液晶显示学习.pptx
显示技术是多学科交叉综合技术，是信息时代重要的标志之一。绪 论第1页/共45页2 液晶显示器件（LCD）第2页/共45页LCD显示器的主要优点：寿命长（理论可到5万小时）光栅不受磁场影响，清晰度高，屏幕边缘和中心清晰度相同 防爆、防辐射、安全性好 体积小、重量轻LCD显示器的主要缺点：惰性大，快速图像显示有拖尾 存在视角问题 大屏幕高清晰度显示成品率低，成本高第3页/共45页一、什么是液晶？1889年德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。1888年奥地利的植物学家FReinitzer发现了一种呈混浊态的粘稠液体。放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。第4页/共45页液晶态是物质的一种形态。液晶态是物质的一种形态。液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物子排列的有机化合物。液晶分为两大类：液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶溶致液晶和热致液晶。前者要。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态（如溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态（如肥皂肥皂水水），多在生物系统中存在，后者则要在一定的），多在生物系统中存在，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态，大致温度范围内才呈现出液晶状态，大致呈呈细长棒状细长棒状或扁平片状或扁平片状。作为显示技术应用的液晶都是作为显示技术应用的液晶都是热致液晶热致液晶。在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，依此原理控制每度排列，产生透光度的差别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。个像素，便可构成所需图像。第5页/共45页 低于温度低于温度T1，就变成固体（晶体），称，就变成固体（晶体），称T1为液晶为液晶的的熔点熔点，高于温度，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，就变成清澈透明各向同性的液态，称称T2为液晶的为液晶的清亮点清亮点。LCD能工作的极限温度范围基能工作的极限温度范围基本上由本上由T1和和T2确定。确定。第6页/共45页液晶分类（按分子排列状态）第7页/共45页向列相液晶（向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶）又称丝状液晶 向列相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。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。第8页/共45页二、液晶的光电特性二、液晶的光电特性（0）正介电各向异）正介电各向异性液晶性液晶-P型液晶型液晶（0，即向列液晶一般都呈现正单，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。轴晶体的光学性质。胆甾型液晶具有负单轴晶体的胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质光学性质。短轴方向短轴方向长轴方向长轴方向指向矢量n第11页/共45页（3）液晶的电光效）液晶的电光效应应液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为发生变化，这种效应称为液晶的电光效应液晶的电光效应。液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，机理也较复用。目前发现的电光效应种类很多，机理也较复杂，杂，但就其本质来讲都是但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下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改变其分子排列或造成分子变形的结果。液晶的电光效应分类：第12页/共45页三、液晶显示器件玻璃板镶嵌电极或交叉电极液晶材料镶嵌电极或交叉电极玻璃板背光板第13页/共45页1、动态散射、动态散射(DS-LCD)型液晶显示器件型液晶显示器件 (1968年年1972年年)在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰动，并对光产生强烈的散射。DS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大，一般在背面衬以黑色衬底。第14页/共45页2、扭曲向列液晶显示器件（、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年年1984年）年）属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3-SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约为数微米。第15页/共45页玻璃基板玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合聚酰亚胺聚合物薄膜物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为为几个微米的液晶盒（几个微米的液晶盒（间距远大于光波长间距远大于光波长）。由于内表面涂有由于内表面涂有定向层膜定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲扭曲，这就是，这就是扭曲扭曲向列液晶器件向列液晶器件名称的由来。名称的由来。基本结构基本结构第16页/共45页当入射光通过偏振片当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在后成为线偏振光，在无外电场作用时，由无外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋起偏片相互垂直，旋转了转了9090的偏振光可的偏振光可以通过。因此呈透光以通过。因此呈透光态（白底）。态（白底）。基本工作过程基本工作过程第17页/共45页在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态（黑字）。基本工作过程基本工作过程若两偏振片的偏振轴相互平行，则实现黑底白字显示，称为负显示。第18页/共45页TN-LCD的电光特性的电光特性 阈阈值值电电压压Vth透透射射率率为为器器件件最最大大透透射射率率的的90%（常常白白型型）或或10%（常常黑黑型型）所所对对应应的的电电压压有有效效值值，Vth是是和和液液晶晶材材料料有有关关的的参数，对于参数，对于TN-LCD，大约在，大约在12V之间。之间。饱饱和和电电压压Vsat透透射射率率为为器器件件最最大大透透射射率率的的10%（常常白白型型）或或90%（常黑型）所对应的电压有效值。（常黑型）所对应的电压有效值。陡度陡度r：r决决定定器器件件的的多多路路驱驱动动能能力力和和灰灰度度性性能能，陡陡度度越越大大，多多路路驱驱动动能能力力越越强强，但但灰灰度度性性能能下下降。降。第19页/共45页 视角：视角：不同视角不同视角下对比度就不同，甚至可能出现暗态的下对比度就不同，甚至可能出现暗态的透射率超过亮态透射率的情况，即出现对比度反转。透射率超过亮态透射率的情况，即出现对比度反转。瞬态响应：瞬态响应：延迟时间延迟时间：定义为加上电压后透光率达到最大值：定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间；时的时间；上升时间上升时间：定义为透光率从：定义为透光率从10%增加到增加到90%所用所用的时间；的时间；下降时间下降时间：定义为透光率从：定义为透光率从90%下降到下降到10%所用所用的时间。的时间。第20页/共45页 电光响应通常滞后几十毫秒，透光率并不和外加电压同时增电光响应通常滞后几十毫秒，透光率并不和外加电压同时增加，而是经过几个脉冲序列之后才开始增加，并在经历一定序列加，而是经过几个脉冲序列之后才开始增加，并在经历一定序列脉冲后，达到最大值，停止施加电压时，透光率经过一定时间才脉冲后，达到最大值，停止施加电压时，透光率经过一定时间才达到最小值。目前普通达到最小值。目前普通TN-LCD的响应时间在的响应时间在80ms左右。左右。TN-LCD的瞬态响应曲线第21页/共45页TN-LCD的驱动的驱动 LCD的驱动有如下一些特点：的驱动有如下一些特点：（1）为为防防止止施施加加直直流流电电压压使使液液晶晶材材料料发发生生电电化化学学反反应应从从而而造造成成性性能能不不可可逆逆的的劣劣化化，缩缩短短使使用用寿寿命命，必必须须用用交交流流驱动驱动，同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分；，同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分；（2）驱驱动动电电源源频频率率低低于于数数千千赫赫兹兹时时，在在很很宽宽的的频频率率范范围围内内LCD的的透透光光率率只只与与驱驱动动电电压压有有效效值值有有关关而而与与电电压压波波形形无关；无关；（3）驱动时）驱动时LCD像素是一个像素是一个无极性的容性负载无极性的容性负载。第22页/共45页 TN-LCD TN-LCD液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。TN-LCDTN-LCD驱动方式：静态驱动、矩阵寻址驱动。驱动方式：静态驱动、矩阵寻址驱动。静态驱动静态驱动在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需显示时刻为止。适用段式显示。电极加上驱动电压，直到不需显示时刻为止。适用段式显示。矩矩阵阵寻寻址址驱驱动动一一种种简简单单矩矩阵阵（或或无无源源矩矩阵阵）驱驱动动方方式式，即即把把TN-LCD的的上上下下基基板板上上的的ITO电电极极做做成成条条状状图图形形，并并互互相相正正交交，行、列电极交叉点为显示单元，称为像素行、列电极交叉点为显示单元，称为像素。第23页/共45页用用TN-LCD制作的常用液晶显示器件制作的常用液晶显示器件日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产，成为地位仅次于CRT在显示器件领域的主流产品。LCD高速发展引起了世界电子业界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。TN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显示及低路数（16线以下）驱动的简单字符显示。19711971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)(TN)液晶显示器。第24页/共45页TN型液晶显示器件缺点：电光响应前沿不够陡峭，反应速度慢，阈值效应不明显。使得大量显示和视频显示等受到了限制。简单矩阵驱动存在交叉效应，使图像对比度降低，图像质量变差。扫描行数增加，占空比下降。第25页/共45页3、超扭曲向列液晶显示器件（、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（19851990年）年）第三代液晶显示器件。顾名思义，第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲超扭曲”即扭即扭曲角大于曲角大于90，STN-LCD利用了利用了超扭曲超扭曲和和双折射双折射两两个效应，是基于光学干涉的器件。个效应，是基于光学干涉的器件。80年代初，人们经过理论分析和实验发现，只要将分子的扭曲角增加到180270时（实用器件在180-240 ），就可大大提高电光特性的响应速度。第26页/共45页STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当扭角达到270时，斜率达到无穷大。曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可获得敏锐的锐度和宽的视角。第27页/共45页消除颜色实现黑白显示的方法：双盒补偿法（DSTN）、补偿膜法（FSTN）工作过程原理工作过程原理 “白”底黑字第28页/共45页补偿膜法（FSTN）LCD的结构示意图第29页/共45页1985年年1990年年,LCD销售额年均增长率达销售额年均增长率达32%。此阶段发展最快的是此阶段发展最快的是STN-LCD,它从发明到批量它从发明到批量生产仅用了五年时间。生产仅用了五年时间。由于由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、对比具有扫描线多、视角较宽、对比度好等特点度好等特点,很快在大信息容量显示的膝上型、很快在大信息容量显示的膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文打字机、图形处笔记本型、掌上型微机及中英文打字机、图形处理机、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）理机、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）中获得广泛应用中获得广泛应用,并成为该时代的主流产品。并成为该时代的主流产品。1990年销售额年销售额15亿美元亿美元,占整个占整个LCD市场的市场的83%。STN-LCD的发展第30页/共45页4、有源矩阵液晶显示器件（、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）属于第属于第4代液晶显示器。代液晶显示器。普通简单矩阵液晶显示器普通简单矩阵液晶显示器TN型及型及STN型的电光特型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求，性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求，有所谓的有所谓的“交叉效应交叉效应”。由于每个像素相当于一个。由于每个像素相当于一个电容，必产生串扰。电容，必产生串扰。当一个像素被先通时，相邻行，当一个像素被先通时，相邻行，列像素将处于半选通状态。列像素将处于半选通状态。人们在每一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，克服了“交叉效应”。MIM液晶显示器件的电极排布第31页/共45页1.二端型以二端型以MIM（金属（金属-绝缘体绝缘体-金属）金属）二极管阵列为二极管阵列为主；主；2.三端型以三端型以薄膜晶体管（薄膜晶体管（TFT）为主。为主。有源矩阵液晶显示器件的种类：MIMMIM液晶显示器件等效电路其结构为Ta-Ta2O3-Cr，二端有源器件相当于一个双向性二极管，正、反向都具有开关特性。由于MIM面积相对于液晶单元面积小得多，故其等效电容CMIMCLC。其等效电阻RMIM是非线性的。（1）MIM第32页/共45页当扫描电压和信号电压同时作用于像素当扫描电压和信号电压同时作用于像素 单元时，单元时，MIM器件处于断态，器件处于断态，RMIM很很 大，且大，且CMIMCLC，电压主要降在，电压主要降在CMIM 上；上；当此电压大于当此电压大于MIM器件的阈值电压时，器件的阈值电压时，MIM进入导通状态，进入导通状态，RMIM迅速减小，通态电流对迅速减小，通态电流对CLC充电；充电；充电电压均方值充电电压均方值Vrms达到液晶阈值电压达到液晶阈值电压Vth时，液晶单元显示。时，液晶单元显示。当扫描移到下一行时，原单元上的外加电压消失，MIM转为开路，CLC通过RLC缓慢放电，以致于可以在一帧时间内维持VrmsVth，于是该单元不仅在寻址期内，而且在一帧时间之内保持显示状态，解决了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降其对比度亦下降的弊病。工作原理及过程：第33页/共45页（2）薄膜晶体管（）薄膜晶体管（TFT）：）：-Si TFT属于属于非晶硅非晶硅-薄膜晶体管薄膜晶体管类型的类型的三端有源矩阵三端有源矩阵液液晶显示器件。晶显示器件。特点：特点：工艺简单，工艺简单，玻璃基板成本低，玻璃基板成本低，导通比大，导通比大，可靠性高，可靠性高，容易大面积化。容易大面积化。第34页/共45页1-显示电极；2-玻璃基板；3-透明电极；4-液晶层；5-MOSFET阵列；6-基板；7-信号存储电容器；8-FETTFT有源矩阵驱动LCD的基本结构第35页/共45页同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入TN型液晶，型液晶，不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。上有源器件和像素电极。上玻璃板是玻璃板是一一共用电极共用电极，如果是彩色显示，则还要在上面，如果是彩色显示，则还要在上面用微细加工方式（染色法，或印刷法）制作上与下面矩用微细加工方式（染色法，或印刷法）制作上与下面矩阵对应的阵对应的R、G、B滤色膜。滤色膜。TFT的栅极的栅极G接扫描电压，接扫描电压，漏极漏极D接信号电压，源极接信号电压，源极S接接ITO像素电极，与液晶像素像素电极，与液晶像素串联。串联。第36页/共45页TFTTFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形CLC约0.1pF 0.3pF,于扫描时无法单独维持稳定电压值，帮必须外加一储存电容Cs,以保持画面稳定（不闪烁）CS-补偿电容第37页/共45页当扫描脉冲加到栅极当扫描脉冲加到栅极G时，时，使使D-S导通，内阻变小，信导通，内阻变小，信 号电压产生大的通态电流号电压产生大的通态电流 ION，并使，并使CLC很快充电到信号电压。很快充电到信号电压。当当CLC充电电压均方根值充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值大于液晶像素的阈值电电 压压Vth时，该像素显示，电压测去，时，该像素显示，电压测去，CLC通过通过RLC缓慢放电，称为像素的存储效应。缓慢放电，称为像素的存储效应。由这样的由这样的“存储效应存储效应”使一个帧周期内使一个帧周期内VrmsVth，即即 显示占空比为显示占空比为1:1。由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，开开 关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。工作原理及过程：第38页/共45页1985年后，由于年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及超扭曲液晶显示器的发明及a-SiTFT液晶显示技术液晶显示技术的突破的突破，LCD技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商品化。新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。市场需求量大幅度增长。有源矩阵驱动LCD显示技术的发展第39页/共45页四、四、LCD的背光源的背光源液晶显示器是液晶显示器是被动显示器件被动显示器件，本身不会发光，可，本身不会发光，可在反射、透光及透反射模式下工作，通常工作在在反射、透光及透反射模式下工作，通常工作在透光模式透光模式下。下。为获得高对比度与全色显示，需要采用背照光源。为获得高对比度与全色显示，需要采用背照光源。由于背照光源的功率是整个器件的由于背照光源的功率是整个器件的90%以上，以上，因此因此体积（薄形）和功率（低功耗）体积（薄形）和功率（低功耗）是首先要考是首先要考虑的因素。虑的因素。第40页/共45页目前采用的背照光源主要有：目前采用的背照光源主要有：1）热电致发光板）热电致发光板EL 2）平板荧光灯（）平板荧光灯（VFD）3）冷阴极荧光灯（）冷阴极荧光灯（CCF）4）平板场发射（）平板场发射（FED）5）LED背光源背光源 6）有机电致发光（）有机电致发光（OEL）等。等。照明方式又分为：照明方式又分为：1）边光式）边光式 2）背光式）背光式第41页/共45页边光式背光源结构图第42页/共45页侧光式背光源结构图第43页/共45页结结 束束 第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页
