液晶显示屏的工作原理

几乎可以肯定你是在显示屏上读这篇博文。这个显示屏很可能由数百万像素组成，而每个像素可以显示大约一百万种颜色。

平板显示屏在过去 20 年里取得了令人惊叹的巨大发展 — 如今市场上销售的几乎所有显示屏都依托于液晶显示屏 (LCD) 或有机发光二极管 (OLED) 技术，液晶显示屏占据了全球绝大部分显示屏产能。

液晶显示屏已经以各种形式存在了数十年。这类显示屏由两部分组成：为每个像素提供连接和电极的底板，以及前面板 — 即液晶元件本身。

前面板 — 液晶元件

虽然实现液晶显示屏功能的液晶元件在设计和操作方面有很多变化，但其基本原理都是基于液晶根据受到的电压发生光线偏转的能力。这意味着光线偏振的方向会发生变化，例如水平偏振的光线通过液晶后可能出现垂直偏振。液晶元件可与偏振片一起使用，从而产生显示效果。

偏振片是一种塑料薄膜，用于阻挡特定偏振的光线，其应用范围非常广泛，如太阳镜、显示屏和多种光学元件。如果把两个相同的偏振片重叠在一起，并将其中一个偏振片旋转 90 度，那就没有光通过这对偏振片了，因为一个偏振片会阻挡垂直偏振的光线，而另一个偏振片会阻挡水平偏振的光线。但是，如果把液晶元件放在这两个交叉的偏振片之间，就可以让光线偏转通过第一个偏振片，这样光线也能通过第二个偏振片。这就好像安装了一个能够选择性打开和关闭不同区域（例如计算器显示屏上的分段或电视屏上的像素）的电光开关。

液晶显示屏从“被动式矩阵”到“主动式矩阵”的过渡

像素化的液晶显示屏已经诞生了很多年。我还记得上世纪 90 年代出现的早期智能手机，比如 1998 年推出的诺基亚 5110。这款手机的液晶显示屏包含“惊人”的 4032 个单色像素（84 像素 x 48 像素），没有灰度级 — 它们要么处于开启状态，要么处于关闭状态。这类显示屏就是所谓的“被动式矩阵”液晶显示屏，由于只有寥寥几行像素，因此无需晶体管来驱动显示。少量只显示黑白色（没有灰度）的像素意味着显示屏不仅可以实现视频速率，还能最大限度减少串扰。

当然，通过提高分辨率（即让像素变得更小）和实现颜色和灰度级来提高显示性能并非易事。这意味着像素数量要成千上万地增加，如今每个显示屏上动辄就是数百万像素，并且每个像素都可以控制到数百个灰度级。为了精确和独立地控制如此繁多的像素，就需要使用晶体管。因此，“被动式矩阵”很快就转变为“主动式矩阵”，每个像素都由相应的晶体管电路主动控制。

底板 — 薄膜晶体管

虽然可以根据显示屏的具体类型使用不同的晶体管电路，但最常见的电路是只用一个晶体管来控制各个像素，这就像是一个像素的光开关，或者更准确地说，就像是一个调光开关。每个晶体管可在视频单帧持续时间内将其对应的像素设置为特定的亮度。因此，晶体管有两个功能：根据视频速率控制数百万像素，以及避免像素之间的串扰（避免一个像素“扰乱”相邻像素的状态）。

从玻璃液晶显示屏到塑料液晶显示屏

显示屏使用的晶体管历来多由硅材料制成，而硅材料加工过程中产生的高温是使用玻璃制造显示屏的关键原因之一。

FlexEnable 公司已经研发出一种由有机聚合物制成的晶体管，这种晶体管可以在更低的温度下加工，并且天生具有柔性特征。该晶体管的功能与其替代的硅晶体管完全相同，但由于其制造温度较低 (100°C)，因而可以直接装在塑料薄膜上，不仅具备相同的性能，而且还能灵活调整显示屏的贴合度和形状。我们将这类显示屏称为有机液晶显示屏 (OLCD)。

有机液晶显示屏与玻璃液晶显示屏的结构别无二致，但具有更薄、更轻和防碎的优点。它们的工作原理与玻璃液晶显示屏相同，并且采用相同的技术和设备制造。随着液晶显示屏成为当今的主流技术，有机液晶显示屏将成为显示屏制造商和终端用户企业从平板显示屏转向新型显示屏形状和设计的理性之选。