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15第一章 LCD平板显示器的技术基础第一节 液晶彩色显示器的结构液晶显示器件从结构上说,属于平板显示器件。其基本结构,呈平板形。典型液晶显示器件基本结构如图3-7所示。它主要由如图3-8所示的几大部件组成。当然,不同类型的液晶显示器件其部分部件可能会有不同,如:相变型、PDLC、多稳态型液晶显示器件没有偏振片,有源矩阵型液晶显示器件在基板上制作有有源矩阵电路等,但是所有液晶显示器件都可以认为是由两片光刻有透明导电电极的基板,夹持一个液晶层,封接成一个偏平盒,有时在外表面还可能贴装上偏振片等构成。 下面以典型的扭曲向列型液晶显示器件(TN)为例,进行介绍,见图3-7。将两片光刻好透明导电极图形的平板玻璃相对放置在一起,使其间相距为67um。四周用环氧胶密封,但在一侧封接边上留有一个开口,该开口称为液晶注入口。液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。注入后,用树脂将开口封堵好,再在些液晶盒前后表面呈正交地贴上前后偏振片即完成了一个完整的液晶显示器件。当然,作为扭曲向列型液晶显示器件,在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。该定向层经定向处理后,可使液晶分子在液晶盒内,在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列,而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈90度扭曲排列。从而使其具有了如图3-9所示的光学和电光学特性。 现将构成液晶显示器件的三大基本部件和特点介绍如下:1、 玻璃基板这是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片。表面蒸镀有一层In2O3或SnO2透明导电层,即ITO膜层。经光刻加工制成透明导电图形。这些图形由像素图形和外引线图形组成。因此,外引线不能进行传统的锡焊,只能通过导电橡胶条或导电 胶带等进行连接。如果划伤、割断或腐蚀,则会造成器件报废。 2、液晶液晶材料是液晶显示器的主体。不同器件所用液晶材料不同,液晶材料大都是由几种乃至十几种单体液晶材料混合而成。每种液晶材料都有自己固定的清亮点TL和结晶点Ts。因此也要求每种液晶显示器件必须使用和保存在TsTL之间的一定温度范围内,如果使用或保存温度过低,结晶会破坏液晶显示器件的定向层;而温度过高,液晶会失去液晶态,也就失去了液晶显示器件的功能。3、偏振片偏振片又称偏光片,由塑料膜材料制成。涂有一层光学压敏胶,可以贴在液晶盒的表面。前偏振片表面还有一保护膜,使用时应揭去,偏振片怕高温、高湿条件下会使其退偏振或起泡。第二节 LCD的光学结构 LCD的光学性能完全由液晶屏和背光照明系统决定,为了改善LCD的光学性能,必须了解LCD的光学结构如下图。 LCD由液晶盒和背光照明系统两个相对独立的组件构成。背光照明系统包括均光系统、背光源、反射板等组成。液晶盒 液晶盒上前后两块玻璃基板以及板之间的液晶材料组成。基板材料可使用无碱玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、硅基板等,每块基板的厚度一般为1.1mm,此外,还有0.7mm、0.5mm、0.4mm尺寸的。基板之间的液晶层只有几微米厚。前后基板的内侧镀以ITO透明导电膜(白膜)电极、红绿黄三色滤光片、薄膜晶体(TFT)阵列、行列扫描线、液晶分子取向膜、垫片等。在前基板的前表面和后基板的后表面还粘有偏振片,两偏振片的透光轴相互正交或平行,其作用是在透明电极的作用下,控制光的通过或不通过的强弱。均光系统 均光系统由透明漫射片和光控膜(LCF)构成。漫射片是一塑料基片,基片上均匀地沉积着直径只有7um左右的聚酰来胺微粒。两张漫射片之间夹有一张光控膜,用以消除背光灯的斑点。背光源 背光源通常是U形或W形冷阴极荧光灯(CCFL),目前少数LCD也采用平面发光灯。用于LCD背光源的冷阴极荧光灯具有发光效率高(80lm/W)、寿命长(2X 1000000h)、薄而轻(灯管外径可小到1.8mm)、色温高(8500K)、抗震动和抗冲击等特点。 逆变器 分层 偏振片 反射器 玻璃 补偿器3 灯 补偿器1 补偿器2 极化 加热器 漫射体HEA玻 液晶盒 玻璃 热控制器璃盖 液晶显示器光学结构图第三节 液晶显示屏3.3.1 液晶及其物理性质1. 液晶是这样一种有机化合物,当其温度为T1时,它具有类似于晶体的光学各向异性,且为混浊粘稠的液体,当继续加热至温度T2时,则变成光学各向同性而透明的液体。在T1与T2之间,呈现出既有液体的流动性,又有晶体的光学各向异性,因而称为液晶。它既不同于不能流动的晶体,也有别于光学各向同性的液体。液晶材料在常温下即处于液晶体状态。从结构上看,液晶屏由两片线性偏光器和一层液晶所构成。其中,两片线性偏光器分别位于液晶面板的内外层,每片只允许透过一个方向的光线,它们放置的方向成90度交叉(水平、垂直),也就是说,如果光线保持一个方向射入,必定只能通过某一片线性偏光器,而无法透过另一片,默认状态下,两片线性偏光器间会维持一定的电压差,滤光片上的薄膜晶体管就会变成一个个的小开关,液晶分子排列方向发生变化,不对射入的光线产生任何影响,液晶显示屏会保持黑色。一旦取消线性偏光器间的电压差,液晶分子会保持其初始状态,将射入光线扭转90度,顺利透过第二片线性偏光器,液晶屏幕就亮起来了。液晶面板简单模型液晶面板成像原理示意图也就是由液晶板后面的萤光灯管投射出光源,这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶,这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩,并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。当然这是一个很简单的原理模型,真正的液晶面板内还有更复杂的电路结构。2. 液晶由细长的棒状分子组成,各棒状分子长轴平行,指向某一方向,或分子长轴不完全相同,但宏观上有某一平均方向。正是由于液晶分子有指向性的排列这一特点,使其物理参数在分子长轴方向及其垂直方向取不同值。由于液晶分子的排列结构,不像晶体结构那样坚固,能在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下,其分子容易发生再排列,使液晶的各种光学性质随之发生变化,液晶这种各向异性及其分子排列易受外加电场、磁场的控制,正是液晶能用于显示器件的物理基础。电场方向液晶分子3. 液晶分子长轴方向的介电常数与短轴方向的介电常数是不一样的,在外加电场作用下,液晶分子的排列状态就会发生变化。这种由于外加电场的作用使液晶分子排列变化而引起液晶光学性质改变的现象,称为液晶的“电光效应”。利用液晶的“电光效应”,可实现光被电信号调制,从而制成液晶显示器件。3.3.2 液晶显示器的结构1 液晶显示器(LCD, Liquid Crystal Display)所用的液晶材料,目前最主要的是扭曲向列型(TN, Twisted Nematic)液晶材料TN-LCD及超扭曲向列型液晶材料STN-LCD,图3-3-1示出这种显示器的工作原理。TN-LCD是在一对平行放置的偏光板间填充液晶,这一对偏光板的偏振光方向相互垂直。液晶分子在偏光板间排列成多层,通过取向膜使靠近偏光板的液晶分子平行于偏光板偏振方向排列。在不同层间, 液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90,如图3.3.1(b)所示,与偏光板的偏振光方向一致的直线偏振光,垂直射向无外加电场的TN-LCD时,入射光将因其偏振方向随液晶分子轴的扭曲而旋转射出。故称为扭曲向列型液晶显示器。2. 若对液晶施加适当的电场,改变液晶分子的排列,如图3.3.1(c)所示。液晶分子长轴将改变为与电场方向平行,此时液晶分子不再能旋光,而是把光遮断。显然,若两偏光片的偏振光方向相互平行,则透光、遮光的情况会相反。前者称为常亮模式,后者称为常暗模式。图3-3-1 扭曲向列型液晶显示器工作原理3 显示器本身不发光,需设外光源。外光源可以是阳光,也可以是装在显示器背面的荧光灯。前玻璃透明电极(图形)分子取向膜偏振片后玻璃分子取向膜背电极偏振片反射片液晶层分接边图3-3-2 LCD结构示意图4 LCD的基本结构将两片附有光刻透明电极的玻璃相对放置在一起,其间相距约10um。透明电极表面附有分子取向膜。四周有环氧胶密封边,密封边一侧留有一个开口,液晶材料在真空条件下注入两玻璃板之间的盒腔内,在液晶盒前后玻璃板上贴上偏振片即可形式LCD。透明导电极用光刻法加工成显示图案及电极引线,这类引线不能用一般焊接方法与外电路相接,只能通过导电橡胶条等进行连接。液晶显示器具有电极驱动电压低,1.53V交流;功耗低约为1uW/cm2;结构薄、轻等特点。3.3.3 液晶的电光响应特性0101009050%(a) 液晶显示器的电光特性(常暗模式)UthUsat0101009050%(b)液晶显示器的电光特性(常亮模式)UthUsat图 3-3-3 液晶显示器的电光特性1. 给液晶体施加一定的电压时,液晶分子在电场的作用下将重新排列,我们用液晶分子的扭曲角度及光透过率随外加电压的变化来表示液晶的光电响应特性,如图3-3-3所示。图中Uth阈值电压(临界电压); Usat饱和电压从图3-3-3可见,液晶的光电特性表明,液晶在外加电压控制下可视为一个光阀。因液晶在直流电压作用下易发生化学变化,故常用交流电压驱动液晶。由于液晶对驱动电压的响应具有时间积分特性,所以其电光特性受驱动电压有效值(Vrms)的控制。常暗模式液晶透过光的强度与Vrms的关系如图3-3-3(a)所示,Vrms达到阈值Vth(一般低于3V)后,液晶开始透过光线,达饱和电压Vs时,透过光的强度不再明显增加。在Vth与Vs之间时,透过光的强度与外加电压有效值几乎成线性关系。令液晶工作于这一线性段,可显示不同灰度。为此,驱动液晶的图像信号电压须转换为与其成线性关系的有效值(体现为驱动脉冲幅度)。3.3.4 彩色液晶显示器彩色LCD显示器的构成方法有多种,目前应用较多的是彩色滤光器方式。1. 彩色滤光器方式的LCD彩色滤光器方式LCD的结构如图3-3-4所示。图3-3-4 彩色滤光器方式LCD在透明电极上部设有红绿蓝(RGB)滤色器,滤色器采用染色、电沉积等方法加工。显示器用RGB相加混色法实现彩色显示。加滤色器后,光的透过率很低,需要加背光源。背光源用三波长荧光灯与滤色器相组合,使LCD的光谱特性与CRT的显示效果接近。三波长荧光灯与滤色器的分光透射率如图2-2-5所示。图3-3-5 彩色滤光器的透过率与三波长荧光灯(背照灯)的发光光谱3.3.5 液晶显示器的驱动基础扫描(行)电极X1X2X3XnY1Y2Y3 Ym信号(列)电极图3-3-6 无源矩阵电极结构行、列电极交叉点即为显示像素,如Y3、X3电极同时选通了像素P33,P33发光P33在两透明电极之间施加电场以改变液晶分子对光的透射率,称为对液晶显示器的驱动。根据液晶显示器的不同结构,其驱动方式有多种,有段电极驱动(显示字符)、无源矩阵电极驱动(可显示图像,但多路驱动时有串扰)、有源矩阵电极驱动(像素独立寻址,多路驱动无串扰、阈值陡)等。对彩显液晶显示屏的驱动,目前主要采用有源矩阵电极驱动。1. 有源矩阵液晶显示屏有源矩阵液晶显示屏分为晶体管驱动和非线性元件驱动两类。这里我们只介绍目前应用最多的晶体管驱动显示屏。2. 薄膜场效应晶体管栅极引线公共电极源极引线栅极引线TFT栅极GCLCRLC透明电极(图案)漏极D源极S源极引线图 3-3-7 薄膜场效应晶体管示意图图3-3-7是薄膜场效应晶体管(TFT, Thin Film Transistor)驱动的液晶显示器的一个像素,薄膜晶体管TFT是开关器件。它的导通与截止状态接近理想开关,因此,各个像素之间的寻址完全独立,从而,消除了各个液晶像素之间的交叉串扰。大大改善了液晶显示图像的对比度和清晰度。3驱动时序与波形VgVLDT1T2图 3-3-8 TFT 驱动时序tT1选通时间 T2非选通时间当TFT栅极被扫描选通时,栅极加入一正高压脉冲Vg,TFT导通,若此时源极有信号VLD输入,液晶像素即加上了信号电压VLD 。Vg消失后,CLD上的电荷将保持相当长的时间,直至再次被选通后新的VLD到来,CLD上的电荷才改变。4. TFTLCD驱动矩阵的结构如图3-3-9、图3-3-10所示。当行线Xi加高电平脉冲时,连接在Xi上的TFT全部被选通,图像信号经缓冲器同步加在源极母线(Y1Ym)上,经TFT将信号电荷加在液晶像素上。Xi每帧被选通一次,Y1Ym每行都要被选通。缓冲、同步电路 扫描电路X1X2X3XnYmY1Y2Y3 源极母线栅极母线TFT液晶电容信号图3-3-9 有源矩阵电极驱动电路4. 彩色TFTLCD有源矩阵显示器在下玻璃板上制作扫描线(X)和寻址线(Y),在其交叉处制作TFT及像素电极(透明),上玻璃下的整体透明电极是公用电极,在其上用精细加工方法制作RGB滤色膜,滤色膜与TFT像素矩阵上下对应。最后经封盒、灌注、堵孔、贴偏振片、表面防眩处理等一系列工艺制成器件,如图3-3-11所示。TFT像素矩阵玻璃偏光片偏光片玻璃微彩色膜黑色膜透明电极取向膜液晶取向膜钝化膜图3-3-11 彩色TFT有源矩阵液晶显示器5. TFTLCD有源矩阵驱动的优点(1)TFT-LCD有源矩阵驱

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