液晶显示屏

液晶显示屏（英文名：Liquid Crystal Display，简称LCD），采用液晶控制透光度技术来实现色彩的显示设备。具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点，已成为各种嵌入式系统常用的理想显示器，并主要用于电视、显示器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等领域。

1888年奥地利植物学家莱尼采尔的（F.Reinitcer）在合成许多胆甾醇酣中，观察到这些物质在加热熔融过程中，刚熔时呈不透明状，进一步加热后混浊完全消失，成为各向同性液体。1889年德国物理学家莱曼（O.Lehmann）亦观察到同样的现象，他在偏光显微镜下，观察到乳白液体的双折射现象。他认为这是一种具有流动性的晶体，顾名思义，这种在机械上具有液体的流动性，在光学上具有晶体性质的物质形态被命名为流体晶体-液晶（LiquidCrystal），莱曼做了大量的研究工作，经过25年，至1915年他完成了四本著作。

物理学家奥托·雷曼

此后，研究活动暂时消声匿迹，直到20世纪20年代后半期至30年代前半期，出现了从量子力学观点研究液晶的动向，从而使研究活动再次盛行起来。1933年英国召开有关液晶会议，论文发表于法拉第学会汇刊（Transaction ofFaraday Soci-ety），由于当时尚无科学上或实用上的价值，同时以布朗克的量子力学为基础的固体物理，特别是半导体的研究相当盛行，从而使许多研究人员转移了方向，使研究工作再度冷落，直到1957年美国肯特（Kent）大学的G.H.Brown等整理了从1888年到1956年70年间，近500篇有关液晶方面的资料，于1957年发表在化学评论（Chemical Review）上，引起了科学界的强烈关注。1963年发表胆甾相液晶独特的温度灵敏性的专利，指出随温度变化而改变其颜色，可作温度计或温度记录之用。1965年8月，美国Kent州立大学召开xxx届国际液晶会议，全文刊登在1966年创刊的《分子品体》（Molecular Crystals）上。1967年美国RCA无线电公司的R.Williams发表动态散射专利，此后取得了工业上的应用，使液晶成为物理、化学、电子学、生物的一门边缘科学而广泛发展。

1968年美国RCA公司的G.Heilmeier博士发现了液晶的动态散射，标志着人类社会进入了液晶显示的时代。但动态散射是电流效应，功耗太大，不适于实用化。1971年M.Schadt和W.Helfrich发明了扭曲向列相模式，即 TN-LCD，它奠定了液晶显示屏产业化的基础。20世纪60年代末以后，欧美和印度的科学家竞相研究液晶。当时法国巴黎南大学固体物理实验室由P.G.de Gennes教授领导的Orsay研究组成为了全球液晶基础研究的中心。de Gennes教授及其同事将凝聚态理论应用到液晶上，取得了巨大的成功。1972年日本的S.Kobayashixxx次制成无缺陷的LCD屏，日本夏普和爱普生公司迅速将其实现产业化，广泛用于计算器、电子手表、时钟、测试设备和游戏机，开始了液晶显示屏大规模生产的工业化时代。与此同时，1972年T.P.Brody提出有源矩阵方式并发明了有源矩阵薄膜晶体管，为日后发展TFT-LCD指明了方向。

20世纪70年代初，液晶之父夏普制造了世界上xxx台液晶显示设备，但由于是单色显示，很难普及到电视上来，尽管在20世纪80年代超扭曲向列液晶显示屏出现，同时薄膜晶体管液晶显示屏技术被研发出来，但液晶技术仍未成熟，难以普及。1985年东芝公司推出全球xxx台笔记本电脑时，液晶显示屏立即与笔记本电脑融为一体，但那时的液晶显示屏色彩单一，亮度很低，用户所能看到是没有色度的黑白显示屏。直到20世纪80年代末，日本掌握了STN-LCD及TFT-LCD生产技术，液晶电视开始高速发展，STN的出现首次让LCD出现了色彩，主要应用于一些显示屏尺寸较大要求不高的产品中。

东芝推出的全球xxx台笔记本

1991年开始，业界推出了笔记本电脑使用的大尺寸彩色LCD事业渐兴形成了xxx波应用。日本作为xxx个发展液晶显示的国家，从20世纪80年代起，就在液晶显示产业中占据了xxx的xxx地位。从TN-LCD到STN-LCD，再到TFT-LCD，日本几乎垄断了整个液晶显示产业链，包括材料、设备、检测、面板、模组和整机等各个环节。在20世纪90年代中期以前的二十多年里，日本的市场份额超过了95%，被誉为“液晶王国”。20世纪90代初，韩国开始涉足液晶显示产业，特别是TFT-LCD领域。1995年，韩国建立了xxx条（第2代线）生产线。随后，韩国三星和LG等企业在技术和管理上的不断努力，使其在全球液晶显示产业中的地位逐渐提升。到了1998年和1999年，三星和LG相继超过日本夏普，分别成为全球液晶显示市场的xxx和第二大供应商。进入21世纪后，韩国企业继续加大投资，建设更大规模的生产线。2001年和2002年，LG和三星分别建立了5代线，基板玻璃尺寸大幅扩大，几乎是4.5代线的一倍。由此，液晶显示进入了韩国xxx的时代。在日本长期垄断液晶显示产业后，韩国企业的崛起打破了这一格局。与此同时，日本也开始意识到技术的外溢和转移对于产业发展的重要性。因此，在1997年，六家日本公司分别向六家中国台湾公司输出了六条3代线或3.5代线生产线，这是当时世界上最先进的生产线。这一举措使得中国中国台湾地区迅速跨入了世界液晶显示产业的先进行列。2005年左右xxx跟进，世界四大生产基地竞争的格局逐步形成。

2000年以前台式PC用xxx器是CRT显示的势力范围，CRT的价格优势对其他产品而言进入门槛很高。但在笔记本电脑用LCD后，越来越多的用户体验到LCD的魅力，并且随着LCD生产规模的扩大、技术的成熟，成本也随之下降，1993年之后日本LCD大厂纷纷扩大产能，使1995年下半年生产量大于市场需求，价格大幅滑落50%。LCD与CRT价格差距显著缩小，导致CRTxxx器逐渐被LCD取代，LCDxxx器1998年突破100万台，2000年超过1000万台，2005年达到6000万台，销售值则从1999年的37亿美元提升到2005年的200亿美元。

LCD液晶

随着LCD技术发展渐趋成熟其价格性能比不断接近CRT，自从跨入新世纪之后LCD电视开始进入电视市场，2002年LCD电视即突破百万台，2005年大幅增长到3500万台，2010年超过1.1亿片，成为LCD发展的第三波大潮。但2010年，中国8.5代线的量产对市场进行普及后，市场成长动力减弱。同年4月，松下在姬路市的工厂生产LCD，并于10月组建了PLD。2012年，JDI成立，JDI由政府背景的投资基金INCJ（产业革新机构）整合了索尼、东芝和日立三大厂商的LCD屏幕部门而成。2015年4月20日，京东方科技集团抛出两条高世代面板线计划，其中合肥10.5代线的立项使其将拥有全球最高面板世代线；同年4月24日，华星光电也宣布其8.5代TFT-LCD生产线二期项目提前50天实现量产，一期项目和二期项目加起来，构成全球xxx的也是效率最高的8.5代生产线。

LCD显示屏

2020年LGD、三星显示相继传来停止LCD面板生产消息，转而重点投入OLED 产线。在两大韩国面板厂此举动下，OLED将取代LCD呼声愈发剧烈。2021年12月，TCL华星和信利纷纷新建中小尺寸LTPS LCD产线，进一步拓展中国在中小尺寸液晶面板的优势。2022年，韩国面板巨头三星和LGD先后宣布正式停产LCD面板的决定，将重心转向OLED（有机发光二极管）面板。在韩国、日本巨头相继停产LCD的背景下，产能进一步向中国面板厂集中。2023年，全球十家大尺寸LCD面板厂只剩八家；xxxLCD面板厂的出货量在全球市场的占有率突破七成。

按液晶显示屏的使用和显示内容来分，LCD可分为字段式（笔划式）、点阵字符式和点阵图形式3种。

字段式液晶显示屏与LED数码显示器有些相同，它是以长条笔划状或一些特殊固定图形与汉字显示像素组成的液晶显示屏件，简称段型显示器。段型显示器以7段显示器为常见，特殊图形与字符类的段型液晶显示屏一般要到生产厂家定做。段型液晶显示屏在数字仪表、计数器、家电产品中应用较多。

点阵字符式液晶显示屏一般是一个功能模块，它由小面积的液晶显示屏和驱动电路组合而成。模块中内置有192种字符、数字、字母、标点符号等可显示的字型点阵图形库，并提供可控制的并行或串行接口以及通信协议。市场上常见的有1行、2行、4行，每行可显示8、12、16、24、32个5x7点阵字符的通用液晶显示屏。

点阵图形式液晶显示屏一般显示面积大于点阵式液晶显示屏，点阵从80x32到1024x768不等。点阵图形式液晶显示屏的显示灵活性好，自由度大，可以显示各种图形、字符、汉字等。但点阵图形式液晶显示屏的控制最复杂，硬件连线多，占用MCU的资源也多。为了适应越来越多的液晶显示屏的应用，一些高性能的单片机已经将液晶显示屏驱动功能集成在片内。中国国内一些厂商将驱动电路、汉字库和点阵液晶显示屏屏做成一个组件模块，模块带有与MCU通信的并行或串行接口，使用时，只要MCU通过通信口下发相应的控制指令，就能显示各种信息，使用方便。

常见的LCD按物理结构分为四种：扭曲向列型（TwistedNemaTIc，TN）、超扭曲向列型（Super TN，STN）、双层超扭曲向列型（Dual Scan Tortuosity Nomograph，DSTN）、薄膜晶体管型（Thin Film Transistor，TFT）。TN-LCD、STN-LCD 和 DSYN-LCD 的基本显示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已而 TFT-LCD 则采用与 TN系列 LCD 截然不同的显示方式。

该材料的液晶具有可视角较小、温度范围较窄的特点，适用于有字符型、数字型、段码式要求的行业应用。它们的命名方式主要以字符和行数来形容。

STN-LCD彩屏模块的内部结构，它的上部是一块由偏光片、玻璃、液晶组成的 LCD屏，其下是2~8颗白光LED和背光板，还包括LCD的驱动IC和给LCD驱动IC提供稳定电压的低压差稳压源（LDO）给白光LED驱动的升压稳压IC。

双层超扭曲向列型（DSTN型）是在STN型基础上发展而来，通过双扫方式扫描扭曲向列型液晶显示屏。DSTN型的显示面板结构比TN型与STN型复杂，显示画质也更为细腻。

TFT（Thin Film Transistor）是指薄膜晶体管，意为每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以高速度、高亮度、高对比度地显示屏幕信息。TFT-LCD是xxx的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。该材料的可视角相比IN要大，而且温度范围也宽一些，是市面上比较通用的一种材料，根据其功能需更进一步开发的还有DSTN、FSTN 等规格，可实现单色或伪彩色的不同需要。采用主要命名方式是图形、点阵式液晶，如点阵128×64~640×200单色或彩色液晶，以上两种液晶可广泛应用于医疗、仪器设备、航空、科研、工业等领域。

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示屏）是常用的显示图文显示器件。从宏观上看LCD由很多像素构成，一个像素就是一个显像点。横向和纵向的若干像素点排列成一块完整的屏幕。在单色液晶显示屏中，一个液晶就是一个像素，而在彩色液晶显示屏中每个像素由红绿蓝三个液晶共同构成。当不同像素点有规律地呈现不同颜色时，屏幕上就出现了相应的图像。彩色液晶屏的像素点通过RGB三原色不同分量的混合显示不同颜色。每个像素点都包含红、绿、蓝三个微小色块，这些微小色块叫子像素。三个子像素各自参与显示的权重不同，像素就呈现出不同的颜色。LCD内含的液晶（即液态晶体，LiquidCrystal）具有独特的光学性质，光线会沿着液晶的品体方向传播，所以液品会扭曲光线的传波方向。而液晶的品体方向可以通过变化的电场去改变，通过控制液晶两端施加的电压大小，使其发生特定程度的扭曲，从而间接控制光线的传播方向而获得特定形状的图案。

LCD结构图

LCD的原始光源是背光源（back-light），背光源为白光。白光在通过工CD内部各构件的过程中，通过信号控制（选择像素点和调节电压），最终呈现出特定的颜色和图案。LCD的基本构造是在两片平行的玻璃基板当中按输入到输出的方向先后放置背光模组、偏光片、TFT（薄膜晶体管）、液晶、彩色滤光片、偏光片，如图4-32所示。光线从背光模组发出，从左往右发出。背光模组发的白光通过偏光片时，部分与偏光片偏振方向相应的光能通过。在光线通过液晶之前，TFT阵列（即薄膜晶体管）已经根据用户的要求选择了特定位置的液晶分子并通过改变电压改变了它们的转动方向。光线通过各个液晶时先改变其传播方向（已经隐含有用户想显示的图案信息），然后通过彩色滤光片获得相应的三原色色彩信息，最后通过偏光片有选择性地射出（无法射出的部分即为黑色），呈现给用户特定的颜色和图案。

TFT-LCD阵列基板的整体基本布局

每个像素都有一个8位的寄存器，寄存器的值决定着三个子像素各自的亮度。不过寄存器的值并不直接驱动三个子像素的亮度，而是通过一个调色板来访问。为每个像素都配备一个物理的寄存器是不现实的，实际上只为一行像素配备足够多的寄存器。这些寄存器作为整体被轮流地连接到每一行上并装入该行的内容。将所有的像素行都被驱动一遍就意味着显示了一个完整的画面（Frame）。

LCD结构图

LCD屏幕的原理是利用液品的特性来处理显示的效果。液晶是一种呈液体状的物质，它是一种几乎完全透明的物质，同时呈现固体与液体的某些特征。液晶从形状和外观看上去都是一种液体，但它的水晶式分子结构又表现出固体的形态。像磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列;如对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿透;光线穿透液晶的路径可由构成它的分子排列来决定，这又是固体的一种特征。当通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过;不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为substrates，中间夹着一层液晶。当光東通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。液晶屏幕显示器上具有一大堆的液晶物质数组，每一个图像像素就用一个液晶单元表示。当一个像素需要改变显示状态时就对这一个液晶单元施以电压，它就会于背光所发射穿透液晶单元的光线进行显示角度的改变，从而控制所显示的光线明暗。

LCD工作原理

LCD屏幕的结构包括背光板、偏光板、液晶阵列以及彩色滤光膜等，工作时，先由背光板作为光源产生器发出光线。光线通过偏光板后，光线的一部分会由其方向性而被过滤掉，剩余通过xxx块偏光板的光线会经过液晶阵列，液晶阵列会依照所给予的不同电压将内部的液晶结构改变。光线会依照这些改变后的液晶结构而改变方向，剩余能够通过液晶阵列的光线经过彩色滤光膜后，会显示出所给予的三原色色彩。最后一块的偏光板作用在于与xxx块偏光板成90°垂直，若是将这两块偏光板直接叠起来，所有照射在这两块偏光板的光线都会挡下来，但是在这两块偏光板中间的光线经过液晶数组的光线角度改变后原来该挡下来的直行光线会因为角度的改变而通过第二块偏光板，这样就可以将所不需要显示的光线很好地挡下来，不会显示在液晶屏幕上。

像素是组成图像的最基本单元要素，显示器的像素指它成像最小的点。

一些嵌入式设备的显示器常常以“行像素值x列像素值”表示屏幕的分辨率。如分辨率800x480表示该显示器的每一行有800个像素点，每一列有480个像素点，也可理解为有800列，480行。

色彩深度指显示器的每个像素点能表示多少种颜色，一般用“位”（B）来表示。如单色屏的每个像素点能表示亮或灭两种状态（即实际上能显示2种颜色），用1个数据位就可以表示像素点的所有状态，所以它的色彩深度为1B，其他常见的显示屏色彩深度为16 B.24 B。

显示器的大小一般以英寸（1英寸=2.54cm）表示，如5英寸、21英寸、24英寸等这个长度是指屏幕对角线的长度，通过显示器的对角线长度及长宽比可确定显示器的实际长宽尺寸。

点距指两个相邻像素点之间的距离，它会影响画质的细腻度及观看距离，相同尺寸的屏幕，若分辨率越高，则点距越小，画质越细腻。如现在有些手机的屏幕分辨率比电脑显示器的还大，这是手机屏幕点距小的原因:LED点阵显示屏的点距一般都比较大，所以适合远距离观看。

液品屏中的每个像素点都是数据，在实际应用中需要把每个像素点的数据缓存起来，再传输给液品屏，这种存储显示数据的存储器称为显存。显存一般至少要能存储液品屏的一帧显示数据，如分辨率为800像素x480像素的液晶屏，使用RGB888格式显示，它的一显示的数据大小为3x800x480=1152000字节:若使用RGB565格式，一显示的数据大小为2x800x480=768000字节。

• 低压、微功耗

液晶显示屏的工作电压可低至2~3V，工作电流只有几微安，即功耗只有10~10W/cm，这是任何别的显示器件做不到的。液晶的低压、微功耗正好与大规模集成电路的发展相适应，使电子手表、计算器、手提电脑、GPS电子地图成为可能。

• 平板结构

液晶显示屏的基本结构是两片导电玻璃中间灌有液品的薄形盒，结构十分简单，轻而薄，只有儿毫米厚。由于液晶本身电阻率很高，接近为绝缘体，在矩阵寻址工作方式下对液品层用不着做任何处理，只要在电极上光刻出相应图形即可，所以开口率高;此外显示面积做大、做小都较容易;而且便于自动化大量生产，生产成本低。

• 被动显示型

液品本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来显示。在自然界中，人类所获得的视觉信息中90%以上是靠外部物体的反射光，而并非靠物体本身的发光，所以被动显示更适合人眼视觉，不容易产生眼部疲劳。被动显示有一个明显优点，即外光越强，显示内容越清晰，克服了主动显示存在的“光冲刷”现象。

• 显示信息量大

在液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施或预留隔离区，所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素，有利于制成高清晰度电视。

• 易于彩色化

液晶一般为无色，所以采用滤色膜很容易实现彩色。液晶所能显示的彩色可与CRT显示器相媲美。而在其他显示器中，彩色化往往十分困难，有时甚至是致命的问题。

• 长寿命

目前实用的LCD都是电场控制型，工作电压低、电流很小，只要液晶的配套件不损坏，液晶几乎不会劣化，寿命很长。

• 无辐射、无污染

CRT显示中有X射线辐射危险，PDP显示中有高频电磁辐射可能，而液晶显示中不会出现这类问题，所以长时间工作在液晶显示屏前，对人体健康无害。

• 显示视角小

大部分LCD的工作原理是依靠液晶分子的各向异性，即对不同方向的入射光的反射率或折射率是不同的，所以视角较小，只有30°~40°。随着视角的变大，对比度迅速变坏，甚至会发生对比度反转现象。虽然已开发出一系列新工艺，可以xxx改善液晶显示的视角，但都会使制造成本显著增加。

• 响应速度慢

液晶显示大多是依靠外加电场作用下液晶分子的排列发生变化实现的，所以响应速度受材料的黏滞性影响很大，一般为100~200ms，因此LCD在显示快速移动的画面时质量不好。为了适应液晶电视的需要，主要就是在减薄液晶层厚度和电路上想办法。

• 工作温度范围不够

一般液品的工作温度为-10-+70℃。低温工作时，液晶显示屏件的响应速度急剧下降而无法显示，所以液晶显示屏件不适用于高寒地区使用;而高温会破坏液晶的定向层，造成不可恢复的损坏，所以液晶显示屏件也不适用于高热地区使用。

• 无外光的情况下需要加背光源

由于液品自身不发光，在无外光的情况下必须加背光源才可以工作。但是给LCD加背光源，其功耗小的优点就大打折扣;而且背光源的寿命远没有液品寿命长，从而xxx降低了LCD的工作寿命。

随着OLED及新兴显示技术面板的快速发展，LCD面板大尺寸类别市场出现衰退。同时，中国厂商占据LCD的主力市场，对其他外资厂商形成了挤压。行业主流的观点认为LCD依然是面板行业的一个主流。根据洛图科技数据，2022年，全球显示面板市场出货总面积约为2.4亿平方米，其中，LCD面板的出货面积为93%，占xxx优势，OLED面板仅为6.8%。在电视领域，2022年LCD出货面积占比高达96%，占xxx主导。OLED受限于自身高成本、低良率等因素，加上差价巨大，仅用于众多电视品牌的少量机型，销量有限。在显示器领域，2022年，全球LCD显示器出货面积为2655万平方米，占比高达99.8%，OLED显示器占比仅为0.2%。至少未来3年，显示器的主要演变方向将以Mini LED背光的LCD显示器为主，而非OLED。而在笔记本和平板电脑领域，2022年，全球LCD面板在整体出货面积的占比达97%，OLED出货面积占比仅3%左右。性价比不足，是OLED渗透率增长缓慢的主要原因。OLED对LCD形成较大威胁和替代的是中小尺寸面板的手机领域，基于柔性、色彩、对比度等方面优势，全球手机的旗舰机型基本都用上了OLED屏幕，苹果手机仅剩SE系列还在用LCD屏幕。