华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理.ppt

2020 3 25 1 2 1液晶与液晶显示器 LCD 2 2液晶用于显示的物理性能 2 3LCD的各种显示方式及其工作原理和特性 2 4各种类型的液晶材料 2 5LCD的构造与制作 2 6LCD的各种驱动方式 2 7LCD的技术发展动向 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 2 2 1 1液晶 液晶显示器 liquidcrystaldisplay LCD 的主要构材料为液晶 所谓液晶是指在某一温度范围内 从外观看属于具有流动性的液体 但同时又是具有光学双折射性的晶体 这大概便是液晶这个名词的来源 1888年奥地利的植物学家F Reinitzer在胆甾醇的苯 甲 酸及醋酸酯化合物中发现了液晶状态 晶体 固态 各向异性 液晶态有序流体 液态各向同性 T1 T2 熔点 清亮点 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 3 液晶物质的大多数为有机化合物 其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状 液晶相中这些分子的排列状态一般取图2 2所示的特殊的排列方式 即按图中所示排列方式的不同 液晶可分为层列 smectic 液晶 向列 nematic 液晶 胆甾相 cholesteric 液晶等几大类 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 4 在层列液晶中 棒状分子排成层状结构 层内分子长轴互相平行 每层厚度约2 8埃 与层面近似垂直 这种分子层间的结合较弱 层与层间易于相互滑动 用手模 有肥皂的滑腻感 因此 层列液晶显示出二维液体的性质 但与通常的液体相比 其粘度要高得多 在光学上具有正性双折射性 层列 smectic 液晶 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 5 在向列液晶中 棒状分子都以相同的方式平行排列 每个分子在长轴方向可以比较自由地移动 不存在层状结构 因此 富于流动性 粘度较小 可利用外加电场对具有各向异性的向列液晶分子进行控制 改变原有分子的有序状态 从而改变液晶的光学性能 实现液晶对外界光的调制 达到显示目的 向列 nematic 液晶 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 6 胆甾相液晶与层列液晶同样形成层状结构 分子长轴在层面内与向列液晶相似呈平行排列 但是相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别 整个液晶形成螺旋结构 螺距约为300nm 胆甾相液晶的各种光学性质 例如旋光性 选择性光散射 圆偏光二色性等都是基于这种螺旋结构 胆甾相 cholesteric 液晶 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 7 2 1 2液晶与显示 通过上述讨论可以看出 液晶的分子排列结构 并不像晶体结构那样坚固 因此 在电场 磁场 温度 应力等外部刺激的影响下 其分子容易发生再排列 由此液晶的各种光学性质发生变化 液晶所具有的这种柔软的分子排列 正是其用于显示器件 光电器件 传感器等的基础 在用于液晶显示的情况下 液晶的特定的初始分子排列 在电压及热等的作用下 其分子排列发生有别于其他分子排列的变化 伴随这种分子排列的变化 液晶盒的双折射性 旋光性 二色性 光散射性 旋光分散等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化 也就是说 液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示 属于非主动发光型 受光型 显示 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 8 2 1 3LCD的特征 LCD最大的特征是兼备薄型 轻量 低功耗 低工作电压等 LCD优点如下 1由于低功耗 几至几十微瓦每平方厘米 利用电池即可长时间运行 属于省能源型 2低电压运行 几十伏 特 可由IC直接驱动 驱动电子回路小型 简单 3元件为薄型 几毫米 而且从大型显示 对角线长几十厘米 到小型显示 对角线长几毫米 都可以满足 特别适用于便携式装置 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 9 4属于非主动发光型显示 即使在明亮的场所 显示也是鲜明的 5容易实现彩色显示 因此便于显示功能的扩大及显示的多样化6可以进行投影 扩大 显示及组合 集成 显示 因此容易实现大画面显示 对角线为数米的显示 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 10 LCD在具有上述优点的同时 也存在实用上的缺点 1 由于属于非主动发光型 在采用反射方式进行显示时 在比较暗的场所 显示不够鲜明 2 在需要鲜明的显示及彩色显示的场合 需要背置光 3 一般说来 显示对比度与观察方向相关 因此 视角的扩大受到限制 4 响应时间与周围温度有关 低温 30 40 时工作不能充分保证 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 11 2 2 1物理性质的各向异性 液晶分几大类 参照图2 2 但无论哪一类 在分子的长轴相互平行排列这一点上是共同的 从而 液晶物质的折射率 介电常数 磁化率 电导 粘度 等各种物理性质 在液晶分子长轴的方向 和与其垂直的方向 有很大的不同 即存在各向异性 n n 正是基于液晶所具有的上述物理性质的各向异性 再与其通过施加电压及加热等 分子排列容易发生再排列的现象相组合 才展现了以液晶显示为代表的液晶的各式各样 丰富多彩的应用 液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列 在处理液晶物理性质的各向异性时十分重要 参照图2 3 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 12 Z X Y 0 a n 图中n为着眼于全体液晶分子时 分子长轴的择优取向方向 即主轴方向的单位矢量 为个别液晶分子长轴方向a相对于n的偏离角 液晶分子排列的有序程度 由下式所定义的分子排列的有序化参数S来表述 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 13 像各向同性液体那样 分子长轴取向完全无序的场合 S 0 所有分子完全平行取向的理想液晶 S 1 通常 向列液晶的有序化参数S也与温度相关 取值有一定范围 一般S 0 3 0 8 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 14 按照光的偏振状态不同 可分为五大类 自然光线偏振光部分偏振光圆偏振光椭圆偏振光 一 自然光与偏振光 1偏振光 Polarizationoflight 补充知识 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 15 一 线偏振光 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 线偏振光的表示法 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 16 二 自然光 一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的 等幅的 不相干的线偏振光 自然光的表示法 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 17 三 部分偏振光 部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的 不等幅的 不相干的线偏振光 部分偏振光的表示法 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 18 四 圆偏振光 椭圆偏振光 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 19 2偏振片的起偏和检偏 马吕斯定律 一 起偏 起偏的原理 利用某种光学的不对称性 偏振片 起偏 从自然光获得偏振光 起偏器 起偏的光学器件 微晶型 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 20 分子型 偏振片的起偏 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 21 二 马吕斯定律 马吕斯定律 1809 消光 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 22 3光在晶体中的传播 双折射 一 双折射的概念 1 双折射 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 23 第二章液晶与液晶显示器 2 寻常光和非寻常光 o光 遵从折射定律 e光 一般不遵从折射定律 e光折射线也不一定在入射面内 2020 3 25 24 光的双折射现象 1 一束光入射晶体分成两束光的现象称为双折射 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 25 3 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射 该方向称为晶体的光轴 例如 方解石晶体 冰洲石 光轴是一特殊的方向 凡平行于此方向的直线均为光轴 单轴晶体 只有一个光轴的晶体 双轴晶体 有两个光轴的晶体 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 26 4 主平面和主截面 主平面 晶体中光传播方向与晶体光轴构成的平面 主截面 晶体表面法线与晶体光轴构成的平面 二 晶体的主折射率 正晶体 负晶体 光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同 光的传播速度也不同 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 27 n0 ne称为晶体的主折射率 第二章液晶与液晶显示器 二者分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的通常光及呈平行的异常光的折射率 2020 3 25 28 第二章液晶与液晶显示器 正晶体 ne no e o 负晶体 ne no e o 2020 3 25 29 4旋光现象 一 物质的旋光性 使线偏振光的振动面发生旋转 a 旋光率 旋转的角度 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 30 2 2 2折射率的各向异性与各种光学性质 2 2 2 1折射率的各向异性 对于向列液晶和层列液晶来说 液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴 n0代表电矢量振动方向与光轴垂直的寻常光o的折射率n n0 n ne代表电矢量振动方向与光轴平行的非寻常光e的折射率n ne n 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 31 折射率的各向异性 n n ne n0 n n 正 如图所示 在不同方向上n0表现为球面 ne表现为旋转椭球面 n0通常比ne小 仅在取向n的方向二者才一致 n为正 正因为如此 向列液晶和层列液晶称为光学正液晶 向列和层列液晶 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 32 胆甾液晶 在胆甾液晶情况下 光轴即螺旋轴 它与液晶分子长轴取向矢n的方向垂直 这时 n ne n0 0 所以具有负的光学性质 第二章液晶与液晶显示器 负 2020 3 25 33 2 2 2折射率的各向异性与各种光学性质 2 2 2 2各种光学性质 能使入射光的行进方向向液晶分子长轴的方向偏转 能改变入射光的偏振状态 线偏振 圆偏振 椭圆偏振 或偏振方向 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者透射 各种液晶显示器基本上是根据上述三大光学特性而设计制造的 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 34 当入射光与液晶长轴夹角为 入射光可分解为垂直和平行于液晶长轴的两个分量 速度分别为v v v Csin n v Ccos n n n 光速合成方向与液晶分子长轴的夹角变小 光线向长轴靠拢 第二章液晶与液晶显示器 液晶中 2020 3 25 35 第二章液晶与液晶显示器 射入液晶的光线的前进方向 2020 3 25 36 第二条特点可以解释 设液晶指向矢n与x轴一致 沿z轴方向人射的电矢量E0为线偏振光 其振动方向与x轴成 角 设在z 0处 电矢量在x y方向上的分量为Ex Ey 则行进到z z处 人射线的偏振光状态可用上式表示 4 随着 增大 偏振光状态按照直线 椭圆 圆 椭圆 直线偏振光的顺序变化 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 37 对于第三个特点的解释 对于扭曲螺距p与光的波长相差不大的胆甾相液晶而言 表现为旋光物质 当入射偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向相同 则入射光将被反射 反之 则入射光将可以透过液晶层 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 38 2 2 3施加电场引起分子排列的变化 对具有特定初始分子排列的液晶施加电场 其分子排列会发生区别于其他分子排列的转变 同时 与此转变相伴随 液晶的光学性质会发生变化 液晶的介电常数各向异性 为正或负 由液晶的分子结构决定 0 液晶分子长轴与极板平行 0 液晶分子长轴与极板垂直 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 39 对具有介电常数各向异性 的液晶施加电场E 则会产生下式所表示的电场能量密度 对 0的液晶施加某一强度以上的电场 E Ec 则分子长轴 指向n 会发生与电场E平行的再排列 而对 0的液晶来说 会发生n与E相垂直的再排列 其原因是 处于这种再排列状态时 液晶的电场能量密度fe变得最低 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 40 2 3 1液晶的电气光学效应及显示方式 液晶分子在其某种排列状态下 通过施加电场 将向着其他排列状态变化 液晶盒的光学性质也随之变化 这种通过光学方法 产生光变换的现象 称为液晶的电气光学效应 electro opticeffect 电流效应型 动态散射 DS 型扭曲向列 TN 型宾 主 GH 型双折射控制 ECB 型介电各向异性型超扭曲向列双折射 SBF STN 液晶的相变 PC 型电器光高分子分散 PD 型学效应电场效应型单稳态性 非存储 型铁电型 FLC 双稳态性 存储 型反铁电型 AFLC 层列型热效应性胆甾相型 图2 8液晶的各种电气光学效应 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 41 2 3 1液晶的电气光学效应及显示方式 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 42 2 3 2扭曲向列型 在透明电极基板间充入10um左右厚的 0的向列液晶 NP液晶 构成三明治结构 使液晶分子的长轴在基板间发生90 连续的扭曲 制成向列 TN 排列的液晶盒 该液晶盒扭曲的螺距与可见光波长相比要大得多 因此 垂直于电极基板入射的直线偏光的偏光方向 在通过液晶盒的过程中 随液晶分子的扭曲发生90 旋光 参照2 2 2节 因此 这种TN排列液晶盒具有使平行偏振片间的光遮断 而使垂直偏振片间的光透过的功能 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 43 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 44 图2 9表示在垂直偏振片间设置TN排列盒的场合 基于电气光学效应TN型显示方式的原理 在这种情况下 不施加电压时使光透过 而施加电压时 使光遮断 在平行偏振片间 这种光的透过或遮断关系是可逆的 目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种TN方式 在白的背景下可以显示黑 而在黑的背景下可以显示白 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 45 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 46 第二章液晶与液晶显示器 FieldOFF 2020 3 25 47 2 3 3超扭曲向列型 2 3 3 1着色方式这种电气光学效应是基于扭曲角从180 到360 的超扭曲向列液晶分子排列的液晶盒的双折射效应 称为SBE super twistedbirefringenceeffect 或STN super twistednematic 效应 具体说来 SBE STN型LCD是在2片偏振片间充以超扭曲向列液晶盒构成三明治结构 利用由液晶双折射性而产生的光干涉现象而进行的显示 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 48 伴随着 的增大 可以获得明显陡直的阈值特性 因此 SBE STN型LCD适用于单纯矩阵驱动的大容量显示 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 49 上 下偏光轴与上 下基片分子长轴都不互相平行 而是成一个角度 一般为30度 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 50 STN液晶盒一般工作于光程差为0 8um的情况下 干涉色为黄色 当加上大于Vth电压时 白光可透过液晶层 但是在经过检偏镜时则明显减弱 液晶盒呈黑色外观 称为黑 黄模式 如果检偏镜光轴相对于出射光侧液晶分子长轴方位左旋30度 则为白 蓝模式 即不加电压时 液晶盒呈蓝色 加电压时 液晶盒呈无色外观 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 51 TN 起偏镜的偏光轴与上基片表面液晶分子长轴平行 检偏镜的偏光轴与下基片表面液晶分子长轴平行 即上下偏光轴互相成90度角 STN液晶盒中 上 下偏光轴与上 下基片分子长轴都不互相平行 而是成一个角度 一般为30度 TN液晶盒与STN液晶盒的比较 TN 扭曲角为90 STN 扭曲角为270或附近值 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 52 TN 是利用液晶分子旋光特性工作的 STN 是利用液晶的双折射特性 通过液晶盒两束光产生光程差 在通过检偏镜时发生干涉 TN液晶盒工作于黑白模式 STN液晶盒一般工作于光程差为0 8um的情况下 干涉色为黄色 也可以进行黑色显示 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 53 2 3 4铁电型 FLC 目前低档液晶显示器件采用TN液晶 中档 采用STN液晶 高档 采用有源矩阵TN液晶 但是它们的视角范围小和响应速度慢仍是主要缺点 不适用于高速变化的电视图形显示 铁电液晶的发现为液晶显示器进行视频驱动带来了希望 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 54 几个基本概念 自发极化 铁电体 电畴 在每一个小区域内 极化均匀 方向相同 存在一个固有电矩 这个小区域称为电畴 在没有外电场作用下 介质的正 负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象称为电介质的自发极化 凡呈现自发极化 并且自发极化的方向能因外施电场而改变的 称为铁电体 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 55 铁电液晶的特点 具有与分子指向矢垂直的固定偶极矩 即具有铁电性 具有螺旋结构 如3 45所示 每层分子排列如同近晶C相 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 56 螺旋的特点为各层中分子的方位角 不变 但层之间另一个方位角 逐层转过一个角度 因此偶极矩随 角作螺旋转动 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 57 2 3 4铁电型 FLC 非存储 单稳态 型 液晶盒的厚度比其手性节距z要大得多 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 58 E 0时 每层中液晶分子与层法线成相同 角倾斜排列 层之间液晶分子在 角方向作螺旋转动 如取电极平面与纸面平行 则铁电液晶分子排列的初始态如图 a 所示 螺旋轴与电极平面平行 每一层中分子同向排列 即偶极矩也同向排列 会产生一定自发极化 层之间 自发极化的方向从层到层在 方向作螺旋转动 各层分量总体为零 所以总体不表现出自发极化 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 59 施加直流电场时 自发极化强度Ps与电场强度E的相互作用力Ps E随电场强度的增加会使螺旋间距加长 最终在电场强度超过一定大小的临界场强 E Ec 时 z变为无限大 螺旋结构完全消失 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 60 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 61 FLC型LCD的各种方式 1 双折射方式 E Ec时 液晶分子长轴方位与一方偏振片的偏光轴相一致 入射直线偏光通过液晶盒时不受双折射作用 整个液晶盒呈现暗的状态 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 62 E Ec 分子长轴的倾斜方位角产生2 的变化 从而入射直线偏光发生双折射 液晶盒全体发生光干涉现象 从而呈现亮的状态 这样 通过施加直流电场正 负极性的切换就可以实现光闸 明暗的最大对比度可以在SC 液晶的倾斜角 为22 5 45 2 的条件下实现 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 63 在本方式中 使用溶解有二色性染料的SC 液晶盒和一个偏振片 在施加电场E Ec后的分子排列中 使分子的长轴方位与偏光轴相一致 这样入射直线偏光受到二色性染料最大限度地吸收 整个液晶盒很强地着色 图2 13 d 而后 若使施加电场的极性反转 E Ec 则分子长轴的倾斜方位角发生2 的变化 从而入射直线偏光受染料的吸收明显减少 整个盒色彩变淡乃至接近无色 图2 13 c SC 液晶的最佳倾斜角为45 90 2 2 二色性方式 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 64 2 3 6宾 主型 在一定分子排列的液晶 主 中 溶解二色性染料 宾 该二色性染料的分子在长轴方向和短轴方向对于可见光的吸收具有各向异性 二色性染料的分子与液晶分子呈平行排列 因此 当作为主体的液晶分子排列随施加电压而变化 作为客体的染料分子排列也一起连动地发生变化 这样 通过二色性染料 可以由外加电压控制可见光的吸收量 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 65 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 66 在不施加电压的情况下 由偏振片射出的白色直线偏光的振动方向与染料的光吸收轴一致 于是产生光吸收致使透射光着色 另一方面 在施加电压时 直线偏光的振动方向与染料的光吸收轴相正交 原理上不发生光吸收 从而透射光不着色 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 67 2 3 7双折射控制型 双折射控制 ECB 型显示方式是基于通过施加电场对液晶盒的双折射进行控制来实现的 作为多色液晶显示方式是很有用的 这种方式根据所用液晶盒的分子排列不同可分为均质垂直方式 DAP 均质平行方式 混合渐变向列方式 HAN 等几种类型 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 68 图2 19ECB DAP 型显示方式的原理 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 69 在不施加电压的情况下 入射直线偏光通过液晶盒时不受双折射作用 因此不能透过第二偏振片 检偏片 呈黑色 而当施加电压时 液晶分子长轴发生角度为 的倾斜 入射直线偏光受到双折射作用而变为椭圆偏光 于是部分光透过检偏片 从而使透射光着色 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 70 2 3 8高分子分散型 高分子分散型由向列液晶和高分子构成 并利用复合体的光散射效应进行显示 基于这种方式的LCD总称为高分子分散 polymerdispersed PD LCD 根据复合体的构造 这种PD型LCD可分为向列毛团准直相 nematiccurrilinearalignedphase NCAP 型和聚合物网络 polymernetwork PN 型两大类 第二章液晶与液晶显示器 2020 3 25 71 NCAP型是液晶以微小粒滴的形式分散在高分子基体中构成的 PN型是在液晶的连续相中高分子以三维网络状或微小粒滴状分散而形成的 由上述的构造可以看出 二者中液晶的比例是不同的 在液晶含有率高的PN型LCD中 复