液晶显示器(LCD)

1、液晶显示器（液晶显示器（LCD） 广东工业大学广东工业大学 王王 衢衢 显示技术显示技术 一、发展历程与特点一、发展历程与特点 某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段会经历一个不透明浑浊的液态阶段，在该阶该阶 段物体还兼具有晶体的性质段物体还兼具有晶体的性质，继续加热才成为各项同性的液态 这就是世界上第一次发现的热致液晶热致液晶胆甾醇苯甲酸酯胆甾醇苯甲酸酯 1961年，美国无线电公司（RCA）的电子学专家G. H. Heilmeier把电子学应用于有机化学，发现在液晶两端加上电 压，会出现各种各样的电光效应，由此想到把液晶应用到显示 领域 1968年RCA公布液晶发明 1969年，日本

2、开始把大规模集成电路与液晶相结合 日本人从液晶手表、计算器等低档产品起步，直到开发出多晶 硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器 1888年奥地利植物学家Reinitge首次观察液晶现象 1. 发展历程发展历程 2. 主要特点主要特点 n低功耗： 23v 工作电流几个微安 n平板结构 两片导电玻璃，中间夹着液晶 高开口率、面积可做大做小、便于大规模生产、器件很薄 n被动显示 液晶本身不发光，靠调节外光而达到显示目的。被动显示更适 合人类的视觉特性，不易引起眼部疲劳。 n显示信息量大 像素之间没有隔离，同样显示窗口可容纳更多像素 n易于彩色化 液晶通常无色，可加滤色膜实现彩色 n长寿、无辐射、污染 3

3、. 主要缺点主要缺点 n 显示视角小 液晶显示利用了液晶的各向异性，不同 方向光的反射率不同。随视角变大，对比度下降 n响应速度慢 电场作用下，液晶排列发生变化。响应速度收粘滞度影响很大 零下几十度就不能个工作，温度过高液晶也会受到影响 动态特性较差 n暗时看不清 4 液晶的分类液晶的分类 液晶又被称为物质的第四态 既具有液态的流动性，又具有晶 体的各向异性，具有双折射特性各向异性，具有双折射特性 晶体之所以有各向异性，是因为晶体分子是按一定规则 排列的 n热致液晶 当液晶物质受热时，在某温度内呈现各向异性的。用于显示的 都是可在室温下工作的热致液晶。多呈细棒状细棒状 （1）近晶相液晶（层状、

4、S型） 分子排成层，层内分子长轴互相平行，可能垂直于层面，或倾斜 排列 排列规整，接近晶体，二维有序。有16种，SA，SB，SC等等 T1熔点熔点T2 清亮点清亮点中介相态中介相态 （2）向列相液晶（丝状、S型） SASC SA 分子长轴垂直层面 SC 每层分子长轴均匀倾斜一 个角度。每层倾斜方位角 可以任意，也可以沿层法 线方向呈螺旋分布 粘度大、不易转动，响应速度慢。一般不适宜做显示器件。用 于显示，厚度要小于24微米，工艺要求较高 由长径比大的棒状分子构成。分子不排成层，可 上下、左右、前后滑动。所有液晶长轴大体指向 一个方向。流动性强，粘度小，相互作用力小， 易于控制。是显示器件中最常

5、使用的液晶材料是显示器件中最常使用的液晶材料 （3）胆甾相液晶（螺旋状，CH型） 液晶分子呈扁平状，排列成层。层内分子互相平行。分 子长轴平行于层平面。不同层分子稍有变化，沿层的法 线方向列成螺旋状。 长轴指向沿螺旋方向经历360 度变化后，又回到原来的取向。 这个周期的层间距离称为胆甾 相液晶的螺距螺距P P 螺距螺距P P 这里显示了半个周期这里显示了半个周期 螺距通常螺距通常300nm，与可见光波，与可见光波 长同量级长同量级 方向可以是左旋或右旋 n溶致致液晶 将溶质溶于溶剂而形成的液晶态物质。显示技术上尚无应用 二、二、 晶体光学简介晶体光学简介 1 双折射现象双折射现象 冰冰 洲洲

6、 石石 光在晶体里变成了两束， 折射程度不同。与普通 玻璃的单折射完全不同 垂直入射到冰洲石上的光被 折射为两束。偏离的那一束 明显违反折射定律，而另一 条遵守折射定律 晶体内的两条折射光线，一条总是遵守折射定律，称为寻常光寻常光 （o光光），另一条经常经常违反折射定律，称为非寻常光非寻常光（e光光） 2 晶体光轴晶体光轴 冰洲石中存在一个特殊方向，光沿这个方向传播时o、e 光不分开。这个特殊方向叫做晶体的光轴（与几何光学与几何光学 中的光轴不是一个概念中的光轴不是一个概念） AB两个顶点的连线方向就是光轴方向 光轴是方向，不是某条特定直线。与光轴是方向，不是某条特定直线。与 光轴方向平行的所

7、有直线都叫光轴光轴方向平行的所有直线都叫光轴 把AB两个顶点磨平，并使磨平表面 与光轴方向垂直，再让光垂直入射 到该平面上。折射光线不会分开折射光线不会分开 冰洲石天然晶体冰洲石天然晶体 入射面入射面：入射光线与入射表面的法线构成的平面，根据 折射定律，折射光（寻常光）和入射光都在这个入射面 内。 主截面主截面：光轴与入射表面的法线构成的平面。当入射光线在当入射光线在 主截面内时，两个折射光线都在主截面内主截面内时，两个折射光线都在主截面内 o、e光都是线偏振光，并且偏振方向垂直光都是线偏振光，并且偏振方向垂直 3 双折射的成因双折射的成因 晶体的物理性质是各向异性各向异性的，在不同方向上，物

8、理量的值不 相同。 冰晶石只有一个光轴方向，称为单轴晶体单轴晶体（还包括红宝石、石 英）。还有一些晶体有两个光轴方向，称为双轴晶体双轴晶体（云母、橄 榄石、蓝宝石等等）。我们只研究单轴晶体，用于显示的液晶基用于显示的液晶基 本都是单轴的本都是单轴的 各向同性均匀介质中，一个点光源发出的光波速度是相同的光波速度是相同的 c v n c 真空光速，n 折射率折射率显然与方向无关 在单轴晶体中，o光规律与各向同性介质中完全相同，沿光规律与各向同性介质中完全相同，沿 各方向传播速度相同。各方向传播速度相同。 o o c v n o vo光光速 o n o光折射率 e光在光轴方向传播速度与o光一样，为

9、。但是在垂直光轴方 向是另一个值 e v o v e e c v n o光波面 球面 旋转椭球面 在光轴方 向，两个 波面相切 eo nn eo nn , eo n n晶体的主折射率晶体的主折射率 主平面：主平面： 晶体内的光线与光轴构成的平面 o光的偏振方向垂直于主平面光的偏振方向垂直于主平面 e光的偏振方向在主平面内光的偏振方向在主平面内 负负 晶晶 体体 eo vv 正正 晶晶 体体 eo vv 由于由于e光不遵循折射定律，如何判断其在晶体中的传播方光不遵循折射定律，如何判断其在晶体中的传播方 向成为一个问题！向成为一个问题！ 4 使用惠更斯作图法判定使用惠更斯作图法判定e光的传播方向光

10、的传播方向 使用同样方法也可确定e光的传播方向 纸面就是主截面，两束折射光线肯定 都在纸面内。显然，主平面与纸面也 是重合的。 o光偏振方向垂直纸面 e光偏振方向在纸面内 在学习物理光学时，我们已经知道在 各向同性介质中如何通过惠更斯作图 法判定折射方向，并推出折射定律。 单单 轴轴 晶晶 体体 几个最常见的实例 A 光轴垂直于晶体表面 入射光垂直入射 利用惠更斯左图法很容易 发现o光e光不会分离，并 且传播速度也相同 B 光轴平行于晶体表 面，入射光垂直入射 利用惠更斯左图法很容易 发现o光e光也不会分离， 但是传播速度有差异。出 射后o光和e光出现位相差 C 光轴平行于晶体表面，入 射光斜

11、入射，且垂直于光轴 o光、e光分离，但两种光都 遵循折射定律，折射率分别 为, oe n n 5 晶体中介电常数的各向异性晶体中介电常数的各向异性 折射率的各向异性与介电常数的各向异性有密切的联系。介电介电 常数反映了电场下介质的极化程度常数反映了电场下介质的极化程度 00000 1 ree DEEEEEEP 各向同性介质中 D、E方向相同 在各项异性晶体中，介电常数是一个张量 111213 212223 313233 通过坐标变换，在晶体中，我们总能找到三个主轴，使这个张量 对角化。 00 00 00 x y z 假如 ，则晶体为双轴晶体 xyz 假如 ，则晶体为单轴晶体，光轴就在则晶体为单

12、轴晶体，光轴就在z轴上轴上 xyz 00 00 00 xxx yyy zzz DE DE DE 显然 和 方向不一定相同D E 6 折射率椭球折射率椭球 222 1 xyz xyz nnn 折射率椭球具有如下性质： 可以用来表示晶体折射率在晶体空间各个 （电位移矢量）振振 动方向的取值分布动方向的取值分布。 D 折射率和介电常数满足如下关系 n 现在设 xx n yy n zz n 就是矢量 在三个主轴方向的折射率D , xyz n n n 在此基础，引入折射率椭球的概念 n从椭球中心出发任意矢径 ，其方向表示光波 矢量 的方向。矢径长度就是矢量矢径长度就是矢量 在该方向振动（偏振方向）在该方

13、向振动（偏振方向） 的光波的折射率的光波的折射率。 r D D 0 k n过椭球中心作垂直于某方向 的平面，截面是一个椭圆。椭 圆长短轴方向就是光波沿 方向传播时，两种可能的偏振方向， 长短轴一半的长度就是两种偏振方向对应的折射率。 0 k 单轴晶体的折射率椭球（以单轴晶体的折射率椭球（以z轴为光轴）轴为光轴） 对于单轴正晶体，这是个旋转长椭球面这是个旋转长椭球面kk0 DeDo z 光轴 222 1 oe xyz nn eo nn n 假如光波在k0方向上传播，与之垂直 的平面与椭球的截面是一个圆。由于无长 短轴之分，这说明沿k0方向上传播的光波 的偏振方向垂直于z轴，但无特定指向， 折射率

14、为半径 ，无双折射现象 o n n当光波沿k方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是 一个椭圆。长短轴的方向就是光波可能的偏振方向。其 中短轴的半长度是固定的，就是 ，因此短轴就是o光的 偏振方向。而长轴就是e光振动方向，其半长度就是折射 率。 o n n如果光波沿垂直于光轴（z轴）方向传播，与之垂直的平面与 椭球的截面是也是个椭圆，其中长轴与光轴重合，半长度为 。 短轴半长度为 ，方向垂直于光轴。这意味着，沿光轴垂直方 向传播的光波，存在两个可能偏振方向。一个偏振方向与光轴 平行，折射率为 ，这就是e光。另一个偏振方向与z轴垂直， 折射率为 。这就是o光。 e n o n e n o n 单轴

15、正晶体的折射率椭球中，椭圆截面的长轴方向是椭圆截面的长轴方向是e光偏振光偏振 方向，短轴方向是方向，短轴方向是o光偏振方向，短轴长度固定，半长为光偏振方向，短轴长度固定，半长为no 结论结论 三、三、 液晶的物理特性液晶的物理特性 1. 有序参量有序参量 向列相液晶具有各向异性的形态。液晶体系存在着一个主轴方向存在着一个主轴方向， 棒状液晶分子的长轴都倾向于平行这个主轴方向。平行于这个主轴， 向列相的各种物理量为一套数值，垂直于该轴线方向，则又有另外 一套值 z光轴 k k0 单轴负晶体 n 假如光波在k0方向上传播，结 论与单轴正晶体相同 n另两种情况与正晶体也类似，只不过 这时截面椭圆的长

16、轴方向是o光偏振方向， 短轴是e光偏振方向 就是液晶体系的主轴方向上的单位矢量（分子长轴的择优方 向），叫做指向矢指向矢 n a 个别液晶分子的长轴方向。 有序参量有序参量S：用来衡量分子体 系有序性的重要参数 如果分子没有择优取向 S=0 对应各向同性液体 S=1 对应各向异性晶体 分子有严格指向择优方向 液晶有序参量 S=0.30.8 液晶的有序性介于晶体和液体之间，且与温度有密切关系 c c TT SK T Tc 清亮点温度；K 比例系数 2. 液晶的各向异性液晶的各向异性 一般称平行于液晶分子长轴方向称为平行方向平行方向（ ），垂直与 液晶分子长轴方向为垂直方向垂直方向（ ） n介电常

17、数的各向异性介电常数的各向异性 平行于液晶分子长轴方向的介电常数 垂直于液晶分子长轴方向的介电常数 我们把 定义为液晶介电常数的各向异性介电常数的各向异性 0 正性液晶（Np） 1020 液晶分子的感生电偶极矩方向平行平行于分子长轴方向 0 负性液晶（Nn） -1-2 液晶分子的感生电偶极矩方向垂直垂直于分子长轴方向 NP和和Nn液晶分子在电场作用下的分子行为液晶分子在电场作用下的分子行为 正性液晶正性液晶Np负性液晶负性液晶Nn n电阻率电阻率 和电导率和电导率 电阻率接近于绝缘体与半导体之间，也具有各项异性 电阻率越小，杂质离子越多，通电场后，液晶分子结构 会被破坏。 n光学折射率各项异性

18、光学折射率各项异性 向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向，也就是大部分液晶分 子的长轴方向。 n平行于分子长轴（指向矢）的折射率 n 垂直于分子长轴（指向矢）的折射率 nnn 液晶折射率的各向异性液晶折射率的各向异性 n与偏振、旋光、折射、干涉等电光效应有密切关系 0n 正性液晶 0n 负性液晶 nn nn n弹性系数弹性系数k 由以上可以看出，在电场作用下，液晶会发生形变。描 述形变，需要引入弹性系数和粘滞系数。液晶的弹性系 数也是各向异性的。 xyz kkk （Z为分子长轴方向） n粘滞系数粘滞系数 描述了液晶的粘稠性。 n自由能自由能 当液晶处于平衡状态时

19、，自由能处于极小值当液晶处于平衡状态时，自由能处于极小值。在外场作用下， 液晶的自由能会增加，增加的部分就是使液晶形变所需的能量 对于正性液晶（ ） 对其施加电场作用（ ）0 c EE 要使自由能最小，分子长轴会发生与电场平行的再排列 对于负性液晶（ ） 对其施加电场作用（ ）0 c EE 要使自由能最小，分子长轴会发生与电场垂直的再排列 x c k E d 临界电场强度 x c k V 临界电压 对于正性液晶，未施加电场时，假如沿玻璃基板面排列， 且长轴沿x轴。通z方向电场后将沿电场平行排列，所需 要的临界电场强度和临界电压为： 在电场作用下胆甾型液晶可与向列相转换，临界电场强度、临 界电压

20、为： 2 0 2 y c k E dP 2 0 2 y c k V P 胆甾相液晶螺距未加电场时螺距 0P 四、四、 液晶的光学特性液晶的光学特性 绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作 n在向列相和近晶相液晶中分子长轴方向就是光轴方向分子长轴方向就是光轴方向 主折射率 代表振动方向与光轴垂直的o光的折射率，所以 o n o nn 主折射率 代表振动方向与光轴平行的e光的折射率，所以 e n e nn eo nnnnn 正性液晶 在光学上性质类似单轴正晶体 负性液晶在光学上性质类似单轴负晶体 nn nn 即 eo nn eo nn 即 向列相液晶和近晶相液晶主要为

21、正性液晶向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶 0n 类似单轴正晶体类似单轴正晶体 n在胆甾相液晶中，光轴是螺旋轴光轴是螺旋轴，与分子长轴取向垂直与分子长轴取向垂直 我们有如下的关系 e nn 22 1 2 o nnn 在这里，仍然有 nn 2222 1 2 eo nnnn eo nn 这意味着胆甾相液晶类似于单轴负晶体胆甾相液晶类似于单轴负晶体 几种最有用的液晶光学特性几种最有用的液晶光学特性 n 特性一特性一：如果入射光以如下方式正入射到向列相液晶上时，入入 射光有向光轴方向倾斜的趋势射光有向光轴方向倾斜的趋势 偏振方向偏振方向 垂直纸面垂直纸面 偏振方向平偏振方向平 行纸面行纸面 可以使用

22、惠更斯定理画图证明 入射光 o光 e光 界面 e光包络面 光轴方向 o光波面 夹角不同的时候偏振 状态的变化 入射光为线偏振光， 为偏振方向与x轴的夹角 x轴为光轴方向 n特性二特性二：当入射光以如下方式射入液晶 时，偏振状态会发生变化 此时o光与e光不会分开，但传播速度可能不相同，由 此产生相位差 2 oe nnz 不同z处位相差不同，导致偏振状态也发生变化 n特性三特性三：当入射光（线偏 振光）以如下方式正入射到 指向矢扭曲的向列相液晶时， 偏振方向会发生变化 这里的向列相液晶的指向矢由上 到下做螺旋式转动，很象胆甾相 液晶，但注意这里 P 螺距重要条件重要条件 现象一现象一 如果线偏振光

23、的偏振方向与入射面处 液晶的指向矢一致，偏振方向将会随 着指向矢的旋转而旋转。在出射处其 偏振方向与液晶指向矢方向一致 【扭曲向列相（扭曲向列相（TN）液晶）液晶】 现象二现象二 如果线偏振光的偏振方向与入射面处液晶的指向矢有夹 角，可把偏振方向分解为垂直于指向矢的分量和平行于 指向矢的分量，分别研究。出射光将会因光程差不同， 出现不同的偏振态（线偏振、圆偏振、椭圆偏振） n特性四特性四：胆甾相液晶是一种旋光物质 旋光物质旋光物质：某些光轴垂直于表面切取的晶体，当垂直入射的线偏 振光在光轴上传播时，偏振方向会随距离而转动偏振方向会随距离而转动。这种现象叫旋旋 光现象光现象。这类物质叫旋光物质（

24、石英）旋光物质（石英）。 对于一般的单轴晶体，是不应出 现旋光现象的。如左图所示。入 射后，无e光、o光差异，偏振 状态也不应有任何变化。 l 旋转角度在晶体中的传播距离 旋光系数旋光系数 ：与波长平方接近反比，换句话说，不同波 长的光旋转角度不同，这叫做旋光色散旋光色散 对着光传播方向观察，顺（逆）时针转动右（左）旋右（左）旋 菲涅耳对旋光现象的解释：菲涅耳对旋光现象的解释： 在晶体光轴方向上传播的线偏振光可以分解为两个频率相同两个频率相同， 传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光。 位相差 2 右左 l nn 合成之后的线偏振光转过的角度为 2 右左 l nn

25、 石英的旋光系数：10度/毫米50度/毫米（可见光波段） 胆甾相液晶的旋光特性： 强旋光物质：20000度/毫米 胆甾相液晶的特有现象胆甾相液晶的特有现象： 如果入射圆偏振光的旋转方向与胆甾相液晶的旋光方向相同， 并且波长满足如下关系，将被反射。 cosnp 被反射光的频带： np nnn 螺距与温度有关，改变温度，胆甾相液晶就会反射不同的颜色。 其他波长成分的光，或者偏振旋转方向与液晶相反的光都将透射 2 nn np螺距 入射光线与螺旋轴（光轴）的夹角 五、五、 液晶的沿面排列方式液晶的沿面排列方式 在外场作用下，液晶分子从初始的排列方式转为其他排 列方式，光学特性也发生变化。因此均匀稳定的

26、液晶分 子排列是液晶显示器件的工作基础 第三行表格反映了在上下两层玻璃基板处液晶指向矢与基板的位 置关系。 要形成以上的排列，就需要对上下的导电玻璃基板做分 子取向预处理 n垂直取向处理n平行取向处理 n倾斜取向处理 六、六、 液晶显示器主要性能参量液晶显示器主要性能参量 1 电光特性电光特性 液晶在电场作用下，透射光强会发生变化透射光强与外加电 压的关系就是电光特性曲线 负负 电电 光光 特特 性性 曲曲 线线 正正 电电 光光 特特 性性 曲曲 线线 th V阈值电压阈值电压 该值越小，则显示器所需的工作电压越低。 s V饱和电压饱和电压 该值较小表明比较容易比较容易达到良好的对比效果 对

27、比度对比度 max min T T 对比度 最大透过强度 最小透过强度 陡度陡度 s th V V 越陡越趋近于1，反之越大 比陡度比陡度 th sth V VV 越陡该值越大 在无源矩阵驱动液晶显示中，陡度越小，能驱动的路数（行数） 越大。 电光响应曲线电光响应曲线 如果电光曲线是正型的 r 上升时间 施加电压之后，液晶响应 所需时间 在各种显示技术中，液晶液晶 的响应时间比较长的响应时间比较长 d 下降时间 撤去电压之后，液晶响应 所需时间 合称响应时间响应时间 响应时间与液晶盒厚、粘 滞系数接近正比 对液晶施加右图电压产生对液晶施加右图电压产生 右下的电光响应曲线右下的电光响应曲线 扭曲

28、向列相 TN宾主 GH电控双折射 ECB 动态散射DS相变PC 常见液晶显示器件的响应时间常见液晶显示器件的响应时间 等对比度曲线Cr Cr=2 图像勉强可辨 Cr=5 图像相当好 对比度和视角对比度和视角 TN液晶的视角和对比度液晶的视角和对比度 2 温度特性温度特性 使用温度范围狭窄，温度效应严重。 温度高于清亮点，液晶态消失 温度过低，响应速度变慢，直至结晶 3 伏安特性伏安特性 普通型（静态驱动）： 040摄氏度 （动态驱动）： 540摄氏度 宽温型：两端各扩展1020摄氏度 电阻率高 1010欧姆/平方厘米 液晶器件可以看成是容抗型负载 七、七、 常见的液晶显示器件常见的液晶显示器件

29、 1 液晶器件的典型结构液晶器件的典型结构 TN型液晶型液晶 前后玻璃都会做定向处理， 是液晶分子按一定方式排列 2 液晶器件显示依赖的物液晶器件显示依赖的物 理效应理效应 n电场效应：利用介电常 数的各向异性 扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）、宾主型（GH）、 相变型（PC）、电控双折射型（ECB）、铁电效应型、聚合 物分散型（PDLC） n电流效应：利用介电常数和电导率各向异性 动态散射型（DS） 几大部件构成示意几大部件构成示意 3 液晶器件显示的三种方式液晶器件显示的三种方式 n反射式 n透射式 n投影式 利用外光，节省功率需用背光源 4 动态散射液晶器件（动态散射液晶器件（

30、DS-LCD） 有机电介质（导体）被掺入到液晶中 w VV阈值电压 液晶分 子沿面 排列方 式。液 晶盒透 明。 w VV 液晶分 子环流 状排列。 液晶盒 出现周 期性条 纹（威威 廉斯筹廉斯筹） 实现条件：实现条件： n液晶盒比较厚 （6微米） n电阻值低 n介电各向异性为负 缺陷缺陷 u电流大 u对比度小u边缘轮廓不清晰 u液晶质量差，工作寿命低 DS-LCD是世界上第一个实用化的液晶显示器件，也是唯一的 电流型器件。1968年被G.Heilmeier发明。现已不再使用。 w VV 出现紊流 状分子排 列。光被 强烈动态 散射。液 晶盒呈乳 白状不透 明 继续增大电压 5 扭曲向列相液晶

31、器件（扭曲向列相液晶器件（TN-LCD） 导电玻璃基片间充入Np液晶，但分子长轴方向在上下 基板间连续扭曲90度，形成扭曲（TN）排列 不通电 时，在 液晶内， 偏振方 向随分 子长轴 旋转而 旋转。 通电后， 不再扭 曲 正性显正性显 示示意示示意 图图 正性显示时，上下偏振片的偏振方向正交。若为负性显 示，两者平行 实现条件：P 螺距 此时偏正方向的扭曲与光波波长无关扭曲与光波波长无关液晶盒的厚度正好为P/4 阈值电压阈值电压 113322 0 24 th kkk V 0 介电常数各向异性 23v 电光效应原理图（正性显示）电光效应原理图（正性显示） 低档液晶显示器件中的只要是笔段式显示，

32、基本都使 用TN-LCD 液晶手表、计算器、数字仪器 TN-LCD主要参量主要参量 TN-LCD的缺点的缺点 n 电光特性曲线不陡（电光特性曲线不陡（1.41.6），如果使用无源点阵驱 动会出现严重交叉效应。驱动行数（路数）越多，交叉效 应越大。最多驱动最多驱动816路路。 n 电光响应速度慢，仅适用静止或缓变画面 n光透过或关闭不彻底。只能显示灰纸黑字，对比度不理想 6 电控双折射液晶显示器件（电控双折射液晶显示器件（ECB-LCD） 偏振方向 垂直纸面 的线偏振 光正入射 到液晶上， 在液晶中 只有o光 偏振方向 平行纸面 的线偏振 光正入射 到液晶上， 在液晶中 只有e光 e光折射方向向

33、光轴（液晶分子长轴）方向靠拢 注意注意：这里使用的是正性向列相（Np）液晶（ ）0 如果使用负性向列相（Nn）液晶 ，e光 折射方向将偏离光轴（液晶分子长轴）方向 0 n 垂直排列方式垂直排列方式 （DAP-ECB-LCD） 前后偏振 片偏振方 向正交 无电压时， 分子垂直 基片排列 这里使用的 负性向列相负性向列相 液晶（液晶（Nn） 出射光的光强是波长的函数，因 此该液晶显示可用于彩显该液晶显示可用于彩显 无电场时，没有双折射。线偏振光无法透过后面的偏振 片。液晶盒不透光 有电场时，液晶分子长轴趋于垂直电场方向液晶分子长轴趋于垂直电场方向。出现双折 射。由于位相差，使出射光变为椭圆偏振光，

34、能够透过 偏振片。 缺陷：缺陷： n可获得的彩色范围很窄可获得的彩色范围很窄 n不稳定，受温度影响很不稳定，受温度影响很 大大 n显示的彩色强烈依赖观显示的彩色强烈依赖观 察视角察视角 时时 间间 延延 迟迟 入射光入射光 为白光为白光 时，不时，不 同电压同电压 下，出下，出 射光的射光的 色调变色调变 化化 电压电压 n 沿面排列方式沿面排列方式 此时使用正性向列相液晶（Np）无电压时，分子沿基片 面排列 特点：特点：色调显示顺序与垂直方式相反，阈值电压较低，色纯度较好 原理与垂直排列方式完全类似。 原原 理理 示示 意意 7 宾主效应液晶显示器件（宾主效应液晶显示器件（GH-LCD） 有

35、些有机染料具有光吸收的各向异性。它们对振动电矢量 方向与其分子长轴平行（垂直）的某种彩色光的吸收要大 于振动电矢量方向与其分子长轴垂直（平行）的彩色光的 吸收。这类染料分子叫做正性（负性）二色染料分子正性（负性）二色染料分子 把这样的染料分子 掺杂到液晶分子中， 其分子长轴将倾向 于与液晶分子长轴 平行。液晶为主，液晶为主， 染料为宾染料为宾。客随主 便，在电场作用下， 染料分子会随液晶 分子一起转动，故 称为宾主型液晶器宾主型液晶器 件件 正性二色染料分子的光吸收特性正性二色染料分子的光吸收特性 根据被掺杂液晶的种类和排列方式，宾主液晶显示器件 又分为很多种类型 平面型宾平面型宾 主液晶显主

36、液晶显 示器件示器件 被掺杂液晶是正性 向列相液晶（Np）。 染料分子为正性。 无电压时，液晶分子和 染料分子长轴沿面排列。 染料分子与偏振方向平 行。大部分线偏振光被 吸收，只有一个很窄波 段的光透射，透射光带 深彩色。色调与染料种 类有关 工作原理：工作原理： 0V 平面型宾主液晶显示器件原理图平面型宾主液晶显示器件原理图 th VV 带电压时，液晶分子和染料分子垂直基片排列，染料分子 与偏振方向垂直。对线偏振光不再吸收，透射光为无色。 缺陷：缺陷： n电光特性差，随电压上升，电光曲线变化缓慢。 n工作电压高 1015v n加偏振片，亮度大幅度降低，不加偏振片，对比度很低 n响应时间比较长

37、。 一百多毫秒 一直未被广泛使用，多用于双色显示场合。 8 相变液晶显示器件（相变液晶显示器件（PC-LCD） 把向列相液晶和胆甾相液晶适当混合可以构成一种具有相变效 应的胆甾相液晶。这种液晶螺距很长，在电场作用下会变成垂 直排列或沿面排列的向列相液晶。 这种混合型液晶分为：正型（Chp）0 负型（Chn）0 使用Chp型胆甾相液晶 无电压时，液晶螺旋轴平行于基片面，呈焦锥状排列。入射光 通过会被强烈散射。液晶盒呈乳白色 加电压后，液晶螺距松弛伸长，液晶分子趋于平行电场方向， 电压超过阈值电压，则胆甾相液晶完全变为向列相液晶，液晶 长轴平行于电场。光完全透过，液晶盒透明。 去掉电场，液晶分子恢

38、复原状 工作原理工作原理1： 0V th VV n只有透过、浑浊两种状态，无灰度 n对温度敏感 工作原理工作原理2： 无电压时：螺旋轴垂直于基片，透射光为圆偏振光，液晶盒透明 加3伏电压：螺旋轴被打乱，入射光强烈散射，液晶盒不透明 加十几伏电压：液晶分子方向与电场一致，变为向列相液晶。 液晶盒再变透明。此时突然切断电压，液晶将会变成焦锥状排 列（螺旋轴平行于基片面），液晶盒呈浑浊状。 PC液晶盒具有双稳态，即具有存储功能双稳态，即具有存储功能 9 超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD） 以上的液晶显示器件电光特性曲线陡度不够陡度不够。使用无源矩阵驱 动，容易产生交叉效

39、应，驱动行数（路数）必须小于100线。 将传统将传统TN液晶显示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡液晶显示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡 度。扭曲角大于度。扭曲角大于90度，一般在度，一般在180360度的液晶器件称度的液晶器件称 为超扭曲向列（为超扭曲向列（STN）液晶器件。）液晶器件。 液晶材料：液晶材料： 在普通的向列相液 晶中掺入一些旋光 材料之后，向列相 液晶将具有天生的 扭曲结构，从而维 持大于90度的扭曲 角。这样的向列相 液晶叫做手性向列手性向列 相液晶。相液晶。手性向列 相液晶的螺距与掺 杂浓度成正比。 不同扭曲角的液晶盒中央部分液晶分不同扭曲角的液晶盒中央部分液晶分 子长轴

40、倾斜角随外加电压的变化曲线子长轴倾斜角随外加电压的变化曲线 扭曲角270度时，曲线陡度接近无穷大。此时无源矩阵 驱动的STN液晶显示器可以驱动可以驱动480路（行）以上路（行）以上 STN-LCD和和TN- LCD的工作原理的工作原理 区别区别 n TN 液晶盒扭曲角90度， STN液晶盒扭曲角270度 n TN液晶盒起偏镜偏光 轴与上基片表面液晶分子 长轴平行，检偏镜偏光轴 与下基片表面液晶分子长 轴平行，STN液晶盒中，液晶盒中， 上下偏光轴与上下表面上下偏光轴与上下表面 液晶分子长轴都不平行，液晶分子长轴都不平行， 而是成而是成30度角度角 n TN液晶盒利用分子旋光特性工作液晶盒利用分

41、子旋光特性工作。由于STN液晶盒经 起偏镜的光偏振方向与上表面分子长轴成夹角，可以分解 为o光（偏振方向与分子长轴垂直）和e光（偏振方向与分 子长轴平行）。通过液晶盒，两者产生位相差，在检偏镜 上产生干涉。因此STN-LCD是利用双折射性质工作的是利用双折射性质工作的 n TN液晶盒工作于黑白模式液晶盒工作于黑白模式。STN液晶盒在无电压时，出射光 一般呈黄色。当 ，白光从液晶中通过，但在检偏镜处减 弱，变为黑色。因此STN-LCD是黑黄模式是黑黄模式。 th VV STN-LCD是高档无源矩阵液晶显示器件最有用的材料，高档无源矩阵液晶显示器件最有用的材料，但成本 比较高 10 铁电液晶显示器

42、件（铁电液晶显示器件（FLCD） 与以上介绍的液晶器件相比，铁电液晶显示器件具有很高的响铁电液晶显示器件具有很高的响 应速度。应速度。 铁电体铁电体：在没有电场作用时，介质正负电荷重心不重合而呈现 电偶极矩的现象称为电解质的自发极化。呈现自发极化 并且自发极化的方向因外施加电场而改变的物质叫做铁 电体。 铁电液晶铁电液晶：是一种呈现铁电性的近晶近晶C相相液晶（Sc），这 种液晶是由某些手性液晶分子手性液晶分子构成 分子排列成层，每一层分子长轴彼此平行，但是 与层表面的法线有倾角 ，另一个方位角 任意 近晶近晶C相液晶的分子排列相液晶的分子排列 手性液晶分子：手性液晶分子： 分子具有手性，指分子

43、的镜像分子无法 通过平移和面内旋转与原来的分子本身 重合。就像左右手如果不翻转，就不能 重合一样。 铁电液晶的特点：铁电液晶的特点： n具有与分子指向矢垂直的固定偶极矩 （图上箭头所标方向） n分子的长轴指向矢具有螺旋结构 n每层分子排列如同Sc相 n每层分子的倾角 不变，但旋转角 每层转过一个角度，因此偶极矩也做螺 旋转动 铁铁 电电 液液 晶晶 分分 子子 的的 排排 列列 结结 构构 n对于向列相液晶，外电场对液晶分子的作用是外电场 与外电场引起的分子感生偶极矩之间的作用，为弱作用；弱作用； 对于铁电液晶，外电场对分子的作用是外电场与分子固 有偶极矩之间的作用，为强作用强作用，因此铁电液

44、晶显示的 响应速度为微秒量级响应速度为微秒量级 单稳态铁电液晶显示的工作原理单稳态铁电液晶显示的工作原理 1：双折射模式：双折射模式 每一层都有一个固有的电偶极矩，即自极 化方向，以层法线为轴做螺旋转动 注意注意：上下基片与纸面平行，上下基片间 距远大于液晶螺距（ ），上下基片都 做了平行取向处理 dp 无电场时铁电液晶排列无电场时铁电液晶排列 基片间通直流电场，使自极化方向趋 于与电场一致，螺距拉长。一旦超过 临界电场，则液晶分子排列如图所示 如果电场反向，则自极化 方向也转向 把液晶盒夹在两块偏光轴方向正 交的偏光片之间。上偏振片偏光 轴与 时光轴方向一致。 此时在液晶中只有e光通过，不

45、会发生双折射，最后光被下偏振 片挡住，故为暗态暗态 c EE c EE 暗态暗态 c EE亮态亮态 偏振片的偏偏振片的偏 光轴方向光轴方向 当 光轴转动 ，此时液晶中既有e光，又有o光， 两者干涉，形成圆偏振光，有光透过下偏振片，构成亮亮 态态 c EE2 单稳态铁电液晶显示的工作原理单稳态铁电液晶显示的工作原理 2：宾主模式：宾主模式 只使用一个上偏振片只使用一个上偏振片，偏光轴方向与 时光轴一致，液 晶中掺入正性二色染料分子。此时入射偏振光的振动方向与染 料分子长轴一致，被选择吸收。出射光为某种彩色。 c EE c EE当 时，光轴旋转 。染料分子长轴也转动了 。染料 吸收能力减小，光接近

46、无色 2 2 总结：总结： 双折射模式双折射模式 c EE亮态亮态 c EE 暗态暗态 宾主模式宾主模式 c EE带色态带色态 c EE 无色态无色态 可用于快速光开关 表面稳定铁电液晶显示的工作原理表面稳定铁电液晶显示的工作原理 把单稳态铁电液晶盒厚度变薄，使 。由于上下基片 附近强烈的界面效应，即使在即使在E=0，螺旋结构都消失了。，螺旋结构都消失了。 dp 在 和 时，会产生与单稳态 一样的效果。区别是：电场撤去之后，状 态将保持不变。这意味着这种液晶盒具有这种液晶盒具有 双稳态存储功能双稳态存储功能。 c EE c EE 11 固态液晶膜液晶显示器（固态液晶膜液晶显示器（LPLCD）

47、将液晶做成微米量级的微囊。微囊壁是水溶性固体膜， 薄膜内包着液晶颗粒。液晶为Np向列相液晶 这些微囊与环氧树脂混合，夹 在聚酯塑料膜之间。塑料膜上 面镀着控制电极。 工作原理工作原理 无电压时，液晶分子随机排列， 胶囊折射率不等于树脂折射率， 光入射后产生散射，LCD呈乳 白状 施加电压，液晶分 子随电场方向分布。 此时液晶o光折射 率与树脂折射率相 等，光将直接透过。 LCD变透明 可挠曲，响应速度快，1ms，厚度薄 0.5mm 成本低 利用 光散射原理不用偏振片，透射率高，耐振动，但分辨率不高 另外还可以把液晶和树脂直接混合在一起，从而进一步简化制 作工艺 用于分辨率要求不高的大面积显示器

48、，如公共场所广告、标识 12 液晶聚合物显示器（液晶聚合物显示器（PNLCD） 使用的是高分子液晶聚合物，不同于前面的小分子液晶。 高分子液晶被夹在镀有电极的塑料膜之间。 工作方式工作方式1： 无电压无电压：液晶分子无序排列，光射入后 被散射，显示器呈暗白色 施加电压施加电压：液晶分子按电场方向排列， 对入射光不散射，显示器呈透明 工作方式工作方式2（具有存储性）：（具有存储性）： 首先把液晶加热到清亮点以上，变为各 向同性，然后逐渐冷却，同时施加电压， 在电场作用下，液晶分子按电场方向排 列。然后，突然撤去电场，这种状态就 被“冻结”。此时用光照射，呈透明状 施加电压施加电压 无电压无电压

49、初始状态（透明）初始状态（透明） 激光写入激光写入信息再现信息再现 分辨率：线宽5微米 写入速度：5s/cm 激光写入：用激光束照射某一部分，该部分温度超过清亮点， 液晶分子无序排列，立即停止照射，迅速冷却，这种状态被 “冻结”。再用光照射，原来被激光照射出不再透明。信息实 现记录。 13 多稳态液晶显示器（多稳态液晶显示器（MLCD） 液晶在外电场作用下，其分子会重新排列，当电场撤去后， 又会恢复成原来的排列方式。所谓多稳态液晶指的是电场所谓多稳态液晶指的是电场 撤去后，液晶的排列保持不变。所加电场强度不同，液晶撤去后，液晶的排列保持不变。所加电场强度不同，液晶 排列不同，如果撤去电场后液晶

50、状态能够保持下来，这就排列不同，如果撤去电场后液晶状态能够保持下来，这就 意味着液晶具有无限多个稳态意味着液晶具有无限多个稳态。 多稳态液晶使用的材料多稳态液晶使用的材料： 胆甾相液晶晶畴的集合 图中黑线表示晶畴中胆甾相液晶的 螺旋对称轴，在集合中，对称轴的 分布可以大体一致，也可以完全无 序。如果整个系统的能量在对称轴如果整个系统的能量在对称轴 有序和对称轴完全无序时，都大致有序和对称轴完全无序时，都大致 一样，那么无论对称轴处于什么状一样，那么无论对称轴处于什么状 态，系统都会处于稳定态态，系统都会处于稳定态 加上强电场加上强电场，液晶分子将与电场方向一致，即垂直于基片，此时 螺旋轴大致为

51、无序状态，此时入射光方向大致与分子长轴一致 （类似向列相液晶），全被黑涂层吸收，显示器为暗态暗态 上下基片事先做了沿面处理，因此在无电场无电场时，大部分晶畴的螺 旋轴基本垂直于基片。由于胆甾相液晶为旋光物体，只有满足关 系 并且旋光方向与液晶旋光方向一致的光被反射，其余 光被黑涂层吸收。此时为亮态亮态 Pn 工作原理：工作原理： 强电场强电场无电场无电场弱电场弱电场 n电压不管加多长时间，撤去电压，显示器恢复为无电 场时的状态 不同电压下的状态： th VV th V阈值电压 thc VVV c V相变电压 n加上一段时间电压后，撤去电压，状态被保留下来。显示 器变黑的程度取决于所加电压的多少

52、。 c VV n加上一段时间电压后，撤去，显示器迅速跳回为亮态。 优点：优点： n在无电场，每个像素可以长期稳定在不同的状态，加不同的 电压脉冲，就可实现不同稳态之间的转换。不用耗电，就可长 期保持显示内容 n不用偏振片、背光源，属于纯反射型。阳光下反射光更强 n不用滤光片，只用改变液晶配方，利用干涉色就可实现彩色 n响应速度快，灰度容易实现 八、液晶显示器件的驱动技术八、液晶显示器件的驱动技术 液晶显示驱动需要注意三个特点： n液晶在直流作用下会发生分解作用，必须用交流驱动必须用交流驱动，直流分 量不能大于几十毫伏 n液晶在电场作用下响应的时间通常比较长，交流电压作用的效 果不取决于峰值不取

53、决于峰值，而是有效值而是有效值 n液晶单元是容性负载，液晶电阻可忽略不计。加正压和负压， 作用效果一样 1 液晶显示器件驱动的分类液晶显示器件驱动的分类 根据显示像素的不同 段型显示 无源矩阵驱动 有源矩阵驱动 点阵 寻址方式不同 动态驱动 静态驱动 显示像素为长棒型 行电极称为扫描电极扫描电极 列电极称为寻址（信寻址（信 号）电极号）电极 电压直接加到像素上， 也称直接驱动法直接驱动法 笔段式驱动笔段式驱动 无源矩阵驱动无源矩阵驱动 有源矩阵驱动有源矩阵驱动 每一个像素与一个有源器件（二极管、三极管、场效应 管）连接 2 段型和无源矩阵液晶器件的静态驱动技术段型和无源矩阵液晶器件的静态驱动技

54、术 静态驱动静态驱动： 像素前后电极上施加电压信号时呈现显示状态，不施加时，呈 非显示状态。多用于电极引线比较少的情况 每个像素都有一个背背 电极（电极（BP）和一个段段 电极（电极（SEG），所有 像素的背电极是连在 一起的，又被称为公公 共电极共电极 像素连接方式像素连接方式： 在不要求显示的笔段的段电 极上施加一个与背电极同位 相、幅值相等、频率相同的 方波脉冲，总效果就是两电 极间电压恒为零 在需要显示的笔段的段电极 上施加一个与背电极波形相 反、幅值相等、频率相同的 方波脉冲，总效果为一个幅 值为两倍的方波脉冲电压 工作原理工作原理 A=1 显示 A=0 不显示 控制电路控制电路 异

55、或门异或门 方波发生器方波发生器 3 无源矩阵液晶器件的动态驱动技术无源矩阵液晶器件的动态驱动技术 水平电极（X电极）按时间顺序施加一串扫描脉冲电压。垂直 电极（Y电极、寻址电极）输入选通电压波形和非选通电压波 形（波形类似静态驱动）。两者将在交点像素上构成一个驱动 波形。所有行被扫描一遍，所有被选通的像素构成一幅画面。 这个画面上不同行上的像素是在不同时段被选通的这个画面上不同行上的像素是在不同时段被选通的 工作原理：工作原理： 动态驱动技术：m+n条引线 如果矩阵由m行n列构成 静态驱动技术：mn+1条引线 引线数大大减少，减小外围驱动电路的成本 占空比占空比：每行扫描时间/帧周期，即扫描

56、电极数N的倒数 交叉效应交叉效应 如果被扫描选通的像素上施加的电压远远超过vth，而且电光曲 线又不够陡峭时，附近未被扫描或选通的像素也呈现出显示状 态。这是无源矩阵驱动固有的现象。 交叉效应来自于像素和像素之间的耦合干扰交叉效应来自于像素和像素之间的耦合干扰。随着扫描 电极数（N）增加，交叉效应会变得越来越严重，甚至 一些未选择点的电压跟被选择点的电压近似相等。交叉 效应会使图像对比度降低、色彩不均匀 如果提高液晶电光曲线的陡度，可以减缓交叉效应的影响，提如果提高液晶电光曲线的陡度，可以减缓交叉效应的影响，提 高最大驱动路数（即扫描电极数高最大驱动路数（即扫描电极数N） max 2 2 2 1 1 N 电光曲线陡度 TN液晶 1.21.5 38路STN液晶 1.05 最大256路 如果把显示屏分割为两块，还可进一步提高驱动路数