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液晶显示姓名:谢焱强专业:光信息科学与技术班级:光科1202第一章 显示用液晶材料1.1液晶的基础知识1）液晶的由来19世纪末，1888年奥地利的植物学家莱尼茨尔FReinitzer在作加热胆甾醇苯甲酸酯试验时发现，当加热使温度升到一定程度后结晶的固体开始溶解，但溶化后不是透明的液体，而一种呈混浊态的粘稠液体。当进一步升温时才变成透明的液体，他在偏光显微镜下观察发现这种液体具有双折射性，而双折射是固态晶体所具有的特殊性质。于是人们总结出了在一定温度范围内具有晶体所具有的各向异性造成的双折射，也具有液体所特有的流动性的物质肯定与传统所知的固态晶体与液体不同。它应该是一种不同于固体（晶体），又不同于液体（各向同性可流动的液态）和气体的特殊物质态。当时的德国的物理学家德曼D Leimann将其称为液态晶体，英文又称为“Liquid Crystal”液晶，简称为LC，用它制成的液晶显示器件称为LCD【1】。2）液晶的组成LCD使用的液晶，一般是指混和液晶，由多种液晶单体及手性剂混和而成。3）液晶的形成条件分类热致液晶：采用降温的方法,既将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态。熔致液晶：有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶。4)液晶的特性液晶分子中有带极性基团的和不带极性基团的，带极性基团分子的液晶单体主要决定混和液晶的阀值电压参数，不带极性基团分子的液晶单体主要决定混和液晶的折射率和清亮点。液晶中带极性基团的单体与不带极性基团的单体在静置条件下会出现同性异构体层析现象。5) 液晶的分类近晶相图1.1：棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直与层面。在层内，分子的排列具有二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动。在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移。近晶型液晶的黏度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不易制作显示器件。向列相图1.2：向列相液晶的排列方式分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行。表现出液体的特征，具有流动性。胆甾相图1.3：在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。图1.1近晶型液晶态图1.2向列型液晶态图1.3胆甾型液晶态6) 影响液晶性能的主要参数清亮点、折射率n、阀值电压、纯净度、粘滞常数K、介电常数、螺距。7) 液晶的优点是：1）高清晰、高亮度、影像逼真、画质细腻而富立体感是液晶电视带给观者的第一印象。2）轻薄、省电、无闪烁、无辐射亦是液晶电视傲视传统CRT彩电的突出卖点。3）同时，液晶电视的接口也极为丰富，可接驳电脑、DVD等音视频设备，现在一些厂家还将读取Flash卡的功能整合进了液晶电视，这也让液晶电视具备了更多的数码味道。此外液晶电视的放置位置也很随意，可以放到墙上，也可以安置在天花板上，人们躺卧在床上也可看到画面。1.2 液晶的物理性质液晶受扰动时，分子取向有恢复平行排列的能力，称为曲率弹性，弹性常数一般很小。向列相和胆甾相的分子取向改变有3种形式：展区、扭曲、弯曲。近晶相发生形变时，层厚保持不变，只有展区和层面位移引起的混合弹性。液晶既是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材料而定，并与频率有关。液晶分子受外电场或磁场影响容易改变取向。液晶是非线性光学材料，具有双折射性质。液晶的缺陷有位错和向错两种，后者是由于分子发生不连续变化引起的，向列相只有点向错和线向错；胆甾相可以有位错和向错。1.2.2液晶的电光效应(Electro-optic effect)液晶的电光效应：是指液晶在外电场下的分子的排列状态发生变化,从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射现象的特殊的光学性质。液晶的电光效应主要包括以下几种：液晶的双折射现象、电控双折射效应、动态散射、旋光效应、宾主效应。第二章 液晶显示器的基础知识2.1液晶显示器技术的发展史液晶显示器件是指利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号就可以制成显示器。自1968年第一块液晶显示器诞生后，LCD的技术发展经历了5个阶段：第一阶段（19681972）：1968年美国RCA公司研制了动态散射形液晶显示器，1972年执制造出动态散射形液晶手表，LCD技术从此走向实用化阶段。第二阶段（1971-1984）:1971年瑞士发明人扭曲向列型（TN）液晶显示器，日本厂家使其产业化，由于TN-LCD制造成本低，成为20世纪七八十年代液晶产品的主流。第三阶段（1985-1990）：1985年后，由于超扭曲（STN）液晶显示器的发展及非晶体硅薄膜晶体管液晶显示技术的发明，使LCD技术发展进入了人大容量显示的阶段。第四阶段（1990-1995）在有源矩阵液晶显示器飞速发展的基础上，LCD技术开始进入高画质液晶显示阶段。第五阶段（1996年后）：LCD已在笔记本电脑中普及应用。从1998年开始，TFTLCD产品打入监视器市场，长期困扰液晶的三大难题视角、色饱和度和亮度问题已你基本解决。目前我国是TN-LCD生产大国，STN-LCD生产量不大，TFTLCD产品还是缺门，由于我们不掌握面积TFT矩阵制造工艺，使LCD产品停留在较低的水平上。2.2液晶显示器的分类1.扭曲向列液晶显示器（TN-LCD）1. 基本结构液晶材料：具有正介电各向异性的Np向列液晶。厚度约10微米的。两片玻璃基片：沿面排列，连续扭曲90o排列。偏振片：2片（正交或平行）。2. 工作原理不通电时：直线偏振光通过液晶时偏光方向扭曲，90o旋光，由另一偏振片射出光透过；通电时：直线偏振光通过液晶时偏光变，一偏振片光遮住。. 3. 工作条件： 只要入射光波长远小于液晶盒的扭曲螺距和其折射率各向异性的乘积，光在通过该液晶盒时，其偏振面产生的扭转角度就与光的波长无关。TN液晶显示器的工作阈值电压Vth：与介电常数和弹性常数k11、k22、k33有关。4. TN液晶显示器缺点： (1) TN液晶的电光特性不陡，所以在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只适用于静态驱动或四路以下动态驱动的段形显示中； (2) 电光响应速度慢，100ms，只适用于显示静止或缓慢变化的画面； (3) 光透过和关闭都不彻底，只能做到灰纸黑字的效果，显示画面对比度不理想。2.超扭曲向列液晶显示器（STN-LCD）1. 基本结构液晶材料：手性向列液晶掺有百分之几旋光材料。厚度约10微米的。两片玻璃基片：沿面排列，连续扭曲180270o排列。偏振片：2片（正交或平行或成一夹角）。2. 工作原理不通电时：直线偏振光通过液晶时偏光方向扭曲，180270o旋光，由另一偏振片射出光透过；通电时：直线偏振光通过液晶时偏光方向不变，不能通过另一偏振片光遮住。 20世纪80年代初发现：TN液晶器件的液晶分子扭曲角加大，就可以改善其电光特性的陡度。为了维持大于90的扭曲角，需要使向列液晶具有本征的扭曲结构，称为手性向列相。掺有百分之几旋光材料的普通向列液晶手性向列相液晶内在扭曲结构取决于所掺加旋光物质是左旋还是右旋的。手性向列相液晶扭曲螺距与掺杂浓度成正比，故易于调节。 扭曲角大于90，一般在180360之间的液晶器件 超扭曲向列（STN）液晶。随着扭曲角的增加，电光特性曲线明显变陡，=270时曲线陡度趋于无穷大。3. 分类： STN模式（超扭曲向列）180270o SBE模式（超扭曲双折射）270o OMI模式（光干涉）180o4. 与TN型的不同 (1) 扭曲角不同； (2) 两偏振片夹角不同，STN一般为30o； (3) TN利用液晶分子旋光特性，STN利用液晶的双折射特性； (4) TN为黑白模式，STN为有色模式。 5. 特点及应用 高档无源矩阵液晶显示器，研究热门。 不适于显示灰度。 选材和工艺苛刻，成本高。 点阵图像/字符显示。3. 动态散射液晶显示器（DS-LCD）1. 基本结构液晶材料：掺入一定比例的离子型有机电解质材料。两片玻璃基片：带透明导电电极；定向处理，使液晶分子沿面排列。2. 工作原理不通电时，液晶盒是透明的；通电时，液晶盒变成乳白色，不透明。威廉姆斯畴阈值电压VW（约10V）V=0：沿面分子排列，透明VVW：产生周期性液晶分子环流，呈现出与液晶盒厚度相同间隔的周期性静态条纹图案威廉姆斯畴。VVW：将出现紊流，使光变成强烈的向前散射动态散射(DS)效应，液晶盒变成乳白色，不透明。3. 工作条件： 1. 液晶盒必须足够厚（大于6微米）； 2. 液晶材料的阻值要低，小于(12)1010cm； 3. 介电各向异性必须为负。 4. 驱动交流电频率限制：临界频率fc 4. DS液晶显示器的缺点： 1. 电流较大； 2. 对比度差； 3. 出现光散射的紊流使图像边缘不很清晰； 4. 由于掺加电解质，液晶材料质量变差，寿命较低。 DS-LCD是唯一的电流型器件，首个实用化的LCD产品5. 威廉姆斯畴 因为有少量带电的杂质离子存在于样品之中，电场作用下，这些离子从一个电极向另一个电极迁移，但是这些离子平行于分子长轴的迁移率大于垂直于分子长轴的迁移率。在某些条件下，离子的这种运动实际上能够使液晶分子沿着电场取向，即使是原本垂直于电场的取向是从优的；在另一种情况下就会产生明暗条纹的规则图案称为威廉姆斯畴，并能看到被运动的液晶分子所带动的尘埃离子在条纹带隔中进行着周期运动。4. 电控双折射型液晶显示器（ECB-LCD）1. 基本结构液晶材料：Nn或Np 两片玻璃基板：Nn垂面排列DAP型；Np沿面排列；Np垂面，沿面排列HAN型。偏振片：2片（正交）2. 工作原理利用液晶的双折射现象。5.宾主效应液晶显示器（GH-LCD）1. 基本结构 液晶材料：掺入二色性染料分子的液晶。 两片玻璃基板：分子排列方式多样。 偏振片：1片或无。 二色性染料分子具有光吸收的各向异性： 如果染料分子长轴垂直于光的电矢量取向，染料分子对某一彩色光吸收较小，观察透过光时染料是亮的； 如果染料分子长轴平行于光的电矢量取向，染料分子对某一彩色光吸收较大，观察透过光时染料是暗的；正性（纵向型）二色性染料2. 工作原理 二色性染料分子“客随主便”！ 如果染料分子和液晶分子形状大小差不多，当少量二色性染料溶于液晶中时，二色性染料分子将倾向于与液晶分子平行。6.相变液晶显示器（PC-LCD）1. 基本结构 液晶材料：掺入Chp/n的Np/n。 两片玻璃基板：焦锥排列。 偏振片：无。2. 工作原理 胆甾相液晶在电场作用下会变成垂面排列或沿面排列的向列液晶。 利用电场是液晶从胆甾相变为向列相或反之相变效应。7. 固态液晶膜液晶显示器（PDLCD）2. 液晶聚合物（LCP）显示器 液晶高分子：在一定条件下能以液晶相态存在的高分子； 液晶聚合物（PLC）：有热致和溶致之分，热致PLC又可分为主链型和侧链型两种。 侧链型液晶聚合物：液晶单元处于聚合物的侧链上。液晶聚合物网络显示器：电场作用激光束写入8. 多稳态液晶显示器（MLCD）多稳态液晶显示器的特点： 1. 结构简单，不用偏振片。依靠胆甾液晶的选择光反射实现显示，属于纯反射型显示，不需要背光源。而且其反射光强，不怕光冲刷，在室外可实现高反差、低功耗、大视角、非常清晰的显示。 2. 具有任何灰度级下的无功存储功能。在断电条件下可以将信息记忆很长时间。不受行列数量限制，没有交叉效应，可以实现大容量、高密度显示，而且功耗极微、灰度丰富、可替代有源液晶显示。3. 实现彩色化容易，仅靠改变液晶配方，利用干涉色即可实现彩色化，不需要滤色片，因而颜色鲜艳，效率高。又由于其具有丰富的灰度等级，可以实现从全黑到全亮的多级灰度显示，因而可以实现几十万种以上的真彩色。4. 响应速度由脉冲宽度决定，故可以实现极快的响应和视频显示。5. 适合制作大屏幕、室外型显示器。液晶显示器件的驱动液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础，而液晶分子排列的改变可通过电、磁、热等外场的作用的实现。我们把这种通过外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。液晶显示器的驱动方式分类：1）电驱动方式：.静态驱动方式.动态（时间分割）驱动方式：a.直接矩阵驱动方式b.有源矩阵驱动方式2）光寻址驱动方式3）热寻址驱动方式第三章液晶显示器件驱动原理根据液晶显示器件的原理可知，它是靠外电场作用于初始排列的液晶分子上，依靠液晶分子的各向异性和偶极矩的特点，使液晶分子的初始排列发性改变，调制通过液晶器件的外界光，使液晶显示器件发生明与暗，遮与透和变色等效果，达到显示的目的。因此外加电压时，必须达到一定强度，即超过液晶显示器件的阈值和维持一定时间。液晶显示必须牢记下列三个特点：1）液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十毫伏；2）由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关；3）液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。第四章有源矩阵液晶显示器无源矩阵液晶显示器存在的问题：无源矩阵TN液晶显示器件的电光特性很难满足高质量图像，特别是视频图像的显示。高分辨率要求的高扫描行数N，会导致：(1) 驱动路数的宽容度随N的增加而迅速下降；(2) 每个像素的占空比1/N随N的增加而下降，这将导致驱动电压的提高，同时要求更亮的背光源。问题原因：因为液晶像素的双向导通特性，即加正压驱动的效果与加负压驱动的效果是一样的。解决方法：在信号线和像素电极之间串接一个或若干个非线性元件，使复合像素具有非线性，消除原像素的双向导通特性，使每个像素可以独立驱动，从而克服交叉效应，实现多路驱动视频；如果复合像具有存储性，则还可以解决占空比变小带来的问题。在信号线与像素电极之间设置非线性元器件的矩阵驱动方式有源矩阵(Active Matrix)方式。1. 有源矩阵液晶显示器件分类根据非线性器件的种类，有源矩阵液晶显示器可分为二端有源器件和三端有源器件两大类。三端有源方式： 扫描输入与寻址输入可以分别优化处理，所以图像质量好，是主流；但工艺制作复杂，投资额度大。 三端有源方式中以薄膜晶体管TFT为主，目前的主流是a-Si（非晶硅）TFT；为了适应视频动态画面，还开发出了P-Si（多晶硅）TFT；C-Si（单晶硅）AM-LCD现在是液晶投影电视的主流，简称LCoS(Liquid Crystal on Siticon)，一般尺寸小于1英寸。二端有源方式： 工艺相对简单，开口率较大，投资额度小；但图像质量稍差。2. 二端有源器件1. 工作原理 液晶像素可等效为一个小电容，其电学特性是对称的或双向性的。如果在每个液晶像素上串联一个二极管，构成的复合像素将具有非线性，即非对称的。 设二极管正向导通电压为Vb，外加电压为Vo，当二极管与液晶像素串联后： 当VoVb时，液晶像素上的电压为Vo-Vb。 此时液晶显示器件的电光特性曲线的陡度可表示为：如果二极管伏安特性曲线为理想L形，且Vb足够大时，则值可非常接近于1。这样就突破了TN液晶屏的扫描极限。如图所示：每个像素Pi,j上部都串联一个二极管Di,j。 扫描行Xi 零电压；未扫描行Xi 负电平。 寻址列Yi 负电平；未寻址列Yi 零电压 。 被选择像素： 行电压零，列电压负值-VXF ，二极管正向导通，像素电压VXF VbV90； 未被选择像素：行电压负值-VXF，列电压零，二极管反向截止，像素电压0。 因此，完全消除了交叉效应。一般来说，二极管反向截止，即其反向电阻远大于液晶像素的漏阻。因此被选择的像素充上电压后，在寻址信号移去后仍能保持。像素上的电荷只能靠自身的漏电才能泄放掉。所需时间这取决于液晶像素的介质驰豫常数LC。因此，上述单二极管有源矩阵的存储特性是不可能太大的，只对减少闪烁起作用。 介质驰豫常数LC应小于帧周期TF，否则影响器件的响应特性。TFT-LCD简介1.什么是TFT，是如何工作的？TFT ：Thin Film Transistor（薄膜电晶体）；LCD：Liquid Crystal Display（液晶显示器）。TFT-LCD发明於1960年，经过不断的改良在1991年时成功的商业化为笔记型电脑用面板，从此进入TFT-LCD的世代。TFT就是用来主动控制每一个像素光通过量的元件。由于这个原因，被称是“有源主动矩阵薄膜晶体管”。在TFT-LCD中，TFT的功能就是相当于一个开关管。常用的TFT是三端器件，一般在玻璃基板上制作半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，设有栅极。利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。对于显示屏来说，每个像素从结构上可以简化看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶，更重要的是从电的角度可以把它看作电容。2. TFT-LCD结构图图2.1TFT-LCD 结构图TFT-LCD面板的基本结构如图2.1，为两片玻璃基板中间夹住一层液晶。前端LCD面板贴上彩色滤光片，后端TFT面板上制作薄膜电晶体(TFT)。当施电压于电晶体时，液晶转向，光线穿过液晶後在前端面板上产生一个画素。背光模组位于TFT-Array面板之后负责提供光源，彩色滤光片给予每一个画素特定的颜色，结合每一个不同颜色的画素所呈现出的就是面板前端的影像。3. TFT-LCD的显示原理让面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，为了达成这个目的，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。为了要让光通过每一个像素，面板必须被分割且制造成一个个的小门或开关来让光通过，这项技术的实现是相当复杂的。液晶显示器(LCD)也就是使用液晶元件来调变光的屏幕。液晶可以改变它的分子结构，因此可以让不同程度的光量通过它本身(也可完全阻断光线)。液晶显示器里含有两片偏极片、彩色滤光片阵列及取向膜，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。液晶层位于两片玻璃片之间，当施以一个电压给取向层，则产生一个电场，使取向层界面的液晶朝某一个方向排列。每一个像素都由红、绿、蓝三个子像素(Subpixel)所组成，就如同显像管一样【3】。TFT-LCD技术是微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术。人们利用在Si上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行TFT阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用与业已成熟的LCD技术，形成一个液晶盒相结合，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器。4.TFT-LCD的玻璃基板的制造过程应用的玻璃基板，其主要厚度为0.7 mm及0.6mm，且即将迈入更薄（如0.4 mm）厚度之制程。基本上一片TFT- LCD面板需使用到二片玻璃基板，分别供作底层玻璃基板及彩色滤光片（COLOR FILTER）之底板使用。一般玻璃基板制造供货商对于液晶面板组装厂及其彩色滤光片加工制造厂之玻璃基板供应量之比例约为1:1.1至1:1.3左右。 LCD所用之玻璃基板概可分为碱玻璃及无碱玻璃两大类；碱玻璃包括钠玻璃及中性硅酸硼玻璃两种，多应用于TN及STN-LCD上，玻璃基板在TN/STN、TFT-LCD应用上，要求的特性有表面特性耐热性耐药品性及碱金属含量等。以下仅就影响TFT- LCD用玻璃基板之主要物理特性说明如下： 1 .张力点(Strain Point)：为玻璃密积化的一种指标，须耐光电产品液晶显示器生产制程之高温。2 .比重：对TFT-LCD而言，笔记型计算机为目前最大的市场，因此该玻璃基板之密度越小越好，以便于运送及携带。3 .热膨胀系数