對(duì)于nematic這個(gè)詞匯的真實(shí)含義，大家可能并不真正理解，解釋一下：向列相液晶在顯微鏡下能夠看到棒狀分子被絲狀物連接起來(圖3)，英文之所以借用希臘語nematic，是因?yàn)檫@個(gè)詞在希臘語中有“線”或“絲線”的意思。向列相液晶雖然分子位置雜亂，但方向大體一致，中文里用“向列”來命名也是有道理的。 　　采用有源矩陣，消除等待時(shí)間
　　液晶面板的像素以矩陣式的結(jié)構(gòu)被組織起來，矩陣式結(jié)構(gòu)分為“無源”和“有源”兩種驅(qū)動(dòng)方式，它們的差別在于：有源矩陣(Active Matrix，簡(jiǎn)稱AM)中每個(gè)液晶單元的亮度由一只薄膜晶體管控制，而無源矩陣(Passive Matrix，簡(jiǎn)稱PM)中沒有晶體管，外部引線直接連接到液晶單元的電極上。
　　在TN型、STN型、CSTN型等無源矩陣中，同一行或者同一列的顯示單元共用一個(gè)電極。由于每個(gè)行(列)都有許多的像素，信號(hào)經(jīng)過這些像素進(jìn)行傳遞，位于同一行(列)的液晶盒像多米諾骨牌那樣逐個(gè)反轉(zhuǎn)，而為了讓屏幕顯示一致，后面液晶盒勢(shì)必需要較長的等待時(shí)間，才能有信號(hào)過來，這樣勢(shì)必造成整體速度放慢。
　　被動(dòng)矩陣LCD的響應(yīng)時(shí)間為100～250ms。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間為200ms時(shí)，最多只能支持每秒5幀的幀頻，否則圖像質(zhì)量會(huì)很低。我國電視節(jié)目采用的PAL制式為隔行掃描方式，幀頻為每秒25幀，對(duì)應(yīng)的全程響應(yīng)時(shí)間(注意：不是ISO所定義的上升時(shí)間！)為1/25=0.04s，即40ms。被動(dòng)矩陣顯然不能滿足觀看視頻節(jié)目的需要。

圖4 主動(dòng)矩陣與被動(dòng)矩陣 　　而以TFT為代表的有源矩陣LCD，雖然制造工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，卻可以大大提高響應(yīng)速度。TFT屏幕由縱橫交錯(cuò)的TN型液晶與薄膜晶體管組成，每個(gè)TN液晶盒可被獨(dú)立控制，由于每個(gè)液晶盒由一只晶體管控制，所以每個(gè)液晶盒可以分別被選中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮或熄滅的目的。TFT LCD液晶盒類似于DRAM的存儲(chǔ)單元，只是每個(gè)液晶單元的透光度是連續(xù)可變的，并非“0”和“1”兩種狀態(tài)。也就是說，RAM是數(shù)字的，而LCD是模擬的。要使液晶盒在“透光/阻光”兩種狀態(tài)之間切換，需施加/撤除約-5V到 20V的電壓，電壓大小決定了透光度的高低。所施加的電壓還給電容充電，這樣在電壓撤出以后，由電容繼續(xù)給液晶盒供電，讓顯示的內(nèi)容記憶下來。有了這種記憶能力，地址線和數(shù)據(jù)線就可以騰出手來對(duì)其他的液晶盒進(jìn)行充電了。因?yàn)闊o需等待一個(gè)液晶盒顯示過程結(jié)束，就能開始對(duì)其他液晶盒進(jìn)行充電操作，所以可以迅速完成整個(gè)屏幕的刷新工作。
　　由于每個(gè)像素不分先后地受到平等對(duì)待，消除了像素之間相互“拖后腿”現(xiàn)象。所以，TFT這種有源矩陣被稱為主動(dòng)矩陣(Active Matrix，AM)，而無源矩陣則相應(yīng)地被稱做被動(dòng)矩陣(Passive Matrix，PM)。主動(dòng)矩陣液晶顯示器雖然造價(jià)高(比被動(dòng)矩陣高60％左右)，但因響應(yīng)速度快，而且響應(yīng)時(shí)間與屏幕尺寸和分辨率無關(guān)，適應(yīng)了對(duì)不斷擴(kuò)大的屏幕的要求，也為未來高清晰度電視的普及鋪平了道路。目前所有的液晶顯示器和液晶電視的顯示屏均采用主動(dòng)矩陣結(jié)構(gòu)。

　　常規(guī)技術(shù)，已無能為力
　　石墨與金剛石都是由碳分子構(gòu)成，卻因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)差異而表現(xiàn)出迥異的性能。同樣，在以液晶作為顯示介質(zhì)的顯示器件中，由于結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，響應(yīng)時(shí)間也會(huì)有所不同。這就是科學(xué)上“結(jié)構(gòu)決定性能，性能反應(yīng)結(jié)構(gòu)”的規(guī)律。
　　1.降低粘滯系數(shù)，步履維艱
　　業(yè)界通常使用“彈性連續(xù)體理論”來解釋液晶顯示的原理，該理論忽略單個(gè)液晶分子的行為，而是把它看成一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)。在外加電磁場(chǎng)作用下，彈性液晶體會(huì)發(fā)生展曲、扭曲和彎曲三種形式的的彈性形變，外力撤除后依靠彈性勢(shì)能恢復(fù)到施加外力前的狀態(tài)，其光學(xué)特性的改變正是液晶體形狀改變的結(jié)果。
　　撇開液晶的光學(xué)性質(zhì)不談，僅就其力學(xué)性能來說，雖然它具有液體的流動(dòng)性，但也具有高分子材料所具有的高粘滯性，且粘滯系數(shù)與分子量大小密切相關(guān)：分子量越大，粘滯系數(shù)通常也越升高。而作為液晶材料的內(nèi)在特性，粘滯特性的改善對(duì)縮短響應(yīng)時(shí)間的貢獻(xiàn)率當(dāng)然也是最大的。雖然上升過程主要依靠電場(chǎng)強(qiáng)度及產(chǎn)生的推力決定，下降過程主要取決于配向膜施加給液晶的扭曲力，但液晶的粘滯系數(shù)大小對(duì)兩個(gè)過程中液晶翻轉(zhuǎn)的速度都起作用。
　　不過，想獲得低黏滯系數(shù)的液晶材料是非常困難的事情，因?yàn)橐壕э@示器的響應(yīng)時(shí)間并不是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。在物理層面上，它與液晶的清亮點(diǎn)、透光度，甚至漏電流等物理參數(shù)之間都存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系；從性能表現(xiàn)來看，它又與畫面質(zhì)量和色彩表現(xiàn)力密切相關(guān)。此外，還有成本與市場(chǎng)方面的因素等等，這些都要求設(shè)計(jì)師綜合考慮，不可能單純地考慮響應(yīng)時(shí)間而忽視其他因素。

圖5 清亮點(diǎn) 　　俗話說：江山易改，本性難移。在TN、STN液晶顯業(yè)中一度廣泛使用的端基為氰基的液晶材料，如含氰基的聯(lián)苯類、苯基環(huán)己烷類液晶，但因氰基液晶材料易于引入離子性雜質(zhì)，電壓保持率低，不能滿足TFT LCD的要求。從TFT LCD的需求來看，除了要求在20℃時(shí)粘度應(yīng)小于35mPa·s以外，還需要具有高電壓保持率(一般要求電阻率至少大于1012Ω·cm)和較低的閾值電壓，以達(dá)到低電壓驅(qū)動(dòng)、降低功耗的目的。
　　由于各參數(shù)之間往往相互聯(lián)系又相互制約，對(duì)液晶材料性能要求越多，開發(fā)新型液晶分子的難度也越大。為了獲得低黏度系數(shù)的液晶材料，必須弄清液晶化合物的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，并且通過性能-結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，去指導(dǎo)具有特殊性能的液晶分子的合成。譬如，酯鍵具有較高的清亮點(diǎn)和高黏滯系數(shù)；乙撐橋鍵具有較低的清亮點(diǎn)和黏滯系數(shù)；醚類橋鍵具有較低的清亮點(diǎn)，但黏滯系數(shù)較高。
　　通過上面的介紹我們可以看出，單一液晶化合物已難以滿足高性能LCD的要求，所以目前研究人員需要同時(shí)在兩條戰(zhàn)線上作戰(zhàn)：一條戰(zhàn)線去合成新的化合物，另一條戰(zhàn)線將不同的液晶單體進(jìn)行合理混配，以彌補(bǔ)單一化合物的不足。
　　液晶材料的清亮點(diǎn) 　　清亮點(diǎn)是液晶材料從混濁液體變?yōu)榍辶烈后w(即液晶體)的臨界溫度(圖5)。換句話說，液晶材料只有在高于清亮點(diǎn)的溫度時(shí)，才會(huì)進(jìn)入到液晶相，才具有顯示圖像的能力。根據(jù)清亮點(diǎn)的高低，液晶材料可分為常溫型液晶和寬溫型液晶。 　　2.液晶層變薄，權(quán)宜之計(jì)
　　減少LCD厚度，也是縮短響應(yīng)時(shí)間的一個(gè)有效措施。厚度降下來以后，需要翻轉(zhuǎn)的液晶量減少，在同樣的力量作用下速度就會(huì)比較快。來自ViewSonic的數(shù)據(jù)表明，厚度降低30％，響應(yīng)速度會(huì)提升50％。

圖6 縮小液晶層厚度，加速液晶翻轉(zhuǎn) 　　不過，厚度的降低也會(huì)帶來一些負(fù)面影響：液晶層厚度太薄，不僅色彩暗淡，而且會(huì)縮小可視角度；此外，還會(huì)增加制造難度，壞點(diǎn)增加成品率降低，制造成本提高。所以，通過減少厚度來縮短響應(yīng)時(shí)間的手段非常有限，特別在大屏幕液晶電視的制造中是謹(jǐn)慎采用的。
　　矯枉過正，overdrive技術(shù)受青睞 　　如果說前面的技術(shù)都是在屏幕上做文章，那么，在屏幕方面缺乏更為有效的提速手段時(shí)，研究人員自然就將注意力轉(zhuǎn)移到控制信號(hào)的優(yōu)化上來。
　　2001年末，ExtremeTech網(wǎng)上出現(xiàn)了這樣一條消息：NEC研究團(tuán)隊(duì)在研究平板電視時(shí)，提出了這樣一個(gè)主意：既然使用1V的驅(qū)動(dòng)電壓需要20ms，為什么不可以將驅(qū)動(dòng)電壓提高到2V，而獲得10ms的響應(yīng)時(shí)間呢？在接下來的研究中，NEC取得了成功，響應(yīng)時(shí)間不是被縮短了1倍，而是接近10倍—從55ms縮短到6ms。
　　NEC看似簡(jiǎn)單的一個(gè)發(fā)現(xiàn)，孵化出炙手可熱的RTC(Response Time Compensation，響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償)技術(shù)，引發(fā)了LCD響應(yīng)時(shí)間的革命。RTC技術(shù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的殺傷力，出乎許多人的意料。
　　RTC為何如此有效呢？欲知其中奧秘，還得從頭談起。我們知道，LCD是靠液晶的扭曲改變液晶層的透光度來顯示信息的，而扭曲度的變化是靠外力來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)外力要克服液晶固有的彈力，外力與彈力之差稱為轉(zhuǎn)矩(Torque)。下面的表達(dá)式描述了轉(zhuǎn)矩T的理論值計(jì)算方法公式:
　　T =1／2 (εparallel -εperpendicular)εo E2 sin(2θ)
　　其中，εparallel為液晶在平行方向的介電系數(shù)，εperpendicular為液晶在正交方向上的介電系數(shù)，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，θ為液晶扭轉(zhuǎn)角。

　　從上面的表達(dá)式可以看出，轉(zhuǎn)矩T的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度E的平方成正比，電場(chǎng)強(qiáng)度越高，扭轉(zhuǎn)角度越大。另一方面，轉(zhuǎn)矩大小直接決定了液晶分子的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式F=ma，質(zhì)量m相同時(shí)，受力F越大，加速度a就越高。因此，施加在液晶盒兩端的電壓不僅可以決定液晶分子的偏轉(zhuǎn)角度，而且還可以對(duì)轉(zhuǎn)換速度產(chǎn)生很大影響。
　　RTC正是基于上述觀點(diǎn)的一個(gè)技術(shù)措施，其基本原理是：將來自顯卡的視頻信號(hào)加入了過沖電壓，然后去驅(qū)動(dòng)液晶單元。可見，RTC技術(shù)體現(xiàn)了“矯枉過正”的思想，這種思想說起來也并不新鮮，自動(dòng)控制系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，也慣用這種技術(shù)方案。
　　可見RTC原理并不復(fù)雜，實(shí)施起來也很簡(jiǎn)單：只要在PCB上集成一只加速芯片，用很低的成本就能將一塊響應(yīng)時(shí)間為16ms的面板升級(jí)到4ms。所以，這項(xiàng)技術(shù)一面世，立即受到液晶顯示器和電視機(jī)廠商的追捧。臺(tái)灣鈺瀚公司見機(jī)而動(dòng)，及時(shí)推出Overdrive系列液晶加速芯片供應(yīng)市場(chǎng)，優(yōu)派、明基等液晶顯示器大廠以及眾多液晶電視制造商均使用了他們的Overdrive芯片。
　　那么，過沖電壓的幅值為多少才合適呢？每個(gè)制造商給出的數(shù)值可能不太一樣，過沖電壓值及持續(xù)時(shí)間等參數(shù)均可根據(jù)情況在可編程加速芯片中設(shè)定。優(yōu)派的數(shù)據(jù)是：正常驅(qū)動(dòng)電壓值比過沖峰值電壓低60％。事實(shí)上，視頻信號(hào)千變?nèi)f化，液晶電容在不同扭轉(zhuǎn)角度會(huì)有不同數(shù)值，欲達(dá)到隨機(jī)性的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，既提高響應(yīng)速度，又不損失圖像質(zhì)量，不過，目前這種粗曠型的時(shí)間補(bǔ)償技術(shù)還做不到。

圖8 RTC技術(shù)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響 　　事物總是有兩面性，Overdrive技術(shù)在縮短上升時(shí)間的同時(shí)，也帶來了負(fù)面影響：過沖電壓將增加液晶返回難度，導(dǎo)致下降時(shí)間和灰階響應(yīng)時(shí)間延長；過度補(bǔ)償將導(dǎo)致圖像嚴(yán)重失真；過沖電壓是否會(huì)縮短液晶壽命，也還有待證實(shí)。由此看來，Overdrive技術(shù)雖然對(duì)縮短響應(yīng)時(shí)間起到過積極作用，但也絕非包治百病的靈丹妙藥。
　　TFT LCD面臨的困境
　　以TFT為核心的主動(dòng)矩陣技術(shù)，對(duì)提升液晶響應(yīng)速度做出了巨大貢獻(xiàn)，但隨著響應(yīng)速度的進(jìn)一步提升，TFT又將成為自我束縛的韁繩。
　　CRT顯示器只要利用熒光的余輝就可以實(shí)現(xiàn)光的短暫停留，但液晶顯示器就不行了，它沒有這種記憶能力。從理論上說，TFT的作用僅相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，讓背光源的光線通過還是不通過。但是，我們從液晶顯示器顯示單元的剖面結(jié)構(gòu)圖來看，在上下兩層玻璃間夾持液晶，便會(huì)成為一個(gè)平板電容器，這就是液晶盒的分布電容ClC(Capacitor of liquid crystal)。ClC僅為0.1pF，TFT充好這個(gè)電容后，它無法將電壓保持到下一次TFT再對(duì)此點(diǎn)充電時(shí)。這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會(huì)不正確。因此一般在面板的設(shè)計(jì)上，會(huì)再加一個(gè)存儲(chǔ)電容Cs(storage Capacitor，約為0.5pF)，以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面。
　　存儲(chǔ)電容使TFT LCD具備了必要的記憶力，與此同時(shí)也帶來負(fù)面影響。一方面，由于電容兩端的電壓不能突變，這一特性會(huì)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度衰減，陡度下降，信號(hào)畸變，畫質(zhì)降低；另一方面，電容的存在使頻率響應(yīng)惡化：信號(hào)幅度會(huì)隨信號(hào)頻率的升高而降低。要彌補(bǔ)信號(hào)強(qiáng)度的損失，又需要加大驅(qū)動(dòng)電流。譬如，驅(qū)動(dòng)頻率由32Hz提高到200Hz時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流就需相應(yīng)增加5～10倍。隨著分辨率的提高和響應(yīng)時(shí)間的縮短，TFT將因電流增加而產(chǎn)生更多熱量。

圖9 液晶面板中的電容 　　為了克服因縮短響應(yīng)時(shí)間而給TFT帶來的高功耗問題， TFT半導(dǎo)體材料先后于上個(gè)世紀(jì)90年代初和90年代末分別實(shí)現(xiàn)了從無定型的非晶硅(a-Si)向多晶硅(p-Si)的轉(zhuǎn)變，以及從多晶硅向低溫多晶硅的兩次轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的非晶硅材料的電子遷移率在0.5cm2／Ｖｓ以內(nèi)，而多晶硅的電子遷移率可達(dá)200cm2／Ｖｓ。對(duì)于相同響應(yīng)時(shí)間的液晶面板，使用多晶硅替代非晶硅，不僅可以縮短響應(yīng)時(shí)間，還可將功耗減少10％左右。
　　未來之路還漫長
　　百米賽跑的世界紀(jì)錄，想縮短0.01秒都是非常的困難，因?yàn)檫@已接近人的生理極限。同樣道理，對(duì)生性笨拙的液晶顯示介質(zhì)來說，要繼續(xù)向前邁進(jìn)的技術(shù)難度也將會(huì)很大。可以預(yù)見，未來幾年內(nèi)主要還是要通過對(duì)RTC技術(shù)的完善，將響應(yīng)時(shí)間從毫秒階段推進(jìn)到微秒階段。此后，欲進(jìn)一步縮短響應(yīng)時(shí)間，研究人員將不得不從以改進(jìn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為主要手段的“電子戰(zhàn)場(chǎng)”，重新回到以尋找低黏滯系數(shù)液晶材料的“分子戰(zhàn)場(chǎng)”上來。
　　前面曾經(jīng)談到，響應(yīng)時(shí)間并非一個(gè)獨(dú)立參數(shù)，它與清亮點(diǎn)、透光度、TFT電流之間都有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。幾年前發(fā)現(xiàn)的一種近晶相的鐵電液晶分子，具有固有偶極矩，響應(yīng)速度大約比向列相液晶快3個(gè)數(shù)量級(jí)，這似乎讓我們看到了一線曙光。但是，因?yàn)殍F電液晶分子因制備技術(shù)要求很高，短期內(nèi)尚無應(yīng)用可能。
　　當(dāng)然，人類的智慧是無窮的。雖然LCD響應(yīng)時(shí)間要獲得更大的進(jìn)步可能步履維艱，但并非完全沒有希望。誰敢保證那些天才研究人員的腦袋里不會(huì)突然出現(xiàn)驚人的點(diǎn)子呢？

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