§2.1液晶的基本知识_TFT显示原理及结构组成

1、液晶彩电修理从入门到精通教程,Contents,2011.09.05,光电技术应用,2.1液晶的基本知识,2.1.1 液晶的概念,1,一什么是液晶 除了我们知道的固态、液态和气态，有些物质、它们在从固态转变成液态的过程中，不是直接从固态变为液态，而是给一种中间状态。 对于不同的物质, 可能有其它不同的状态存在. 以我们要谈到的液晶态而言, 它是介于固体跟液体之间的一种状态, 其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程(见图1), 只要材料具有上述的过程, 即在固态及液态间有此一状态存在, 物理学家便称之为液态晶体. 液晶是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具

2、有各异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。,图1、物态的相变化,1,2.1.2 液晶的由来：,1,液晶最早是由奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）于1888年发现的。它在测定某些物质的溶点时，发现某些物质（脂甾醇的苯甲酸脂和酯酸脂）溶化后会经过一个不透明呈白色浑浊液体状态并发出多彩而美丽的光泽，只要继续加热才会变成清亮的液体。 1889年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）用由他设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行观察。他发现这类白色浑浊物质外观上虽然象液体。但呈各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将它命名为“液态晶体”。这就是液晶的由

3、来。 一直到了 1968年美國RCA公司工程師們利用液晶分子受到電壓的影響而改變其分子的排列狀態，並且可以讓入射光線產生偏轉的現象之原理，製造了世界第一臺使用液晶顯示的螢幕。,2.1.3 液晶的分类：,1,从成分和出现液晶相物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类。目前用于显示材料基本上都属于热致液晶。 根据液晶分子的不同排列方式，可分为三大类：即向列液晶、胆甾相液晶和层列相液晶三大类。 . 但是如果是依分子排列的有序性来分(见图2), 则可以分成以下四类:层状液晶(Sematic)、线状液晶(Nematic)、胆固醇液晶(cholesteric)、碟状液晶(disk)。,图2、液晶的

4、分类,1,2.1.3 层状液晶(Sematic)特点：,1,其结构是由液晶棒状分子聚集一起, 形成一层一层的结构. 每一层的分子的长轴方向相互平行. 层与层间较易滑动. 但是每一层内的分子键结较强, 不易被打断. 因此就单层来看, 其排列不仅有序且黏性较大。 其结构中的一层一层液晶分子, 除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外, 一层一层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构.,2.1.3 线状液晶(Nematic)特点：,1,这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列, 所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向(也就是指向矢)作为主轴并相互平行排列. 而且不像层状液晶一样具有分层结构. 与层列型液晶

5、比较其排列比较无秩序, 也就是其秩序参数S较层状型液晶较小. 另外其黏度较小, 所以较易流动(它的流动性主要来自对于分子长轴方向较易自由运动)。线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN(Twisted Nematic)型液晶.,2.1.3 胆固醇液晶(cholesteric) ：,1,大部份是由胆固醇的衍生物所生成的. 如图所示, 如果把它的一层一层分开来看, 会很像线状液晶. 但是在Z轴方向来看, 会发现它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布, 而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch. 正因为它每一层跟线状液晶很像,所以也叫做Chiral nematic ph

6、ase. 以胆固醇液晶而言, 与指向矢的垂直方向分布的液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就会有不同的光学或是电学的差异, 也因此造就了不同的特性.,2.1.3 碟状液晶(disk) ：,1,也称为柱状液晶, 以一个个的液晶来说, 它是长的像碟状(disk), 但是其排列就像是柱状(discoid).,2.1.4 液晶的特性：,1,指向性排列的特点，向列型液晶由细长棒状分子组成，分子长轴平行，指向某一方向，或分子长轴方向不完全相同，但宏观上有某一平均方向。 液晶的“电-光效应”：由于外加电场的作用使液晶分子排列变化而引起液晶光学性质（透光度）改变的现象，称为液晶的“电-光效应”。 液晶本身不发光

7、，需外设光源。,液晶彩电修理从入门到精通教程,Contents,2011.09.05,厦门技师学院,-许南翔,光电技术应用,2.2 TFT液晶屏的结构与显示原理,12,图3、液晶的电-光效应及光源示意图,偏光板(polarizer)的光透过图,2.1.5液晶的光学特性：,偏光板(polarizer)的工作原理,上下两层玻璃与配向膜,这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的. 在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thin filmtransistor, TFT), 而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter). 如果您注意到的话, 这两片玻璃在接触液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有锯齿

8、状的沟槽. 这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子, 会沿着沟槽排列. 如此一来, 液晶分子的排列才会整齐. 因为如果是光滑的平面, 液晶分子的排列便会不整齐, 造成光线的散射, 形成漏光的现象. 其实这只是理论的说明, 但在实际的制造过程中, 并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布, 一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide), 然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作, 好让PI的表面分子不再是杂散分布, 会依照固定而一的方向排列. 而这一层PI就叫做配向膜, 它的功用是提供液晶分子呈均匀排列的接口条件, 让液晶依照预定的顺序排列.,TN(Twisted Nematic) LC

9、D,从图中我们可以知道, 当上下两块玻璃之间没有施加电压时, 液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定. 对于TN型的液晶来说, 上下的配向膜的角度差恰为90度， 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度, 当入射的光线经过上面的偏光板时, 会只剩下单方向极化的光波. 通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度.而下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度.(见图9) 所以光线便可以顺利的通过。 但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时, 当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向.所以液晶分子的排列都变成

10、站立着的.此时上层偏光板的单方向的极化光波, 经过液晶分子时便不会改变极化方向, 因此就无法通过下层偏光板.,图 : TN(Twist Nematic)型LCD的结构,图 : TN型LCD的工作原理,Normally White及Normally Black,NW(Normally white),是指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是透光的画面, 也就是亮的画面, 所以才叫做normally white. 而反过来, 当我们对液晶面板不施加电压时, 如果面板无法透光, 看起来是黑色的话, 就称之为NB(Normally black). 对TN型的LCD而言, 位于上下玻璃的配向

11、膜都是互相垂直的, 而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已. 对NB来说, 其上下偏光板的极性是互相平行的. 所以当NB不施加电压时, 光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光. 为什么会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢? 主要是为了不同的应用环境. 一般应用于桌上型计算机或是笔记型计算机, 大多为NW的配置. 那是因为, 如果你注意到一般计算机软件的使用环境, 你会发现整个屏幕大多是亮点, 也就是说计算机软件多为白底黑字的应用. 既然亮着的点占大多数, 使用NW当然比较方便. 也因为NW的亮点不需要加电压, 平均起来也会比较省电. 反过来说NB的应用环境就大多是属于显示屏

12、为黑底的应用了.,TN型LCD的Normally white与Normally black结构,STN型TN型LCD的异同点,STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的, 其主要的差别在于TN型的LCD,其液晶分子的排列, 由上到下旋转的角度总共为90度. 而STN型LCD的液晶分子排列,其旋转的角度会大于180度, 一般为270度.正因为其旋转的角度不一样, 其特性也就跟着不一样. 当电压比较低时, 光线的穿透率很高. 电压很高时, 光线的穿透率很低.所以它们是属于Normal White的偏光板配置. 而电压在中间位置的时候, TN型LCD的变化曲线比较平缓, 而STN型LCD的变化曲

13、线则较为陡峭. 因此在TN型的LCD中,当穿透率由90%变化到10%时, 相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大. 我们前面曾提到, 在液晶显示器中, 是利用电压来控制灰阶的变化. 而在此TN与STN的不同特性, 便造成TN型的LCD,先天上它的灰阶变化就比STN型的LCD来的多. 所以一般TN型的LCD多为68 bits的变化, 也就是64256个灰阶的变化. 而STN型的LCD最多为4 bits的变化也就只有16阶的灰阶变化. 除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地方就是反应时间(response time) 一般STN型的LCD其反应时间多在100ms以上而TN型的LCD其

14、反应时间多为3050ms 当所显示的影像变动快速时对STN型的LCD而言就容易会有残影的现象发生,TN型与STN(super twist nematic)型LCD的差別,TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线,三，TN-TFT液晶显示屏显示图像的工作原理,1，显示图像的工作过程 TFT液晶显示屏基本工作过程框图如下，当选通某个像素时，在TFT场效应管的栅极G上施加正向的导通电压，TFT导通，显示数据通过DAC加到TFT的源极S，通过导通的TFT到达漏极D，在显示像素上形成电场，对液晶材料充电，实现显示效果。,三，TN-TFT液晶显示屏显示图像的工作原理,2，液晶屏的彩色显示原理 彩色滤波片与

15、TFT阵列基板上的像素单元一起逐个排列起来，每个彩色LCD的像素分为三个子像素，也就是由红绿兰三个子像素组成一个像素通过彩色滤光片和TFT场效应管的配合协调工作，显示出彩色逼真的图像。 教材P12图1-16 三基色像素显示示意图的工作过程进行详细分析。理解彩色显示原理。 TFT液晶屏显示色彩总数与输入数据的关系： 显示的色彩总数=,四.液晶显示屏极性变换方式,液晶分子的特性决定其不能一直固定在某一个电压不变，否则久了会发生极化现象，失去旋光特性。为避免特性破坏，驱动电压必须进行极性变换。一个是正极性，一个是负极性。 不管是正负极性，只要压差的绝对值是固定时，所表现出来的灰阶是一模一样的，但液晶

16、分子的转向是相反的，避免液晶分子转向一直固定在一个方向时所造成的特性破坏。 常见的极性变换4种方式：逐桢倒相方式、逐行倒相方式、逐列倒相方式和逐点倒相方式。具体参见教材图1-18详细图解说明。,液晶彩电修理从入门到精通教程,Contents,2011.09.5,厦门技师学院,-许南翔,光电技术应用,2.3 TFT液晶面板,TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display),TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器. 在上下两层玻璃间, 夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 我们称之为 (capacitor of liquid c

17、rystal). 它的大小约为0.1pF. 实际应用上, 这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也就是说当TFT对这个电容充好电时, 它并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时间.) 这样一来, 电压有了变化, 所显示的灰阶就会不正确. 因此一般在面板的设计上, 会再加一个储存电容 (storage capacitor 大约为0.5pF), 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候. 长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关. 它主要的工作是决定LCD source driver上的电

18、压是不是要充到这个点来. 至于这个点要充到多高的电压, 以便显示出怎样的灰阶. 都是由外面的 LCD source driver来决定的.,一，TFT液晶面板的组成,TFT LCD的切面结构图,背光板(back light, BL),液晶显示器本身, 仅能控制光线通过的亮度,本身并无发光的功能. 因此,液晶显示器就必须加上一个背光板, 来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源. 我们在图14中可以看到, 组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管), 反射板, 导光板, 棱镜, 扩散板等等. 灯管是主要的发光零件, 藉由导光板, 将光线分布到各处. 而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前

19、进. 最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙, 将光线均匀的分布到各个区域去,提供给TFT LCD一个明亮的光源. 而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转动, 控制通过光线的亮度, 藉以形成不同的灰阶.,背光模板的结构,入射光源(lamp, LED or EL etc.) 导光板(Light Guide Plate) 反射板(Reflector) 棱镜片(prism sheet) . 灯管反射罩(lamp reflector) 外框架,背光模板的结构图：,入射光源：荧光灯,冷阴极管 优点:细管径化(管径现可达到1.8mm )、寿命长、亮度高、工作电流低 缺点:发光效率低于20% 、放电电

20、压高、低温下放电特 性差、加热达到稳定辉度时间长 热阴极管 优点: 放电电压低、加热达到稳定辉度时间短、发光效率高 缺点: 细管化困难、寿命短,入射光源： LED、有机EL面状发光,LED(发光二极管) 以往用于小型的单色LCD的显示器装置，近年来成功 发展出青色光源的LED，经过导光板、反射板等作用形成 白色光源显示，由于其辉度高，渐成为具有实用性的导光板光源。 有机EL面状发光 一种能配合背光模块面光源型态的光源型式，由于其辉度低，适用于小型、全彩等使用的背光模块，现阶段正努力于三原色化， 为未来市场增加其应用性。,主要组件介绍：导光板,导光板是背光模块光源的传播煤介，其形状及材料组成 决

21、定了出射光源的辉度及分布上均一性的表现。一般来说，较细的灯管合厚的导光板有较佳的入光效率，仅有在灯管紧靠在导光板上有最佳47%的入光效率。在实际的考虑上为避免灯管电极过热对导光板造成伤害，必须要求保持灯管与导光板间的相对距离。 进入导光板内部的光源，经过散射效应与反射板、扩散板及棱镜片等作用后，出光效率约占内部光源的75%左右。 现行导光板在薄型化的趋势下，笔记型计算机使用的导光板厚度已由4mm (平板型) 逐渐降低至1.5mm(楔型)以下，再配合一体化的射出成型技术，是未来几年内的产业走向。,点印刷式导光板：,以往导光板印刷为将光源均一化分布的常用方 式，利用含高发散光源物质(如SiO2 及

22、TiO2)的印刷材 料，适当的分布于导光板底面，借由印刷材料对光源吸收再扩散放出的性质，破坏全反射效应造成的内部传播，使光由正面射出并均匀分布于发光区，但因出的散射角较大及印刷点亮度对比较高，必须使用较厚的扩散板(覆盖)及棱镜片(集光)达到其光学与外观要求。,射出成型一体化导光板：,蚀刻方式(模仁咬花) 直接将印刷点的设计转移到模具上，取代传统的印刷方式，而在辉度的实际表现上，蚀刻导光板则不如印刷导光板。(现已发展至钢板咬花) 切削方式SC加工 在导光板正面以切削方式制造出一条条长沟型的结构，与棱镜片结构类似的镜面设计，更能增加辉度提高的效果，但在均一性的表现上则不如印刷方式的导光板结构。 噴

23、砂方式 利用细砂材料喷洒于模仁形成粗面分布，在射出成型下直接转移至导光板上时，粗面越多的地方，破坏光源全反射的效果越强，因此可达到光源面的均匀分布。 内部扩散方式 将一些具散射的透明颗粒材料(如MMA)，在射出成型时直接注入导光板内部，利用其浓度的不同对光源作有效率的出射调制，均匀分布在导光板发光区间，并减低光源仍留在导光板内耗损的可能。,主要组件介绍：扩散板和棱镜片,导光板光源射出方向及扩散角度并非集中在导光板正面方向，因此在LCD的视野角上无法达成亮度上的要求，必须修正光源的方向及扩散角度，使得光源能尽量集中在要求的方向，扩散板与棱镜片即是作为角度修正及集光效果的重要组件。 扩散板 扩散板

24、的作用除了修正光行进的角度外，对于破坏全反射面的光学结构亦具有覆盖的作用，扩散板的光学参数包含了透过率及雾面程度，视导光板的外观做有利的选择。 棱镜片 棱镜片是提升正面辉度的重要组件，最有效且常用的棱镜片为BEF系列，其中顶角90及周期结构50um宽的BEFII 90/50 12枚应用于导光板上可使辉度提升约1.41.8倍，另外1997年发行的DBEF 一枚甚至可使辉度提升达1.5倍之多。,主要组件介绍：灯管反射罩,灯管反射罩作用在包住灯管发出的光源，尽量送入导光板内，而灯管反射罩的形状对导光板的入光效率有相当大的影响，一般中小型尺寸的背光模块常用包含银蒸镀膜及PET的软性材质，约有80%的入光效率，而大尺寸含外框的笔记型计算机系列，对入光效率要求较高，因此多以外型特殊及固定的铜材质作为灯管反射罩，以增加入光效率，最佳时可达90%以上，另外灯管阴极接触灯管反射罩常会产生漏电流现象，在机构设计时必须注意!,主要组件介绍：反射板,反射板功能是将未被散射的光源反射再进入光传导区内，其本身对光源亦稍微有散射