第四章：光电显示材料2.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,*,*,光电显示材料,2025/3/6 周四,2,2.5,等离子体显示材料,什么是等离子体？,等离子体,就是被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出,集体行为,，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。,由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是,电离气体内正负电荷数相等,，称这种气体状态为,等离子体态,。,由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为,物质第四态,。,3,固体,冰,液体,水,气体,水汽,等离子体,电离气体,温度,0,0,C,100,0,C,10000,0,C,2025/3/6 周四,4,等离子体可分为两种：,高温和低温等离子体,。,高温等离子体,只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的,99,。,低温等离子体,是在常温下发生的等离子体,(,虽然电子的温度很高）。,等离子体分类,2025/3/6 周四,5,电流,电压,ABC,：非自持放电，靠紫外线、宇宙射线作用使气体产生微弱电离。,达到,C,点后气体被击穿，变成不稳定的自持放电，并开始发光，此时的电压称为着火电压。,EF,区正常辉光放电区，相应的电压为维持电压,异常辉光放电,弧光放电,三个状态：,熄火态、过渡态和着火态,2025/3/6 周四,6,等离子体发光原理图,(a),电子同正离子复合；（,b,）正负离子复合,等离子体发光原理,：,气体的电子获得足够的能量后，可以完全电离。,一方面，这种电子具有,较大的动能,，能在气体中高速飞行，同时与其他粒子碰撞，使得更多粒子电离。,另一方面，电离的粒子之间也会发生,复合,，并以光的形式释放出能量。,2025/3/6 周四,7,等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，,它在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体,(,象素,),。,每个发光管有,两个玻璃电极,、内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有,三基色荧光粉,。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。,每个等离子体发光管就是等离子体显示器的像素，人们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的,“,光点,”,汇集而成的。,等离子体显示,(Plasma Display Panel,，,PDP),等离子体显示,主要是利用电极加电压，惰性气体游离产生的紫外光激发荧光粉发光制成的显示屏。,第,5,章 等离子体显示技术,等离子显示屏的组成、结构特征,PDP,显示屏基本结构,后层玻璃板结构：在后层玻璃板上有寻址电极，其上覆盖一层电介质。红、绿、蓝彩色荧光粉分别排列在不同的寻址电极上，不同荧光粉之间用壁障相间。,前玻璃板结构：在前玻璃板上成对地制作有扫描和维持透明电极，其上覆盖一层电介质，,MgO,保护层覆盖在电介质上。前、后玻璃板拼装，封口，并充入低压气体，在两玻璃板间放电。,等离子显示屏的组成、结构特征,PDP,由前后两片玻璃组成。,前板玻璃上有,透明,ITO,维持电极,及,加强,ITO,导电性的,Bus,电极,，并且在电极上覆盖透明介电层及防止离子撞击介电层的,MgO,保护层,。,后板玻璃上有,数据面电极、介电层及长条状的隔层,在每个隔层内印刷,R,、,G,、,B,三种荧光材料,。最后在两个基板内注入氖（,Ne,）及氙（,Xe,）惰性气体后封装，气压只有数百,Torr,的高真空状态。,M,I,P,-,-,E,I,I,I,I,I,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,Ne,Ne,m,Ne,+,Ne,Ne,+,Ne,+,Ne,+,Ne,+,Ne,+,Ne,+,Ne,m,-,Ar,+,发射电子区,放出电子,发射出的电子,放电,轰击,稀有,气体,电极,电极,PDP,像素放电、发光单元结构,Note:1.PDP,发光,=,电极加电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，发出真空紫外线；,2.,真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光。,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,ON,亮,OFF,不亮,PDP,如何发光形成图形,要点亮某个地址的灯泡，开始要,在相应行上加较高的电压,，等该灯泡点亮后，可用,低电压维持氖气灯泡的亮度,。,关掉某个灯泡，只要,将相应的电压降低,。灯泡开关的周期时间是,15ms,，通过改变控制电压，可以使等离子板显示不同灰度的图形。,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,ON,OFF,PDP,如何发光形成图形,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,ON,OFF,PDP,如何发光形成图形,X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3,ON,OFF,PDP,如何发光形成图形,A,单色等离子体显示基本结构,Ne-Ar,混合气体在一定电压下产生气体放电，发射出,582nm,橙色光。,AC-PDP,DC-PDP,2025/3/6 周四,16,介质层：,电极通过介质层以电容的形式耦合到气隙中；,MgO,保护层,：降低器件工作电压，同时耐离子轰击，提高器件工作寿命。,B,彩色等离子体显示基本结构,对向放电式,表面放电式,电极的安排区,二电极对向放电（,C,olumn,D,ischarge,）,三电极表面放电（,S,urface,D,ischarge,）,电极层覆盖有保护介质，放电单元节距为,0.3mm,，分辨率高，显示容量大，可作为计算机终端等中小屏幕等显示,电极不加保护层，暴露于放电空间，容易实现彩色显示，节距,0.6mm,，主要用于大屏幕平板电视等。,对向放电式,表面放电式,以,42,英寸,PDP,为例，这一尺寸的,PDP,有,1226880,个像素点,像素点结构图,Separating the address period and sustain period of each sub-field,SF1,SF2,SF3,SF4,SF5,SF6,SF7,SF8,Original Image,1,.,2,480,128T,64T,32T,16T,8T,4T,2T,1T,1TV field(time),scan line,address,sustain,sub-field,Plasma Display,（PDP）,各子场显示方式,2025/3/6 周四,28,等离子体发光材料,等离子体气体材料主要是,惰性气体,，特别是以,氖气,为主，另外掺杂一些其它气体。,Ne+He,、,Ne+Ar,：,橙红色光,He+Xe,：,紫外光,PDP,用三基色荧光粉,应满足如下条件：,在真空紫外区高效吸收；,在同一放电电流时，通过三基色荧光粉发光混合获得白光；,具有鲜明的色彩度；,稳定性好；,涂粉和热处理工艺具有稳定性；,余辉时间短。,2025/3/6 周四,29,PDP,三基色氧化物荧光粉,3.,受光显示材料,2025/3/6 周四,30,液晶显示材料,电致变色显示材料,电泳着色显示材料,1888,年奥地利植物学家,Reinitzer,在显微镜中观察到胆甾醇苯甲酸酯,(,俗称胆固醇,),在,145.5,时，熔化成一种雾浊液体，在,178.5,时，突然全部变成清亮的液体。当冷却时，先出现紫蓝色，而后自行消失，物质再呈混浊状液体。,某些有机物的结晶，,受热熔融,或被,溶解之后,，失去了固态物质的刚性，产生了流动性，表观上看似乎由结晶态变成,液态,，但,这种流动性物质的分子仍然保持着,有序排列,，,在物理性质上呈现,各向异性,，这种各向异性的流动液体再继续加热，则得到各向同性的液体。,也就是说，某些结晶熔化时，要经过一种,兼有,液体,和,晶体,的部分性质的流体的过渡状态。,物质的这种既有液体的流动性，又具有晶体的分子排列整齐、各向异性的状态，叫做物质的液晶态。,2025/3/6 周四,31,3.1,液晶显示材料,液晶分子的特点：,液晶分子的,几何形状,与球状分子相比发生了明显的伸长或扁化。,分子末端,含有强极性或易于极化的原子或原子团，使分子保持取向有序。,液晶分子,长轴,不易弯曲，有一定的刚性。,生成液晶相的能力以及液晶相的稳定性与上述三个因素的强弱有关，是三个特性的综合体现。,2025/3/6 周四,32,采用,降温,的方法,既将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态,有机,分子,溶解,在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶,溶致,液晶,热致液晶,作为显示技术应用的液晶都是,热致液晶,按照液晶的形成条件分类,热致液晶的相变有以下两种：,2025/3/6 周四,34,晶体,各向同性液体,液晶相,晶体,液晶相,各向同性液体,、互变相变型,、单变相变型,棒状分子,盘状分子,由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物,由双亲分子自组装而成的膜,按照,构成液晶态的结构单元,分类,向列型液晶、近晶型液晶、胆甾型液晶。,2025/3/6 周四,36,按照液晶态的结构分类,向列型液晶,由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并,容易顺着长轴方向自由移动,，所以像液体一样富于流动性,；,近晶型分子,由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。,层与层之间的作用较弱，容易滑动，,因此具有二维的流动特性；,2025/3/6 周四,37,胆甾型液晶，也称螺旋状液晶,分子依靠端基的相互作用彼此平行排列成层状结构，,分子的长轴与层平面平行,，而相邻两层之间分子长轴的取向依次规则的扭转一定的角度，层层累加形成螺旋面结构。,2025/3/6 周四,38,旋转,360,的层间距离称为,螺距,，反射光波长与螺距有关，而温度变化时螺距会发生变化。,液晶显示,是依靠液晶的,电光效应,和,热光效应,，具体分类：,电场效应,：利用,介电常数的各向异性,。属于这种的有扭曲型、超扭曲型、宾主效应型、相变型、电控双折射型、铁电效应型等；,电流效应,：利用,介电常数各向异性与电导率各向异性,。属于这种的只有动态散射型一种；,电热效应,：利用,电极加热使液晶状态发生变化,，有存储性。,热光效应,：激光写入型和胆甾热变色型；,2025/3/6 周四,39,液晶显示,（,1,）液晶的各向异性,P,型液晶（,0,）正介电各向异性液晶,N,型液晶（,0,）负介电各向异性液晶,液晶短轴方向,液晶长轴方向,1,、,液晶的光电特性,在外电场作用下，分子的排列极易发生变化,P,型液晶分子长轴方向平行于外电场方向,N,型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向,目前液晶显示器主要应用,P,型液晶。,液晶分子大多由棒状或碟状分子形成,所以与分子长轴平行或垂直方向的物理特征会有所差异，这就是液晶分子结构的,异方性,液晶具有双折射这一晶体特性,n,o,为寻常光折射率，其偏振方向与分子长轴垂直,，,n,e,则,平行,光学各向异性定义为,n,与介电常数、清亮点、有序程度等参数相关,2,、液晶的双折射,液晶的折射率,：以,P,型为例，长轴为光轴,折射率的温度依赖性,折射率,随温度的升高而降低,折射率,各向异性也随温度上升而降低,温度,接近清亮点时，各向异性急剧,下降，并消失,液晶的双折射,这一因素对高温工作的液晶器件有着非常大的影响,折射率的频率依赖性,随着测试光源的频率的变化，液晶的折射率也发生变化,频率升高，折射率增大,液晶的双折射,在可见光波段内，折射率的变化足以影响显示器件的色度,液晶器件所基于的三种光学特性,由于液晶具有,单轴晶体的光学各向异性,，所以具有以下光学特性：,1,）能使入射光沿,液晶分子偶极矩的方向偏转,；,2,）使入射的,偏光状态，及偏光轴方向发生变化,；,3,）使入射的,左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射,。,液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。,液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。,液晶电光效应的机理，,本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果,。,3,、液晶的电光效应,针对不同的运动方式，液晶有几个粘度,1,指向矢与流速方向以及流速梯度方向均垂直时的粘滞系数,2,指向矢与流速方向平行时的粘滞系数,近似于体积粘度,3,指向矢与流速方向垂直，但与速度梯度方向平行时的粘滞系数,指向矢转动时所引起的粘滞系数,2,1,3,4,、液晶的粘度,粘度的本质是分子间内摩擦力,速度梯度为,1,时单位面积的内摩擦力，分动力学粘度、运动粘度,体积粘度属于动力学范畴，单位为,PaS,或,P,；运动粘度单位,m,2,/s,。,液晶有其自己的特点和限制，有一定极限,液晶的粘度与介电常数、清亮点、折射率有关,粘度与温度基本呈指数关系,S,exp,B/T,温度上升，粘度降低；温度下降，粘度增加,两体系混合后的粘度并非线性叠加,4,、液晶的粘度,偏振片透光原理：,偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，,如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片,5,、,液晶显示器的基本原理,把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的如果上下两玻璃棒定向是彼此垂直的，液晶分子将采取,逐渐过渡的方式,被扭转成螺旋状,液晶显示器的基本原理,如果有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向,.,由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出,如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板,液晶显示器的基本原理,液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动,不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度,液晶显示器的基本原理,ON,背光源,Light Source,polarizer,偏光器,polarizer,OFF,Liquid crystal,electrode,Gray scale:controlling a penetrating optical amount,by light phase control of liquid crystal,gray scale:brightness level of each pixel for expressing image,LCD,液晶显示屏图像显示原理,Principle of image display scheme for LCD,液晶显示器是一个由上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料,胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。,6,、,液晶显示器的结构,TN-LCD,(,扭曲向列型,液晶显示器）,：,TwistedNematic-LCD,常用于电子手表，计算器,7,、,常见的几种液晶显示器,STN-LCD,(,超扭曲向列型,液晶显示器）,Super TwistedNematic-LCD,常用于手机显示屏,游戏机屏,常见的几种液晶显示器,TFT-LCD,(,薄膜型,液晶显示器）：,Thin Film Transistor-LCD,常用于液晶显示屏，数码照相机,常见的几种液晶显示器,液晶盒中玻璃片的两个外侧,分别布有,偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的,。,TN,、,STN,型的结构,向,列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜,ITO(,氧化铟锡,),以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层,PI(,聚酰亚胺,),，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列,。,液晶,的自然状态具有,90,度的扭曲，利用电场可使液晶分子旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，,结果偏振光经过,TN,型液晶后偏振方向发生转动。,TN,型的液晶,只要,选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变,90,度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过,。,而,足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片,TN,型的液晶,STN,型的显示原理与,TN,相类似，不同的是,TN,扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转,90,度，而,STN,超扭转式向列场效应是将入射光旋转,180270,度。,STN,型的液晶,单纯,的,TN,液晶显示器本身只有黑白两种情形，而,STN,液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以,淡绿色,与,橘色,为主,。,如果,在单色,STN,液晶显示器加上一彩色滤光片，并将单色显示像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示,红,、,绿,、,蓝,三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。,STN,型的液晶,TFT,型的液晶,在玻璃基片上沉积一层,硅，通过,印刷光刻等工序作成晶体管,阵列，每个,像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路,。,再,把液晶灌注在两片玻璃之间,由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，,每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，,这样的设计不仅提高了,显示屏的反应速度,，同时可以,精确控制显示灰度,，所以,TFT,液晶的色彩更逼真，称为,真彩,TFT,型的液晶,对于,TFT-LCD,而言,彩色滤光片,是很重要的，利用红，绿，蓝三原色，可混合出各种不同的颜色，很多平面显示器就是利用此原理显示色彩，把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近的三个,RGB,显示的点当作一个,像素。,TFT,型的液晶,8,、液晶显示的优点,2025/3/6 周四,66,低压、低功耗,2,3V,的工作电压和几个微安的工作电流，功耗只有,10,-6,10,-5,W/cm,2,，与大规模集成电路的发展相适应。,平板结构,液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒，易于控制显示面积和厚度。,显示信息量大,液晶显示中，各象素点之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口内可容纳更多的象素。,易于彩色化,液晶无色，所以可采用滤色膜容易实现彩色。,长寿命,无辐射、无污染,CRT,中有,X,射线辐射，,PDP,中有高频电磁辐射，液晶不会有这种情况出现。,2025/3/6 周四,67,9,、液晶显示,的缺点,响应速度慢,液晶在显示快速移动的画面时，质量不好，可通过减薄液晶厚度和改进电路来改善。另外也不适用于高寒和高热地区使用。,显示视角小,大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不一样的，视角一旦增大对比度迅速下降。,液晶材料,常用液晶显示材料有几十种，主要分为如下类型：,甲亚胺（西夫碱）类,安息香酸酯类,联苯类和联三苯类,环己烷基碳酸酯类,苯基环己烷基类和联苯环己烷基类,环己烷基乙基类,2025/3/6 周四,68,电子纸显示,电子墨水、反转球技术和双稳态胆甾醇液晶,电子纸显示,电致变色显示,在电的作用下，物质发生氧化还原反应，使物质的颜色发生可逆性变化的现象称为,电致变色,。利用这种现象制作的显示器件称作电致变色显示器。（,Electrochomeric display,，,ECD,）,电泳显示,电泳,是指悬浮在液体中的带电粒子在外电场作用下定向移动并附着在电极上的现象。如果带电粒子有一定颜色，就可以利用电泳实现信息显示，称为电泳显示（,Electrophoretic display,，,EPD,）,巨大的国内市场,笔记本、平板电视、,便携音频,/,视频设备,手机,政府大力支持,优惠的税收政策,内存,/,半导体,/,硅片领域,专家和工程技术人员,储备,廉价的劳动力成本,成熟的,LCD,生产线,笔记本、,平板电视组装线,在微电子、光电子、,材料、化学领域,有良好的配套技术,政府对支持平板显示,行业具有高的效率,我国在平板显示领域的市场优势,自然资源短缺,（水、电）,逐渐增加的人工成本,（特别是熟练工人）,基础设施投入不足,缺乏核心设备,超净室管理经验和,产品管理理念欠缺,融资环境不如,台湾、日本和韩国,开放,缺乏核心技术,市场敏锐力不够,产能滞后,我国平板显示行业面临的挑战,3D,显示技术,原理：人类的左眼和右眼在水平方向上有,5,6.5cm,的位移，因此左右眼所看见的画面中对应实际物体上,同一点,存在一定距离，通过这种差别判断物体的,远近和深度,，即,视差原理。,根据“视差”原理，把同一景像用两只眼睛视角的差距制造出两个影像，然后让两只眼睛各看到对应自己一边的影像，就能刺激大脑产生3D（3Dimensions）立体效果的。,景深感受形象举例：,1,、大家可以轮流闭上一只眼试试看同一个东西，侧面不同,2,、单眼对笔尖比双眼困难很多,3D,显示技术的发展概况,配合,立体眼镜的,3D,图像格式分类以及原理,最常见的,3D,图像格式有以下四种：,交错显示模式（,Interlacing,）,线遮蔽模式（,Line-Blanking,）,画面交换模式（,Page-Flipping,）,画面同步倍频模式（,Sync-Doubling,）,交错显示（,Interlacing,）,交错显示（,Interlacing,）：,就是依序显示第,1,、,3,、,5,等单数扫描线，然后再依序显示第,2,、,4,、,6,等偶数扫描线的周而复始的循环显示方式。,交错显示模式的工作原理：,将,一个画面分为二个图场,，,即单数扫描线所构成的,奇图场,与偶数扫描线所构成的,偶图场,。,将左眼图像与右眼图像分置于单图场和偶图场（也可反之）中，即,立体交错格式。,线遮蔽（,Line-Blanking,）,工作原理：,将撷取的画面储存在缓存器（,Buffer,）中，分别送出遮蔽了偶数扫描画面（偶图场）与单数扫描线画面（奇图场）的图像。,画面交换（,Page-Flipping,）,工作原理：,由,特殊的程序,来改变显卡的工作原理。,将,左右眼图像,交互显示在屏幕上，进行,3D,成像时分别将左右眼图像（以垂直同步讯号分隔的画面）送至左右眼。,立体成像实现：,使用立体眼镜与这类立体显示模式搭配，只需要将垂直同步讯号作为快门切换同步讯号即可达成立体显像的目的。,a,、送出左眼图像（或右眼图像）,b,、送出一个画面垂直同步讯号，,c,、再接着送出右眼图像（或左眼图像）。,画面同步倍频（,Sync-Doubling,）,工作原理：,通过外加电路的方式,在左右画面间（即上下画面间）多安插一个画面垂直同步讯号。,a,、送出左（右）画面；,b,、送出一个画面垂直同步讯号，,c,、再接着送出右（左）画面，,立体成像实现：,使用画面垂直同步讯号为快门切换同步信号，将,左右画面几乎同时送,到相对应的双眼中，达到立体显像的目的,