有更大的突破?LCD響應時間的極限

一種技術從運用到成熟竟然長達20年之久，這種現象在計算機領域里是罕見的。從1986年NEC制造了第一款有液晶屏幕的便攜式計算機，到2005年末液晶顯示器的市場占有率首次與CRT持平，液晶顯示技術在PC中的應用經歷了20年的緩慢成長過程。

液晶顯示器的歷史雖然不算太短，但因長期只用于便攜設備的靜態圖文顯示，響應速度慢的問題沒有引起足夠重視。近年來，液晶顯示器在臺式機中應用越來越普遍，視頻播放、游戲的應用也呈爆發性增長，此時響應時間問題才因此倍受關注。

有人曾提出，電腦的速度已經足夠快，不用再花力氣去提高CPU頻率了。這樣的預言家現在仍不乏其人，幾年前就有些人認為，響應時間已經到了終極，而事實并非如此。雖然液晶顯示器響應時間從早期上百ms縮短到了4ms，但與CRT顯示器相比依然遜色不少。就目前來說，3D加速顯示卡每秒可以運算出的畫面幀數都在200以上，要玩Quake3等游戲，更是需要300幀/s的刷新率才會非常流暢，4ms的響應時間顯然是不夠的。而在即將到來的高清電視時代，短響應時間仍然是液晶電視的賣點。

圖1 響應時間由上升時間(Rise time)和下降時間(Fall time)兩部分構成 　　響應時間，這個看似簡單的問題為何遲遲不能一下子搞定，為什么會歷時多年仍緩慢前進，是哪些因素阻礙了LCD響應速度的提升?這還得從頭說起。

響應時間的三種表述 　　響應時間是描述顯示器亮度變化滯后于電場變化(施加或撤除)一個參數，業界對這個參數有三種表述法： 　　(1)黑白響應時間，也稱作全程響應時間，是上升時間tr(全黑到全白)與下降時間td(全白到全黑)之和; 　　(2)ISO響應時間，既國際標準化組織發布的ISO13406-2; 　　(3)灰階響應時間(GTG，gray to gray)，由于畫面變化是由灰階到灰階的轉換，因此這時的LCD響應時間則應該被稱為從灰階到灰階的響應時間，表示液晶單元從一個角度轉到另一角度所需時間，而非全開/全閉這種極端狀態。 　　用不同標準去衡量同一臺顯示器，會得出不同的結果。例如，對于圖2所示的常黑型顯示面板，按照“全黑到全白”的計算方法，上升時間應該是40ms，而按照ISO標準，計算亮度從10%上升到90%時的響應時間，上升時間就只有28.5-12=16.5ms。

圖2 ISO定義的響應時間 　　響應時間與刷新率之間既有聯系，又有區別。應該說，任何響應時間的顯示器，都可以相同的刷新率工作，只是響應時間低于要求的數值時，會產生拖尾。因此，與刷新率所對應的響應時間數值，只是對響應時間的最低要求。譬如，當刷新率為60Hz時，對應的響應時間為1/60≈0.017s(17ms)。 　　應該指出的是：(1)刷新率所要求的響應時間數值，應是全程響應時間，而不是上升時間tr或下降時間td。(2)從數值上看，某些顯示器給出響應時間可能已經符合刷新率的要求，但還是出現了拖尾現象，這是灰階響應時間較長的緣故。正因為如此，即使是4ms的液晶顯示器，也仍然存在響應時間的問題。 　　生性笨拙的顯示介質

液晶作為彈性連續體，具有可沿展性、可扭曲性和可彎曲性。液晶顯示主要利用了液晶分子能夠扭曲的特性，以及扭曲液晶的旋光性，入射光的偏振面沿液晶的扭曲螺旋軸旋轉，液晶旋轉角度就決定了液晶盒的透光量，從而決定了該像素的亮度高低。

液晶材料可以分成高分子液晶與低分子液晶兩種，想要提高液晶顯示器的響應速度，就要選擇分子量較小的液晶。這好比跳水運動員，小巧的身體能使動作更敏捷，能夠更靈活地完成空中轉體等高難度動作。

液晶是一種有機分子，由于其分子結構具有對稱性，使得分子集合體在沒有外界干擾的情況下形成分子相互平行排列，以使系統自由能最小。液晶按結構的不同可分為三類：向列相、膽甾相和近晶相，目前用于顯示器件中的通常為向列相液晶和膽甾相液晶。向列相液晶的排列方式是分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性。膽甾相實際是向列相的特殊形式，分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性。

無論向列相，還是膽甾相液晶，均存在響應速度慢的問題，其中轉矩大小和粘性高低是影響LCD動態性能的兩個內在因素。雖然在實際應用上，通常選擇的都是低分子液晶，其分子長2～3納米，直徑約0.5納米，但利用這種分子級別的材料制成的顯示器，其響應速度只能達到ms級，而CRT、OLED等屬于電子級別工作原理，響應速度一般都可達到μs級別，PDP為原子級，速度稍慢，也不存在響應時間問題。

首選TN型，只因扭曲角度小

向列相液晶沿分子的長軸方向運動自如，粘滯系數只是水的粘滯系數的數倍。未加電壓時，液晶扭曲的角度由液晶盒兩端相互平行的配向膜上的溝槽方向決定，TN(Twisted Nematic，扭曲向列)型液晶盒中兩個配向模呈正交(兩個面在空間垂直但不相交)分布，液晶分子相應地扭曲了90°。一旦有電壓施加于液晶盒兩端，線狀液晶的扭曲度會依電場的強弱在0°～90°之間變化，這就是液晶的“扭轉式場效應”。當電場強度達到一定數值時，液晶的扭曲度變為0°，此時扭曲的線被完全拉直，因為透明電極外面兩片正交偏光板的作用，所以幾乎不透光。

STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)LCD與TN型LCD主要差別在于，TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋轉的角度總共為90°，而STN型LCD的液晶分子排列，其旋轉的角度會大于180°～270°。在扭曲向列顯示器件中，除了TN和STN這兩種主要的類型，還有扭曲角在100°～120°之間的HTN(High Twist Nematic)，以及扭曲角為70°的LTN(Low Twist Nematic)等，他們的制作工藝基本相同，只是配向膜的角度有所不同而已。

TN與STN旋轉角度的差異，造成特性上的差別，具體表現在：TN型液晶扭曲角度小，圖像對比度較低，響應時間較短(50ms以下)，而STN型LCD因為液晶分子扭曲角度大，圖像質量明顯提高，但響應時間較長(100ms以上)。

常言道，有得必有失。TN與STN之間各有短長，選擇時就只有“擇其善而從之”了。筆記本電腦史上，一個時期內曾大量使用STN型液晶顯示器，不過后來TN型顯示器的圖像質量問題通過使用更好的液晶材料解決了，所以STN被TFT-TN所取得，STN以及它的變種DSTN、CSTN液晶面板目前仍在手機和PDA這些不太強調速度的設備中占有一席之地。

向列相液晶

“向列相液晶”的介電常數具有各向異性的特點，這使得用電場來控制光學性能成為可能，而且其粘滯系數小，流動性好，因而成為液晶顯示器常用的材料，TN型、STN型及TFT顯示器所用的液晶材料均屬向列相液晶。

對于nematic這個詞匯的真實含義，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，是因為這個詞在希臘語中有“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，消除等待時間

液晶面板的像素以矩陣式的結構被組織起來，矩陣式結構分為“無源”和“有源”兩種驅動方式，它們的差別在于：有源矩陣(Active Matrix，簡稱AM)中每個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電極。由于每個行(列)都有許多的像素，信號經過這些像素進行傳遞，位于同一行(列)的液晶盒像多米諾骨牌那樣逐個反轉，而為了讓屏幕顯示一致，后面液晶盒勢必需要較長的等待時間，才能有信號過來，這樣勢必造成整體速度放慢。

被動矩陣LCD的響應時間為100～250ms。當響應時間為200ms時，最多只能支持每秒5幀的幀頻，否則圖像質量會很低。我國電視節目采用的PAL制式為隔行掃描方式，幀頻為每秒25幀，對應的全程響應時間(注意：不是ISO所定義的上升時間!)為1/25=0.04s，即40ms。被動矩陣顯然不能滿足觀看視頻節目的需要。

圖4 主動矩陣與被動矩陣 　　而以TFT為代表的有源矩陣LCD，雖然制造工藝復雜，造價較高，卻可以大大提高響應速度。TFT屏幕由縱橫交錯的TN型液晶與薄膜晶體管組成，每個TN液晶盒可被獨立控制，由于每個液晶盒由一只晶體管控制，所以每個液晶盒可以分別被選中，實現點亮或熄滅的目的。TFT LCD液晶盒類似于DRAM的存儲單元，只是每個液晶單元的透光度是連續可變的，并非“0”和“1”兩種狀態。也就是說，RAM是數字的，而LCD是模擬的。要使液晶盒在“透光/阻光”兩種狀態之間切換，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，由電容繼續給液晶盒供電，讓顯示的內容記憶下來。有了這種記憶能力，地址線和數據線就可以騰出手來對其他的液晶盒進行充電了。因為無需等待一個液晶盒顯示過程結束，就能開始對其他液晶盒進行充電操作，所以可以迅速完成整個屏幕的刷新工作。

由于每個像素不分先后地受到平等對待，消除了像素之間相互“拖后腿”現象。所以，TFT這種有源矩陣被稱為主動矩陣(Active Matrix，AM)，而無源矩陣則相應地被稱做被動矩陣(Passive Matrix，PM)。主動矩陣液晶顯示器雖然造價高(比被動矩陣高60%左右)，但因響應速度快，而且響應時間與屏幕尺寸和分辨率無關，適應了對不斷擴大的屏幕的要求，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矩陣結構。

常規技術，已無能為力

石墨與金剛石都是由碳分子構成，卻因為結構差異而表現出迥異的性能。同樣，在以液晶作為顯示介質的顯示器件中，由于結構上的區別，響應時間也會有所不同。這就是科學上“結構決定性能，性能反應結構”的規律。

1.降低粘滯系數，步履維艱

業界通常使用“彈性連續體理論”來解釋液晶顯示的原理，該理論忽略單個液晶分子的行為，而是把它看成一個連續的介質。在外加電磁場作用下，彈性液晶體會發生展曲、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能恢復到施加外力前的狀態，其光學特性的改變正是液晶體形狀改變的結果。

撇開液晶的光學性質不談，僅就其力學性能來說，雖然它具有液體的流動性，但也具有高分子材料所具有的高粘滯性，且粘滯系數與分子量大小密切相關：分子量越大，粘滯系數通常也越升高。而作為液晶材料的內在特性，粘滯特性的改善對縮短響應時間的貢獻率當然也是最大的。雖然上升過程主要依靠電場強度及產生的推力決定，下降過程主要取決于配向膜施加給液晶的扭曲力，但液晶的粘滯系數大小對兩個過程中液晶翻轉的速度都起作用。

不過，想獲得低黏滯系數的液晶材料是非常困難的事情，因為液晶顯示器的響應時間并不是一個獨立的參數。在物理層面上，它與液晶的清亮點、透光度，甚至漏電流等物理參數之間都存在錯綜復雜的關系;從性能表現來看，它又與畫面質量和色彩表現力密切相關。此外，還有成本與市場方面的因素等等，這些都要求設計師綜合考慮，不可能單純地考慮響應時間而忽視其他因素。

圖5 清亮點 　　俗話說：江山易改，本性難移。在TN、STN液晶顯業中一度廣泛使用的端基為氰基的液晶材料，如含氰基的聯苯類、苯基環己烷類液晶，但因氰基液晶材料易于引入離子性雜質，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℃時粘度應小于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，以達到低電壓驅動、降低功耗的目的。

由于各參數之間往往相互聯系又相互制約，對液晶材料性能要求越多，開發新型液晶分子的難度也越大。為了獲得低黏度系數的液晶材料，必須弄清液晶化合物的結構與性能之間的關系，并且通過性能-結構之間的關系，去指導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和高黏滯系數;乙撐橋鍵具有較低的清亮點和黏滯系數;醚類橋鍵具有較低的清亮點，但黏滯系數較高。

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在兩條戰線上作戰：一條戰線去合成新的化合物，另一條戰線將不同的液晶單體進行合理混配，以彌補單一化合物的不足。

液晶材料的清亮點 　　清亮點是液晶材料從混濁液體變為清亮液體(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的溫度時，才會進入到液晶相，才具有顯示圖像的能力。根據清亮點的高低，液晶材料可分為常溫型液晶和寬溫型液晶。 　　2.液晶層變薄，權宜之計

減少LCD厚度，也是縮短響應時間的一個有效措施。厚度降下來以后，需要翻轉的液晶量減少，在同樣的力量作用下速度就會比較快。來自ViewSonic的數據表明，厚度降低30%，響應速度會提升50%。

圖6 縮小液晶層厚度，加速液晶翻轉 　　不過，厚度的降低也會帶來一些負面影響：液晶層厚度太薄，不僅色彩暗淡，而且會縮小可視角度;此外，還會增加制造難度，壞點增加成品率降低，制造成本提高。所以，通過減少厚度來縮短響應時間的手段非常有限，特別在大屏幕液晶電視的制造中是謹慎采用的。

矯枉過正，overdrive技術受青睞 　　如果說前面的技術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，研究人員自然就將注意力轉移到控制信號的優化上來。

2001年末，ExtremeTech網上出現了這樣一條消息：NEC研究團隊在研究平板電視時，提出了這樣一個主意：既然使用1V的驅動電壓需要20ms，為什么不可以將驅動電壓提高到2V，而獲得10ms的響應時間呢?在接下來的研究中，NEC取得了成功，響應時間不是被縮短了1倍，而是接近10倍—從55ms縮短到6ms。

NEC看似簡單的一個發現，孵化出炙手可熱的RTC(Response Time Compensation，響應時間補償)技術，引發了LCD響應時間的革命。RTC技術對響應時間的殺傷力，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現，這個外力要克服液晶固有的彈力，外力與彈力之差稱為轉矩(Torque)。下面的表達式描述了轉矩T的理論值計算方法公式:

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，εperpendicular為液晶在正交方向上的介電系數，E為電場強度，θ為液晶扭轉角。

從上面的表達式可以看出，轉矩T的大小與電場強度E的平方成正比，電場強度越高，扭轉角度越大。另一方面，轉矩大小直接決定了液晶分子的運動速度。根據動力學公式F=ma，質量m相同時，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角度，而且還可以對轉換速度產生很大影響。

RTC正是基于上述觀點的一個技術措施，其基本原理是：將來自顯卡的視頻信號加入了過沖電壓，然后去驅動液晶單元?？梢?，RTC技術體現了“矯枉過正”的思想，這種思想說起來也并不新鮮，自動控制系統中為了提高系統的反應速度，也慣用這種技術方案。

可見RTC原理并不復雜，實施起來也很簡單：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時間為16ms的面板升級到4ms。所以，這項技術一面世，立即受到液晶顯示器和電視機廠商的追捧。臺灣鈺瀚公司見機而動，及時推出Overdrive系列液晶加速芯片供應市場，優派、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?每個制造商給出的數值可能不太一樣，過沖電壓值及持續時間等參數均可根據情況在可編程加速芯片中設定。優派的數據是：正常驅動電壓值比過沖峰值電壓低60%。事實上，視頻信號千變萬化，液晶電容在不同扭轉角度會有不同數值，欲達到隨機性的動態補償，既提高響應速度，又不損失圖像質量，不過，目前這種粗曠型的時間補償技術還做不到。

圖8 RTC技術對響應時間的影響 　　事物總是有兩面性，Overdrive技術在縮短上升時間的同時，也帶來了負面影響：過沖電壓將增加液晶返回難度，導致下降時間和灰階響應時間延長;過度補償將導致圖像嚴重失真;過沖電壓是否會縮短液晶壽命，也還有待證實。由此看來，Overdrive技術雖然對縮短響應時間起到過積極作用，但也絕非包治百病的靈丹妙藥。

TFT LCD面臨的困境

以TFT為核心的主動矩陣技術，對提升液晶響應速度做出了巨大貢獻，但隨著響應速度的進一步提升，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現光的短暫停留，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的作用僅相當于一個開關，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構圖來看，在上下兩層玻璃間夾持液晶，便會成為一個平板電容器，這就是液晶盒的分布電容ClC(Capacitor of liquid crystal)。ClC僅為0.1pF，TFT充好這個電容后，它無法將電壓保持到下一次TFT再對此點充電時。這樣一來，電壓有了變化，所顯示的灰階就會不正確。因此一般在面板的設計上，會再加一個存儲電容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。

存儲電容使TFT LCD具備了必要的記憶力，與此同時也帶來負面影響。一方面，由于電容兩端的電壓不能突變，這一特性會使驅動信號幅度衰減，陡度下降，信號畸變，畫質降低;另一方面，電容的存在使頻率響應惡化：信號幅度會隨信號頻率的升高而降低。要彌補信號強度的損失，又需要加大驅動電流。譬如，驅動頻率由32Hz提高到200Hz時，驅動電流就需相應增加5～10倍。隨著分辨率的提高和響應時間的縮短，TFT將因電流增加而產生更多熱量。

圖9 液晶面板中的電容 　　為了克服因縮短響應時間而給TFT帶來的高功耗問題， TFT半導體材料先后于上個世紀90年代初和90年代末分別實現了從無定型的非晶硅(a-Si)向多晶硅(p-Si)的轉變，以及從多晶硅向低溫多晶硅的兩次轉變。傳統的非晶硅材料的電子遷移率在0.5cm2/Vs以內，而多晶硅的電子遷移率可達200cm2/Vs。對于相同響應時間的液晶面板，使用多晶硅替代非晶硅，不僅可以縮短響應時間，還可將功耗減少10%左右。

未來之路還漫長

百米賽跑的世界紀錄，想縮短0.01秒都是非常的困難，因為這已接近人的生理極限。同樣道理，對生性笨拙的液晶顯示介質來說，要繼續向前邁進的技術難度也將會很大?？梢灶A見，未來幾年內主要還是要通過對RTC技術的完善，將響應時間從毫秒階段推進到微秒階段。此后，欲進一步縮短響應時間，研究人員將不得不從以改進驅動信號為主要手段的“電子戰場”，重新回到以尋找低黏滯系數液晶材料的“分子戰場”上來。

前面曾經談到，響應時間并非一個獨立參數，它與清亮點、透光度、TFT電流之間都有錯綜復雜的關系。幾年前發現的一種近晶相的鐵電液晶分子，具有固有偶極矩，響應速度大約比向列相液晶快3個數量級，這似乎讓我們看到了一線曙光。但是，因為鐵電液晶分子因制備技術要求很高，短期內尚無應用可能。

當然，人類的智慧是無窮的。雖然LCD響應時間要獲得更大的進步可能步履維艱，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突然出現驚人的點子呢?