液晶显示技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,2,3,。,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，序参数下降，,S,K(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=0.3,0.8,液晶的物理特性,液晶的各向异性,1,）介电各向异性,：,C,/C,0,；,C,/C,0,；,(C,C,)/C,0,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,C,0,：,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,10,8,10,12,.,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,0.1,0.3,左右。,液晶的各向异性,4,）弹性常数,K,：,一般,K,10,11,10,12,N,K,分为,K,11,（,展曲）、,K,22,（,扭曲）、,K,33,（,弯曲）、,K,33,K,11,K,22,5,）,粘滞系数,：,一般为,10,2,10,3,Pa.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,n,0,=n,n,e,=n,n,e,n,0,n,=,n,e,-n,o,0,液晶的光学特性,液晶的光学特性,在胆甾相液晶中,n,0,=(n,2,n,2,)/2),1/2,n,e,=n,n,n,n,e,2,-n,0,2,=(n,2,-n,2,)/2)0,n,=,n,e,-n,o,/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（,STN,LCD,）,在向列相液晶中加入百分之几的手性旋光材料，使液晶盒内的液晶分子扭曲,180,270,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,（,STN,LCD,）,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。,STN,LCD,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，,STN,LCD,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,STN,LCD,。,超扭曲向列液晶显示器件（,STN,LCD,）,STN,与,TN,工作原理不同,TN,盒液晶分子扭曲,90,，,STN,扭曲,180,270,；,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,V,on,2,=V,0,2,(b,2,+N-1)/Nb,2,非选通点电压,V,off,2,=Vo,2,（,(b-2,)2,+N-1,）,/Nb,2,最佳偏置比,b=N,1/2,+1,工作电压范围裕度,=,max,（,(N,1/2,+1)/(N,1/2,-1),）,1/2,有源矩阵液晶显示器（,AM,LCD,）,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,N,400,、,500,、,600,时，,max,1.053,、,1.046,、,1.042,即显示与非显示电压之差只有,4,6,，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（,AM,LCD,）,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（,AM,LCD,）,TFT,是准静态驱动，无交叉效应，响应速度快，易实现灰度调制，可实现高质量的动态图象显示。,TFT,阵列制造工艺,液晶显示器件的主要材料,1,、玻璃基板,2,、透明导电玻璃,3,、偏光片,4,、其他材料：,取向材料,PI,，,用于分子排列,环氧树脂粘结剂，用于边框封接,紫外固化胶，用于封口,衬垫料，用于维持均匀盒厚,液晶显示器的主要工艺,1,、,ITO,图形光刻：,涂胶,前烘,曝光,显影,坚膜,刻蚀,去膜,2,、取向排列：,清洗,涂,PI,予烘,固化,摩擦取向,3,、边框胶及导电胶丝印,喷粉,对板,封盒,4,、液晶灌注,封口,贴偏光片,背光源,1,LED,背光源,2,无机,EL,3,冷阴极荧光灯（,CCFL,）,背光源,目前，中小尺寸,LCD,采用,EL,和,LED,，,高亮度的彩色,LCD,毫无例外的采用,CCFL,。,背光源决定了显示屏的亮度，,TN,、,STN,屏的透过率为,15,20,，彩色屏只有,3,，当屏的亮度要求为,100cd/m2,时，背光源表面亮度要求达到,10,4,cd/m2,，,背光源的功耗占,LCD,总功耗的,2/3,以上，因此开发高效率的背光源是降低液晶显示器和液晶电视、笔记本电脑功耗的有效途径。,彩色滤色膜（,CF,）,彩色滤色膜在整个彩色,LCD,器件的成本中，占有很高的比例，如，在彩色,TFT,模块中占,10,13,，彩色,S TN,模块中占,30,以上。,1,对彩膜的要求,1,）,R,、,G,、,B,三基色有高饱和度、高透明度、白色平衡好、各色光谱尖锐；,2,）高对比度；,3,）高平整度，起伏,0.1m,；,4,）,高热稳定性、高光学稳定性、高化学稳定性；,彩膜制造工艺,彩色滤色片的构造,