自由通过; 右边是在电场被注入层后,完全重新排列分子方向,使光不偏振,不能通过表面偏振器。

 

扭曲向列效应 是 LCD 技术最便宜的选择之一,它还允许快速的像素响应时间。 不过,仍然有一些限制。 色彩再现质量可能不是很好,视角或观看屏幕的方向更加有限。

通过面内切换给出了这些限制的解决方案 (IPS) 的液晶。 IPS 不是将晶体垂直于电极排列,而是以平行方式排列它们。 然后光在矩阵内更加流线型。 最初存在响应时间慢等问题,但最近这些问题已基本得到解决,使得更好的视角和色彩再现的好处大于故障。 然而,它是一种比扭曲向列器件更昂贵的技术。

图3:顶行描述了使用 IPS 时对齐的性质以及视角质量。 底行显示扭曲向列如何用于对齐晶体以及视角如何受其影响。

穿过设备的光线来自背光,背光可以从显示器的背面或侧面发出光线。 由于 LCD 本身不发光,因此需要使用背光源 液晶模组. 这种光源最常见的形式是发光二极管,也就是人们熟知的 LED。 最近,有机 LED (OLED) 也已投入使用。 通常为白色,如果偏振正确,这种光将通过表面基板层的 RGB 滤色器,显示由 TFT 设备发出信号的颜色。

 

 

TFT LCD驱动

如果你回顾上一篇文章“TFT的进化”下的第一段,“薄膜晶体管显示器的历史,”将有场效应晶体管(FET)的基本解释。 TFT是FET的一种形式,所以也遵循FET的驱动原理。 本质上,如果向 TFT 的栅极施加电压,则可以控制或改变信号电流。 这种电流,称为驱动电压,在基于 TFT 的 LCD 面板上,然后从源极流向漏极,并将信号投射到其子像素,允许光通过。

 

 

TFT 像素的架构

在 LCD 中,每个像素都可以通过其三个子像素来表征。 这三个子像素创建了整个像素的 RGB 着色。 这些子像素充当电容器或设备内的电存储单元,如前所述,每个子像素都有自己独立的结构和功能层。 通过每个像素的三个子像素,基于液晶排列的不同亮度,通过滤光片和偏振片的光可以混合几乎任何类型的颜色。

 

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