LCD显示技术.ppt

1、LCD显示技术介绍,任喜明,XIAMEN ZE CO.,LTD.,2,主要内容,液晶基本知识 LCD Panel 的基本结构及显示原理 LCD Panel 工艺简介 LCD电光特性曲线 LCD的瞬态响应 LCD对比度和视角的关系 LCD的温度特性 LCD显示类型及模式 LCD采光方式 TN、STN、TFT显示器性能比较 背光源简介 LCD显示性能 IC帮定方式 LCD连接方式 LCD环境实验 模块使用注意事项,3,液晶基本知识,1. 什么是液晶 一般物质分为三种状态:固态、液态和气态。液晶是基于固态和液态之间，兼有二者的特性。它具有光电各向异性。正是这种光、电各向异性使得用电来控制光学性能或液

2、晶显示成为了可能。 2. 液晶的分类 从液晶的物理条件可分为热致液晶和溶致液晶: 热致液晶：由于温度变化而出现的液晶相。目前用于 液晶显示的液晶材料基本上都属于热致液晶。 溶致液晶：由于溶液浓度变化而出现的液晶相。,4,液晶基本知识,从液晶分子排列结构分：向列相、近晶相、胆甾相 （1）向列相液晶（nematic), 又称丝状液晶 如右图所示，向列相液晶分子的长轴互相平行， 但分子的重心杂乱分布，分子可以上下移动，左右滚 动，但仍会保持平行。分子的排列自由，对外界电、 光、热的作用相当敏感，因而得到广泛应用，如： TN-LCD STN-LCD TFT-LCD （2）近晶相液晶（smectic),

3、 又称层状液晶 如右图所示，近晶相液晶分子的排列成层，在 每一层内分子的长轴互相平行，其方向垂直于层面或 或与层面斜交。由于近晶相液晶的粘度较大，其排列 及运动受到较大的约束，所以对外界的响应不很灵敏。 （3）胆甾相液晶（cholestevic), 也称螺旋状液晶 如右图所示，胆甾相液晶的分子呈扁平型，在空 间形成一个螺旋结构，在垂直于螺旋轴的每一平面内， 分子长轴彼此平行，而对于相邻两平面而言，其分子的 长轴方向彼此有一轻微扭曲（温度计应用于此液晶）。,5,液晶基本知识,3. 液晶的异向性 沿分子长轴平行方向的物理量,我们称之为平行分量, 如平行介电常() ， 平行折射率(n) ，平行磁化率

4、() ，平行电导率() ，平行粘滞系数 () 。而与分子长轴垂直的物理量有垂直介电常数 () ，垂直折射率 (n) ，垂直磁化率() ，垂直电导率( ) ，垂直粘滞系数() 。 液晶物理参数各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示。 = - n = n - n = - = - = - 其中: = - 是液晶显示器件原理的基础.液晶的 有时为 正有时为负. 为正时我们称为正性液晶(也称P型液晶);而当 为负时 我们就称为负型液晶(也称N型液晶). P型液晶在电场中液晶分子长轴与电场方 向平行。而N型液晶在电场中则分子长轴与电场方向正交排列。,6,液晶基本知识,液晶材料参数对显示器件性能的影响

5、液晶材料的任何一项性能和参数都会影响甚至决定液晶显示器件的性能。有 有些还会影响显示器件的工艺制造。 液晶显示器件主要参数主要有工作温度范围响应特性驱动特性视角 对比度、可靠性等。而必须与其适应的器件工艺则主要是制盒的盒厚及取向工 艺。 器件特性与其所要求的液晶材料的特性和参数如下表所示： 器件特性 相互关系 液晶参数 工作温度范围 相变温度TS Tc 对比度 粘度 响应特性 介电个向异性 驱动电压 折射率各向异性n 视角 弹性常数 k11，k22，k33 可靠性 螺距 P 器件工艺 电阻率 盒厚 取向,7,LCD Panel 的结构及显示原理,TN-LCD、STN-LCD 器件结构 TN、S

6、TN液晶显示器件的典型结构如右图所示。 上、下两玻璃基片外表面都贴有偏振片。 上、下两玻璃基片内表面都镀有透明的 导电材料（ITO） ，经光刻工艺后形成 导电电极图形。 ITO上涂有配向膜（PI层），PI层经摩擦 后形成沟道，使两表面的液晶分子沿沟 道定向排列。由于两玻璃表面的摩擦沟道方向不同致使液晶分子产生扭曲。 TN-LCD：扭曲角为何90 HTN-LCD：扭曲角为何90 120 STN-LCD：扭曲角为何180 270 玻璃间距为几个微米。封框胶及液晶盒中填有隔垫物（spacer)，使液晶盒厚均匀。 正介电各向异性向列相液晶夹在配向膜中间。,8,LCD Panel 的结构及显示原理,2.

7、 TN-LCD显示原理 透过光 检偏器 电极（ITO） 起偏器 入射自然光 如上面左图所示，液晶盒中上、下两基片的摩擦方向相差90 ，当自然光通过起偏器 后变成与偏振片方向一致的线偏振光，同时也与基片表面的液晶分子长轴（ 0） 排列方向一致，当光线进入液晶层后，由于液晶分子的双折射，线偏振光分解成 o光和e光，其相位相同但速度不同，因而在任一瞬间o光和e光合成的结果使偏振 片的振动方向发生了变化，随着光依通过液晶层逐渐被扭曲了，当光线达到检偏 器时其光轴振动方向正好被扭曲了90 ，与检偏器的偏振轴方向一致，从而通过起偏 器，为亮场。 如右所示，当加上电场后，液晶分子（ 0）在电场作用下随电场取

8、向，扭 曲结构消失，为暗场。这种由电场感应发生的转变称为Freedericksz转变。,9,LCD Panel 工艺简介,10,LCD电光特性曲线,3. TN-LCD、STN-LCD电光特性曲线 相对透光率: Lt =(透射光量/ 入射光量) 100% 电光特性的陡度: = V90/V10 从图中可见,随着驱动电压的升高,电光 响应缓慢增加,响应曲线不够陡峭,这给多路 驱动造成了困难,使液晶在大信息量,视频显 示上受到了限制. 20世纪80年代初,人们发现,传统的扭曲 向列液晶(TN)器件,只要将其液晶分子的扭曲 角增大,即可以或得陡峭的电光响应曲线从而 改善其驱动特性.从而实现高驱动路数,高

9、点 阵的液晶显示. 目前,几乎所有的点阵图形和大部分点阵 字符液晶显示器件均已采用了STN模式.STN技 术在液晶产业中已处于成熟、完善的阶段.STN 模式的产品结构基本和TN模式是一样的,只不 过盒中液晶分子排列不是沿着90扭曲排列， 而是180-270扭曲排列。,11,LCD的瞬态响应,4.度扭曲向列型液晶显示器件的瞬态响应 延迟时间d 是指脉冲开始到透光率达10%的时间 上升时间r 是指透光率从10%上升到90%的时间 下降时间f 是指透光率从90%下降到10%的时间 上升时间与加到盒上的电压成反比；下降时间与材料性能有关（与粘度成 正比，与弹性系数k成反比，其中 k=k11+(k332

10、k22)/4_,12,LCD对比度和视角的关系,5. 液晶显示器件对比度和视角的关系 12:00 上图为全视角等对比度曲线,从图中可以, 看出液晶的对比度随着视角及方位角而变化. 在商品化, 为了便于使用者记忆和选择， 9:00 3:00 一般将方位角按时间的表盘区域划分为： 12:00 ; 3:00 ; 6:00 ; 9:00 并以此命名。 6:00,13,LCD显示类型及模式,正性显示: 白底黑字 负性显示: 黑底白字 黄绿模式:黄绿色底色,蓝黑色字体。 蓝模式：蓝色底色，白色字体。 灰模式：灰色底色，棕蓝色字体。 FSTN：在STN上加补偿模，补偿掉 干涉色以实现黑白显示。 Grey-s

11、cale：灰度显示。,LCD类型,TN,STN,HTN,TFT,正显(NW),负显(NB),正显(NW),负显(NB),正显(NW),黄绿模,蓝模,灰模,负显(NB),Grey-scale,二端器件,a-TFT,LTPS,HTPS,FSTN,CSTN,14,LCD采光方式,1.反射式采光 此种方式是利用外界自然光反射来进行 显示。优点是需要背光源; 缺点是对外界光 强有较大的依赖性，在黑暗的状态下无法观 察。 2. 透射式采光 此种方式是利用背光源来进行显示的。 优点是不依赖与外界光，在黑暗的条件下亦 显示；缺点是耗电大， 3. 半透半反式采光 此种方式可同时利用自然光与背光源。 当外界光线较

12、强时可以不用背光源；当外界 较弱时，使用背光源,15,TN、STN、TFT显示器性能比较,16,背光源简介,一 、常用背光灯介绍 1. LED LED又称发光二极管，是靠半导体PN结离子注入而发光，属电流型器件 低电压（直流）驱动，不需要逆变器。 颜色丰富,有白、红、绿、橙、黄绿等多种颜色. 功耗小,发热低. 长寿命: 约100,000小时 单色光，调光难。 电致发光EL 电致发光是一种面发光的冷光源,它是靠荧光粉在交变电场激发下的本征激 发而发光的. 薄而轻,耐振抗冲击。 分光特性好，无亮斑。 光颜色有蓝绿、黄绿和白色。 驱动电压高: 最大150V，频率601000Hz; 寿命短: 2000

13、5000小时 亮度低。 3. CCFL 这是一种依靠冷阴极气体放电,激发荧光粉而发光的光源。 高亮度3,000 4,000 cd/m2 长寿命: 约20,000小时 发热量低,17,背光源结构,二、背光模组的结构 市售的LCD背光源都是将发光灯与导光板、散色板及光学膜组成一体的背光 模组。背光模组的结构有侧光式和背光式两种：,18,LCD显示性能,常温显示：即050为工作温度， 2060为存储温度的产品。 宽温显示：即2070为工作温度， 3580为存储温度的产品。 静态驱动显示：每个像素均有单独引出电极，驱动其间要持续施加电压的产品。 动态驱动显示：像素电极排布呈矩阵或变形矩阵方式，需用时间

14、分割扫描方式驱动的产品。,19,LCD显示性能,5. 笔段型液晶显示器件 段型显示器件主要是为了显示数字或围绕数字显 示。它的电极图形总是围绕数字“8”的结构变化。其中 以七段显示最为常用。被广泛应用于各种仪表、计时器、 计数器等。 6. 字符点阵型液晶显示器件 字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、 数字、符 号等。其电极图形是由若干个58或511点 阵块组成的字符块集。每一个字符块是一个字符位，每 一位都可以显示一个字符，字符位之间空有一个点距的 间隔起着字符间距和行距的作用，这是其一；其二是这 类模块使用了专用于字符显示控制与驱动的IC芯片。所 以这类模块的应用范围仅限于字符而显示不了

15、图形。 7. 图形点阵液晶显示模块 点阵数量多,且像素间距均等,可以显示任意图形的 点阵式产品。,20,IC帮定方式,21,IC帮定方式,COB(Chip on board) 可靠性有限, COB的尺寸比较大. 当引线数超过200时,COB的总成本就相当的高.因此COB仅用于TN或低驱动路数STN显示。 TAB: Tape Automated Bonding,22,IC帮定方式,3. COG(Chip on glass) COG是把LCD驱动器IC和LCD玻璃连接起来的最常见的技术.这种方法大大 的节省了IC封装上的成本,23,LCD连接方式,1.导电胶条连接 使用此种连接方式时需要用一结构件

16、将LCD 与导电胶条和PCB版固定在一起。 因为电极间距可以做的很小，所以适合驱动 路数多的产品。 2. 金属插脚连接 将金属插脚固定在LCD外引线上，既可以直 接将LCD固定在PCB上，也可以将LCD插在 PCB的插座上。 金属插脚间距有2.54mm,2.0mm,1.8mm。 适用的玻璃厚度有1.1mm,0.7mm,0.55mm。 3. 热压软带连接 用软带将LCD和PCB版连接在一起。 由于片基是柔软的，所以使用时固定方便， 并且可以减小安装厚度。,24,LCD连接方式,25,LCD环境实验,可靠性实验主要包括以下实验：低温储存、高温储存、恒定湿热、温度变化 振动、低温通电、低气压等。具体

17、参数如下： 低温储存：实验温度-253，持续16h，恢复24h。 高温存储：实验温度552，持续96h，恢复24h。 恒定湿热：实验温度402，相对湿度952%，实验持续时间为96小时。 振动：震动频率为30Hz，加速度为2.5m/s，在水平、垂直方向各振动30min,26,模块使用注意事项,1-1. 安装 LCD模块的安装是用PCB上的安装孔装配到所用的设备仪器 上，因为模块内 部的显示屏由两片很薄的玻璃组成，很易损坏， 因此，在安装应用时应特别小心。 1-2. 模块的清洁处理 当对模块进行清洁处理时，用软布蘸取少许溶剂 （推荐如下） 轻擦即可。 异丙醇 乙醇 避免用干燥或硬物擦洗显示表面以

18、免损坏偏光片。请勿使用如下溶剂： 水 酮类 芳香族化合物 1-3. 防止静电 LCD模块上所用的驱动IC为C-MOS大规模集成电路。因此请勿将任何未用 的输入端接到VDD或Vss，不要在电源打开之前向模块输入任何信号，并将操作 者的身体、工作台、装配台接地，安装设备需防止静电。 1-4.包装 LCD模块避免剧烈震动，或从高处跌落。 为防止模块老化，避免在阳光直射下或在高温、高湿环境下工作或储存。,27,模块使用注意事项,1-5.操作(注意事项) LCD模块必须在规定的电压范围内驱动，高于规定的驱动电压将缩短LCD 模块的寿命。 直流电流将导致LCD劣化，因此避免使用直流电驱动。 温度低于工作温度范围时LCD的响应时间将会显著加长，高于工作温度范围 时，LCD颜色变暗。 上述现象在恢复工作温度范围内工作时便会恢复正常，并 非产品质量问题。 如果在工作状态下，显示区被用力压迫，某些字符会显示错误，但关闭一次 后会恢复正常。 电极端子上的结露会因电化学反应导致开路。 在最高工作温度时，湿度要小于50%RH。 1-6 贮存如果长期贮存(如一年)推荐使用如下方法: 将模块封入聚乙烯塑料袋中，防潮。 放置在避光且温度在规定的存贮温度范围内的地方。 存贮中避免任何物体触及偏光片表面。（建议交货时存放 1