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。其中許多顯示技術都隨著時代發(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€大屁股，可能很多人對它印象深刻，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)時間相近，但是明顯更有知名度，使用的也更廣泛。那么平價親民的液晶顯示器，運用了什么技術，又有著什么特點呢？

兼具固體與液體性質——液晶的特殊結構

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。
其實從它的名稱就能看出它的特點來：“液”表示液體，“晶”表示晶體——也就是一種固態(tài)物質，說明液晶同時具有固體和液體的一些性質。

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），大部分物質也都具有這三態(tài)。液態(tài)物質從分子分布上來看是各向同性的，意味著它的物理性質在所有方向上都是一致的，這是分子不斷隨機運動的結果。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。這也導致晶體在不同方向上光的折射率、偏振性質、導熱性和導電性等物理性質往往也不同。

晶體（左）、液晶（中）以及液體（右）的內部分子結構

（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，人們認為固態(tài)、液態(tài)是涇渭分明的，但1888年，植物學家菲德烈·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，打破了這種認知。它具有兩個不同溫度的熔點，在熔融狀態(tài)或被溶劑溶解之后，失去了固態(tài)物質的剛性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態(tài)。由于這類物質獨特的狀態(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發(fā)生流動，因此向列相液晶分子的長軸方向一般都沿著流動方向，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活動，而各層之間可以相互滑動。

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。

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和撓曲電系數(shù)的研究[D].中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2017.）

結構決定性質——液晶的多種效應

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

向列相液晶材料被夾在兩個玻璃基片之間，就好像一塊三明治。玻璃表面有十分精細的平行溝槽，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。兩個溝槽如果呈現(xiàn)十字交錯，則上下玻璃之間的液晶會分層均勻扭曲。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，像螺旋型般均勻扭曲，這樣的分子排列可以對光線的偏振方向造成影響。

扭曲向列效應示意圖

（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，你看到的繩子的運動狀態(tài)就是橫波。橫波的特點是質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直，電磁波就是典型的橫波。而縱波的質點振動方向與傳播方向平行，地震波就屬于縱波。

橫波示意圖，我們平時見到的水波就是橫波，它會上下起伏，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方向一致，物質內部是靠疏-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）構成，并且光的振動方向始終在x-z平面內，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）

這兩個不同方向的振動矢量相互疊加，從x-z平面望去，就像是一個質點在做著有規(guī)律的運動，根據(jù)振動的振幅和相位不同，它的運動可以是呈現(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，紅色和藍色表示兩個不同方向的振動，黑色表示真實的質點的運動狀態(tài)

（圖片來源：維基百科）

假如我們放置一個狹縫，由于光波有振動方向，它就會受到狹縫的限制，如果狹縫方向與振動方向一致，波就能順利通過狹縫。如果狹縫方向與振動方向垂直，波就會受到阻擋而不能繼續(xù)傳播。如果狹縫方向和振動方向有一個角度，波可以通過狹縫但是光強會受到削弱。這種振動方向和傳播方向的不對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，右側為一個圓偏振，在經(jīng)過中間的狹縫后，振動方向變得跟狹縫一致了

（圖片來源：維基百科）

扭曲向列效應正是利用偏振光的這一性質，通過扭曲的液晶分子，改變入射光的偏振角度。那么，這個效應要怎么應用到液晶顯示器中，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。當我們令這兩片膜互為90°排列時，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，通過液晶分子扭轉排列的道路后被旋轉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。

當給液晶層逐漸施加電壓時，液晶分子會隨著電壓的改變而逐漸垂直上升，通過的光會逐漸變弱。當電壓最大時，液晶分子變?yōu)榇怪?，光線全部無法通過下偏光片。

TN顯示技術原理圖

（圖片來源：方澤國. 面內轉換(IPS)薄膜晶體管(TFT)液晶材料的研究[D].北京化工大學,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。液晶層實際上包含很小的單元格結構，每一個或多個單元格構成了屏幕上的一個像素。通過電路控制不同像素的光強，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，只不過它的每個像素都由三個液晶單元格組成，每個單元格前面分別有紅、綠和藍色濾光片。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液晶顯示器微觀結構，每一個像素都是由紅藍綠三色單元格構成的

（圖片來源：維基百科）

這種基于扭曲向列效應（TN）的液晶屏幕也就是現(xiàn)在所說的TN屏，它也是LCD中元老級別的技術。它的優(yōu)勢就是響應時間短，但是它也有缺點。TN屏的對比度較低，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，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TN屏進行了優(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。

初始時液晶分子垂直于上下基板排列，在液晶盒兩側貼加相互正交的偏振片。不加電壓時，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，液晶分子在電場作用下發(fā)生旋轉，最終液晶分子長軸方向將沿垂直于電場方向排列，透過下偏光片的線偏振光將會在液晶層中產(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發(fā)生90°轉動，此時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，因此當遇到外界作用時，屏幕會出現(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，但是它的旋轉角度更大，導致它的響應時間更長，會產(chǎn)生嚴重的殘影。

IPS顯示技術的原理如下圖所示，電極分布在下基板一側，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，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，液晶分子在電場作用下發(fā)生平面內轉動，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發(fā)生90°轉動，此時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廣視角技術研究[D].復旦大學,2011.）

與VA屏相比，IPS屏的液晶分子的排列順序為水平，因此它能承受較大的壓力，不會影響到畫面成像，因此IPS又被稱為硬屏。

IPS和VA受到壓力時的液晶分子狀態(tài)

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

由于IPS技術從暗態(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的，所以從液晶面板的各個角度觀察，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)了一個問題，液晶的光源從哪來呢？
沒錯，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。因為LED非常小，所以用LED做光源可以讓顯示器更薄。

LED屏幕結構（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）

結語

其實基于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。但它由于相對低廉的價格，較低的調制電壓等優(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：

[1] Iam-choon Khoo. Liquid Crystals. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995

[2] S.Brugioni, R.Meucci. Self-phase modulation in a nematic liquid crystal film induced by lowpower CO2 laser. Opt.Commu. 2002,206,445

[3] https://www.zhihu.com/question/22465979

[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823

[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box

[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma

[7] https://www.sony.com.cn/

[8] https://www.samsung.com/cn/

[9] https://www.eizo.com.cn/

[10]鄭桂麗. 向列相液晶撓曲電效應和撓曲電系數(shù)的研究[D].中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2017.

[11]李治福. TFT-LCD廣視角技術研究[D].復旦大學,2011.

[12]黃曉麗. 液晶顯示器中色偏移和Gamma偏移的研究[D].河北工業(yè)大學,2021.DOI:10.27105/d.cnki.ghbgu.2021.000464.

[13]方澤國. 面內轉換(IPS)薄膜晶體管(TFT)液晶材料的研究[D].北京化工大學,2015.

[14] Polarized Light and Optical Systems By Russell Chipman, Wai Sze Tiffany Lam, Garam Young