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n低压、微功耗低压、微功耗n平板结构平板结构n被动显示被动显示n显示信息量大显示信息量大n易于彩色化易于彩色化n长寿命长寿命n无辐射、无污染无辐射、无污染n显示视角小显示视角小n响应速度慢响应速度慢1 采用降温的方法采用降温的方法, ,即将熔融即将熔融的液体降温，当降温到一的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态化，从而获得液晶态 有机分子有机分子溶解溶解在溶剂中，在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶的排列有序而获得液晶l 按照液晶的形成条件分类按

2、照液晶的形成条件分类l以分子以分子结构结构來來区区分分3.1.2 液晶的分类液晶的分类Polymeric LC2ThermotropicThermotropic ( (热热致液晶致液晶) ) : : (a) (a)一定温度范围内才呈液晶态的物质，一定温度范围内才呈液晶态的物质，因因温度温度的改的改变变而而产生相变产生相变 (b) (b)具有具有显著显著的光的光电电特性，特性，应用于显应用于显示器示器LyotropicLyotropic ( (溶致液晶溶致液晶) :) : (a) (a)将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，因溶於溶因溶於溶剂剂中中浓度浓

3、度比例的改比例的改变变而而产产生相生相变变 (b) (b)特别特别存在存在于于生物生物体组织体组织中中 (c) (c)对温度反应敏感对温度反应敏感，在生物科技，在生物科技领域占领域占重要地位重要地位 3 高分子液晶又高分子液晶又称为称为聚合物液晶，其基本聚合物液晶，其基本单体单体是由是由长长条条狀或狀或圆盘状圆盘状的液晶分子形成液晶基元的液晶分子形成液晶基元(Mesogens) ，再再与与聚合物相連接形成主聚合物相連接形成主链链(main chain) ，或嵌在聚合，或嵌在聚合物兩物兩侧侧形成形成侧链侧链(side chain) 。主主链链型型侧链侧链型型4分子形狀排列方式长条状(Rod-li

4、ke) 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)热热 致致 液液 晶晶 分分 类类5液晶分子的液晶分子的排列排列6n层列（近晶）相层列（近晶）相(S(S型）型）液晶是由棒状或条状分子组成，分子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，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。或与层

5、面成倾斜排列。n因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性二维有序性。分。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但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。之间移动。n因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。n根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分成根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分成9 9个小类。个小类。按发现年代的先后依次计为按发现年代的先

6、后依次计为SASA、SB SB SISI。近晶型液晶结。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。构上的差别对于非线性光学特性有一定影响。7n向列相向列相（N N型）型）液晶的棒状分子也仍然保持着与分子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。层状结构。n向列相中分子的重心混乱无序，但分子（杆）的指向列相中分子的重心混乱无序，但分子（杆）的指向矢向矢n n大体一致，即杆不是一头尖，一头圆。这个等大体一致，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）的一个价性是向列相液晶与其

7、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，即向列相物质的光学与电学性质，即折射系数与介电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常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。8 正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射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。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，富于与近晶相液晶相比，向

8、列液晶的粘度小，富于流动性。流动性。 产生这种流动性的原因，主要是由于向列相液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。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，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。

9、示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。 9n胆甾醇经脂化或卤素取代后，胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为呈现液晶相，称此为胆甾（胆胆甾（胆固醇）相固醇）相液晶（液晶（CH型）。这型）。这类液晶分子呈扁平形状，排列类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化，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沿层的法线方向排列成螺旋结构。构。n当不同的分子长轴排列沿螺方当不同的分子长轴排列沿螺方向经历向经历360的变化后，又回的变化后，又回到初始取向，这个周期性的层到初始取向，这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距间距

10、离称为胆甾相液晶的螺距（P）。胆甾相实际上是向列）。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。相的一种畸变状态。 10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液晶的混合技术：通过混合多种单质材料，通过混合多种单质材料， 可以得到单质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。使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。 a mixture of two LC compounds can offer a much larger temperature range t

11、hat exhibits the nematic phase for LCD applications。the melting point, clearing point, De, elastic constants, Dn, and viscosity depend on the mixture ratio。显示用液晶材料显示用液晶材料通常由通常由10种左右的分子组成种左右的分子组成11相变温度（熔点相变温度（熔点mp、清亮点、清亮点cp），），介电各向异性（介电各向异性（），），折光各向异性（折光各向异性（n）粘度（粘度（），），弹性常数（弹性常数（K）等。）等。3.1.4 液晶显示材料的

12、物理性能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：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，决定，即，液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向异性。异性。12A. 相变温度（熔点相变温度（熔点mp、清亮点、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。液晶相（介晶相）：指化合物从熔点到清亮点之间的温

13、度。清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。熔点熔点清亮点清亮点13B. 介电各向异性（介电各向异性（）=- 14C. 折光各向异性（折光各向异性（n）n= ne-no 15D. 弹性常数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。介电常数和弹性常数共同决定阈值电压。16粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘粘度越小，显示器的响应速度越快。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。粘度、盒厚、驱动电压和温度决定响应时间。17液晶材料的常用检测方法液晶材

14、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。配制，经过往复数次才能实现配方的最后定型。 一般一般相变温度相变温度测试用测试用DSC或温台或温台+POM法。法。组成测定组成测定用用GC或或HPLC方法。方法。电阻率电阻率测试用微电流计加电极。测试用微电流计加电极。光电性能光电性能测试用液晶综合参数

15、测试仪。测试用液晶综合参数测试仪。粘度粘度测试用粘度测试仪。测试用粘度测试仪。光学各项异性光学各项异性用偏光折射仪。用偏光折射仪。183.1.5 液晶的各向异性液晶的各向异性n液晶分子一般都是刚性棒状的，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，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：折射率性质。这些性质包括：折射率n n，介电率介电率 ，导电率，导电率 ，磁化率，磁化率x x，粘，粘滞系数滞系数 等。等。n由于液晶本身的弹性常数很小，由于液晶本身的弹性常数很小，其其分子排列在外电场、磁场、应分子排列在外电场、磁场、

16、应力、热能等作用下极易变动，从力、热能等作用下极易变动，从而使这种各向异性改变。而使这种各向异性改变。液晶在液晶在显示方面的应用原理正是从这种显示方面的应用原理正是从这种特性出发的。特性出发的。19介电异向性介电异向性 /- - 是液晶显示器件原理的基础。是液晶显示器件原理的基础。液晶液晶1. 1. 介电各向异性介电各向异性1 1、正性液晶（、正性液晶（NP)NP)：偶极矩平行于分子长轴。：偶极矩平行于分子长轴。 2 2、负性液晶（、负性液晶（NnNn) )：偶极矩垂直于分子长轴。：偶极矩垂直于分子长轴。3 3、介电转换液晶（、介电转换液晶（DT)DT)：在低频电场或高频：在低频电场或高频电场

17、作用下，分子长轴方向与分子永久电偶电场作用下，分子长轴方向与分子永久电偶极矩的夹角极矩的夹角 可由可由0 0到到 /2/2变化。变化。正负性液晶在电场作用下分子的行为正负性液晶在电场作用下分子的行为0 00 020n2.折射率的各向异性折射率的各向异性n双折射率双折射率:光线进入液晶分子内部以后会被分成两条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）。折射线（液晶的双折射）。 nn= n/ - n，n0表示单轴正晶体（正型液表示单轴正晶体（正型液晶），沿着长轴方向的折射率要大于短轴方向的折晶），沿着长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率；射率；n0表示单轴负晶体（负型液晶）。表示

18、单轴负晶体（负型液晶）。n与与偏振、旋光、折射、干涉所引起的电光效应有直接偏振、旋光、折射、干涉所引起的电光效应有直接关系。关系。n当入射光与液晶分子长轴方向成一定角度进入液晶当入射光与液晶分子长轴方向成一定角度进入液晶时，液晶中光速的合成方向与液晶分子的长轴的夹时，液晶中光速的合成方向与液晶分子的长轴的夹角将变小，也就是说，光线进入液晶分子之后，其角将变小，也就是说，光线进入液晶分子之后，其方向将向液晶分子长轴方向靠拢。方向将向液晶分子长轴方向靠拢。21LCD用液晶的光学各向异性用液晶的光学各向异性n使入射光的前进方向向液晶分子长轴方向偏转使入射光的前进方向向液晶分子长轴方向偏转n改变入射光

19、的偏振状态或偏振方向改变入射光的偏振状态或偏振方向n使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或透射透射液晶的光学性质：液晶的光学性质：22n3.电阻率和电导率的各向异性电阻率和电导率的各向异性n液晶的电阻率液晶的电阻率 的数量级一般为的数量级一般为108-1012 cm，它，它接近于半导体和绝缘体的边界。接近于半导体和绝缘体的边界。 小表示杂质离小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度较差，一般子较多，也就是液晶的纯度较差，一般 1010 cm时，在外电场作用下由于电化学分解会时，在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶分子结构。破坏液晶分子结构。23TFT

20、-LCD用液晶材料高电阻率高电阻率对紫外光的高稳定性（无分解）对紫外光的高稳定性（无分解）如果电阻率不高盒内电压降减小 电压保持率（液晶上实际电压的维持效果）劣化 材料在紫外光下的分解会产生离子，也会使实效材料在紫外光下的分解会产生离子，也会使实效电压下降。电压下降。24折射率差值折射率差值过大，大视角处会出现色反转；折射率差值过小，对比度低下。一般0.08为宜。 介电常数的各向异性大，驱动电压低。25IPS模式的液晶材料视角特性优良、电压保持特性好的显示模式。使用氰基化合物。VA模式的液晶材料加电场时液晶分子为平行基板面的排列。分子长轴方向的介电率小于分子短轴方向的。263.2 液晶显示原理

21、液晶显示原理3.2.1 液晶显示器的主要性能参量液晶显示器的主要性能参量n1. 1. 电光特性电光特性n液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度与外加电压的关系，称为电光特性。强度与外加电压的关系，称为电光特性。n2 2、温度特性、温度特性n当温度过高，液晶态会消失，不能显示。而温度当温度过高，液晶态会消失，不能显示。而温度过低时，响应速度会明显变慢，直至结晶，致使过低时，响应速度会明显变慢，直至结晶，致使液晶显示器件损坏。液晶显示器件损坏。n普通型静态驱动型使用温度稍宽，也仅有普通型静态驱动型使用温度稍宽，也仅有0 0 40 40 ，在在-5-

22、5时，勉强可用，但响应速度变慢。而动态时，勉强可用，但响应速度变慢。而动态驱动型，由于多路驱动所要求的特性较严，故使驱动型，由于多路驱动所要求的特性较严，故使用温度范围则仅在用温度范围则仅在5 5 4040。宽温度的器件一般为。宽温度的器件一般为1010 5050。n3 3、伏安特性、伏安特性27电光特性n(1)(1)阈值电压阈值电压V Vthth：n引起的最大透光强度的引起的最大透光强度的1010（负性）或（负性）或9090（正性）（正性）的外加电压。它标志了液晶电光效应有可观察反应的的外加电压。它标志了液晶电光效应有可观察反应的起始电压值。起始电压值。n（2)2)饱和电压饱和电压VsVs：

23、n对应于最大透光度对应于最大透光度9090（负性）或（负性）或1010（正性）处的（正性）处的外加电压。外加电压。VsVs大小标志了获得最大对比度所需的外加大小标志了获得最大对比度所需的外加电压的数值，电压的数值，VsVs小则易获得良好的显示效果，且降低小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。显示功耗，对显示寿命有利。28n（3 3）对比度）对比度： nT Tmaxmax：透过的最大强度，：透过的最大强度，T Tmaxmax：透过的最小强度。：透过的最小强度。 n（4）对比度随视角的变化）对比度随视角的变化n 对于大多数液晶显示器视角为对于大多数液晶显示器视角为40左右。如果

24、左右。如果（dn）约为）约为0.5 m，器件视角特性会有较大改，器件视角特性会有较大改善。善。minmaxTT对比度29（5 5）陡度）陡度 和比和比陡度陡度 ： thsVV 由于由于V Vs sV Vthth，所以，所以 总是大于总是大于1 1的数值，的数值， 的的极限值为极限值为1 1。在电光曲线中，。在电光曲线中， V Vs s越接近越接近V Vthth时，则时，则电光曲线越陡。一般电光曲线越陡。一般TNTN效应液晶的效应液晶的 1.41.4 1.61.6。11thsthVVV30（6 6）响应时间）响应时间 对于正型电光曲线，上升对于正型电光曲线，上升时间时间 r r为透光强度由为透光

25、强度由9090降到降到1010所需的时间；所需的时间；下降时间下降时间 d d为透光强度由为透光强度由1010上升到上升到9090所需的时间。所需的时间。 r r和和 d d与液晶材料、粘滞与液晶材料、粘滞系数系数 、弹性常数、弹性常数k k、液晶盒厚、液晶盒厚度、螺距度、螺距P P、外电压、外电压V V大小、不大小、不同的表面处理等有关。同的表面处理等有关。 31反射式反射式TN型液晶显示器件结构图型液晶显示器件结构图反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面上。上。特点：可以利用外界光，节省功耗，在阳光下图象不会被冲

26、刷。特点：可以利用外界光，节省功耗，在阳光下图象不会被冲刷。32 3.2.2 LCD 3.2.2 LCD的工作原理和特性的工作原理和特性n液晶分子在其某种排列状态下，通过施加电场，液晶分子在其某种排列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变化，液晶盒的光学性质也将向着其它排列状态变化，液晶盒的光学性质也随之变化。随之变化。n这种通过电学方法，产生光变换的现象，称为液这种通过电学方法，产生光变换的现象，称为液晶的晶的电气光学效应电气光学效应，简称，简称电光效应电光效应。n即在电的作用下，液晶分子的初始排列改变为其即在电的作用下，液晶分子的初始排列改变为其他的排列形式，从而使液晶盒的光学性质发生

27、变他的排列形式，从而使液晶盒的光学性质发生变化。也就是说，以化。也就是说，以“电电”通过液晶对通过液晶对“光光”进行进行了调制。了调制。n目前已发现的电光效应，包括电场效应、电流效目前已发现的电光效应，包括电场效应、电流效应、电热写入效应和热效应等四种。应、电热写入效应和热效应等四种。33液晶结构特性介于晶体和液体之间，是有序的流体。液晶结构特性介于晶体和液体之间，是有序的流体。液晶能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射液晶能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应。及旋光效应。在外场作用下会产生热光、电光或磁光效应。在外场作用下会产生热光、电光或磁光效应。 当液晶盒充入向列相液晶，

28、把两玻璃片绕在他们互相垂直当液晶盒充入向列相液晶，把两玻璃片绕在他们互相垂直的轴扭转的轴扭转90，向列相液晶的内部就发生扭曲，形成具有，向列相液晶的内部就发生扭曲，形成具有扭曲排列的向列型液晶盒。扭曲排列的向列型液晶盒。 在上述液晶盒前后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方在上述液晶盒前后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方向平行。向平行。 不施加电场时，白光射入后，液晶盒会使入射光的偏振光不施加电场时，白光射入后，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90。旋光效应旋光效应34双折射现象双折射现象 对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方对液晶施

29、加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将发生双折射。向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将发生双折射。双折射现象是液晶的重要特性，与晶体特性相似。双折射现象是液晶的重要特性，与晶体特性相似。 单轴晶体有两个不同的主折射率，单轴晶体有两个不同的主折射率， n= n/ - n 液晶的光轴可以由外电场改变，双折射光束间的相位差也随液晶的光轴可以由外电场改变，双折射光束间的相位差也随之变化。之变化。 入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。 因为具有双折射性，当入射光的前进方向偏于分子长轴方向：因为具有双折射性，

30、当入射光的前进方向偏于分子长轴方向： 能够改变入射光的偏振状态或方向能够改变入射光的偏振状态或方向 能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。353637n偏振片的应用偏振片的应用偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，光透过，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片383.3.1 TN3.3.1 T

31、N型液晶显示器型液晶显示器n向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜先镀有一层透明导电薄膜ITO(ITO(氧化铟锡氧化铟锡) )以作电极以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层PI(PI(聚聚酰亚胺酰亚胺) )，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。面的方向排列。n玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚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胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一

32、致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前的微细沟糟。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。提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。n由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃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处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈9090扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。 39TN TN 型型 LCD LCD 显示显示原理原理n把液晶放在两个偏振片之

33、间，在向列型液晶中，把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的如果上下两玻璃棒状分子的排列是彼此平行的如果上下两玻璃棒定向是彼此垂直的，液晶分子将采取棒定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡逐渐过渡的方式的方式被扭转成螺旋状被扭转成螺旋状n如果有光线进入如果有光线进入, ,通过第一个偏振片后，将被液晶通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向分子逐渐改变偏振方向. .由于光线沿着分子排列的由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出。方向传播，光线最终将从另一端射出。n如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将

34、与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板二个极板40n液晶的自然状态具有液晶的自然状态具有9090度的扭曲，利用电场可使液度的扭曲，利用电场可使液晶分子旋转，晶分子旋转，结果偏振光经过结果偏振光经过TNTN型液晶后偏振方向型液晶后偏振方向发生转动。发生转动。41n只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变改变9090度，就可利用两个平行偏光片使得光完全度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向

35、就不会向与电场方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片改变，光就可通过第二个偏光片 42n液晶显示器就是利用这一特液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转利用电场控制液晶的转动动不同的电场大小就会形不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度成不同的灰阶亮度n基本原理：在电场、热等外基本原理：在电场、热等外场的作用下，使液晶分子从场的作用下，使液晶分子从特定的初始排列状态转变为特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，随着分其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶元件的子排列的变化

36、，液晶元件的光学特性发生变化，从而变光学特性发生变化，从而变换为视觉变化。换为视觉变化。43n扭曲排列的液晶将来自垂直偏光镜的光波旋转扭曲排列的液晶将来自垂直偏光镜的光波旋转9090 ，这样垂直方向的光波通过液晶后，变成水平方向的这样垂直方向的光波通过液晶后，变成水平方向的光波，水平方向的光波通过水平偏光镜后，到反射光波，水平方向的光波通过水平偏光镜后，到反射镜，经反射镜后，按原路反射回去，这时在透过垂镜，经反射镜后，按原路反射回去，这时在透过垂直偏光镜看液晶时，液晶呈亮的状态。直偏光镜看液晶时，液晶呈亮的状态。反射式反射式LCD显示原理显示原理44n当给液晶加上一个电场时，液晶分子将重新排当

37、给液晶加上一个电场时，液晶分子将重新排列，液晶便不能使光波旋转了，这时在透过垂列，液晶便不能使光波旋转了，这时在透过垂直偏光镜看液晶时，液晶呈暗的状态。直偏光镜看液晶时，液晶呈暗的状态。45n（1 1）TNTN液晶的液晶的电光特性不陡电光特性不陡，所以工作在矩阵显示，所以工作在矩阵显示方式下交叉效应严重。最好的器件也只可能实现方式下交叉效应严重。最好的器件也只可能实现8 8 1616路驱动；路驱动；n（2 2）电光响应慢电光响应慢。TNTN型液晶显示的响应速度为型液晶显示的响应速度为100ms100ms左右，所以只适用于显示静止或慢变的画面。左右，所以只适用于显示静止或慢变的画面。n（3 3）

38、光透过和关闭都不彻底光透过和关闭都不彻底，显示画面时对比度不，显示画面时对比度不理想。理想。46463.3.2 STN型液晶n将分子的扭曲角增加到将分子的扭曲角增加到180180-270-270时，就可大时，就可大大提高电光特性的响应速大提高电光特性的响应速度，可允许多路驱动，获度，可允许多路驱动，获得敏锐的锐度和宽的视角。得敏锐的锐度和宽的视角。nSTNSTN型的显示原理与型的显示原理与TNTN相相类似，不同的是类似，不同的是TNTN扭转式扭转式向列场效应的液晶分子是向列场效应的液晶分子是将入射光旋转将入射光旋转9090度，而度，而STNSTN超扭转式向列场效应超扭转式向列场效应是将入射光旋

39、转是将入射光旋转180-270180-270度。度。47nTNTN液晶与液晶与STNSTN液晶的差别液晶的差别：n（1 1）在）在TNTN液晶盒中扭曲角为液晶盒中扭曲角为9090，在，在STNSTN液晶盒中液晶盒中扭曲角为扭曲角为270270或附近值；或附近值；n（2 2）在）在TNTN液晶盒中，起偏镜的偏光轴与上基片表面液晶盒中，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，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液晶分子长轴平行，即上下偏光轴互相成9090；在；在STNSTN液晶盒中，上、下偏光轴与上、下基片分子长轴液晶盒中，

40、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，一般为都不互相平行，而是成一个角度，一般为3030；n（3 3）TNTN液晶盒是利用液晶分子旋光特性工作的，而液晶盒是利用液晶分子旋光特性工作的，而STNSTN液晶盒是利用液晶的双折射特性工作的；液晶盒是利用液晶的双折射特性工作的；n（4 4）TNTN液晶盒工作于黑白模式；液晶盒工作于黑白模式；STNSTN液晶盒一般工液晶盒一般工作于黑作于黑/ /黄模式或白黄模式或白/ /蓝模式蓝模式。48n普通简单矩阵液晶显示器普通简单矩阵液晶显示器TNTN型及型及STNSTN型的电光特性，对型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示多路、视频运动

41、图像的显示很难满足要求。很难满足要求。 n有所谓的有所谓的“交叉效应交叉效应”。由。由于每个像素相当于一个电容，于每个像素相当于一个电容，必产生串扰。当一个像素被必产生串扰。当一个像素被先通时，相邻行，列像素将先通时，相邻行，列像素将处于半选通状态。处于半选通状态。n人们在第一个像素上设计一人们在第一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，克个像素可以被独立驱动，克服了服了“交叉效应交叉效应”。 MIM液晶显示器件的电极排布49n有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示根据有源

42、器件液晶显示材料。有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种。的种类分为二端型和三端型两种。 n二端型以二端型以MIM（金属（金属-绝缘体绝缘体-金属）二极管阵列金属）二极管阵列为主；为主；n在两种导电膜之间夹一层氧化物绝缘层，其结构在两种导电膜之间夹一层氧化物绝缘层，其结构为为Ta-Ta2O3-Cr，通电后两导电膜之间电压，通电后两导电膜之间电压-电流电流必呈非线性，二端有源器件相当于一个双向性二必呈非线性，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。极管，正、反向都具有开关特性。n三端型以薄膜晶体管（三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。）为主。 50n二极管寻址

43、矩阵液晶显示器的特点二极管寻址矩阵液晶显示器的特点: :二极管反向电阻大于液晶像素的漏阻，被选择二极管反向电阻大于液晶像素的漏阻，被选择的像素充上电压后，当寻址信号移去后，仍将的像素充上电压后，当寻址信号移去后，仍将保持，因为串联的二极管反向不导通。保持，因为串联的二极管反向不导通。像素上的电荷只有靠自身的漏电才能泻放掉，像素上的电荷只有靠自身的漏电才能泻放掉，这决定于液晶像素的介质弛豫常数这决定于液晶像素的介质弛豫常数 LCLC。 LCLC设应设应小于帧周期，否则影响器件的响应特性。小于帧周期，否则影响器件的响应特性。5151 金属金属-绝缘体绝缘体-金属二极管（金属二极管（MIM） 二端有

44、源液晶显示器件二端有源液晶显示器件 MIM液晶显示器件结构液晶显示器件结构a) 俯视俯视 b) AA剖面剖面5253MIM寻址矩阵液晶显示屏的制备工艺543.4 LCD3.4 LCD基本结构基本结构n在前后玻璃板在前后玻璃板2 2、3 3之之间夹有一层液晶。间夹有一层液晶。n前面的偏光镜是垂直前面的偏光镜是垂直偏光镜，后面的偏光偏光镜，后面的偏光镜是水平偏光镜。镜是水平偏光镜。n液晶显示的数字或光液晶显示的数字或光条是透过垂直偏光镜条是透过垂直偏光镜观看的。观看的。55L C D上玻璃基板下玻璃基板上电极下电极上偏振片下偏振片反射板TN液晶材料封接胶透明电极引线透明电极引线透明玻璃注液晶口封接

45、胶框液晶显示器的结构图液晶显示器的结构图56TN、STN型的结构n液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片，液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的件下进行加工而成的 57LCDLCD主要组成材料主要组成材料58n（1 1） 在使用和存储的温度环境下都表现为液晶相

46、；在使用和存储的温度环境下都表现为液晶相；n（2 2）具有优良的化学稳定性、光化学稳定性及热稳定性，）具有优良的化学稳定性、光化学稳定性及热稳定性，使用寿命长；使用寿命长；n（3 3） 粘度低，具有优良的响应特性；粘度低，具有优良的响应特性；n（4 4） 介电各向异性大，适于低电压工作；介电各向异性大，适于低电压工作； 对于对于TNTN型显示器件：型显示器件： V Vthth （) )-1/2-1/2 n（5 5） 双折射率的大小适合于显示对比度的增加；双折射率的大小适合于显示对比度的增加；n（6 6） 弹性系数均衡，适合于多路传输驱动；弹性系数均衡，适合于多路传输驱动； 弹性模量均衡表示各种

47、变形的应变程度均衡，有利于弹性模量均衡表示各种变形的应变程度均衡，有利于电光特性曲线变陡，即有利于多路传输。电光特性曲线变陡，即有利于多路传输。n（7 7） 分子排列的有序度高，适合于提高显示对比度。分子排列的有序度高，适合于提高显示对比度。59596061623.5 LCD3.5 LCD制造工艺制造工艺636465定向层涂覆：在玻璃表面均匀涂覆一层定向层定向层涂覆：在玻璃表面均匀涂覆一层定向层 丝印成盒：将上下两片玻璃用丝印胶黏结在一起，形丝印成盒：将上下两片玻璃用丝印胶黏结在一起，形成一个空盒成一个空盒 6667nLCDLCD视角窄的缺点是由液晶的工作原理本身决定的。液晶分视角窄的缺点是由

48、液晶的工作原理本身决定的。液晶分子是棒状的，分子不同的排列方式存在着不同的光学各向异子是棒状的，分子不同的排列方式存在着不同的光学各向异性。性。n入射光线和液晶分子指向矢夹角越小，双折射越小。偏离显入射光线和液晶分子指向矢夹角越小，双折射越小。偏离显示板法线方向以不同角度入射到液晶盒的光线与液晶分子指示板法线方向以不同角度入射到液晶盒的光线与液晶分子指向矢的夹角不同，因此造成不同视角下，有效光程差向矢的夹角不同，因此造成不同视角下，有效光程差 ndnd不不同。同。n而液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光线设计的，这样视角而液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光线设计的，这样视角增大时，最小透过率增加，对

49、比度下降。增大时，最小透过率增加，对比度下降。n即由于发生双折射，入射线偏振光变成椭圆偏振光，其中一即由于发生双折射，入射线偏振光变成椭圆偏振光，其中一部分光通过检偏片成为黑色显示部分的漏光。随着视角增大，部分光通过检偏片成为黑色显示部分的漏光。随着视角增大，漏光迅速增大，导致对比度降低。漏光迅速增大，导致对比度降低。n而且偏离法线方向越远，对比度下降越严重，还可能出现暗而且偏离法线方向越远，对比度下降越严重，还可能出现暗态的透过率大于亮态透过率的现象，也就是发生了对比度反态的透过率大于亮态透过率的现象，也就是发生了对比度反转现象。转现象。68n在显示不同灰阶的时候，液晶分子的长在显示不同灰阶

50、的时候，液晶分子的长轴跟玻璃基板的角度是不一样的，用户轴跟玻璃基板的角度是不一样的，用户从不同角度观看屏幕时，有时看到的是从不同角度观看屏幕时，有时看到的是液晶分子的长轴，有时则是短轴。由于液晶分子的长轴，有时则是短轴。由于液晶分子在光学上表现为各向异性，我液晶分子在光学上表现为各向异性，我们在不同角度所看到的亮度就会不一样。们在不同角度所看到的亮度就会不一样。这就是这就是TNTN模式液晶显示器的视角依存性模式液晶显示器的视角依存性（即可视角度狭窄）。（即可视角度狭窄）。n另外，理论上在玻璃电极板通电时，光另外，理论上在玻璃电极板通电时，光线透过垂直于基板的液晶分子后是无法线透过垂直于基板的液

51、晶分子后是无法穿透第二块偏振片的，但实际上此时若穿透第二块偏振片的，但实际上此时若在某些特定角度范围内会看到液晶分子在某些特定角度范围内会看到液晶分子的长轴，即该角度上的透光率反而增加的长轴，即该角度上的透光率反而增加了，这样低灰阶的画面看上去可能比高了，这样低灰阶的画面看上去可能比高灰阶的亮度还高，这就是灰阶的亮度还高，这就是TNTN模式液晶显模式液晶显示器所固有的灰阶逆转现象。示器所固有的灰阶逆转现象。在在B处正视屏幕看到的是处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面，而在正常的中灰阶画面，而在A或者或者C处看到的却是高灰处看到的却是高灰阶和低灰阶阶和低灰阶 69增宽视角的出发点：增宽视角的出发点

52、：n克服不同视角方向有效光程差光程差不同的现象。n主要方法：主要方法：n通过在液晶盒以外进行光学补偿；n改变液晶盒内液晶分子排列形式。70n1 1、液晶盒外光学补偿法液晶盒外光学补偿法n（1 1）相差膜补偿法）相差膜补偿法n 在液晶面的观察面上加贴一片一定数值的相位在液晶面的观察面上加贴一片一定数值的相位差膜以改善视角特性。差膜以改善视角特性。n 特点：工艺简单，成本较低，可扩大视角范围，特点：工艺简单，成本较低，可扩大视角范围，但没有改变原有对比度曲线沿方位角分布的形状。但没有改变原有对比度曲线沿方位角分布的形状。n（2 2）准直背光源加漫散射观察屏法）准直背光源加漫散射观察屏法n 准直背光

53、源加漫散射观察屏可以得到既有足够准直背光源加漫散射观察屏可以得到既有足够对比度，又有很宽视角范围的显示质量。对比度，又有很宽视角范围的显示质量。71n2 2、 低扭曲角和低低扭曲角和低 ndnd设计设计LCDLCD（LTN-LCDLTN-LCD）n 减小减小LCDLCD盒的盒的 ndnd可以减少可以减少 ndnd的变化，从而改的变化，从而改善视角特性。善视角特性。n 例如：例如：n ndnd=0.38=0.38 m m，扭曲角，扭曲角7070 ，补偿膜延迟量为，补偿膜延迟量为2323 m m，对比度达，对比度达100100：1 1。可将不发生灰度反转的视。可将不发生灰度反转的视角范围从普通角范

54、围从普通TN-LCDTN-LCD的的-27-273030 扩展到扩展到-42-427373 。72WV Film + TN LCD（FujiFilm）MVA: Mutil-domain Vertical Alignment（FUJITSU）IPS: In Plane Switching（HITACHI, Matsushita, Mitsubishi）FFS: Fringe Field Switching（BOEHYDIS）PVA: Patten Vertical Alignment（SAMSUNG）OCB: Optically Compensated Bend（PANASONIC）ASV: A

55、dvanced Super View (SHARP)主要宽视角技术主要宽视角技术73747576视角膜补偿技术（视角膜补偿技术（WV Film + TN LCDWV Film + TN LCD）技术特点：技术特点：与TN LCD现有技术兼容；技术准入门槛低。不足：不足：视角改善不够理想（120左右）；对现有TN LCD显示性能改善有限。77nOCB（Optically Compensated Bend/Optical Compensated Birefringence，光学补偿弯曲排列，光学补偿弯曲排列/光光学补偿双折射）广视角技术学补偿双折射）广视角技术n利用其设计巧妙的液晶分子排列来实现自

56、我补偿视利用其设计巧妙的液晶分子排列来实现自我补偿视角，所以它又叫自补偿模式。角，所以它又叫自补偿模式。n液晶分子在液晶层厚度方向上具有上下对称的取向，液晶分子在液晶层厚度方向上具有上下对称的取向，在光倾斜穿过液晶层时上下两部分互相补偿，在光倾斜穿过液晶层时上下两部分互相补偿， 因此因此在亮态时器件具有对称的宽视角。在亮态时器件具有对称的宽视角。nOCB最大的特点就是回应速度快，在加电状态下液最大的特点就是回应速度快，在加电状态下液晶分子的偏转角度极小即转矩很短，已有晶分子的偏转角度极小即转矩很短，已有1ms到到5ms的产品，适合动态图像显示。的产品，适合动态图像显示。 n但是暗态不够好，原因

57、是液晶层在高电压作用下仍但是暗态不够好，原因是液晶层在高电压作用下仍然会有残存的相位延迟量。然会有残存的相位延迟量。 器件的对比器件的对比 度不高。度不高。7879nOCB模式的液晶排列看上去像两层模式的液晶排列看上去像两层TN模式液晶相叠，但它模式液晶相叠，但它的液晶分子排列是上下对称的，这样由下面液晶分子双折射的液晶分子排列是上下对称的，这样由下面液晶分子双折射性导致的相位偏差正好可以利用上部分的液晶分子自行抵消，性导致的相位偏差正好可以利用上部分的液晶分子自行抵消，相对其他配向分割模式，相对其他配向分割模式，OCB的制造工艺更简单一些。的制造工艺更简单一些。 n在弯曲排列的液晶分子中，中

58、间的液晶分子始终处於跟基板在弯曲排列的液晶分子中，中间的液晶分子始终处於跟基板垂直的状态。由於液晶分子是紧密排列在一起的，当加电後，垂直的状态。由於液晶分子是紧密排列在一起的，当加电後，中间液晶分子的动作将牵拉或推动整个液晶盒，起到加速的中间液晶分子的动作将牵拉或推动整个液晶盒，起到加速的作用。作用。nOCB模式的液晶分子长轴始终在一个平面，不需要像模式的液晶分子长轴始终在一个平面，不需要像TN模模式那样做扭曲的动作而只需式那样做扭曲的动作而只需弯曲弯曲，相对来说，只需做很小，相对来说，只需做很小的改变就可以达到预定的位置，所以的改变就可以达到预定的位置，所以OCB模式液晶显示器有模式液晶显示

59、器有着明显的速度优势。着明显的速度优势。 8081多畴垂直取向多畴垂直取向（MVAMVA）技术技术Cross-sectional ViewElectric FieldProtrusion in CFCommon electrodePixel electrode新型结构新型结构技术特点：技术特点：响应速度快（160）。技术不足：技术不足：驱动电压高（13.5V）；液晶注入时间较长；工艺复杂成本高。技术发展：技术发展：Super MVA（1996），Premium MVA。主要应用面板厂家：主要应用面板厂家：奇美电子，友达光电等8283848586沿面开关（沿面开关（IPSIPS）技术）技术技术特

60、点：技术特点：液晶分子面内翻转；视角范围广（160），图像显示性能佳。技术不足：技术不足：驱动电压高（15V）；开口率低，亮度不足。技术发展：技术发展：Super-IPS，Advanced Super-IPS。主要应用面板厂家：主要应用面板厂家：LG Philips等8788 OnSuper IPSIPSContrast ratio: 200 350 Viewing angle(35:1):110.150160.160 Response time: 40 30 ms899091925. FFS广视角技术广视角技术 (fringefield switching) 19961996年年HYDISH