有更大的突破?LCD响应时间的极限

一种技术从运用到成熟竟然长达20年之久，这种现象在计算机领域里是罕见的。从1986年NEC制造了第一款有液晶屏幕的便携式计算机，到2005年末液晶显示器的市场占有率首次与CRT持平，液晶显示技术在PC中的应用经历了20年的缓慢成长过程。

液晶显示器的历史虽然不算太短，但因长期只用于便携设备的静态图文显示，响应速度慢的问题没有引起足够重视。近年来，液晶显示器在台式机中应用越来越普遍，视频播放、游戏的应用也呈爆发性增长，此时响应时间问题才因此倍受关注。

有人曾提出，电脑的速度已经足够快，不用再花力气去提高CPU频率了。这样的预言家现在仍不乏其人，几年前就有些人认为，响应时间已经到了终极，而事实并非如此。虽然液晶显示器响应时间从早期上百ms缩短到了4ms，但与CRT显示器相比依然逊色不少。就目前来说，3D加速显示卡每秒可以运算出的画面帧数都在200以上，要玩Quake3等游戏，更是需要300帧/s的刷新率才会非常流畅，4ms的响应时间显然是不够的。而在即将到来的高清电视时代，短响应时间仍然是液晶电视的卖点。

图1 响应时间由上升时间(Rise time)和下降时间(Fall time)两部分构成 　　响应时间，这个看似简单的问题为何迟迟不能一下子搞定，为什么会历时多年仍缓慢前进，是哪些因素阻碍了LCD响应速度的提升?这还得从头说起。

响应时间的三种表述 　　响应时间是描述显示器亮度变化滞后于电场变化(施加或撤除)一个参数，业界对这个参数有三种表述法： 　　(1)黑白响应时间，也称作全程响应时间，是上升时间tr(全黑到全白)与下降时间td(全白到全黑)之和; 　　(2)ISO响应时间，既国际标准化组织发布的ISO13406-2; 　　(3)灰阶响应时间(GTG，gray to gray)，由于画面变化是由灰阶到灰阶的转换，因此这时的LCD响应时间则应该被称为从灰阶到灰阶的响应时间，表示液晶单元从一个角度转到另一角度所需时间，而非全开/全闭这种极端状态。 　　用不同标准去衡量同一台显示器，会得出不同的结果。例如，对于图2所示的常黑型显示面板，按照“全黑到全白”的计算方法，上升时间应该是40ms，而按照ISO标准，计算亮度从10%上升到90%时的响应时间，上升时间就只有28.5-12=16.5ms。

图2 ISO定义的响应时间 　　响应时间与刷新率之间既有联系，又有区别。应该说，任何响应时间的显示器，都可以相同的刷新率工作，只是响应时间低于要求的数值时，会产生拖尾。因此，与刷新率所对应的响应时间数值，只是对响应时间的最低要求。譬如，当刷新率为60Hz时，对应的响应时间为1/60≈0.017s(17ms)。 　　应该指出的是：(1)刷新率所要求的响应时间数值，应是全程响应时间，而不是上升时间tr或下降时间td。(2)从数值上看，某些显示器给出响应时间可能已经符合刷新率的要求，但还是出现了拖尾现象，这是灰阶响应时间较长的缘故。正因为如此，即使是4ms的液晶显示器，也仍然存在响应时间的问题。 　　生性笨拙的显示介质

液晶作为弹性连续体，具有可沿展性、可扭曲性和可弯曲性。液晶显示主要利用了液晶分子能够扭曲的特性，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轴旋转，液晶旋转角度就决定了液晶盒的透光量，从而决定了该像素的亮度高低。

液晶材料可以分成高分子液晶与低分子液晶两种，想要提高液晶显示器的响应速度，就要选择分子量较小的液晶。这好比跳水运动员，小巧的身体能使动作更敏捷，能够更灵活地完成空中转体等高难度动作。

液晶是一种有机分子，由于其分子结构具有对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。液晶按结构的不同可分为三类：向列相、胆甾相和近晶相，目前用于显示器件中的通常为向列相液晶和胆甾相液晶。向列相液晶的排列方式是分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。

无论向列相，还是胆甾相液晶，均存在响应速度慢的问题，其中转矩大小和粘性高低是影响LCD动态性能的两个内在因素。虽然在实际应用上，通常选择的都是低分子液晶，其分子长2～3纳米，直径约0.5纳米，但利用这种分子级别的材料制成的显示器，其响应速度只能达到ms级，而CRT、OLED等属于电子级别工作原理，响应速度一般都可达到μs级别，PDP为原子级，速度稍慢，也不存在响应时间问题。

首选TN型，只因扭曲角度小

向列相液晶沿分子的长轴方向运动自如，粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。未加电压时，液晶扭曲的角度由液晶盒两端相互平行的配向膜上的沟槽方向决定，TN(Twisted Nematic，扭曲向列)型液晶盒中两个配向模呈正交(两个面在空间垂直但不相交)分布，液晶分子相应地扭曲了90°。一旦有电压施加于液晶盒两端，线状液晶的扭曲度会依电场的强弱在0°～90°之间变化，这就是液晶的“扭转式场效应”。当电场强度达到一定数值时，液晶的扭曲度变为0°，此时扭曲的线被完全拉直，因为透明电极外面两片正交偏光板的作用，所以几乎不透光。

STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)LCD与TN型LCD主要差别在于，TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋转的角度总共为90°，而STN型LCD的液晶分子排列，其旋转的角度会大于180°～270°。在扭曲向列显示器件中，除了TN和STN这两种主要的类型，还有扭曲角在100°～120°之间的HTN(High Twist Nematic)，以及扭曲角为70°的LTN(Low Twist Nematic)等，他们的制作工艺基本相同，只是配向膜的角度有所不同而已。

TN与STN旋转角度的差异，造成特性上的差别，具体表现在：TN型液晶扭曲角度小，图像对比度较低，响应时间较短(50ms以下)，而STN型LCD因为液晶分子扭曲角度大，图像质量明显提高，但响应时间较长(100ms以上)。

常言道，有得必有失。TN与STN之间各有短长，选择时就只有“择其善而从之”了。笔记本电脑史上，一个时期内曾大量使用STN型液晶显示器，不过后来TN型显示器的图像质量问题通过使用更好的液晶材料解决了，所以STN被TFT-TN所取得，STN以及它的变种DSTN、CSTN液晶面板目前仍在手机和PDA这些不太强调速度的设备中占有一席之地。

向列相液晶

“向列相液晶”的介电常数具有各向异性的特点，这使得用电场来控制光学性能成为可能，而且其粘滞系数小，流动性好，因而成为液晶显示器常用的材料，TN型、STN型及TFT显示器所用的液晶材料均属向列相液晶。

对于nematic这个词汇的真实含义，大家可能并不真正理解，解释一下：向列相液晶在显微镜下能够看到棒状分子被丝状物连接起来(图3)，英文之所以借用希腊语nematic，是因为这个词在希腊语中有“线”或“丝线”的意思。向列相液晶虽然分子位置杂乱，但方向大体一致，中文里用“向列”来命名也是有道理的。 　　采用有源矩阵，消除等待时间

液晶面板的像素以矩阵式的结构被组织起来，矩阵式结构分为“无源”和“有源”两种驱动方式，它们的差别在于：有源矩阵(Active Matrix，简称AM)中每个液晶单元的亮度由一只薄膜晶体管控制，而无源矩阵(Passive Matrix，简称PM)中没有晶体管，外部引线直接连接到液晶单元的电极上。

在TN型、STN型、CSTN型等无源矩阵中，同一行或者同一列的显示单元共用一个电极。由于每个行(列)都有许多的像素，信号经过这些像素进行传递，位于同一行(列)的液晶盒像多米诺骨牌那样逐个反转，而为了让屏幕显示一致，后面液晶盒势必需要较长的等待时间，才能有信号过来，这样势必造成整体速度放慢。

被动矩阵LCD的响应时间为100～250ms。当响应时间为200ms时，最多只能支持每秒5帧的帧频，否则图像质量会很低。我国电视节目采用的PAL制式为隔行扫描方式，帧频为每秒25帧，对应的全程响应时间(注意：不是ISO所定义的上升时间!)为1/25=0.04s，即40ms。被动矩阵显然不能满足观看视频节目的需要。

图4 主动矩阵与被动矩阵 　　而以TFT为代表的有源矩阵LCD，虽然制造工艺复杂，造价较高，却可以大大提高响应速度。TFT屏幕由纵横交错的TN型液晶与薄膜晶体管组成，每个TN液晶盒可被独立控制，由于每个液晶盒由一只晶体管控制，所以每个液晶盒可以分别被选中，实现点亮或熄灭的目的。TFT LCD液晶盒类似于DRAM的存储单元，只是每个液晶单元的透光度是连续可变的，并非“0”和“1”两种状态。也就是说，RAM是数字的，而LCD是模拟的。要使液晶盒在“透光/阻光”两种状态之间切换，需施加/撤除约-5V到 20V的电压，电压大小决定了透光度的高低。所施加的电压还给电容充电，这样在电压撤出以后，由电容继续给液晶盒供电，让显示的内容记忆下来。有了这种记忆能力，地址线和数据线就可以腾出手来对其他的液晶盒进行充电了。因为无需等待一个液晶盒显示过程结束，就能开始对其他液晶盒进行充电操作，所以可以迅速完成整个屏幕的刷新工作。

由于每个像素不分先后地受到平等对待，消除了像素之间相互“拖后腿”现象。所以，TFT这种有源矩阵被称为主动矩阵(Active Matrix，AM)，而无源矩阵则相应地被称做被动矩阵(Passive Matrix，PM)。主动矩阵液晶显示器虽然造价高(比被动矩阵高60%左右)，但因响应速度快，而且响应时间与屏幕尺寸和分辨率无关，适应了对不断扩大的屏幕的要求，也为未来高清晰度电视的普及铺平了道路。目前所有的液晶显示器和液晶电视的显示屏均采用主动矩阵结构。

常规技术，已无能为力

石墨与金刚石都是由碳分子构成，却因为结构差异而表现出迥异的性能。同样，在以液晶作为显示介质的显示器件中，由于结构上的区别，响应时间也会有所不同。这就是科学上“结构决定性能，性能反应结构”的规律。

1.降低粘滞系数，步履维艰

业界通常使用“弹性连续体理论”来解释液晶显示的原理，该理论忽略单个液晶分子的行为，而是把它看成一个连续的介质。在外加电磁场作用下，弹性液晶体会发生展曲、扭曲和弯曲三种形式的的弹性形变，外力撤除后依靠弹性势能恢复到施加外力前的状态，其光学特性的改变正是液晶体形状改变的结果。

撇开液晶的光学性质不谈，仅就其力学性能来说，虽然它具有液体的流动性，但也具有高分子材料所具有的高粘滞性，且粘滞系数与分子量大小密切相关：分子量越大，粘滞系数通常也越升高。而作为液晶材料的内在特性，粘滞特性的改善对缩短响应时间的贡献率当然也是最大的。虽然上升过程主要依靠电场强度及产生的推力决定，下降过程主要取决于配向膜施加给液晶的扭曲力，但液晶的粘滞系数大小对两个过程中液晶翻转的速度都起作用。

不过，想获得低黏滞系数的液晶材料是非常困难的事情，因为液晶显示器的响应时间并不是一个独立的参数。在物理层面上，它与液晶的清亮点、透光度，甚至漏电流等物理参数之间都存在错综复杂的关系;从性能表现来看，它又与画面质量和色彩表现力密切相关。此外，还有成本与市场方面的因素等等，这些都要求设计师综合考虑，不可能单纯地考虑响应时间而忽视其他因素。

图5 清亮点 　　俗话说：江山易改，本性难移。在TN、STN液晶显业中一度广泛使用的端基为氰基的液晶材料，如含氰基的联苯类、苯基环己烷类液晶，但因氰基液晶材料易于引入离子性杂质，电压保持率低，不能满足TFT LCD的要求。从TFT LCD的需求来看，除了要求在20℃时粘度应小于35mPa·s以外，还需要具有高电压保持率(一般要求电阻率至少大于1012Ω·cm)和较低的阈值电压，以达到低电压驱动、降低功耗的目的。

由于各参数之间往往相互联系又相互制约，对液晶材料性能要求越多，开发新型液晶分子的难度也越大。为了获得低黏度系数的液晶材料，必须弄清液晶化合物的结构与性能之间的关系，并且通过性能-结构之间的关系，去指导具有特殊性能的液晶分子的合成。譬如，酯键具有较高的清亮点和高黏滞系数;乙撑桥键具有较低的清亮点和黏滞系数;醚类桥键具有较低的清亮点，但黏滞系数较高。

通过上面的介绍我们可以看出，单一液晶化合物已难以满足高性能LCD的要求，所以目前研究人员需要同时在两条战线上作战：一条战线去合成新的化合物，另一条战线将不同的液晶单体进行合理混配，以弥补单一化合物的不足。

液晶材料的清亮点 　　清亮点是液晶材料从混浊液体变为清亮液体(即液晶体)的临界温度(图5)。换句话说，液晶材料只有在高于清亮点的温度时，才会进入到液晶相，才具有显示图像的能力。根据清亮点的高低，液晶材料可分为常温型液晶和宽温型液晶。 　　2.液晶层变薄，权宜之计

减少LCD厚度，也是缩短响应时间的一个有效措施。厚度降下来以后，需要翻转的液晶量减少，在同样的力量作用下速度就会比较快。来自ViewSonic的数据表明，厚度降低30%，响应速度会提升50%。

图6 缩小液晶层厚度，加速液晶翻转 　　不过，厚度的降低也会带来一些负面影响：液晶层厚度太薄，不仅色彩暗淡，而且会缩小可视角度;此外，还会增加制造难度，坏点增加成品率降低，制造成本提高。所以，通过减少厚度来缩短响应时间的手段非常有限，特别在大屏幕液晶电视的制造中是谨慎采用的。

矫枉过正，overdrive技术受青睐 　　如果说前面的技术都是在屏幕上做文章，那么，在屏幕方面缺乏更为有效的提速手段时，研究人员自然就将注意力转移到控制信号的优化上来。

2001年末，ExtremeTech网上出现了这样一条消息：NEC研究团队在研究平板电视时，提出了这样一个主意：既然使用1V的驱动电压需要20ms，为什么不可以将驱动电压提高到2V，而获得10ms的响应时间呢?在接下来的研究中，NEC取得了成功，响应时间不是被缩短了1倍，而是接近10倍—从55ms缩短到6ms。

NEC看似简单的一个发现，孵化出炙手可热的RTC(Response Time Compensation，响应时间补偿)技术，引发了LCD响应时间的革命。RTC技术对响应时间的杀伤力，出乎许多人的意料。

RTC为何如此有效呢?欲知其中奥秘，还得从头谈起。我们知道，LCD是靠液晶的扭曲改变液晶层的透光度来显示信息的，而扭曲度的变化是靠外力来实现，这个外力要克服液晶固有的弹力，外力与弹力之差称为转矩(Torque)。下面的表达式描述了转矩T的理论值计算方法公式:

T =1/2 (εparallel -εperpendicular)εo E2 sin(2θ)

其中，εparallel为液晶在平行方向的介电系数，εperpendicular为液晶在正交方向上的介电系数，E为电场强度，θ为液晶扭转角。

从上面的表达式可以看出，转矩T的大小与电场强度E的平方成正比，电场强度越高，扭转角度越大。另一方面，转矩大小直接决定了液晶分子的运动速度。根据动力学公式F=ma，质量m相同时，受力F越大，加速度a就越高。因此，施加在液晶盒两端的电压不仅可以决定液晶分子的偏转角度，而且还可以对转换速度产生很大影响。

RTC正是基于上述观点的一个技术措施，其基本原理是：将来自显卡的视频信号加入了过冲电压，然后去驱动液晶单元。可见，RTC技术体现了“矫枉过正”的思想，这种思想说起来也并不新鲜，自动控制系统中为了提高系统的反应速度，也惯用这种技术方案。

可见RTC原理并不复杂，实施起来也很简单：只要在PCB上集成一只加速芯片，用很低的成本就能将一块响应时间为16ms的面板升级到4ms。所以，这项技术一面世，立即受到液晶显示器和电视机厂商的追捧。台湾钰瀚公司见机而动，及时推出Overdrive系列液晶加速芯片供应市场，优派、明基等液晶显示器大厂以及众多液晶电视制造商均使用了他们的Overdrive芯片。

那么，过冲电压的幅值为多少才合适呢?每个制造商给出的数值可能不太一样，过冲电压值及持续时间等参数均可根据情况在可编程加速芯片中设定。优派的数据是：正常驱动电压值比过冲峰值电压低60%。事实上，视频信号千变万化，液晶电容在不同扭转角度会有不同数值，欲达到随机性的动态补偿，既提高响应速度，又不损失图像质量，不过，目前这种粗旷型的时间补偿技术还做不到。

图8 RTC技术对响应时间的影响 　　事物总是有两面性，Overdrive技术在缩短上升时间的同时，也带来了负面影响：过冲电压将增加液晶返回难度，导致下降时间和灰阶响应时间延长;过度补偿将导致图像严重失真;过冲电压是否会缩短液晶寿命，也还有待证实。由此看来，Overdrive技术虽然对缩短响应时间起到过积极作用，但也绝非包治百病的灵丹妙药。

TFT LCD面临的困境

以TFT为核心的主动矩阵技术，对提升液晶响应速度做出了巨大贡献，但随着响应速度的进一步提升，TFT又将成为自我束缚的缰绳。

CRT显示器只要利用荧光的余辉就可以实现光的短暂停留，但液晶显示器就不行了，它没有这种记忆能力。从理论上说，TFT的作用仅相当于一个开关，让背光源的光线通过还是不通过。但是，我们从液晶显示器显示单元的剖面结构图来看，在上下两层玻璃间夹持液晶，便会成为一个平板电容器，这就是液晶盒的分布电容ClC(Capacitor of liquid crystal)。ClC仅为0.1pF，TFT充好这个电容后，它无法将电压保持到下一次TFT再对此点充电时。这样一来，电压有了变化，所显示的灰阶就会不正确。因此一般在面板的设计上，会再加一个存储电容Cs(storage Capacitor，约为0.5pF)，以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面。

存储电容使TFT LCD具备了必要的记忆力，与此同时也带来负面影响。一方面，由于电容两端的电压不能突变，这一特性会使驱动信号幅度衰减，陡度下降，信号畸变，画质降低;另一方面，电容的存在使频率响应恶化：信号幅度会随信号频率的升高而降低。要弥补信号强度的损失，又需要加大驱动电流。譬如，驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流就需相应增加5～10倍。随着分辨率的提高和响应时间的缩短，TFT将因电流增加而产生更多热量。

图9 液晶面板中的电容 　　为了克服因缩短响应时间而给TFT带来的高功耗问题， TFT半导体材料先后于上个世纪90年代初和90年代末分别实现了从无定型的非晶硅(a-Si)向多晶硅(p-Si)的转变，以及从多晶硅向低温多晶硅的两次转变。传统的非晶硅材料的电子迁移率在0.5cm2/Vs以内，而多晶硅的电子迁移率可达200cm2/Vs。对于相同响应时间的液晶面板，使用多晶硅替代非晶硅，不仅可以缩短响应时间，还可将功耗减少10%左右。

未来之路还漫长

百米赛跑的世界纪录，想缩短0.01秒都是非常的困难，因为这已接近人的生理极限。同样道理，对生性笨拙的液晶显示介质来说，要继续向前迈进的技术难度也将会很大。可以预见，未来几年内主要还是要通过对RTC技术的完善，将响应时间从毫秒阶段推进到微秒阶段。此后，欲进一步缩短响应时间，研究人员将不得不从以改进驱动信号为主要手段的“电子战场”，重新回到以寻找低黏滞系数液晶材料的“分子战场”上来。

前面曾经谈到，响应时间并非一个独立参数，它与清亮点、透光度、TFT电流之间都有错综复杂的关系。几年前发现的一种近晶相的铁电液晶分子，具有固有偶极矩，响应速度大约比向列相液晶快3个数量级，这似乎让我们看到了一线曙光。但是，因为铁电液晶分子因制备技术要求很高，短期内尚无应用可能。

当然，人类的智慧是无穷的。虽然LCD响应时间要获得更大的进步可能步履维艰，但并非完全没有希望。谁敢保证那些天才研究人员的脑袋里不会突然出现惊人的点子呢?