1.1.2 LCD技术的发展
LCD分为无源矩阵（Passive Matrix，PM）驱动方式和有源矩阵（Active Matrix，AM）驱动方式。最早的LCD属于PM型LCD。目前，三端子有源矩阵驱动的TFT-LCD主宰了LCD应用领域。TFT-LCD的发展经历了漫长的基础研究阶段，TFT-LCD产品以其轻薄、环保、高性能等优点，应用越来越广。
1.PM型LCD的发展
自1888年奥地利植物学家F.Reinitzer（莱尼茨尔）发现液晶，并在1889年被德国物理学家O.Lehmann（莱曼）通过实验验证开始，在近一百年的时间里，液晶一直没有被很好地利用。直到1968年，才有美国RCA公司的G.H.Heilmeier（海尔梅尔）发明了基于动态散射（Dynamic Scattering，DS）模式的LCD装置。一般，把1888年称为液晶元年，把1968年称为LCD元年。两个元年之间漫长的80年称为液晶材料性能与应用的研究时期。
DS-LCD的出现，标志着LCD技术进入了实用化阶段。初期，用直流电压驱动DS液晶，液晶材料及电极会发生氧化还原反应而变质，导致严重的可靠性问题，使用不到1小时，显示就会消失。1971年和1972年，美国的Optel公司和Microma公司用简单的交流驱动DS液晶，先后推出数字式电子手表。但是，推出的产品仍然不能获得良好的显示性能，不能长时间使用，而且还存在驱动电压高、响应速度慢等问题。后来，夏普公司通过在液晶材料中加入离子性杂质来增大液晶的导电率，再用交流驱动，获得了良好的显示特性。1973年，夏普公司采用DS-LCD量产了小型计算器EL-805。这一年称为LCD产业化的元年。由于DS-LCD的产品存在驱动电压高、电流大、对比度低、响应速度慢、液晶易分解、寿命短等问题，很快就被淘汰了。导致这种技术昙花一现的症结是电流效应的电光特性。
1971年，M.Schadt等发明的扭曲向列相（Twisted Nematic，TN）液晶显示模式解决了这个问题。与DS-LCD用电流驱动不同，TN-LCD改用电压驱动，几乎没有电流流过液晶，因此耐久性显著提高，功率损耗也低。TN液晶起到光阀的作用，通过施加不同的电压来控制液晶分子的转动量，从而控制LCD的出光量。这种工作原理一直沿用至今。其中的问题是液晶调节的是偏振光而不是自然光，所以需要采用偏光片把自然光转为线偏振光，光源利用效率不到50%。TN-LCD是最常见的一种液晶显示器件，液晶分子的长轴在上下玻璃基板之间被连续扭曲90°，具体的工作原理可以参考后面章节的介绍。早期的TN-LCD属于PM型LCD，在点阵显示方式下交叉效应严重，加上电光特性曲线平缓、响应速度慢、阈值效应不明显等问题，一般只用于静态或低阶的动态段式显示。1973年，精工集团采用TN-LCD，成功推出实用化的数字式电子手表。
从TN-LCD开始，实用化的LCD技术基本上都采用了电压效应的电光特性，并使用偏光片。TN模式的点阵显示，扫描线数量可以做得比DS模式多，但当扫描线增加到60条左右时，图像就会发生变形。TN-LCD扫描线的最大数量取决于液晶V-T（电压-透光率）曲线的上升沿。为此，英国皇家信号与雷达研究院（RSRE）于1982年发明了超扭曲向列相（Super Twisted Nematic，STN）液晶，将液晶的扭曲角从TN模式下的90°增大到270°。1984年，T.Scheffer等发明了类似STN的超扭曲双折射效应（Super-twisted Birefringent Effect，SBE）液晶。STN-LCD在液晶中掺入了一定比例的手性旋光材料，使液晶分子扭曲成180°～270°，电光特性曲线变陡。电光特性曲线变陡，可以实现更多路的动态显示。增大信息量的同时，提升了画质。STN-LCD在早期的笔记本电脑、手机、高档仪表、电子翻译机等领域获得广泛应用。
从DS到STN的短短20年左右时间，LCD技术得到了快速发展。除了常用的TN和STN外，还产生了其他众多的液晶显示模式。表1-1罗列了这些液晶显示模式的相关信息。
表1-1 液晶显示模式概览
典型的PM驱动LCD结构示意图如图1-3所示。扫描（行）电极和数据（列）电极分别位于上下两块玻璃基板上，中间隔着一层液晶，通过同时选通一行扫描电极和一列数据电极，确定交叉位置上的像素工作状态。这种PM驱动结构下的每个像素作为一个电容，当一个像素被选通时，上下左右相连的像素都处于半选通状态。这种干扰的存在，使得PM型LCD很难满足对多路、视频运动图像的显示要求。这个瓶颈的存在，催生了AM型LCD的快速发展。
图1-3 典型的PM驱动LCD结构示意图
2.AM型LCD的发展
AM型LCD是在每个像素上都设计一个非线性的有源器件，使每个像素都可以被独立控制，从而消除PM型LCD的“交叉效应”。AM型LCD常用的有源器件种类分为二端子方式和三端子方式，二端子方式以金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）二极管为主，三端子方式以薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）为主。
早期的TN和STN等PM驱动技术存在对比度较低、难以显示细微灰阶等问题。通过TFT开关控制各像素的AM驱动技术可以独立控制各像素，防止周围像素的影响而产生的交调失真，可以显示高对比度与细微灰阶。TFT-LCD的发展源自TFT器件和材料的研究开发。TFT的半导体材料可以是CdSe、Te、a-Si、p-Si等。在LCD发明后的1971年，德国的J.Borel等用MOSFET控制DS液晶，第一次实现AM型LCD。随着为太阳能电池而开发的非晶硅（a-Si）技术的不断成熟，1980年，英国Dundee大学的P.Le Comber等试制成功基于a-Si TFT的LCD样品。
早期的TFT-LCD只能显示黑白画面，彩色显示的发展得益于彩色滤光片（Color Filter，CF）的应用。1981年，日本的内田龙男发布了并置加法混色法，通过有序排列的RGB三色CF实现了彩色显示。1988年，10.4英寸a-Si TFT-LCD显示器（IBM公司与东芝公司）和14英寸a-Si TFT-LCD彩色电视（夏普公司）上市，标志着彩色TFT-LCD时代的到来。
1983年，日本精工进行了基于p-Si TFT的2.1英寸彩色液晶电视试作，三洋电机进行了基于a-Si TFT的5英寸彩色液晶电视试作。随后的1984年，2.1英寸TFT-LCD彩色液晶电视开始面世销售。但在随后的10年左右时间里，TFT-LCD由于技术不成熟、成本高等原因，一直没有获得充分的应用。在TFT-LCD的发展过程中，TN、STN等PM型LCD也在蓬勃发展。到20世纪90年代初期，TN、STN等PM型LCD遇到尺寸难以做大的瓶颈。1993年左右，日本掌握了TFT-LCD的大规模生产技术，克服了TFT-LCD的技术瓶颈，并且完善了画质，在笔记本电脑的应用中崭露头角。
早期商用的TFT-LCD产品基本采用了TN显示模式，其最大问题是视角不够宽。随着TFT-LCD产品尺寸的增加，特别是TFT-LCD在TV领域的应用，具有广视角特点的共面转换（In-Plane Switching，IPS）显示模式、垂直取向（Vertical Alignment，VA）显示模式依次被开发出来并加以应用。IPS显示模式最早由美国人R.Soref（索里夫）在1974年的论文上发表，并由德国人G.Baur（鲍尔）提出把IPS作为广视角技术应用于TFT-LCD中。1995年，日本的日立公司开发出了世界首款13.3英寸IPS模式的广视角TFT-LCD产品。1997年，日本的富士通公司提出了多畴垂直取向（Multi-domain Vertical Alignment，MVA）显示模式的专利申请。此后，日本的夏普公司开发了连续焰火状取向（Continuous Pinwheel Alignment，CPA）显示模式，韩国的三星公司开发了图形化垂直取向（Patterned Vertical Alignment，PVA）显示模式。韩国的现代公司在IPS的基础上开发了边缘场转换（Fringe-Field Switching，FFS）显示模式。日本的松下公司开发了光学自补偿弯曲（Optically Compensated Bend，OCB）显示模式。