平板显示技术：第三章-液晶与液晶显示器

1,液晶显示的特点,低压、微功耗平板结构被动显示显示信息量大易于彩色化长寿命无辐射、无污染显示视角小响应速度慢,2,采用降温的方法,即将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态,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,熔致液晶,热致液晶,按照液晶的形成条件分类以分子结构來区分,3.1.2液晶的分类,小分子液晶,高分子液晶PolymericLC,3,Thermotropic(热致液晶):(a)一定温度范围内才呈液晶态的物质，因温度的改变而产生相变(b)具有显著的光电特性，应用于显示器,Lyotropic(溶致液晶):(a)将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，因溶於溶剂中浓度比例的改变而产生相变(b)特别存在于生物体组织中(c)对温度反应敏感，在生物科技领域占重要地位,4,LiquidCrystalPolymer,高分子液晶又称为聚合物液晶，其基本单体是由长条狀或圆盘状的液晶分子形成液晶基元(Mesogens)，再与聚合物相連接形成主链(mainchain)，或嵌在聚合物兩侧形成侧链(sidechain)。,主链型,侧链型,5,分子形狀,排列方式,长条状(Rod-like),圆盘狀(Disc-like),3.胆固醇相(Cholesteric),1.向列相(Nematic),2.近晶相(层列相)(Smectic),1.圆柱相(Columnar),2.向列相(Nematic),Thermotropic(热致液晶),板条状(Lath-like),热致液晶分类,6,液晶分子的排列,7,层列（近晶）相(S型）液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分成9个小类。按发现年代的先后依次计为SA、SBSI。近晶型液晶结构上的差别对于非线性光学特性有一定影响。,8,向列相（N型）液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序，但分子（杆）的指向矢n大体一致，即杆不是一头尖，一头圆。这个等价性是向列相液晶与其他液晶（如近晶相）的一个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列，却使向列相物质的光学与电学性质，即折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。,9,正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常数各向异性，使得用电来控制光学性能，即液晶显示成为了可能。与近晶相液晶相比，向列液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液晶显示器，例如扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。,10,胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾（胆固醇）相液晶（CH型）。这类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。当不同的分子长轴排列沿螺方向经历360的变化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距（P）。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。,11,坚硬部,柔软部分,缝隙部,末端部,刚性部,缝隙部,末端部,液晶的混合技术：通过混合多种单质材料，可以得到单质液晶中得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。amixtureoftwoLCcompoundscanofferamuchlargertemperaturerangethatexhibitsthenematicphaseforLCDapplications。themeltingpoint,clearingpoint,De,elasticconstants,Dn,andviscositydependonthemixtureratio。显示用液晶材料通常由10种左右的分子组成,12,相变温度（熔点mp、清亮点cp），介电各向异性（），折光各向异性（n）粘度（），弹性常数（K）等。,3.1.4液晶显示材料的物理性能,一般单化合物液晶分子（单体液晶）具有下列物理性质：,任何有机化合物的性能取决于其分子结构，液晶化合物也不例外，液晶化合物的特性由液晶化合物的分子结构决定，即，液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向异性。,13,A.相变温度（熔点mp、清亮点cp）,液晶相（介晶相）：指化合物从熔点到清亮点之间的温度。,清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。,熔点,清亮点,14,B.介电各向异性（）,=-,15,C.折光各向异性（n）,n=ne-no,16,D.弹性常数,展曲,扭曲,弯曲,介电常数和弹性常数共同决定阈值电压。,17,针对不同运动方式，液晶有几个粘度,D.粘度,粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度越小，显示器的响应速度越快。粘度、盒厚、驱动电压和温度决定响应时间。,18,液晶材料的常用检测方法,在研制某种混合液晶材料中，通常要使用许多测试方法来评价混合液晶材料的性能指标是否达到要求，如果评价不符合要求，即返回基础配方，重新选择添加剂进行配制，经过往复数次才能实现配方的最后定型。,一般相变温度测试用DSC或温台+POM法。组成测定用GC或HPLC方法。电阻率测试用微电流计加电极。光电性能测试用液晶综合参数测试仪。粘度测试用粘度测试仪。光学各项异性用偏光折射仪。,19,3.1.5液晶的各向异性,液晶分子一般都是刚性棒状的，由于分子头尾所接分子团不同，在长轴与短轴方向上具有不同的性质。这些性质包括：折射率n，介电率，导电率，磁化率x，粘滞系数等。由于液晶本身的弹性常数很小，其分子排列在外电场、磁场、应力、热能等作用下极易变动，从而使这种各向异性改变。液晶在显示方面的应用原理正是从这种特性出发的。,20,介电异向性/-是液晶显示器件原理的基础。,液晶,1.介电各向异性,1、正性液晶（NP)：偶极矩平行于分子长轴。,2、负性液晶（Nn)：偶极矩垂直于分子长轴。,3、介电转换液晶（DT)：在低频电场或高频电场作用下，分子长轴方向与分子永久电偶极矩的夹角可由0到/2变化。,正负性液晶在电场作用下分子的行为,0,0,21,2.折射率的各向异性双折射率:光线进入液晶分子内部以后会被分成两条折射线（液晶的双折射）。n=n/-n，n0表示单轴正晶体（正型液晶），沿着长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率；n1,1,1,Ey,Ez(FringeField),Ey(InPlane),1,FoldedITO,Metals,FFS和IPS技术比较,Vcom,Vpixel,透光区,95,FFS技术,FFS结构跟IPS模式大同小异，正负电极不再是间隔排列。上基板没有电极，下基板的像素电极和数字电极之间有一层钝化层SiO2(150nm)。IPS模式中，由于电极间距大于盒的间距和电极宽度，加电压时水平电场主要存在于电极之间，电极中心处为近似的垂直电场。电极上的液晶分子加电压时不旋转，所以它的开口率要比TN模式的要低。FFS中，电极间的距离小于盒的间隙和电极宽度，加电压时整个液晶盒内的电场线是抛物线形状，即在电极的上方既有电场的水平分量又有电场的垂直分量，因此电极上的分子也可以旋转，从而提高了盒的透光率。由于FFS技术中液晶是在面内旋转，使液晶分子在受到外界压力时，液晶分子复原速度很快，在受到触摸时，可以基本保持原样不变。由于工艺复杂程度和难度的增加（通常需要经过5到6次的光刻掩膜过程），生产的良品率与成本是制约FFS技术大范围量产的主要原因,96,FFS宽视角技术特点,广视角和高亮度,钝化层,公共电极,像素电极,取向层,Glass,Glass,透光,光源,透光,IPS,Glass,Glass,光源,透光,FFS,Glass,液晶分子,电场,偏振片,偏振片,偏振片,电场,液晶分子,偏振片,97,第一代FFS技术主要解决宽视角、高开口率、低功耗高亮度等问题。主要改进是采用透明电极以增加透光率.透明电极不会遮挡光线，所以可以实现达到较高的开口率。第二代FFS技术(UltraFFS)将像素改为楔形电极，采用双畴结构，形成双方向电场，在一个像素内液晶分子从最初的排列位置偏转到两个相反的方向，液晶分子间相互补偿，重点改善了色偏，增大了可视角度。第三代FFS技术(AdvancedFFS)通过(电动力学优化)对液晶材料的改良和优化，在正型液晶(响应时间虽然较快，但光效率很低)上获得负型液晶90%左右的光效率，从而解决了因为负型液晶黏度大导致响应时间慢的问题；同时AFFS对楔形电极进行修改，使之具备自动抑制光泄漏的能力，这样可以大幅缩小彩色滤光片固有的黑矩阵与像素电极间的重叠幅度，进一步提高了透光率。,98,全球广视角技术竞争态势及技术比较,99,100,6.PLS技术(三星2011.8),PLS面板的全称为PlanetoLineSwitching，其驱动方式是所有电极都位于相同平面上，利用垂直、水平电场驱动液晶分子动作。VA类面板采用的是垂直排列，由纵向电场进行加压；IPS面板则是采用共面转换的形式，采用横向电场进行加压；而PLS面板则是前两者的综合，通过纵向与横向两种电场共同驱动液晶分子,101,广视角技术比较,FFS技术特点：采用6Mask工艺像素电极和公共电极由透明金属构成公共电极图形为平面结构正或负介电各向异性液晶均适用像素电极的图形为楔状图形在一个像素中存在两个不同的电场方向在一个像素内液晶分子从最初的排列位置偏转到两个相反的方向,102,LCD新技术动向,视角特性的改善提高响应速度提高解像度反射式彩色LCD有机膜柔性基板LCD降低LCD厚度的玻璃上芯片技术,103,液晶电视销售收入占全球电视市场份额,104,IPSAlphaTechnology开发出32英寸全高清IPS面板,IPSAlphaTechnology开发出了32英寸电视使用的19201080像素全高清（highdefinition）IPS（in-planeswitching）液晶面板。像素间隔为0.36375mm，约为以往HD面板（1366768像素）的1/2，视频响应时间为8ms。,105,全高清32英寸IPS面板（左）。右侧为2011年4月开始供货的全高清37英寸IPS面板,106,第5.5代液晶玻璃底板塑料搬运容器面世,日本积水化成品工业开发出了第5.5代液晶面板用玻璃底板的塑料搬运容器。该产品可与生产线上的搬运机器人配套使用。此次开发的搬运容器的材料采用的是聚丙烯与聚苯乙烯的共聚物。以前，塑料搬运容器的材料大