液晶显示技术.ppt

1、液晶显示技术,什么是液晶,物质的第四态液晶,什么是液晶,液晶态物质既具有液体的流动性和连续性，又保留了晶体的有序排列性， 物理上呈现各向异性。,发展历史,1888年 奥地利植物学家F.Reinitge首先发现液晶现象； 1889年 德国物理学家O.Lehmann观察到同样的现象，并发现这种物质具有和晶体相似的性质，故称为“液晶”； 1968年 RCA公司发明了动态散射型液晶显示器； 1969年 液晶引起了日本科技、工业界极大的重视： 从液晶手表、液晶计算器等低端起步，发展到无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到多晶硅有源高分辨率彩色液晶显示器。,热致液晶,热致液晶是当液晶物质加热时，在

2、某一温度范围内呈现出各向异性的液体。用于显示的都是可工作在室温上下的热致液晶。大多数液晶分子长度为几十埃、宽度为几埃。 液晶分子都是有序排列的，根据排列的不同，热致液晶分为向列相、近晶相和胆甾相三种液晶相。,热致液晶,近晶相液晶（S型）,近晶相液晶由棒状或条状分子组成，分子排列成层状，层内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序，层内分子之间作用力大，层间分子作用力小，每层厚度约23。近晶液晶粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。,向列相液晶（N型）,向列相液晶由长、径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性，具

3、有类似于普通液体的流动性，分子不能排列成层，能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近似平行。 向列液晶具有单轴晶体的光学特性，而在电学上又具有明显的介电各向异性，利用外加电场对向列相液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，即可实现显示的目的。向列相液晶已成为现代显示器件中应用最为广泛的一种液晶材料。,胆甾相液晶（CH）,这是一种分子成扁平层状排列的液晶材料，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，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状结构。 向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形

4、成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。 胆甾相液晶在显示技术中很有用，TN、STN、相变(Pc)显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的。,溶致液晶,溶致液晶是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。溶质液晶广泛 存在于自然界、生物体中，与生命息息相关，但在显示中尚无应用。,液晶的物理特性,有序参数： 向列液晶是圆柱对称的，体系中存在一根轴线，通常称这根轴线为主轴，向列相液晶分子的轴线择优倾向于平行于主轴，但并非完全平行主轴，衡量其平行程度用有序参数S表示。 S(3cos2-1)/2 ( 2-1) 有序参数与液晶材料、温度有关。温度上升，序参数下

5、降， SK(Tc-T)/Tc (2-2) Tc： 向列液晶清亮点（） T ： 向列液晶的温度（） K ： 比例常数 液晶的S=0.30.8,液晶的物理特性,液晶的各向异性,1）介电各向异性： C/C0 ；C/C0 ； (CC)/C0 C： 外加电场与外加磁场平行时测得的液晶电容 C ： 外加电场与外加磁场垂直时测得的液晶电容 C0 ： 无液晶时测得的极板间电容,液晶的各向异性,2）电阻率： 液晶的电阻率表示了液晶的纯度，越大越好，一般为1081012 .cm 3）光学折射率各向异性n： 向列相液晶中 n=n- n n: 平行于分子长轴的折射率 n ： 垂直于分子长轴的折射率 n正值表示单轴正晶

6、体，负值表示单轴负晶体，n与偏振、旋光、折射、干涉所引起的电光效应有直接关系，n一般在0.10.3左右。,液晶的各向异性,4）弹性常数 K： 一般 K10111012 N K分为K11（展曲）、K22（扭曲）、K33（弯曲）、 K33 K11 K22 5）粘滞系数： 一般为102103Pa.s,液晶的光学特性,液晶的双折射和光学性质： 液晶的主要特征之一是呈现光学单轴晶体性能。在给定一个波法线方向后，可以有两种折射率不同、振动方向互相垂直的光波，即o光和e 光，他们都是线偏振光。 在向列相液晶及近晶相液晶中 n0= n ne= n nen0 n = ne- no 0,液晶的光学特性,液晶的光学

7、特性,在胆甾相液晶中 n0=( (n2n2)/2)1/2 ne= n n n ne2 -n02=( n2-n2)/2)0 n = ne- no 0 (3-2) 由于液晶呈单轴光学各向异性，具有如下特别有用的光学特性： 能使入射光的前进方向向液晶长轴方向偏转； 能改变入射光的偏振状态（线、圆、椭圆）或偏振方向； 能使入射偏振光相应于左旋或右旋光进行反射或透射。 各种液晶显示器基本上是根据上述三大光学特性而设计制造的。,液晶显示器件,液晶显示器件基本结构：,液晶显示器件,液晶分子的沿面排列,无论何种液晶显示器件都是以下述原理为基础的： 在电场、热场等外力的作用下，液晶分子从特定的初始排列状态转变为

8、其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶器件的光学特性发生变化，从而变换为视觉变化。所以，均匀、稳定的液晶分子排列是液晶显示器件工作的基础。,分子排列的种类,液晶分子的排列方法,斜蒸氧化硅法 垂直取向法 采用卵磷脂、硬脂酸涂复在基板表面，加热干燥 平行取向法 采用PI涂复在基板上，加热干燥，摩擦成沟槽，液晶分子沿沟槽排列。目前大部分LCD均采用平行取向法。,液晶显示器的主要性能参数电光特性,液晶在电场作用下透光强度将发生变化，透光强度与外加电压的关系曲线称为电光曲线，如图所示：,液晶显示器的主要性能参数电光特性,在TN液晶显示器中，如果在液晶盒两面放置相互正交的偏振片，在不加电压时，透光强度

9、最大，随着电压增加，透光强度减弱（图323b），此特性称为正性电光特性；若两面放置的偏振片相互平行时，则电光曲线正好相反（图323a），此特性称为负性电光特性。 （1）阈值电压Vth ：透光强度变化10时的电压，TN的Vth一般为13V （2）饱和电压VS ：透光强度变化90时的电压，饱和电压越低，越易获得好的显示效果，功耗也可以降低,（3）对比度： Tmax/Tmin TN、STN对比度 5：120：1 TFT对比度 250：1300：1 （4）陡度和 VS/VTH (4-1) = VTH/ (VS-VTH)=1/(1-) (4-2) VS越接近VTH，电光曲线越陡，趋于1，扫描线数可以越多

10、， TN 1.41.6，只能实现816路驱动， STN 1.021.2，可以实现128240路驱动。,电光响应曲线,液晶显示器的主要性能参数电光特性,对TN等液晶器件： 下降时间 r=id2(0V2-kii2)-1 上升时间 d=id/kii2 对相变（PC）等液晶器件： r=id2(0V2-kii2/ P02)-1 d=iP02/kii2,对比度与视角,如图所示,液晶的对比度随视角变化很厉害,当Cr=2时,图象勉强可辨, Cr=5时, 图象就很清晰了。,温度特性,液晶的阈值电压Vth及响应时间随温度而变化，温度越高，Vth越低，响应时间越快。,频率特性,实用液晶显示器件都是电场效应器件，以T

11、N为例，电阻率高达1010.cm ,而电容只有几个pF/cm2，所以工作电流不到1A/cm2,是典型的微功耗器件。TN器件基本上是容抗性的，因此，交流驱动时，频率对驱动电流影响很大，如驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加510倍，所以一般驱动频率都控制在不发生闪烁的最低临界值上。,常见的液晶显示器件,反射式：,常见的液晶显示器件,透射式：,常见的液晶显示器件,投影式：,动态散射型液晶显示器（DS-LCD）,世界上第一个液晶显示器就是动态散射型的，它是将离子型有机导电材料掺入液晶材料中，并将液晶分子沿面排列，制成液晶盒。不通电时，液晶盒透明，通电电压大于10V后液晶变成乳白色，不

12、透光，由于其电流大，液晶易于分解，寿命短，显示质量差，很快就被淘汰了。,扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD),液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲90，夹入两电极基板之间，制成液晶盒，自然光经起偏器变成直线偏振光，入射到液晶盒内，被扭曲90，并通过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器，透光；当两电极之间加上一定的电压时，液晶分子转动，最终成与基板成垂直排列，入射到液晶盒内的偏振光，未被扭曲，不能通过检偏器，不透光。,TN分子排布与通过光示意图,TN显示原理,扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD),由于TN利用的是旋光特性，入射线偏振光通过液晶层后也必须是线偏振光，因此，光程差应满足：

13、 dn/2 一般d=10um n=0.20.4 dn=24um0.380.76um(可见光范围),TN器件基本参数,扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD),TNLCD是目前最普通的一种液晶显示器，结构简单，工艺成熟，性能、寿命极其稳定，价格非常便宜。但由于它的不陡的电光特性，在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只实用于静态或四路以下的动态段式显示中，目前最好的TN液晶器件也只能实现816路驱动显示。此外，响应速度慢、视角窄也是它的主要缺点。 由于以上缺点，TNLCD一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。,超扭曲向列液晶显示器件（STNLCD）,在向列相液晶中加入百分之几的

14、手性旋光材料，使液晶盒内的液晶分子扭曲180270就可以制成超扭曲液晶显示器件。,超扭曲向列液晶显示器件（STNLCD）,超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大提高了它的多路驱动能力，当扭曲角270时，曲线的陡度趋于无限大，理论上可以驱动无数路，实际上工作于1/480占空比下没有问题。STNLCD这种优良的特性大大扩展了液晶显示器件的应用领域，自1984年发明这种显示器件以来，STNLCD在初期的笔记本电脑、文字处理机、复印机、高档仪表及其他需要汉字、图形显示的领域被广泛的采用。目前应用领域最大的是手机和PDA等通信产品，大部分手机都采用了单色或彩色STNLCD。,超扭曲向列液晶显示器件

15、（STNLCD）,STN与TN工作原理不同,TN盒液晶分子扭曲90，STN扭曲180270； TN盒中，起偏器的偏光轴与上基板表面液晶分子长轴平行，检偏器的偏光轴与下基板表面液晶分子长轴平行；STN盒中，上下偏光轴与上下基板液晶分子长轴都不互相平行，而是成一个夹角，一般为30； TN盒是利用液晶分子的旋光性而工作的，STN盒是由于经起偏器的入射线偏振光与液晶分子成角度，使入射光被分解成正常光和异常光，通过液晶盒，产生光程差，在通过检偏器时发生干涉，所以STN盒是利用液晶的双折射特性工作的； TN盒工作于黑白模式，STN盒工作于0.8m光程差（dn）下，干涉色为黄色，为消除这种干涉色，可以采用左

16、右旋双盒结构或相位补偿膜的方法，使其成为黑白模式。 STN盒厚要求非常严格，盒厚公差要小于0.05m，由于电光曲线陡峭，灰度调制也很困难，另外，STN的响应速度很慢，不易实现动画显示。,TN显示用液晶材料（一）,普通温度范围用TN显示用液晶材料 目前使用的是以稳定性好、电光性能好和色泽洁白的苯脂类、氰基联苯类、苯基环己烷类化合物为主，其化学结构式如下： 氰基联苯： 苯甲酸脂： 环乙基羧酸脂：,TN显示用液晶材料（二）,宽温度范围TN显示用液晶材料需用：,苯基环己烷：,二苯基环己烷：,环己基二苯基环己烷：,STN显示用液晶材料（一）,含有两个或三个环的苯基环己烷类、乙烷类液晶： 如苯基环烷：,二

17、苯基环己烷：,环己基二苯基环己烷：,环己基羧酸脂：,乙烷类液晶,STN显示用液晶材料（二）,嘧啶类、炔类液晶：,间二氮杂苯系：,炔类液晶：,STN显示用液晶材料（三）,含氟链烯基液晶：,TFT显示用液晶材料,含氟或多氟液晶材料：,TFT显示用液晶材料,不同液晶材料的特性材料,液晶驱动技术,1、静态驱动,七段式液晶驱动器,动态驱动,无源矩阵显示都需要采用时分割动态驱动法，驱动波形如下图所示 ：,动态驱动,其选通点电压 Von2=V02(b2+N-1)/Nb2 非选通点电压 Voff2= Vo2（(b-2)2+N-1）/Nb2 最佳偏置比 b=N1/2+1 工作电压范围裕度 = max（(N1/2

18、+1)/ (N1/2-1)）1/2,有源矩阵液晶显示器（AMLCD）,无源驱动的致命缺点是： 1）随N的增加而迅速下降，如下图所示,当N400、500、600时，max1.053、1.046、1.042,即显示与非显示电压之差只有46，这在工艺、驱动电源、液晶温度特性上都是无法保证的，易于产生交叉效应。,有源矩阵液晶显示器（AMLCD）,2）当N上升时，占空比1/N也随之下降，这一方面要提高驱动电压，同时要求更亮的背光源。 为克服这些问题人们发明了有源驱动液晶显示器件。有源驱动器件分为 二端式和三端式两种，二端式主要有二极管式及MIM式，三端式主要有TFT及单晶硅（MOSFET）,下面重点介绍一下TFT技术,有源矩阵液晶显示器（AMLCD）,TFT是准静态驱动，无交叉效应，响应速度快，易实现