第二十三讲 液晶显示2.ppt

第七部分显示技术 主要内容 1阴极射线管显示 2液晶显示器件 LCD 3半导体发光显示器件 OLED 4等离子显示器件 PDP 5激光显示技术 显示技术是多学科交叉综合技术 是信息时代重要的标志之一 绪论 2液晶显示器件 LCD LCD显示器的主要优点 寿命长 理论可到5万小时 光栅不受磁场影响 清晰度高 屏幕边缘和中心清晰度相同 防爆 防辐射 安全性好 体积小 重量轻 LCD显示器的主要缺点 惰性大 快速图像显示有拖尾 存在视角问题 大屏幕高清晰度显示成品率低 成本高 一 什么是液晶 1889年德国物理学家D Leimann将其命名为 液晶 简称为 LC 在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD 1888年奥地利的植物学家F Reinitzer发现了一种呈混浊态的粘稠液体 放到偏光显微镜下观察 发现这种液体具有双折射性 液晶态是物质的一种形态 液晶是一种介于固体与液体之间 具有规则性分子排列的有机化合物 液晶分为两大类 溶致液晶和热致液晶 前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态 如肥皂水 多在生物系统中存在 后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态 大致呈细长棒状或扁平片状 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶 在不同电流电场作用下 液晶分子会做规则旋转90度排列 产生透光度的差别 依此原理控制每个像素 便可构成所需图像 低于温度T1 就变成固体 晶体 称T1为液晶的熔点 高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态 称T2为液晶的清亮点 LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定 液晶分类 按分子排列状态 向列相液晶 Nematic 又称丝状液晶 向列相液晶由长径比很大的棒状分子组成 保持与轴向平行的排列状态 正由于向列型液晶分子的这种一致排列 使得它的光学特性很像单轴晶体 呈正的双折射性 对外界的电 磁 温度 应力都比较敏感 是显示器件上广泛使用的材料 二 液晶的光电特性 0 正介电各向异性液晶 P型液晶 0 负介电各向异性液晶 N型液晶 1 液晶的各向异性 外场作用下的取向 在外电场作用下 分子的排列极易发生变化 P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向 N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向 目前液晶显示器主要应用P型液晶 使液晶分子排列发生变化存在一定的临界电场强度EC 即存在分子排列方向变化的阈值电压Vth 2 液晶的双折射 以P型为例 长轴为光轴向列液晶有 所以 n 0 即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质 3 液晶的电光效应 液晶材料在施加电场 电流 时 其光学性质会发生变化 这种效应称为液晶的电光效应 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用 目前发现的电光效应种类很多 机理也较复杂 但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果 液晶的电光效应分类 三 液晶显示器件 玻璃板 镶嵌电极或交叉电极 液晶材料 镶嵌电极或交叉电极 玻璃板 背光板 1 动态散射 DS LCD 型液晶显示器件 1968年 1972年 在不通电的情况下 液晶盒呈透明状态 当通过低频交流电时 当电压超过阈值电压Uth时 在液晶层内形成一种因离子运动而产生的 威廉畴 Williams 继续增加电压 最终会使液晶层内形成紊流和扰动 并对光产生强烈的散射 DS液晶显示器件是无偏振片结构 电流较大 一般在背面衬以黑色衬底 2 扭曲向列液晶显示器件 TN LCD 1971年 1984年 属第二代液晶显示器件 它是最常见的一种液晶显示器件 将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3 SnO2 简称ITO 薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶 厚度约为数微米 玻璃基板表面做平行取向处理 即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜 用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟 在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下 形成一个间隙为几个微米的液晶盒 间距远大于光波长 由于内表面涂有定向层膜 在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列 但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直 液晶分子在两片玻璃之间呈90 扭曲 这就是扭曲向列液晶器件名称的由来 基本结构 当入射光通过偏振片后成为线偏振光 在无外电场作用时 由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定 在出射处 检偏片与起偏片相互垂直 旋转了90 的偏振光可以通过 因此呈透光态 白底 基本工作过程 在有电场作用时 当电场大于阈值场强后 液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列 即与表面呈垂直排列 此时入射的线偏振光不能得到旋转 因而在出射处不能通过检偏片 呈暗态 黑字 基本工作过程 若两偏振片的偏振轴相互平行 则实现黑底白字显示 称为负显示 TN LCD的电光特性 阈值电压Vth 透射率为器件最大透射率的90 常白型 或10 常黑型 所对应的电压有效值 Vth是和液晶材料有关的参数 对于TN LCD 大约在1 2V之间 饱和电压Vsat 透射率为器件最大透射率的10 常白型 或90 常黑型 所对应的电压有效值 陡度r r决定器件的多路驱动能力和灰度性能 陡度越大 多路驱动能力越强 但灰度性能下降 视角 不同视角下对比度就不同 甚至可能出现暗态的透射率超过亮态透射率的情况 即出现对比度反转 瞬态响应 延迟时间 定义为加上电压后透光率达到最大值10 时的时间 上升时间 定义为透光率从10 增加到90 所用的时间 下降时间 定义为透光率从90 下降到10 所用的时间 电光响应通常滞后几十毫秒 透光率并不和外加电压同时增加 而是经过几个脉冲序列之后才开始增加 并在经历一定序列脉冲后 达到最大值 停止施加电压时 透光率经过一定时间才达到最小值 目前普通TN LCD的响应时间在80ms左右 TN LCD的瞬态响应曲线 TN LCD的驱动 LCD的驱动有如下一些特点 1 为防止施加直流电压使液晶材料发生电化学反应从而造成性能不可逆的劣化 缩短使用寿命 必须用交流驱动 同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分 2 驱动电源频率低于数千赫兹时 在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关 3 驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载 TN LCD液晶显示的电极 段型电极 矩阵型电极 TN LCD驱动方式 静态驱动 矩阵寻址驱动 静态驱动 在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压 直到不需显示时刻为止 适用段式显示 矩阵寻址驱动 一种简单矩阵 或无源矩阵 驱动方式 即把TN LCD的上下基板上的ITO电极做成条状图形 并互相正交 行 列电极交叉点为显示单元 称为像素 用TN LCD制作的常用液晶显示器件 日本厂家使TN LCD技术逐步成熟 又因制造成本和价格低廉 使其在七八十年代得以大量生产 成为地位仅次于CRT在显示器件领域的主流产品 LCD高速发展引起了世界电子业界的极大关注 对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增 TN LCD的信息容量小 只能用于笔段式数字显示及低路数 16线以下 驱动的简单字符显示 1971年瑞士人发明了扭曲向列型 TN 液晶显示器 TN型液晶显示器件缺点 电光响应前沿不够陡峭 反应速度慢 阈值效应不明显 使得大量显示和视频显示等受到了限制 简单矩阵驱动存在交叉效应 使图像对比度降低 图像质量变差 扫描行数增加 占空比下降 3 超扭曲向列液晶显示器件 STN LCD 1985 1990年 第三代液晶显示器件 顾名思义 超扭曲 即扭曲角大于90 STN LCD利用了超扭曲和双折射两个效应 是基于光学干涉的器件 80年代初 人们经过理论分析和实验发现 只要将分子的扭曲角增加到180 270 时 实用器件在180 240 就可大大提高电光特性的响应速度 STN LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系 随着扭曲角的增大 曲线的斜率增加 当扭角达到270 时 斜率达到无穷大 曲线斜率的提高可以允许多路驱动 且可获得敏锐的锐度和宽的视角 消除颜色实现黑白显示的方法 双盒补偿法 DSTN 补偿膜法 FSTN 工作过程原理 白 底 黑字 补偿膜法 FSTN LCD的结构示意图 1985年 1990年 LCD销售额年均增长率达32 此阶段发展最快的是STN LCD 它从发明到批量生产仅用了五年时间 由于STN LCD具有扫描线多 视角较宽 对比度好等特点 很快在大信息容量显示的膝上型 笔记本型 掌上型微机及中英文打字机 图形处理机 电子翻译机及其它办公和通信设备 手机 中获得广泛应用 并成为该时代的主流产品 1990年销售额15亿美元 占整个LCD市场的83 STN LCD的发展 4 有源矩阵液晶显示器件 AM LCD 属于第4代液晶显示器 普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的电光特性 对多路 视频运动图像的显示很难满足要求 有所谓的 交叉效应 由于每个像素相当于一个电容 必产生串扰 当一个像素被先通时 相邻行 列像素将处于半选通状态 人们在每一个像素上设计一个非线性的有源器件 使每个像素可以被独立驱动 克服了 交叉效应 MIM液晶显示器件的电极排布 二端型以MIM 金属 绝缘体 金属 二极管阵列为主 三端型以薄膜晶体管 TFT 为主 有源矩阵液晶显示器件的种类 MIM液晶显示器件等效电路 其结构为Ta Ta2O3 Cr 二端有源器件相当于一个双向性二极管 正 反向都具有开关特性 由于MIM面积相对于液晶单元面积小得多 故其等效电容CMIM CLC 其等效电阻RMIM是非线性的 1 MIM 当扫描电压和信号电压同时作用于像素单元时 MIM器件处于断态 RMIM很大 且CMIM CLC 电压主要降在CMIM上 当此电压大于MIM器件的阈值电压时 MIM进入导通状态 RMIM迅速减小 通态电流对CLC充电 充电电压均方值Vrms达到液晶阈值电压Vth时 液晶单元显示 当扫描移到下一行时 原单元上的外加电压消失 MIM转为开路 CLC通过RLC缓慢放电 以致于可以在一帧时间内维持Vrms Vth 于是该单元不仅在寻址期内 而且在一帧时间之内保持显示状态 解决了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降其对比度亦下降的弊病 工作原理及过程 2 薄膜晶体管 TFT SiTFT 属于非晶硅 薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件 特点 工艺简单 玻璃基板成本低 导通比大 可靠性高 容易大面积化 1 显示电极 2 玻璃基板 3 透明电极 4 液晶层 5 MOSFET阵列 6 基板 7 信号存储电容器 8 FET TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构 同一般液晶显示器类似 两片玻璃板之间封入TN型液晶 不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线 行 列线 在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极 上玻璃板是一共用电极 如果是彩色显示 则还要在上面用微细加工方式 染色法 或印刷法 制作上与下面矩阵对应的R G B滤色膜 TFT的栅极G接扫描电压 漏极D接信号电压 源极S接ITO像素电极 与液晶像素串联 TFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形 当扫描脉冲加到栅极G时 使D S导通 内阻变小 信号电压产生大的通态电流ION 并使CLC很快充电到信号电压 当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时 该像素显示 电压测去 CLC通过RLC缓慢放电 称为像素的存储效应 由这样的 存储效应 使一个帧周期内Vrms Vth 即显示占空比为1 1 由于三端器件的通态电流更大 开路电阻更高 开关特性更陡 因此比二端器件的显示性能也更好 工作原理及过程 1985年后 由于超扭曲液晶显示器的发明及a SiTFT液晶显示技术的突破 LCD技术进入了大容量化的新阶段 使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发 并迅速商品化 LCD市场需求量大幅度增长 有源矩阵驱动LCD显示技