液晶显示器件(LCD).ppt

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1、第第3 3章章 液晶显示器件（液晶显示器件（LCDLCD）3 3 液晶显示器件（液晶显示器件（LCDLCD）v什么是液晶？液晶的发现v液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？v他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。v于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制

2、成的液晶显示器件被称为LCD。液晶态是物质的一种形态v液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。v液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。v作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。3.13.1、液晶基本知识、液晶基本知识v1.互变相变（可逆相变）v2.单变相变液晶分类（按热致液晶分子排列状态）v向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜下的图v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。正

3、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。v近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 隧道显微镜下的近晶相层状液晶v近晶相液晶按层状排列，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。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。v胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 胆甾型液晶和近晶型一样具

4、有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。3.23.2、液晶的光电特性、液晶的光电特性v（1）液晶的各向异性vP型液晶（0）正介电各向异性液晶vN型液晶（0，即

5、向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。v胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：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。（3）液晶的电光效应v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。v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，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下

6、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3.33.33.33.3、动态散射（、动态散射（、动态散射（、动态散射（DS-LCDDS-LCDDS-LCDDS-LCD）型液晶显示器）型液晶显示器）型液晶显示器）型液晶显示器件（件（件（件（1968196819681968年年年年1972197219721972年）年）年）年）v在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。v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。vDS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大

7、，一般在背面衬以黑色衬底。.3.43.43.43.4、扭曲向列液晶显示器件（、扭曲向列液晶显示器件（、扭曲向列液晶显示器件（、扭曲向列液晶显示器件（TN-TN-TN-TN-LCDLCDLCDLCD）（）（）（）（1971197119711971年年年年1984198419841984年）年）年）年）v属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。v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。v玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，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

8、板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。v由于内表面涂有定向层膜，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相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。v当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90的偏振光可以通过。因此呈透光态。v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。v这种黑色的显示称正显示。同

9、样如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。扭曲效应的阈值电压为 式中，为弯曲弹性常数；为扭曲弹性常数；为展面弹性常为；为上下玻璃基板平行处理后的扭曲角。由式可知 越大，越小，有几种 很大的液晶，可使 下降到1.0V左右。TN-LCD工作原理用TN-LCD制作的常用液晶显示器件v1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器,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，从而成为主流产品。在1979 年1984年间，其产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年增长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次于CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业

10、界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。vTN-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。3.53.53.53.5、超扭曲向列液晶显示器件（、超扭曲向列液晶显示器件（、超扭曲向列液晶显示器件（、超扭曲向列液晶显示器件（STN-STN-STN-STN-LCDLCDLCDLCD）（）（）（）（19851985198519851990199019901990年）年）年）年）v第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲”即扭曲角大于90。vTN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。

11、图3.5 TN-LCD响应速度v80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，就可大大提高电光特性的响应速度。v随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当扭角达到270时，斜率达到无究大。v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。图3.6 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系v1985年1990年,LCD销售额年均增长率达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它从发明到批量生产仅用了五年时间。v由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、对比度好等特点,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、图形处理机

12、、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）中获得广泛应用,并成为该时代的主流产品。v1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的83%。3.63.63.63.6、有源矩阵液晶显示器件（、有源矩阵液晶显示器件（、有源矩阵液晶显示器件（、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCDAM-LCDAM-LCDAM-LCD）v属于第4代液晶显示器。v普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求。v有所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，必产生串扰。当一个像素被先通时，相邻行，列像素将处于半选通状态。v人们在第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

13、独立驱动，克服了“交叉效应”。图3.3 MIM液晶显示器件的电极排布v有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种。v二端型以MIM（金属-绝缘体-金属）二极管阵列为主；v三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。（1）MIMv在两种导电膜之间夹一层氧化物绝缘层，其结构为Ta-Ta2O3-Cr，通电后两导电膜之间电压-电流必呈非线性，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。v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。图3.4 MIM液晶显示器件等效电路v当扫描

14、电压和信号电压同时作用于像素单元时，MIM器件处于断态，RMIM很大，且CMIMCLC，电压主要降在CMIM上；v当此电压大于MIM器件的阈值电压时，MIM进入导通状态，RMIM迅速减小，通态电流对CLC充电；v当充电电压均方值Vrms达到液晶的阈值电压Vth时，液晶单元显示。v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。（2）-SiTFTv属于非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。

15、v它工艺简单，玻璃基板成本低，导通比大，可靠性高，容易大面积化。图3.5 TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构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-FETv同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入普通TN型液晶，v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TFT有源器件和像素电极。上玻璃板是一共用电极，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）制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤色膜。TFT的栅极G接扫描电压主，漏极D接信号电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联，液晶像素可

16、以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的并联。图3.6 TFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形CGP-分布电容；CST-补偿电容；RON-导通电阻；ROFF-截止电阻v当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电到信号电压。v当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电；v由这样的“存储效应”使一个帧周期内VrmsVth，即显示占空比为1:1。v由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，开关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。v1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及a-SiT

17、FT液晶显示技术的突破，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新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。3.73.7、背照灯、背照灯v液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，往往工作在透光模式下。v因此，为了了获得高对比度与全色显示，需要采用背照明光源。v由于背照光源的功率是整个器件的90%以上，因此体积和功率是首先要考此的因素。图3.7 边光式背光源结构图v目前采用的背照光源主要有：1）热电致发光板EL 2）平板荧光灯（VFD）3）冷阴极荧光灯（CCF）4）平板场发射（FED）5）有机电致发光（OEL）等。照明方式又分为边光式与背光式背光式两种。图3.7

18、边光式背光源结构图v电致发光（EL）是一种冷光源，它是靠荧光粉在交变电场作用下的本征发光，但亮度低，寿命仅有5000小时。v平板荧光灯（VFD）是一种热阴级、低压、平板型荧光灯，如果将阳极和荧光粉制作成像素状，就是平板荧光显示器件，可用于电子称，DVD等显示用，做为背光源可以将阳极连成一片，全部涂覆一层荧光粉，其亮度大于150lm，寿命大于5000小时。v冷阴极荧光灯（CCF）是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺有少量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气体二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于150lm，其特点是寿命达20000小时，功耗在14W，有U形、M形和直管形。