§液晶显示器件LCD

第3章液晶显示器件（LCD）§3液晶显示器件（LCD）什么是液晶？液晶的发现液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。液晶态是物质的一种形态液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。3.1、液晶基本知识1.互变相变（可逆相变）2.单变相变液晶分类（按热致液晶分子排列状态）向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶向列液晶在偏光显微镜下的图向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶隧道显微镜下的近晶相层状液晶近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。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。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。3.2、液晶的光电特性（1）液晶的各向异性P型液晶（Δε>0）正介电各向异性液晶N型液晶（Δε<0）负介电各向异性液晶

液晶短轴方向ε⊥液晶短轴方向ε∥外场作用下的取向在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。目前液晶显示器主要应用P型液晶。使液晶分子排列发生变化的临界电场强度为

式中为弹性常数，d为液晶盒的厚度。当液晶分子沿液晶合玻璃表面排列时，；当液晶分子垂直于玻璃表面时，；而当液晶分子扭曲排列时，。换算为电压即阈值电压

（2）液晶的双折射以P型为例，长轴为光轴向列液晶有，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：液晶器件所基于的三种光学特性由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化；3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。（3）液晶的电光效应液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。液晶的电光效应分类3.3贤、动态悉散射（生DS-饿LCD忽）型液肠晶显示堤器件（主196挎8年～询197疑2年）在不通电佣的情况下踪蝶，液晶盒裹呈透明状政态。当通过节低频交妥流电时想，当电喜压超过纷阈值电丧压Uth时，在液摧晶层内形交成一种因威离子运动霸而产生的涨“威廉畴布（Wil道liam靠s）”，饿继续增加捆电压，最瓣终会使液葱晶层内形诸成紊流和扰动，并对勤光产生强在烈的散射跟。DS液祥晶显示蚊器件是剂无偏振瓦片结构篇，电流栽较大，锅一般在招背面衬末以黑色现衬底。猪.3.4、劈燕扭曲向列牵液晶显示伤器件（T薪N-LC涛D）（1孩971年更～198贵4年）属第二穿代液晶咳显示器掌件。它洁是最常态见的一狼种液晶芳显示器珠件。将两块鞋涂有导娃电透明乡丰电极氧章化锢锡米In2O3-SnO2（简称斤ITO淹）薄膜驾的玻璃医板中间反夹有介较电各向阵异性为颂正的向卵列相液肚晶，厚防度约为橡数微米扫。玻璃基怪板表面及做平行反取向处耗理，即增涂敷一联层聚酰搅亚胺聚卖合物薄碑膜，用屠摩擦的驱方法在阳表面开昂成方向品一致的驶微细沟趋糟。在舱保证两归块基板瓶上沟糟接方向正椒交的前含提下，耳形成一桑个间隙胳为几个太微米的拌液晶盒奸。由于内淡表面涂卫有定向谁层膜，溉在盒内胞液晶分特子沿玻抗璃表面摊平行排沾列。但叉由于两地片玻璃乖内表面列定向层奇定向处没理的方脉向互相堂垂直，求液晶分绑子在两亦片玻璃凝之间呈点90°覆扭曲，帖这就是查扭曲向帅列液晶率器件名法称的由欣来。当入射亏光通过凉偏振片艰后成为肢线偏振搏光，在散外电场苏作用时开，由线姓偏光经恒过扭曲须向列液耀晶的旋是光特性邮决定，陷在出射吓处，检州偏片与孤起偏片照相互垂静直，旋凭转了9支0°的眠偏振光码可以通尾过。因拥此呈透荐光态。在有电狡场作用界时，当嫌电场大捏于阈值盖场强后泼，液晶钩盒内液尸晶分子锋长轴都创将沿电狭场方向古排列，屯即与表搁面呈垂涂直排列裤，此时敢入射的坛线偏振警光不能饿得到旋斗转，因之而在出聪射处不啊能通过娃检偏片带，呈暗历态。这种黑色列的显示称蒜正显示。毛同样如果瞧将偏振片拣平行放置乐，则可得玩到负显示崖。扭曲效寺应的阈值走电压为式中，伯为弯怪曲弹性常抱数；纺为扭曲挑弹性常数览；为气展面弹性姐常为；眼为上下嫌玻璃基板乌平行处理组后的扭曲杆角。由式盈可知捎越大，挎越小，有接几种软很大的液坊晶，可使傲下降到猜1.0V鼠左右。TN-荡LCD弦工作原针理用TN闯-LC出D制作受的常用案液晶显砖示器件1971蛮年瑞士人狼发明了扭味曲向列型桶(TN)锅液晶显示越器,日本扛厂家使T崭N-LC艰D技术逐协步成熟，陪又因制造垮成本和价斥格低廉，问使其在七巾八十年代互得以大量牺生产，从租而成为主呼流产品。浪在197府9年～炸1984斯年间，其乐产量年均便增长38厚%,成本什年递减1铜8%，销佛售额年增呈长12%烈，这使L张CD在显鲁示器件领污域的地位嚼仅次于C录RT。L搬CD的高幅速发展引愈起了世界仰电子业界侨的极大关奔注,对L皂CD技术槽研究投入切的力量和延资金与日脆俱增。TN-L规CD的信良息容量小导，只能用田于笔段式其数字显示究及低路数巩（16线袖以下）驱段动的简单娇字符显示它。3.5线、超扭左曲向列赢液晶显雪示器件镰（ST选N-L呼CD）报（19佛85～孕199哥0年）第三代拜液晶显掉示器件维。顾名矮思义，闭“超扭意曲”即办扭曲角喂大于9担0°。TN型邮液晶显收示器件搁缺点：电光响义应前沿窗不够陡握峭，反应速演度慢，阈值效朽应不明锤显。使得大量汽显示和视钥频显示等市受到了限快制。图3.5爬TN望-LCD红响应速度80年零代初，乐人们经倡过理论恶分析和厌实验发捏现，只缸要将分适子的扭构曲角增症加到1死80°奸~27鸡0°时缩慧，就可升大大提烟高电光踏特性的屡响应速刘度。随着扭忙曲角的仇增大，立曲线的扑斜率增肃加，当态扭角达集到27轿0°时斜，斜率敌达到无忽究大。曲线斜率虑的提高可罚以允许多艺路驱动，跳且可获得病敏锐的锐魂度和宽的帝视角。图3.宴6驶STN族-LC趣D中中日间层分射子的倾乏斜角与伶约化电借压的关韵系1985寨年～19换90年,笼LCD销讽售额年均滑增长率达珠32%。蔑此阶段发吸展最快的柴是STN拴-LCD哥,它从发端明到批量方生产仅用沃了五年时膜间。由于S组TN-它LCD掀具有扫滤描线多常、视角朱较宽、阅对比度社好等特个点,丛很快在穿大信息俗容量显军示的膝布上型、叶笔记本李型、掌割上型微角机及中幼英文打征字机、统图形处扔理机、愉电子翻阿译机及羡其它办剂公和通调信设备女（手机般）中获妄得广泛掌应用,唐并成为棍该时代镰的主流罚产品。1990另年销售额住15亿美台元,占整孔个LCD考市场的8否3%。3.6、猴有源矩阵怨液晶显示宜器件（A浅M-LC券D）属于第4相代液晶显味示器。普通简单岗矩阵液晶胸显示器T地N型及S恒TN型的祝电光特性毒，对多路慨、视频运领动图像的弊显示很难庸满足要求冤。有所谓季的“交叉效应”。由解于每个真像素相登当于一遮个电容融，必产浩生串扰去。当一逼个像素修被先通杠时，相疗邻行，血列像素漏将处于闲半选通味状态。人们在军第一个惭像素上梨设计一秘个非线道性的有疼源器件缺，使每盟个像素真可以被宽独立驱旱动，克棍服了“贝交叉效父应”。图3.猾3执MIM能液晶显显示器件丽的电极皮排布有源矩质阵液晶坛显示采及用了像嗽质最优务的扭曲倍向列型膜液晶显截示材料配。有源趴矩阵液草晶显示胞根据有肢源器件镰的种类影分为二叛端型和档三端型歉两种。二端型缘瑞以MI努M（金她属-绝零缘体-显金属）痕二极管要阵列为阁主；三端型以以薄膜惜晶体管禾（TF肌T）为质主。（1）M鞠IM在两种谜导电膜丢之间夹氧一层氧妇化物绝肚缘层，菊其结构眼为Ta麦-Ta2O3-Cr，怪通电后两声导电膜之约间电压-份电流必呈翼非线性，柴二端有源啦器件相当久于一个双奴向性二极昨管，正、傅反向都具跑有开关特即性。由于M期IM面悄积相对树于液晶畏单元面劫积小得岁多，故鹊其等效须电容CMIM<<CLC。其等效阀电阻RMIM是非线性勾的。图3.燃4槽MIM裁液晶显使示器件碧等效电棒路当扫描电冷压和信号牲电压同时划作用于像稍素单元时模，MIM崇器件处于其断态，RMIM很大，且铅CMIM<<CLC，电压主随要降在CMIM上；当此电压歇大于MI督M器件的净阈值电压薄时，MI朵M进入导会通状态，锅RMIM迅速减福小，通虎态电流围对CLC充电；当充电彻电压均虫方值V片rms训达到液杠晶的阈孤值电压落Vth时，液努晶单元坛显示。当扫描绪移到下便一行时宰，原单辨元上的鸦外加电岂压消失灶，MI昌M转为姑开路，女CLC通过RLC缓慢放电烈，以致于拦可以在一哲帧时间内祸维持Vr遍ms≥V扶th，于妈是该单元泻不仅在寻蹦址期内，揭而且在一捆帧时间之烈内保持显赤示状态，剩解决了简开单矩阵液俗晶显示器内随着占空贝比下降其安对比度亦决下降的弊护病。（2）α救-SiT短FT属于非晶汁硅-薄膜朴晶体管类炕型的三端洽有源矩阵骑液晶显示岸器件。它工艺简鸽单，玻璃基素板成本迁低，导通比大唯，可靠性高屯，容易大面射积化。图3.5熊TF为T有源矩能阵驱动L裤CD的基早本结构1-显示拖电极；2湾-玻璃基径板；3-岭透明电极稠；4-液冷晶层；5-M迹OSF味ET阵震列；6浴-基板预；7-驱信号存障储电容锹器；8规-FE怒T同一般掀液晶显规示器类驳似，两少片玻璃泊板之间剥封入普饭通TN诱型液晶继，不同的再是在玻附璃基板兽上要放盏置扫描犬线和寻撇址线（边行、列项线），山在交点恐上再制篇作上T倚FT有测源器件扭和像素缺电极。上上玻璃施板是一具共用电及极，如壁果是彩疲色显示声，则还防要在上福面用微炊细加工笨方式（铲染色法后，或印娱刷法）席制作上号与下面建矩阵对川应的R奔、G、励B滤色条膜。T况FT的制栅极G浇接扫描辨电压主涝，漏极别D接信煌号电压翅，源极摸S接I硬TO像均素电极兄，与液施晶像素窑串联，渠液晶像谅素可以带等效成袋一个电渗阻RLC和一电容拒CLC的并联纤。图3.睁6逼TFT阵有源矩封阵显示菜器件像暗素等效建电路及帮驱动波械形CGP界-分布救电容；延CST每-补偿踢电容；誉RON均-导通铅电阻；淡ROF教F-截绳止电阻当扫描辞脉冲加麻到栅极厘G时，侨使D-堂S导通馆，内阻扩变小，付信号电惑压产生坝大的通刘态电流低ION，并使双CLC很快充电阵到信号电币压。当CLC充电电压糟均方根值虏Vrms启大于液晶资像素的阈锯值电压Vth时，该郊像素显陷示，并驰通过RLC缓慢放麦电；由这样的建“存储效膀应”使一桂个帧周期羞内Vrm宝s≥Vt赔h，即显自示占空比询为1:1拖。由于三端稻器件的通健态电流更抗大，开路代电阻更高玻，开关特宣性更陡，睬因此比二政端器件的惩显示性能迷也更好。1985轧年后，由庸于超扭曲衬液晶显示奏器的发明源及a-S冷iTFT竹液晶显示位技术的突句破，LC欲D技术进册入了大容南量化的新闯阶段，使翠便携计算苦机和液晶键电视等新传产品得以盈开发，并竖迅速商品纸化。LC始D市场需犹求量大幅址度增长。3.7、收背照灯液晶显坊示器是絮被动显鸣示器件汇，本身蛛不会发司光，往党往工作巾在透光尼模式下榴。因此，肆为了了筑获得高恳对比度歼与全色赛显示，浪需要采捐用背照霜明光源中。由于背照什光源的功狡率是整个夜器件的9况0%以上搞，因此体薯积和功率拖是首先要鞋考此的因也素。图3.7烤边光残式背光源花结构图目前采用幅的背照光邮源主要有滔：1）热电候致发光板忘EL2）平板秩荧光灯（相VFD）3）冷陆阴极荧灿光灯（还CCF字）4）平祖板场发漏射（F累ED）5）有箭机电致揉发光（喊OEL留）等。照明方式析又分为边爪光式与背坊光式背光泻式两种。图3.7额边光俭式背光源黎结构图电致发稼光（E滋L）是践一种冷