LCD发展简史总结.doc

液晶及液晶显示器的发展简史
热致液晶的发现
1888年奥地利植物学家Friedrich Reinitzer在加热苯酸脂晶体时发现：当温度升到145.5°C时晶体融化成为乳白色粘稠的液体。再继续加热到178.5°C时乳白粘稠的液体变成完全透明的液体。后经德国卡尔斯吕爱大学教授Otto Lehmann研究，这种乳白粘稠的液体具有光学各向异性，因而建议称之为液体晶体（Liquid Crgstal）。
液晶的合成和分类
二十世纪二十年代，德国Heidelberg大学的Ludwig Gattermann首先合Halle大学的Daniel Vorlander则先后合成了300多种液晶，并指出液晶分子是棒状的分子。在此基础上，法国的George Friedel及F.Grand-jean等对液晶的结构及光学性能作了详细的研究，并于1922年完成了液晶分类的工作，将液晶划分为：近晶相、向列相和胆甾相。
液晶的物理性能研究
1917年Manguin发明了摩擦定向法，用以制作单畴液晶和研究光学各向异性。1909年E.Bose建立了攒动（Swarm）学说，并得到L.S.Ormstein及F.Zernike等人的实验支持(1918年），后经de Gennes论述为统计性起伏。G.W.Oseen和H.Zocher1933年创立连续体理论，并得到F.C.Frank完善（1958年）。M.Born（1916年）和K.Lichtennecker（1926年）发现并研究了液晶的介电各向异性。1932年，W.Kast据此将向列相分为正、负性两大类。1927年，V.Freedericksz和V.Zolinao发现向列相液晶在电场（或磁场）作用下，发生形变并存在电压阈值（Freederichsz 转变）。这一发现为液晶显示器的制作提供了依据。
液晶在液晶显示器方向的应用研究
· 1968年美国RCA公司R.Williams发现向列相液晶在电场作用下形成条纹畴，并有光散射现象。G.H.Heilmeir随即将其发展成动态散射显示模式，并制成世界上第一个液晶显示器（LCD）。
· 1968年美国Heilmeir等人还提出了宾主效应（GH）模式。
· 1969年Xerox公司提出Ch-N相变存储模式。
· 1971年M.F.Schiekel提出电控双折射（ECB）模式，T.L.Fergason等提出扭曲向列相（Twisted Nematic：TN）模式，1980年N.Clark等提出铁电液晶模式（FLC），1983～1985年T.Scheffer等人先后提出超扭曲向列相（Super Twisred Nematic：STN）模式。
· 1986年Nagata提出用双层盒（DSTN）实现黑白显示技术；之后又有用拉伸高分子膜实现黑白显示的技术（FSTN）。
· 1996年以后，又提出采用单个偏光片的反射式TN（RTN）及反射式STN（RSTN）模式。
液晶显示器产业的形成、发展及布局
自1968年Heilmeir制成第一个DSM-LCD开始, 美、日等国即开始了LCD的应用和生产研究。70年代初期，美国Rockwell公司开始生产DSM-LCD的计算机。Optel公司则生产DSM-LCD手表。日本Sharp、Epson等公司此类产品及工艺的成熟度都非常完满。但DSM-LCD应用电流、电压效应，耗电较多，很快被TN-LCD取代。
1972年S.Kobayashi等人制成TN-LCD，并迅速工业化，被广泛应用于计算器、手表、测试设备及汽车显示等，取得了巨大成功。并促使LCD向大容量、大面积彩色化方向发展。
大容量、大面积的一个方向是TN显示模式与半导体结合，采用有源矩阵(Active Matrix)的方式。该方式最早于1972年由P.Brody提出。经10多年的研究，到80年代中后期，日本已开始大批量生产以TFT为代表的AM-LCD。目前它是手提电脑的首选显示屏。
大容量的另一个方向是采用STN模式。虽然STN模式1983年才提出来，但由于它与TN生产技术有很大程度的工艺相似性，投资规模小，因而到80年代末90年代初已开始产业化，加之FSTN技术的发展，STN-LCD成为中高档、中小尺寸显示的主导。
全彩色化方案首先有A.G.Fischer于1972年提出在液晶盒外加R、G、B镶嵌滤色片的混色方法。到1981年T.Uchida等人将其发展到盒内，并逐渐成熟。它与AM或STN结合，成为今天彩色显示的主导。
1995年以后，ECB彩色化方案也见之于报导。它利用电压控制显示颜色，工艺简单，但色彩有限。一般只能实现3～4色。
目前，反射式显示模式（RTN，RSTN）正是许多工厂竞相开发的产品方向。日本Sharp、Epson公司已经生产此类产品，主要应用于手机显示屏上。
就全球产业布局来说，日本TFT生产占全球80-90%的市场份额，台湾和韩国生产部分中小尺寸屏。TN、STN生产90%以上在中国大陆、香港、台湾及东南亚地区。

LCD结构

TN、HTN、STN的结构：

FSTN、ECB-Multi-color STN的结构：

DSTN的结构：

Color STN的结构：

LCD的显示原理
TN型
扭曲向列相（TN）显示
最常见的如用于电子表和计算器上的显示方式就是扭曲向列相（TN）显示，这种显示器件由两片基板玻璃中间注入向列相液晶材料构成，通过特殊的表面处理使分子在顶层与X方向平行，而在底层与X方向垂直，这种结构使液晶层形成了一个90°扭曲，从而得名，图 1.即为扭曲结构。

这种结构类似于胆甾相结构，所以有时加入一点螺旋添加剂以保证扭曲方向一致。TN显示的最基本原理是一个偏振光原理，当光入射TN盒时，其偏振面顺着液晶方向而扭曲。例如，偏振光平行于样品顶层方向，当穿过液晶盒时，其偏振方向会随着分子旋转，从底面出射时，其偏振面旋转了90°。右图为一个TN盒的示意图，黑线代表分别贴在显示器上、下表面呈交叉状态的偏振片。
当光射入液晶盒，其偏振面随分子旋转。当光达到液晶盒底部，偏振矢量面已旋转了90°，接着穿过第二层偏光片。对于一个反射TN型液晶显示器，相当于在底部装有一面鏡子，它将透射光反射回来。右图为光进入液晶盒后随着扭曲的路线。

从液晶盒中出来的光呈现银灰色。当液晶盒受到一个强度足够大的电场的作用时，晶分子将经历一个弗利德兹转换。右图为一个发生转变的扭曲向列相液晶盒。
必须注意的是在这种状态下，扭曲受到破坏，液晶层的分子取向与电场平行。当偏振光射入这种液晶盒时，偏振面不随分子旋转，因而无法透过第二层偏光片。这样在亮态的背景下施加电场的区域呈现为暗态。

电光效应：
依靠电场强度的作用扭曲向列相实现了亮态和暗态之间变化。这种显示类型最主要的一个特点就是分子对外加压的响应，右边的曲线图（电光曲线）是一个曲型的向列相液晶盒在电压作用下的响应曲线，即分子与玻璃面倾斜度随外加电压变化的关系。

对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透过率。右图显示了透过率与电场作用关系图。考虑到偏光片的作用使反射型TN显示屏的最大透过率只有50%。垂直线代表液晶盒的开或关状态时的电压。

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-test-  -test2

STN型
超扭曲向列型显示
具有很多行和列的显示，其开、关状态时的电压差别很小，由于这个原因，TN显示器不适合多路寻址大信息量显示的要求。这个问题在1980年中期，由于超扭曲向列型（STN）显示器的出现而得到解决。在这种显示器中，相对于TN液晶盒90°角，它的液晶分子旋转了270°左右。扭曲角的作用可从右图电光效应曲线中可以看出。

随着扭曲角的增大，分子倾角随外加电压的变化很陡峭。从右图的响应参数可以看出其开态和关态的电压非常接近。

虽然一般都希望得到一条陡峭的电光曲线，但也要考虑到中间灰度的问题，考虑到这个原因，很多供应商所用的STN显示器采用了210°扭曲角，这样在允许快速寻址的同时又能满足灰度显示的要求。早期的210°扭曲显示模式通过器件的光谱变化也无法得到理想的颜色：在点亮状态，象素显示倾向于黄颜色，而在关闭状态为蓝紫色。因此，STN除了不受消费者的普遍欢迎外，通过滤色片实现全色显示的STN也只能得到黑、白两种颜色。这个问题通过增加一个扭曲角正好相反的液晶盒而得到解决，这种器件就是双层超扭曲向列型显示器（D-STN）。
这种器件在关闭状态时，第一层的相位变化可以在第二层得到补偿，像素显示为黑色；在点亮状态，第一层的相位变化，不能被第二层STN盒补偿，成近白光射出。由于两层液晶盒由相同的材料所组成，在整个温度范围其补偿作用是相同的。
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LCD的驱动方式
对于TN及STN-LCD一般采用静态驱动或多路驱动方式。这两种方式相比较各有优缺点。静态驱动响应速度快、耗电少、驱动电压低，但驱动电极度数必须与显示笔段数相同，因而用途不如多路驱动广。
￡1. 静态驱动
基本思想
在相对应的一对电极间连续外加电场或不外加电场。如图1所示：
其驱动电路原理
如图2：

图 1.LCD静态驱动示意图

图 2.驱动电路原理图
驱动波形
根据此电信号，笔段波形不是与公用波形同相就是反相。同相时液晶上无电场，LCD处于非选通状态。反相时，液晶上施加了一矩形波。当矩形波的电压比液晶阈值高很多时，LCD处于选通状态。

图 3.静态波形
￡2. 多路驱动
基本思想
电极沿X、Y方向排列成矩阵(如图4)，按顺序给X电极施加选通波形，给Y电极施加与X电极同步的选通或非选通波形，如此周而复始。通过此操作，X、Y电极交点的相素可以是独立的选态或非选态。
驱动X电极从第一行到最后一行所需时间为帧周期Tf(频率为帧频)，驱动每一行所用时间Tr与帧周期的比值为占空比：Duty=Tr/Tf=1/N。

图 4.电极阵列
电压平均化
从多路驱动的基本思想可以看出，不仅选通相素上施加有电压，非选通相素上也施加了电压。非选通时波形电压与选通时波形电压之比为偏压比Bias=1/a。为了使选通相素之间及非选通相素之间显示状态一致，必须要求选点电压Von一致，非选点电压Voff一致。为了使相素在选通电压作用下被选通；而在非选通电压作用下不选通，必须要求LCD的光电性能有阈值特性，且越陡越好。但由于材料和模式的限制，LCD电光曲线陡度总是有限的。因而反过来要求Von、Voff拉得越开越好，即Von/Voff越大越好。经理论计算，当Duty、Bias满足以下关系时，Von/Voff取极大值。满足下式的a，即为驱动路数为N的最佳偏压值。

六级电平驱动
在半导体集成电路中，实现最佳偏压一般采用如图5所示的六级电平方式。

图 5.六级电平 

图 6.六级电平的电路原理图

实现六级电平的电路一般采用如图6的Bias电路。
六级电平驱动时，给于COM电极和SEG电极的电平如下表：

正极性帧（+）
负极性帧（-）
扫描电极COM
选通
V1
V6
非选通
V5
V2
信号电极SEG
选通
V6
V1
非选通
V4
V3
上叙6级电平，当a<5时，会发生简并。如：
· a=4时，V3=V4
· a=3时，V2=V4，V3=V5
· a=2时，V1=V4，V2=V5，V3=V6
简并后，上表中的电平分配关系依然成立。

LCD的基本性能
§ 电光性能：LCD光学透过率随电压变化的曲线，如图1。

§ 响应速度：LCD加电压后，透过率变化的快慢程度，如图2。
§ 对比度：LCD在选态透过率与非选态透过率的比值。如图3。

§ 视角图：LCD在不同视角下观察所获得的等对比度曲线图。如图4。
§ 温度性能：由于液晶材料本身的物理性质随温度变化而变化，因而引起LCD的阈值、透过光谱等会随温度漂移。
§ 频率响应：LCD只能工作在一个适当的频率范围，太低会引起显示闪动太高则液晶分子跟不上电场变化。
§ LCD功耗：指单位显示面积的电流密度。
§ 寿命：
· 工业品保证100000小时。
· 民用品保证50000小时。
§ 其他性能：防紫外、防眩目、防划伤等。

LCD的基本参数

LCD显示类型
TN型：

STN型：
显示模式
背景
前景
黄绿模
黄绿色
蓝黑色
蓝  模
蓝色
白色
灰  模
灰白色
深蓝色
黑白模
白色
黑色

照明方式

温度特性
类型
TN
STN
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ
工作温度（℃）
0～50
-10～60
-20～70
-30～80
0～50
-20～70
储存温度（℃）
-20～60
-20～70
-30～80
-40～90
-20～60
-30～80

LCM的基本参数

LCD模块电源：

LCD模块与MPU之间的连接：

常用LCM控制器的资料：
HD61202U
KS0066U
KS0724_V08
字符型LCD模块的接口定义
序号
符号
电平
引脚定义
功能
1
Vss
-
接地
0V
2
Vdd
-
电路电源电压
Vcc=Vdd=5V±10%
3
Vee
-
LCD驱动电压
对比度调节电压
4
RS
H/L
寄存器选择信号
H：数据； L：指令
5
R/W
H/L
读/写信号
H：读； L：写
6
E
片使能信号
下降沿触发

7
DB0
H/L
数据位0
数据总线
8
DB1
H/L
数据位1
9
DB2
H/L
数据位2
10
DB3
H/L
数据位3
11
DB4
H/L
数据位4
12
DB5
H/L
数据位5
13
DB6
H/L
数据位6
14
DB7
H/L
数据位7

字符型LCD模块的指令表
指令
指令码
说明
执行
周期
RS
R/W
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
AC=0时,光标回位
41000
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
ADD=0时,回原位
41000
输入方式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
决定是否移动以及移动方向
10
显示开关
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
D-显示,C-光标,B-光标闪烁
10
移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
移动光标及整体显示
10
功能设置
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
DL-数据位数,L-行数,F-字体
10
CGRAM地址设置
0
0
0
1
ACG
设置CGRAM的地址
10
DDRAM地址设置
0
0
1
ADD
设置DDRAM的地址
10
忙标志/读地址计数器
0
1
BF
地址计数器(AC)
读出忙标志位(BF)及AC值
0
CGRAM/DDRAM数据写
1
0
写数据
将内容写入RAM中
10
CGRAM/DDRAM数据读
1
1
读数据
将内容从RAM中读出
10
补充说明
I/D：1-增量方式、0-减量方式
S：1-位移
S/C：1-显示移位、0-光标移位
R/L：1-右移、0-左移
DL：1-8位、0-4位
N：1-2行、0-1行
F：1-5X10字体、0-5X7字体
BF：1-正在执行内部操作、0-可接收指令
DDRAM：显示数据RAM
CGRAM：字符发生器RAM
ACG：CGRAM地址
ADD：DDRAM地址及光标地址

字符代码表

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定制液晶显示模块

除要求体积和厚度小, 重量轻以外, 移动通信和便携式装置还要求液晶显示屏具有高质量的性能。由于公司完全掌握了各种部件的高密度装配技术, 精工 (SII) 具有进行全面计划, 设计和批量生产定制液晶显示模块的能力。

特點：
高密度安裝技術使生產體積和厚度薄及重量輕的產品成為可能;
LCD液晶顯示板可與SII LCD驅動器或公司其它型號的驅動器一起使用, 從而實現耗電量低的功效;
總體支持包括後燈照明, 連接接頭和框架。

适用于手机的STN半透式彩色液晶显示模块
技术规格

项目
规格*6
45mm（1.7英寸）
51mm（2.0英寸）
对角线长度
45mm（1.7英寸）
51mm（2.0英寸）
点阵
120×RGB×143点
120×RGB×160点
点距
0.080x0.240mm
0.084x0.252mm
显示颜色
256
256
反差比*4
13:1
14:1
功耗
1.5mW*2，0.3mW* 3
2.0mW*2，0.3mW* 3
外部尺寸*1
37.0×45.6mm
39.6×53.6mm
背景照明
白色LED*5
白色LED
*1：不包括凸起，如FPC等部位。
*2：当将全屏幕作为静止图像显示时。不包括背景照明。
*3：当部分显示模式为24线显示时。
*4：室温（25℃）下。
*5：可选。
*6：规格如有变化，恕不另行通知。

我们最新的系列产品--超级扭曲（STN）半透式彩色液晶显示模块，是面向持续飞速发展的移动电话市场的最新产品，是手机内置彩色液晶显示屏的最佳选择，具有高图像品质、高密度、紧凑以及低功耗等特色该系列产品适用于大屏幕型号的非翻盖式手机的45mm（1.7英寸）型号和翻盖式手机的51mm（2.0英寸）型号。
尺寸为45mm的显示模块目前已经开始批量生产，而尺寸为51mm的显示模块预计将于2001年春季进行大规模生产。
51mm（2.0英寸）STN半透式彩色液晶显示模块。
功能特征
· 高密度、大屏幕，适合浏览电子邮件和互联网
· 高图像品质
利用带有面板所提供的反射镜以及MLS（多行扫描）驱动的SPD技术，实现高对比和彩色重现效果
· 紧凑
内置VRAM、升压器和电源电路
· 超级低功耗
亮区无需背景照明
MLS驱动
部分显示功能在待机时可减少功耗
可清除彩色显示，包括带有背景照明的暗区在内
应用范围能够浏览电子邮件和互联网的手机（Web电话）

全新A-GRADE            相关需求请：联系我们
品 牌
型 号
技 术 指 标
尺寸
像素点阵
接口方式
可视角度
对比度
亮度
备注
日本 SHARP
专业生产高品质的液晶显示屏
SHARP
LQ104V1DG11
10.4"
640*RGB*480
TTL
70/70/55/55
300:1
350
TFT
LQ121S1DG11
10.4"
640*RGB*480
TTL
70/70/55/55
300:1
250
LQ150X1DG11
15"
1024*RGB*768
TTL
70/70/60/60
300:1
220
LQ150X1DG51
15"
1024*RGB*768
TTL
70/70/60/60
300:1
200
韩国 LG.PHILIPS
专业生产高品质的液晶显示屏，主要提供给PHILIPS 使用
LG PHILIPS
LB121S1-A2
12.1"
800*RGB*600
TTL
60/60/40/45
200:1
300
TFT
LM151X05
15.1"
1024*RGB*768
TTL
75/75/55/60
300:1
250
吉林彩晶
中国大陆TFT-LCD液晶唯一生产厂家，主要产品为10.4”，类同日本东芝
吉林彩晶
CJM10C011A
10.4"
640*RGB*480
TTL
40/40/20/25
200:1
250
TFT
台湾AU
2001年宏基 ACER 和联友光电 Unipac 合并，成为世界第二大液晶生产基地，可提供大、小尺寸液晶屏
AU
UP040D01
4"
160*RGB*234
ANALOG
45/45/10/30
150:1
250
TFT
UP056D01
5.6"
320*RGB*234
ANALOG
45/45/10/30
150:1
300
UP068D01
6.8"
384*RGB*234
ANALOG
45/45/10/30
150:1
300
UB084S01
8.4"
800*RGB*600
LVDS
40/40/30/10
200:1
150
L170E3
17"
1280*RGB*1024
LVDS
75/75/70/70
400:1
250
M150XN05
15"
1024*RGB*768
TTL
60/60/40/60
300:1
250
A201SN01
20.1"
800*RGB*600
TTL
80/80/80/80
500:1
500
台湾奇美 CHIMEI
主要生产大尺寸液晶显示模块，部分为日本 FUJISTU 和韩国 SAMSUNG 提供OEM产品，品质优秀
CHIMEI
M150X3-T05
15"
1024*RGB*768
TTL
60/60/40/60
300:1
300
TFT
M150X2-T03
15"
1024*RGB*768
TTL
70/70/70/70
300:1
300
台湾中华映管 CPT
主要生产大尺寸液晶显示模块
CPT
CLAA150XG01
15"
1024*RGB*768
TTL
60/60/40/60
300:1
300
TFT
日本京瓷 Kyocera
专业生产中、小尺寸液晶 STN 显示模块，品质优秀
Kyocera
KCS6448MSTT
7.2"
640*RGB*480
TTL
15/30/20/30
75:1
65
STN

