[科普中国]-液晶显示器

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

起源LCD（ Liquid Crystal Display），对于许多的用户而言可能是一个并不算新鲜的名词了，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想像。早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化，从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。2

世界上第一台液晶显示设备出现20世纪70年代初，被称之为TN-LCD（扭曲向列）液晶显示器。尽管是单色显示，它仍被推广到了电子表、计算器等领域。2

基本结构液晶面板液晶面板包括偏振膜、玻璃基板、黑色矩阵、彩色滤光片、保护膜、普通电极、校准层、液晶层(液晶、间隔、密封剂)、电容、显示电极、棱镜层、散光层。3

偏振膜又称偏光片(Polarizer)，偏光片分为上偏光片和下偏光片，上下两偏光片的偏振功能相互垂直，其作用就像是栅栏一般，按照要求阻隔光波分量，例如阻隔掉与偏光片栅栏垂直的光波分量，而只准许与栅栏平行的光波分量通过。3

玻璃基板(Glass Substrate)在液晶显示器中可分为上基板和下基板，其主要作用在于两基板之间的间隔空间夹持液晶材料。玻璃基板的材料一般采用机械性能优良、耐热与耐化学腐蚀的无碱硼硅玻璃。对于TFT-LCD而言，一层玻璃基板分布有TFT，另一层玻璃基板则沉积彩色滤光片。3

黑色矩阵(Black Matrix)借助于高度遮光性能的材料，用以分隔彩色滤光片中红、绿、蓝三原色(防止色混淆)、防止漏光，从而有利于提高各个色块的对比度。此外，在TFT-LCD中，黑色矩阵还能遮掩内部电极走线或者薄膜晶体管。3

彩色滤光片(Color Filter)又称滤色膜，其作用是产生红、绿、蓝3种基色光，实现液晶显示器的全彩色显示。3

取向膜(Alignment Layer)又称配向膜或定向层，其作用是让液晶分子能够在微观尺寸的层面上实现均匀的排列和取向。3

透明电极(Transparent Electrode)分为公共电极与像素电极，输入信号电压就是加载在像素电极与公共电极两电极之间。透明电极通常是在玻璃基板上沉积氧化铟锡(ITO)材料构成透明导电层。3

液晶材料(Liquid Crystal Material)在LCD中起到一种类似光阀的作用，可以控制透射光的明暗，从而取得信息显示的效果。3

驱动IC其实就是一套集成电路芯片装置，用来对透明电极上电位信号的相位、峰值、频率等进行调整与控制，建立起驱动电场，最终实现液晶的信息显示。3

在液晶面板中，有源矩阵液晶显示屏是在两块玻璃基板之间封入扭曲向列(TN)型液晶材料构成的。其中，接近显示屏的上玻璃基板沉积有红、绿、蓝(RGB)三色彩色滤光片(或称彩色滤色膜)、黑色矩阵和公共透明电极。下玻璃基板(距离显示屏较远的基板)，则安装有薄膜晶体管(TFT)器件、透明像素电极、存储电容、栅线、信号线等。两玻璃基板内侧制备取向膜(或称取向层)，使液晶分子定向排列。两玻璃基板之间灌注液晶材料，散布衬垫(Spacer)，以保证间隙的均匀性。四周借助于封框胶黏结，起到密封作用；借助于点银胶工艺使上下两玻璃基板公共电极连接。3

上下两玻璃基板的外侧，分别贴有偏光片(或称偏光膜)。当像素透明电极与公共透明电极之间加上电压时，液晶分子的排列状态会发生改变。此时，入射光透过液晶的强度也随之发生变化。液晶显示器正是根据液晶材料的旋光性，再配合上电场的控制，便能实现信息显示。3

背光模组LCD产品是一种非主动发光电子器件，本身并不具有发光特性，必须依赖背光模组中光源的发射才能获得显示性能，因此LCD的亮度要由其背光模组来决定。由此可见，背光模组的性能好坏直接影响到液晶面板的显示品质。3

背光模组包括照明光源、反射板、导光板、扩散片、增亮膜(棱镜片)及框架等。LCD采用的背光模组主要可分为侧光式背光模组和直射式背光模组两大类。手机、笔记本电脑与监视器(15英寸)主要采用侧光式背光模组，而液晶电视大多采用直射式背光模组光源。背光模组光源，主要以冷阴极荧光灯(Cold CathodeFluorescent Lamp，CCFL)和发光二极管(LED)光源为LCD的背光源。3

反射板(Reflector Sheet)又称反射罩，主要作用是将光源发出的光线完全送入导光板，尽可能地减少无益的耗损。3

导光板(Light Guide Plate)主要作用是将侧面光源发出的光线导向面板的正面。3

棱镜片(Prism Film)又称增亮膜(Brightness Enhancement Film)，主要作用是将各散射光线通过该膜片层的折射和全反射，集中于一定的角度再从背光源发射出去，起到屏幕增亮的显示效果。3

扩散片(Diffuser)主要作用是把背光模组的侧光式光线修正为均匀的面光源，以达到光学扩散的效果。扩散片有上扩散片与下扩散片之分。上扩散片，处于棱镜片与液晶组件之间，更接近于显示面板。而下扩散片处于导光板与棱镜片之间，更接近于背光源。3

工作原理LCD是一种采用液晶为材料的显示器。液晶是一类介于固态和液态问的有机化合物，在常温条件下，呈现出既有液体的流动性，又有晶体的光学各向异性，加热会变成透明液态，冷却后会变成结晶的混浊固态。3

在电场作用下，液晶分子会发生排列上的变化，从而影响入射光束透过液晶产生强度上的变化，这种光强度的变化，进一步通过偏光片的作用表现为明暗的变化。据此，通过对液晶电场的控制可以实现光线的明暗变化，从而达到信息显示的目的。因此，液晶材料的作用类似于一个个小的“光阀”。3

由于在液晶材料周边存在控制电路和驱动电路。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会发生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射(液晶材料的旋光性)，再经过第二层偏光片的过滤而显示在屏幕上。

值得指出的是，液晶材料因为本身并不发光，所以LCD通常都需要为显示面板配置额外的光源，主要光源系统称之为“背光模组”，其中，背光板是由荧光物质组成，可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背光源。3

单色显示LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。当液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，改变光透过率，从而实现多灰阶显示。3

LCD通常由两个相互垂直的偏光片构成。偏光片的作用就像是栅栏一般，按照要求阻隔光波分量。例如阻隔掉与偏光片栅栏垂直的光波分量，而只准许与栅栏平行的光波分量通过。自然光线是朝四面八方随机发散的。两个相互垂直的偏光片，在正常情况下应该阻断所有试图穿透的自然光线。但是，由于两个偏光片之问充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个偏光片后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个偏光片中穿出。3

彩色显示对于笔记本电脑或者桌面型的LCD，需要采用更加复杂的彩色显示器。3

就彩色LCD而言，还需要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层，即所谓的“彩色滤光片(Color Filter)”，又称“滤色膜”。在彩色LCD面板中，每一个像素通常都是由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色(RGB)的三色滤光片。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。3

彩色滤光片与黑色矩阵和公共透明电极一般都沉积在显示屏的前玻璃基板上。彩色LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑斓的画面。3

动态影像显示人类视觉器官(眼睛)对动态影像的感知存在所谓“视觉残留”的现象，即高速运动的画面在人脑中会形成短暂的印象。早期的动画片、电影，一直到当下最新的游戏节目正是应用了“视觉残留”的原理，让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示，便形成动态的影像。3

当多幅影像产生的速度超过24帧/s，人的眼睛会感觉到连续的画面。这也是电影每秒24帧播放速度的由来。如果显示速度低于这一标准，人就会明显感到画面的停顿和不适。按照这一指标计算，每张画面显示的时间需要小于40ms。快速活动画面高清晰显示，一般影像的运动速度超过60帧/s。这就是说，活动画面每帧的间隔时间为16.67ms。3

如果液晶的响应时间大于画面每帧的间隔时间，人们在观看快速运动的影像时，就会感觉到画面有些模糊。响应时间是LCD的一个特殊指标。LCD的响应时间指的是显示器各像素点对输入信号反应的速度，就是液晶由“暗转亮”或由“亮转暗”的反应时间。此值是越小越好，足够快的响应时间才能保证画面的连贯。如果响应时间太长了，就有可能使LCD在显示动态图像时，有尾影拖曳的感觉。LCD一般的响应时间在2～5ms。3

TFT驱动所谓TFT是指液晶面板玻璃基片上的晶体管阵列，让LCD每个像素都设有自身的一个半导体开关。每个像素都可以通过点脉冲控制两片玻璃基板之间的液晶，即通过有源开关来实现对各个像素“点对点”的独立精确控制。因此，像素的每一个节点都是相对独立的，并且可以进行连续控制。3

TFT型LCD主要由玻璃基板、 栅极、 漏极、 源极、 半导体活性层(a-Si)等组成。4

TFT阵列一般与透明像素电极、存储电容、栅线、信号线等，共同沉积在显示屏的后玻璃基板(距离显示屏较远的基板)上。这样一种晶体管阵列的配制，有助于提高液晶显示屏的反应速度，而且还可以控制显示灰度，从而保证LCD的影像色彩更为逼真、画面品质更为赏心悦目。因此，大多数的LCD、液晶电视及部分手机均采用TFT实施驱动，无论是采用窄视角扭曲向列(TN)模式的中小尺寸LCD，还是采用宽视角的平行排列(IPS)等模式的大尺寸液晶电视(LCD-TV)，它们通称为“TFT—LCD”。3

IPSIPS屏幕（In-Plane Switching，平面转换）技术是日立公司于2001推出的液晶面板技术，俗称“Super TFT”。IPS屏幕就是基于TFT的一种技术，其实质还是TFT屏幕。IPS是通过使分子在各方向表观长度相同来解决视角问题。5

IPS硬屏之所以具有清晰超稳的动态显示效果，取决于其创新性的水平转换分子排列，改变了VA软屏垂直的分子排列，因而具有更加坚固稳定的液晶结构。并非表面意义上的，硬屏就是在液晶面板上加上一层硬的保护膜，为了避免液晶屏幕受外界硬物的戳伤。5

SLCDS- LCD 面板就是 PVA 面板，三星主推的 PVA 模式广视角技术，S- LCD 面板采用PVA 技术，该技术采用透明的 ITO 电极层，因此其更高的开口率可获得优于 MVA 的亮度输出；PVA 技术还具有 500:1 的高对比能力以及高达 70%的原色显示能力。6

技术参数亮度液晶显示器的最大亮度，通常由背光源来决定，技术上可以达到高亮度，但是这并不代表亮度值越高越好，因为太高亮度的显示器有可能使观看者眼睛受伤。 LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。7

分辨率分辨率是指单位面积显示像素的数量。液晶显示器的物理分辨率是固定不变的，对于CRT显示器而言，只要调整电子束的偏转电压，就可以改变不同的分辨率。但是在液晶显示器里面实现起来就复杂得多了，必须要通过运算来模拟出显示效果，实际上的分辨率是没有改变的。由于并不是所有的像素同时放大，这就存在着缩放误差。当液晶显示器使用在非标准分辨率时，文本显示效果就会变差，文字的边缘就会被虚化。7

色彩度LCD重要的当然是的色彩表现度。我们知道自然界的任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。例如分辨率1024×768的LCD面板上是由1024×768个像素点组成显像的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示器，每个基本色(R、G、B)达到6位，即64种表现度，那么每个独立的像素就有64×64×64=262144种色彩。也有不少厂商使用了所谓的FRC(Frame Rate Control)技术以仿真的方式来表现出全彩的画面，也就是每个基本色(R、G、B)能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达256×256×256=16777216种色彩了。7

对比度对比度是定义最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。LCD制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关。7

响应时间响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间,通常是以毫秒为单位。此值当然是越小越好。如果响应时间太长了，就有可能使液晶显示器在显示动态图像时，有尾影拖曳的感觉。7

可视角度液晶显示器的可视角度左右对称，而上下则不一定对称。举个例子，当背光源的入射光通过偏光板、液晶及取向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。假如从一个非常斜的角度观看一个全白的画面，我们可能会看到黑色或是色彩失真。一般来说，上下角度要小于或等于左右角度。如果可视角度为左右80度，表示在始于屏幕法线80度的位置时可以清晰地看见屏幕图像。但是，由于人的视力范围不同，如果没有站在最佳的可视角度内，所看到的颜色和亮度将会有误差。7

可视面积液晶显示器所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围一致。例如，一个15.1英寸的液晶显示器约等于17英寸CRT屏幕的可视范围。7

优缺点优点液晶显示器的主要原理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，它具有以下四个特点：8

（1）机身薄，节省空间，与比较笨重的CRT显示器相比，液晶显示器只要前者三分之一的空间；8

（2）省电，不产生高温，它属于低耗电产品，相比CRT显示器可以做到完全不发烫；8

（3）无辐射，有利于身体健康，液晶显示器完全无辐射；8

（4）画面柔和不伤眼，不同于CRT技术，液晶显示器画面不会闪烁，可以减少显示器对眼睛的伤害，眼睛不容易疲劳。8

缺点（1）可视偏转角度小；

（2）容易产生影像拖尾现象(例如鼠标指针快速晃动)，这是由于普通液晶屏多为60Hz(每秒显示60帧)，不过这个问题主要出现在液晶显示器刚流行时的游戏中（即“画面撕裂”）；

（3）液晶显示器的亮度和对比度不是很好；

（4）液晶“坏点”问题；

（5）寿命有限；9

（6）当分辨率低于显示器的默认分辨率时，画面模糊会非常明显；

（7）当分辨率大于显示器的默认分辨率时（需要软件强制设定），细节处的色彩会丢失。10

保养常识安全清洁如果显示器屏幕面板上有灰尘，要在专业维修人员的建议下进行操作，个人不要随便找块抹布、或者比较粗糙的东西去擦，因为由于个人操作的不当很容易损坏液晶屏，正确的擦拭方法应该选取比较清洁柔软的布去擦拭，这样就不会对显示器屏幕面板造成伤害。在擦拭过程中，不要把水或清洁剂直接喷到屏幕上，可以在软布上蘸上少许专用清洁剂，轻轻地擦拭屏幕，这就避免了清洁剂流到屏幕里造成短路。擦拭显示器屏幕面板时注意用力要轻，更不要用硬物去碰刮面板等，一定不要让任何液体进入显示器边界的缝隙里，因液体不慎进入缝隙而造成显示器损坏的例子比比皆是。11

建议在清理时，电源、数据线物理分离20分钟后，平放显示器（避免液体因重力流入缝隙），擦屏布稍稍润湿后，轻轻擦拭时注意边界处，千万不要将清洁剂或水直接喷到屏幕上（避免形成液体而流入缝隙）。当液体挥发干净后，稍后即可使用。11

避免进水千万不要让任何带有水分的东西进入液晶显示器。当然，一旦发生这种情况也不要惊慌失措，如果在开机前发现只是屏幕表面有雾气，用软布轻轻擦掉就可以了，如果水分已经进入液晶显示器，那就把液晶显示器放在通风干燥的地方，将里面的水分逐渐蒸发掉，如果发生屏幕“泛潮”的情况较严重时，普通用户还是打电话请服务商帮助为好，因为较严重的潮气会损害液晶显示器的元器件，会导致液晶电极腐蚀，造成永久性的损害。另外，平时也要尽量避免在潮湿的环境中使用LCD显示器。11

避免碰伤LCD显示器比较脆弱，平时使用时应当注意不要被其他器件“碰伤”。在使用清洁剂的时候也要注意，不要把清洁剂直接喷到屏幕上，它有可能流到屏幕里造成短路，正确的做法是用软布粘上清洁剂轻轻地擦拭屏幕，记住，液晶显示器抗“撞击”的能力是很小的，许多晶体和灵敏的电器元件在遭受撞击时会被损坏，所以请匆碰撞尖锐物品。11

时间工作液晶显示器的像素是由许许多多的液晶体构成的，过长时间的连续使用，会使晶体老化或烧坏，损害一旦发生，就是永久性的、不可修复的。一般来说，不要使液晶显示器长时间处于开机状态(连续72小时以上)，如果在不用的时候，关掉显示器。11

液晶显示器超负荷工作主要包括以下几点：

（1）长时间工作；

（2）高亮度；

（3）不注意关闭电源；

（4）长时间地连续显示一种固定的内容。11

保护措施：

（1）让液晶显示器显示一种全白的屏幕内容；

（2）将液晶显示器的显示屏亮度减小到比较暗的水平；

（3）经常以不同的时间间隔改变液晶显示器屏幕上的显示内容；

（4）没事的时候请关掉显示器。11

空气要求一般湿度保持在30%～80%之间，显示器都能正常工作，但一旦室内湿度高于80%后，显示器内部就会产生结露现象。其内部的电源变压器和其他线圈受潮后也易产生漏电，甚至有可能造成连线短路。因此，LCD显示器必须注意防潮，长时间不用的显示器，可以定期通电工作一段时间，让显示器工作时产生的热量将机内的潮气驱赶出去。11

故障与维修白屏白屏是由于背光正常，屏没正确接收到主板送过来的信号而引起的，这说明高压部分是好的，白屏是因为液晶屏上部的T-CON板停止工作，或者工作异常。可能由驱动板上给液晶屏T-CON板供电（电压一般为5V，少数液晶屏使用12V或3.3V供电）的回路的相关故障引起或显示器主板控制主芯片和MCU特性不良或损坏。市场上都有已经写进各种型号MCU程序的芯片发售，只要将原先主控板上的芯片取下，更换已经刷好程序的新芯片，这种故障均可解决。8

黑屏在实际的维修过程中，以黑屏的情况居多，黑屏又分电源灯闪、长亮或灭三种。8

（1）液晶显示器电源灯闪电源灯闪在维修过程中多属于高压板后级开关管短路，当液晶驱动板发出开启高压板的控制电压后，升压电路开始工作，但是某一或一对开关管对地短路，拉低主供电，导致液晶驱动板供电也随着拉低，当液晶板供电不正常后，也就随即撤销了对高压板的开启信号，电源板电压输出又回复正常，因此，反反复复，电源灯就一亮一灭了，更换相应故障的元件故障应能解决。8

（2）液晶显示器电源灯长亮电源灯长亮可以确定电源部分是正常的，主要是高压逆变电路末级或者供电级元件发热量大，长期工作造成虚焊所致；该电路最容易出故障的是升压线圈，一般是接触不良的问题，应重点检查该电路。8

（3）液晶显示器电源灯不亮电源灯不亮应重点检查电源部分，主要应该检测12V、5V电压正常否，电源灯不亮12V、5V电压应该是没有输出，重点应检查开关管是否热稳定性不佳，或基极虚焊，电容是否有鼓包现象，另外脉宽调制的单片开关电源，所用到的脉宽调制集成控制器一般有SG6841、UC3842、UC3843也是故障率较高的元件。8

背光灯故障除上述故障现象外，液晶显示器背光灯故障也是常有的，主要表现为老化和彻底损坏，即不发光。背光灯老化后可以看到图像发黄，调节色温及白平衡都不能很好解决，同时屏亮度调节到最大也难以达到使用要求，这就提示你，该换灯了。8

单灯管结构的显示器损坏后，开机在日光下斜视屏幕，可以看见暗淡的图文显示。新型多灯管显示器损坏某个灯管后表现为图像亮度不均匀，比如上方暗淡一些，那就是上方的灯管损坏了，用手摸显示屏灯管位置，通过温度对比也可以判断灯管是否损坏，正常的显示屏灯管位置温度应该是一致的。但由于新型显示器大都有高压平衡保护电路，所以一只灯管损坏后表现的往往并不是亮度不均衡，而是显示器不能开机或开机后黑屏，这要根据具体的显示器电路来区别了。8

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学