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1、第3章 液晶显示技术3.1液晶概述 3.1.1液晶的晶相 3.1.2液晶的物理性质 3.1.3液晶的电气光学效应 3.2 液晶显示器件 3.2.1 液晶显示器件的构造 3.2.2 液晶显示器件的显像原理 3.2.3 液晶显示器件的分类 3.2.4 液晶显示器件的驱动3.3 液晶显示器的技术参数、特点及发展史 3.3.1 液晶显示器件的技术参数 3.3.2 液晶显示器件的特点 3.3.3 液晶显示技术的发展史习题三,光 电 显 示 技 术,液晶显示器件（Liquid Crystal Display，LCD）的主要构成材料为液晶。液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，同时又具有光
2、学双折射性的晶体。液晶物质在熔融温度首先变为不透明的浑浊液体，此后通过进一步的升温继续转变为透明液体。因此液晶包括两种含义：其一: 是指处于固体相和液体相中间状态的液晶相其二：是指具有上述液晶相的物质。,第3章 液晶显示技术,第3章 液晶显示技术,液晶的分子排列结构并不像晶体结构那样坚固，因此在磁场、温度、应力等外部刺激下，其分子容易发生再排列，液晶的各种光学性质会发生变化。,图3.1 液晶与其固态、液态分子排列对比,液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器件的基础。在用于液晶显示的情下，液晶这种特定的初始分子排列，在电压及热的作用下发生有别于其它分子排列的变化。伴随
3、这种排列的变化，液晶的双折射性、旋旋光性、二色性、光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉变化，实现图像和数字的显示。 液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。,第3章 液晶显示技术,3.1.1 液晶的晶相1. 液晶的分类 液晶是白色浑浊的黏性液体，其分子形状为棒状（如图所示）。从成分和出现液晶相的物理条件进行归纳分类，液晶可以分为溶致液晶和热致液晶两大类。,第3章 液晶显示技术,（1）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定的浓度区间时便会产生液晶，这类液晶称之为溶致液晶。 （2）热致液晶：把某些有机物加热熔解，由于加热破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。 热致型
4、液晶又根据液晶晶相可分为3大类：向列型、近晶型和胆甾型。,第3章 液晶显示技术,2. 液晶的晶相 常见液晶的晶相有向列相（nematic）、胆甾相（cholesteric）和近晶相（smectic）等。,图3.3 3种常见液晶相,第3章 液晶显示技术,（1）向列相 向列相亦称丝状相。它由长、径比很大的棒状分子组成。分子大致平行排列，质心位置杂乱无序，具有类似于普通液体的流动性。特点：向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围内移动，表现出液体的特征可流动性。所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特性（折射系数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同），一般是单轴正性
5、。而在电学上又具有明显的介电各向异性，由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且分子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。,第3章 液晶显示技术,（2）胆甾相 胆甾相亦称螺旋相。它可看作是由向列相平面重叠而成的，一个平面内的分子互相平行，逐次平面的分子方向成螺旋式（螺距约3000 ），与可见光波长同数量级。特点：光学上一般是单轴负性。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，扭曲向列（twisted nematic
6、，TN）、超扭曲向列（Super Twisted Nematic，STN）、相变（phase change，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 。,第3章 液晶显示技术,（3）近晶相：近晶相亦称层状相或脂状相。它的分子分层排列，层内分子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或与层面倾斜，层内分子质心可以无序、能自由平移、似液体；或有序呈二维点阵。分子层与层之间的相关程度在不同的相中有强有弱。手征性分子化合物则可以以扭曲的螺旋片层状出现，非扭曲型近晶相依其发现先后，以A、B、C等命名 ，如图3.4所示。近晶相因为它的高度有序性，经常出现在较低温的范例内。近晶液晶黏度大，分子
7、不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。,图3.4 近晶相示意图,A相的分子与层面垂直，层内分子质心无序，像二维流体。层厚约等于或略小于分子长度。含氰基（CN）化合物的A相可能出现双分子层结构，为1.22m。,B相，片层内的分子质心排列成面心六角形，分子垂直于层面，片层之间的关联随材料不同各有强弱，B相在光学上是单轴正性,C相与A相在结构上唯一不同之处是分子与层面倾斜，倾角各层相同并互相平行，因此C相在光学上是双轴的。C相由手性分子组成，与A相类似，不同的是分子在层面上的投影像胆甾相那样呈螺旋状变化，光学上是单轴正性。对称性允许C相出现与分子垂直而与层面平行的自发极化矢量，这就是铁电性液晶
8、（1975年R.B.迈耶等首次合成）,第3章 液晶显示技术,长形分子除上述3大类结构外，还有光学上各向异性的D相，由若干分子为一组的单元所构成的体心立方结构。1977年，印度S.Chandrasekhar等合成了盘形分子液晶。这些分子均具有一个扁平的圆形或椭圆形刚性中心部分，周围有长而柔软的脂肪族链。盘形分子液晶具有向列相、胆甾相和柱状相3类结构。盘形分子的向列相和胆甾相与上述长形分子相似，只需把长形分子的长棒轴用盘形分子的法向轴代替即可。柱状相是盘形分子所特有的结构，盘形分子在柱状相中堆积成柱，在同一柱中分子间隔可以是规则有序的，当然，柱状相也可以是不规则无序的，不同柱内的分子质心位置无相关
9、性。各分子柱可以排列成六角形或长方形，如图3.5所示。,图3.5 柱状相液晶,第3章 液晶显示技术,长形和盘形分子构成的液晶的各向异性与分子本身的不对称形状有关。这些液晶的基本性质，绝大部分可以通过无体积的一维或二维分子模型来描述。 相变序列改变温度时，长形分子各液晶相之间的转变序列可以有两种（冷却时由右至左）： 1）X-H（H）-G-F（F）-I-B-C（C）-A-N（N-B-B）-I。 2）X-E-B-A-N-I。 H（H）等表示H或H，X和I分别代表晶体和各向同性液体。当然，特殊的液晶化合物并不一定具有上述所有的相。上面的序列只是表明这些相如有出现则以这种顺序。如表3.1所示的长形分子的
10、液晶相结构及相变序列。,第3章 液晶显示技术,表3.1 长形分子的液晶相结构及其相变序列,第3章 液晶显示技术,3.1.2 液晶的物理性质液晶受扰动时，分子取向有恢复平行排列的能力，称为曲率弹性，弹性常数一般很小。向列相和胆甾相的分子取向改变有3种形式：展曲、扭曲、弯曲。近晶相发生形变时，层厚保持不变，只有展曲和层面位移引起的混合弹性。液晶既是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材料而定，并与频率有关。液晶分子受外电场或磁场影响容易改变取向。,第3章 液晶显示技术,譬如，把胆甾相放在与螺距相垂直的外磁场中，磁场达到数千高斯即可使螺距成为无穷大，胆甾相变为向列相。液晶发生展曲或弯曲时，会产生极化
11、甚至产生空间电荷，这是由于形变使分子的电偶极矩不再相互抵消，这种现象称为挠曲电效应。,液晶是非线性光学材料，具有双折射性质。,液晶的缺陷有位错和向（斜）错两种，后者是由于分子取向发生不连续变化引起的，向列相只有点向错和线向错；胆甾相可以有位错和向错。液晶缺陷的研究导致了对有序结构奇异性的拓扑分类。,第3章 液晶显示技术,3.1.3 液晶的电气光学效应 液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它既具有液体的流动性、黏滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外场作用（如电、磁场作用）下产生热光、电光或磁光效应。
12、液晶分子在某种排列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变化，液晶的光学性质也随之变化。这种通过电学方法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效应，简称电光效应（Electro-Optic Effect）。,液晶的电光效应主要包括以下几种: 1）液晶的双折射现象：液晶会像晶体那样，因折射率的各向异性而发生双折射现象，从而呈现出许多有用的光学性质：能使入射光的前进方向偏于分子长轴方向；能够改变入射光的偏振状态或方向；能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。这些光学性质，都是液晶能作为显示材料应用的重要原因 .,第3章 液晶显示技术,2）电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变
13、化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射现象。这一效应说明，液晶的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的相位差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因此液晶具有比晶体灵活多变的电旋光性质。,第3章 液晶显示技术,3）动态散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数10 m，可以用作光栅。进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复了透明状态，这就是液晶的动态散射（dyn
14、amic scattering）。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。,4）旋光效应：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻璃片绕在与它们互相垂直的轴相扭转90，向列型液晶的内部就发生了扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前、后放置起偏振片和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90。 5）宾主效应：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢量方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子都平行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，吸
15、收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，加外电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为“宾”，液晶则为“主”，因此得名“宾主（guest-host，G-H）”效应。 电控双折射、旋光效应都可以应用于彩色显示的实现。,第3章 液晶显示技术,3.2 液晶显示器件3.2.1 液晶显示器件的构造,图3.6 典型LCD结构截面,将设有透明电极的两块玻璃基板用环氧类黏合剂以46 m间隙进行封合，并把液晶封入其中而成，与液晶相接的玻璃基板表面有使液晶分子取向的膜。如果是彩色显示，在一侧的玻璃基板内面与像素相对应，设有由三基色形成的微彩色滤光片。,第3章 液晶显
16、示技术,LCD是非发光型的。其特点是视感舒适，而且是很紧凑的平板型。 LCD的驱动由于模式的不同而多少有点区别，但都有以下特点：（1）是具有电学双向性的高电阻、电容性器件，其驱动电压是交流的。（2）在没有频率相依性的区域，对于施加电压的有效值响应（铁电液晶除外）。（3）是低电压、低功耗工作型，CMOS驱动也是可以的。（4）器件特性以及液晶物理性质常数的温度系数比较大，响应速度在低温下较慢。,第3章 液晶显示技术,3.2.2 液晶显示器件的显像原理1. 液晶的基本显示原理 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿
17、透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。,第3章 液晶显示技术,（1）单色液晶显示器的原理 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成90）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。,图3.7 光线穿透示意图,第3
18、章 液晶显示技术,LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住，如图3.8所示。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。,图3.8 光线阻断示意图,第3章 液晶显示技术,LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由5m的液晶材料均匀隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或
19、称匀光板）和反光膜。背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。,第3章 液晶显示技术,（2）
20、彩色LCD显示器工作原理在彩色LCD面板中，每一个像素都是由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。,第3章 液晶显示技术,LCD与CRT的优缺点比较:LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但同时也带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示。LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有时，会发现屏幕的某一部分出现异常亮
21、的线条，也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案（比如经抖动处理的图像）可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。,第3章 液晶显示技术,现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格，TFT-LCD技术能够显示更加清晰、明亮的图像。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低、效率差、对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影响视频的显示效果。因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑、呼机或手机中。,第3章 液晶显示技术,（3）液晶显示器件的显示方式LCD
22、的显示方式可分为两种：LCD面板本身为显示面的直观式；将LCD面板的图像放大投影到投影屏，以供观看的投影式 1）直观式显示方式：这是直接观看显示面的方式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。,第3章 液晶显示技术,2）投影式显示方式：投影式是将LCD上写入的光学图像放大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶光阀（LV）。图像的放大率和亮度可以通过加大投影用光源的光强来提高。 将光信息写入LCD的激励方式中有光写入方式、热（激光）写入方式和电写入（矩阵驱动）方式。其中，利用热写入方式还要并用电场效应。,第3章 液晶显示技术,a光写入方式：基本的工作部分截面如图3.9所示，形成液晶和光导电体双层
23、结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。,图3.9 光写入方式液晶光阀的结构,在实用的布局中做到，将高分辨率的小型CRT图像用透镜在光导电层成像，利用电子束轰击荧光面所产生的光点在光导电层做出潜像，对液晶施加的电压进行空间调制，在液晶层形成图像。对该液晶层照射投影用的强光，将图像放大投影到投影屏上。可以放大投影到200450英寸的投影屏上，一般是高光束的，而且光功率很大。,第3章 液晶显示技术,b热（激光）写入方式: 这种方式的显示工作是由相变而来的，所利用的就是光学变化。这种方式的例子有向列、胆甾混合液晶和层列液晶。若将这些液晶加热到相
24、变温度以上，然后急剧冷却，那么该部分由透明组织变成排列紊乱的不透明组织。因此，利用红外激光束的偏转，在LCD面板上进行扫描，就可在LCD上写入高分辨率的图像。写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大投影，这种方式一般都有存储功能。 在层列液晶中有两种常温下的层列相用于显示，即透明以及各向同性相紊乱排列的不透明组织。写入所用的是数毫瓦到500 mW的半导体激光器，擦除是通过对液晶层施加高电场（数十千伏/厘米）或在向列相温度以上的冷却中施加低电场而进行。,第3章 液晶显示技术,c电写入（矩阵驱动）方式：电写入方式中有简单矩阵型和有源矩阵型。前者有STN模式、胆甾类液晶的相变模式等被开发。实际应用的
25、是后者，其中有非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT ）驱动LCD、多晶硅薄膜晶体管（P-Si TFT）驱动LCD、单晶硅MOS晶体管（LCOS）驱动LCD。液晶主要采用TN模式，也有试用高分子分散型液晶的实例。在有源矩阵型中最常用的是下述的TFT-LCD型投影液晶面板。,第3章 液晶显示技术,dTFT-LCD型：在直观式LCD中实现大型化很困难。实现40英寸以上的大型画面最适当的方式是在投影屏上投影的显示方式。娱乐方面的电视显示、办公自动化（OA）或会议室、会场的计算机图像显示都使用显示性能优异的TFT-LCD有源矩阵型。TFT-LCD的尺寸为0.85英寸（画面对角线长），其尺寸取决于光学系统、
26、分辨率、热设计、成本。投影显示装置与金属卤化物灯等的光源亮度也有关，但投影屏尺寸已达200英寸左右（对角线长度），重要的是显示的高亮度和低功耗。,第3章 液晶显示技术,利用TFT-LCD的彩色投影显示有以下几种方式：一是使用一个彩色LCD的单板式；二是将一个黑白型LCD和三原色双色镜组合起来的单板式；三是将3个黑白型LCD和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学系统组合起来的三板式（参见图3.10）等。,图3.10 TFT-LCD投影装置的结构,投影方式中有从屏前面投影的前面投影方式和从屏后面投影的背面投影方式。背面投影方式在屏前的侧表面上做了减轻外光反射的处理，因此即使在比较亮的场所使用也对对比度
27、影响不大，这是其优点。,为了在某视角范围内提高显示图像的亮度，一般对投影屏进行精加工，以获得23倍的增益。视角虽变窄，但亮度得到了提高，并从结构上加以改进，以防止外光反射与对比度的下降。,第3章 液晶显示技术,3.2.3液晶显示器的分类 根据液晶驱动方式分类，可将目前LCD产品分为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶体管（TFT）型3大类 。1）扭曲向列型（ TN型） 扭曲向列（TN）型液晶显示器的基本构造为上下两片导电玻璃基板，其间注入向列型的液晶，上下基板外侧各加上一片偏光板，另外在导电膜上涂布一层、摩擦后具有极细沟纹的配向膜。由于液晶分子拥有液体的流动特性，很容易顺着沟纹方
28、向排列，当液晶填入上下基板沟纹方向，以90垂直配置的内部，接近基板沟纹的束缚力较大，液晶分子会沿着上下基板沟纹方向排列，中间部分的液晶分子束缚力较小，会形成扭转排列，因为使用的液晶是向列型的液晶，且液晶分子扭转90，故称为TN型。,以应用产品数量来看，近10亿台LCD应用产品中，TN型产品占7成左右，STN型占2.5成，TFT型仅占0.5成；若以产值来看，因TFT产品价格高，产值占LCD七成左右。,第3章 液晶显示技术,若不施加电压，则进入液晶组件的光会随着液晶分子扭转方向前进，因上下两片偏光板和配向膜同向，故光可通过形成亮的状态；相反地，若施加电压时，液晶分子朝施加电场方式排列，垂直于配向膜
29、配列，则光无法通过第二片偏光板，形成暗的状态，以此种亮暗交替的方式可作为显示用途。,第3章 液晶显示技术,2） 超扭曲向列型（STN型） TN型液晶显示器在早期电子表上使用较多，但其最大缺点为光应答速度较慢，容易形成残影，因此后期发展出超扭曲向列（STN）型液晶显示器。 STN显示组件，其基本工作原理和TN型大致相同，不同的是液晶分子的配向处理和扭曲角度。STN显示组件必须预做配向处理，使液晶分子与基板表面的初期倾斜角增加，此外，STN显示组件所使用的液晶中加入微量胆石醇液晶使向列型液晶可以旋转角度为80270，为TN的23倍，故称为STN型，TN与STN的比较见表3.2及图3.11。,第3章
30、 液晶显示技术,光 电 显 示 技 术,表3.2 N与STN型组件的比较,图3.11 STN与TN 型液晶分子的扭曲状态,3） 薄膜晶体管型 薄膜晶体管（TFT）型液晶显示器采用了两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了场效应晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式。光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，
31、先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。,第3章 液晶显示技术,表3.3 3种主要类型LCD产品的比较,第3章 液晶显示技术,3.2.4 液晶显示器件的驱动 LCD驱动方式有静态、动态（多路或简单矩阵）、有源矩阵方式以及光束扫描4种方式。其中，驱动方式也可分为刷新方式和存储方式。前者是用小于人眼暂留像时间的帧周期一个接一个地转换图像信息，以进行显示；而后者则利用LCD所具有的存储作用，以一次性的帧扫描，即可进行静态图像显示。,第3章
32、液晶显示技术,1）静态驱动,图3.12 LCD的驱动,电路是被称为异或门（Exclusive OR）的CMOS集成电路。将脉冲占空比为0.5的方波电压施加于LCD组件C电极和门电路一侧输入端，门电路的输出施加于S电极。,门电路的输出随着施加于门电路另一侧输入端的控制信号而变化。施加于液晶的电压在导通期间为（VDDVSS）的交流电压，而断开期间则为0 V。,第3章 液晶显示技术,LCD是双向性的。由于一般响应于电压的有效值，在导通期间LCD的脉冲占空比为1。即在导通期间液晶处于正常激励状态，这就是静态驱动。相对于这种静态驱动，还有在导通期间以间歇式（时分多路等）施加电压的简单矩阵驱动或有源矩阵驱
33、动。在有源矩阵驱动中，虽然外部施加电压为间歇式的，但液晶则被正常激励。,第3章 液晶显示技术,2）简单矩阵驱动 在静态驱动中，任意文字和图形、图像的显示都要增加必要数目的驱动电路，在成本上不太现实。简单矩阵驱动方式如图3.13所示，是由m+n个至少一侧为透明的条状行电极和列电极组成，将mn个交点构成的像素以m+n个电路实施驱动。因为在一个电极上有多个像素相连接，所以施加电压就成为时间分割脉冲，即各像素承受一定周期的间歇式电压激励。一般以30 Hz以上的帧频对行电极进行逐行扫描（一次一行），对列电极同步施加亮和不亮的信号。将这种驱动方式叫做多路（时间分割）驱动，也叫做无源矩阵驱动 。,第3章 液
34、晶显示技术,光电 显 示 技 术,图3.13 简单矩阵驱动,驱动波形中，设扫描电极数为n，那么使对比度最大的条件就是设定峰值，使a等于根号n。,以上是将电极一个一个扫描的方式。除此之外，还有被称为“有源寻址（active addressing）”和“多行寻址（Multi-Line Addressing）”的方式。这是对多个或全部行电极同时施加互有垂直函数关系的波形电压，而对列电极施加把垂直函数和显示信息信号运算的电压，以实施驱动的方式。这种方式对提高高速响应的STN模式液晶的对比度非常有效。,3)有源矩阵驱动 有源矩阵驱动也叫做开关矩阵驱动。这是一种在显示面板的各像素设置开关组件和信号存储电容
35、，以实现驱动的方式，其目的是提高显示性能。这种方式能够获得优异的显示性能，因而，作为直观式或投影式，广泛用于个人计算机等OA设备及电视等视频机。 有源矩阵型LCD的结构，以TFT阵列方式为例。a-Si TFT阵列是精密加工技术成形的，即利用甲硅烷的辉光放电分解法在玻璃基板上形成a-Si半导体有源层；利用绝缘膜以及金属层进行和半导体集成电路一样的光刻。,第3章 液晶显示技术,图3.14 TFT LCD的等效电路与工作,图3.14表示了以TFT为开关组件时的工作原理。利用一次一行方式依次扫描栅极，将一个栅极线上所有TFT一下子处于导通状态，从取样保持电路，通过漏极总线将信号提供给各信号存储电容。各
36、像素的液晶被存储的信号激励至下一个帧扫描时为止。,第3章 液晶显示技术,TFT-LCD有以下特点：（1）从原理上没有像简单矩阵那样的扫描电极数的限制，可以实现多像素化。（2）可以控制交调失真，对比度高。（3）由于液晶激励时间可以很长，亮度高，响应时间也很快。（4）由于在透明玻璃基板上利用溅射、化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）等方法成膜，可以实现大型化和彩色化。（5）可以同时在显示区域外部形成驱动电路，由于接口数骤减，有利于实现高可靠性和低成本。,第3章 液晶显示技术,4)光束扫描驱动 在投影式显示方式中提到的光写入方式、热（激光）写入方式就是光束扫描驱
37、动方式。这种工作方式的特点是，在面板上并没有被分割的像素电极，光束点相当于一个像素，通过光束的扫描以形成像素。,第3章 液晶显示技术,3.3 液晶显示器的技术参数、特点及发展 3.3.1 液晶显示器的技术参数 技术参数是衡量显示器性能高低的重要标准，由于各种显示方式的原理不同，液晶显示器的技术参数也大不一样。,第3章 液晶显示技术,1. 可视面积 液晶显示器所标示的可视面积尺寸就是实际可以使用的屏幕对角线尺寸。一个15.1英寸的液晶显示器约等于17英寸CRT屏幕的可视范围。2. 点距 液晶显示器的点距是指在水平方向或垂直方向上的有效观察尺寸与相应方向上的像素之比，点距越小显示效果就越好。现在市
38、售产品的点距一般有点28（0.28mm）、点26（0.26mm）、点25（0.25mm）3种。例如，一般14英寸LCD的可视面积为285.7mm214.3mm，它的最大分辨率为1024768，那么点距就等于可视宽度/水平像素（或者可视高度/垂直像素），即285.7mm/1024=0.279 mm（或者是214.3mm/768=0.279mm）。,3. 可视角度 液晶显示器的可视角度左右对称，而上下则不一定对称。由于每个人的视力不同，因此以对比度为准，在最大可视角时所测得的对比度越大越好。当背光源的入射光通过偏光板、液晶及取向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备
39、了垂直方向。4. 亮度 液晶显示器的最大亮度，通常由冷阴极射线管（背光源）来决定，亮度值一般都在200250 cd/m2之间。液晶显示器的亮度若略低，会觉得发暗，而稍亮一些，就会好很多。虽然技术上可以达到更高亮度，但是这并不代表亮度值越高越好，因为太高亮度的显示器有可能使观看者眼睛受伤。,第3章 液晶显示技术,5. 响应时间 响应时间是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或亮转暗的速度，此值越小越好。如果响应时间太长，就有可能使液晶显示器在显示动态图像时有尾影拖曳的感觉。这是液晶显示器的弱项之一，但随着技术的发展而有所改善。一般将反应速率分为两个部分，即上升沿时间和下降沿时
40、间，表示时以两者之和为准，一般以20 ms左右为佳。6. 色彩度 色彩度是LCD的重要指标。LCD面板上是由1024768个像素点组成显像的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝（R、G、B）3种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示器，每个基本色（R、G、B）达到6位，即64种表现度，那么每个独立的像素就有646464=262144种色彩。 也有不少厂商使用了所谓的帧率控制（Frame Rate Control，FRC）技术以仿真的方式来表现出全彩的画面，也就是每个基本色（R、G、B）能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达256256256=16777216种色彩。,第3章
41、 液晶显示技术,7. 对比度 对比度是最大亮度值（全白）与最小亮度值（全黑）的比值。CRT显示器的对比度通常高达5001，以致在CRT显示器上呈现真正全黑的画面是很容易的。但对LCD来说就不是很容易了，由冷阴极射线管所构成的背光源是很难去做快速的开关动作，因此背光源始终处于点亮的状态。为了要得到全黑画面，液晶模块必须完全把来自背光源的光完全阻挡，但在物理特性上，这些组件无法完全达到这样的要求，总是会有一些漏光发生。一般来说，人眼可以接受的对比值约为2501。8. 分辨率 TFT液晶显示器分辨率通常用一个乘积来表示，例如800600、1024768、12801024等，它们分别表示水平方向的像素
42、点数与垂直方向的像素点数，而像素是组成图像的基本单位，也就是说，像素越高，图像就越细腻、越精美。9. 外观 液晶显示器具有纤巧的机身，显示板的厚度通常在6.58 cm之间。充满时代感的造型， 配以黑色或者标准的纯白色，让人看起来相当舒适。现在一些液晶显示器还可以挂在墙上, 充分显示了其轻便性。,第3章 液晶显示技术,3.3.2 液晶显示器的特点1. 低压微功耗2. 平板型结构3. 被动显示型4. 显示信息量大5. 易于彩色化6. 无电磁辐射7. 长寿命,第3章 液晶显示技术,3.3.3 液晶显示技术的发展史 1. 动态散射模式 1968年6月，RCA公司向世界首次公布了LCD的诞生，后，Hei
43、lmeier等人对工作区在83100 的，一种称为APAPA的液晶进行研究，并公布了有关液晶最初的电气光学效应中动态散射模式（Dynamic Scattering Mode，DSM）的内容。在提出动态散射模式的同时，也给出了文字显示的实例。初期的液晶钟表、计算器等在这一时期开始流行。,第3章 液晶显示技术,2.宾主模式 液晶显示也经历了从黑白显示向彩色显示的过渡时期。1974年有人发表了关于相变型G-H模式的研究报告，这是一种不需要偏振片的显示方式。从1975年左右开始，曾进行过以数字的显示或车载使用为目的开发。但因是单色显示而使其应用受限，所以当彩色滤光片方式出现时，这种研究就被放弃了。3.
44、 扭曲向列模式 瑞士的Schadt等人于1971年首次公开了现在最为普遍的工作模式扭曲向列模式。几乎与此同时开发的TN模式液晶显示器件，则是采用低电压、低功耗的CMOS集成电路作驱动器，首先应用在钟表、计算器和其它分段型数字显示器上。 液晶的历史也是显示容量随着信息社会的发展而增加的历史。LCD从分段型发展到简单矩阵型，后又发展到小规模文字显示或图形显示。20世纪80年代，随着半导体存储器的开发，在文字处理机中开始采用显示14行的LCD。此后不断努力以求继续增加行数和显示容量。然而，文字处理机和个人计算机至少需要20行显示，TN模式不能用于大容量显示。,第3章 液晶显示技术,4. 超扭曲向列模
45、式 1984年瑞士的Scheffer发表了有关扭曲角为270的超双折射效应（Supertwisted Birefringent Effect，SBE）的研究成果。超扭曲向列模式，从广义上说也包含SBE模式，1985年日本将其实现了产品化，采用了多扫描线选址（Multi Line Addressing，MLA）驱动方式。5. 双折射控制模式 双折射控制（Electrically Controlled Birefringence，ECB）模式是指通过电场改变液晶的分子排列，以改变透射率的方式。除了有垂直取向（Deformation of Vertical Aligned Phases，DAP）的L
46、CD，还有其它取向方式。其特点是可以将显示容量变大，但因其视角小，一般用于投影式。此后，有人提出了利用光学方法解决视角小问题的方案，推出了简单矩阵型彩色LCD。 还有一种叫做“”盒的方式，从广义上说它属于双折射控制模式。因其响应性好，应用于黑白阴极射线管的彩色显示和立体显示。通过对其赋予灰度特性，并通过光学补偿以改进其视角特性，将其发展成为光学自补偿弯曲（Optically Compensated Bend，OCB）模式，并探索应用于TFT-LCD中。,第3章 液晶显示技术,6. 高分子分散液晶 高分子分散液晶,是利用液晶与高分子聚合物的光散射现象的液晶。它是应需要提高亮度的反射型要求而开发的
47、，不需要偏振片。7. 存储功能突出的相变模式 具有存储功能的相变（PC）模式液晶比较适用于功耗低、电池驱动的便携式终端。美国肯特州州立大学开发的有存储功能、比较亮、简单矩阵驱动的反射型高分子稳定胆甾LCD，引起了人们的关注。8. 高速响应性突出的铁电液晶 1980年Clark等人发表论文指出，表面稳定铁电液晶在电场与自发极化的作用下产生液晶响应，其响应速度在几十微秒以内。这引起了人们的关注。反铁电相液晶具有自己修复取向破损的功能，人们也一直关注其在TFT-LCD上的应用。,第3章 液晶显示技术,9. 液晶技术的新进展（1）采用TFT型Active素子进行驱动 为了创造更优质画面构造，新技术采用
48、在每一个液晶像素上加装上Active素子来进行点对点控制。（2）利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑斓的画面 在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种类型的LCD，无论在分辨率、色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑斓的画面。,第3章 液晶显示技术,（3）低反射液晶显示技术 在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术，液晶显示屏所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏的分辨率、防止反射等这四个方面都达到了更好的改善。（4）先进的“连续料界结晶硅”液晶显示技术 采用“连续料界结晶硅”技术制造
49、的低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示方式，具有比旧式LCD屏快600倍的像素反应速度，减少画面出现的延迟现象。（5）超宽视角技术 主要有平面控制模式宽视角技术和ASV广视角技术。IPS技术是在液晶分子长轴取向上做文章，让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上观看的画面都不会有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。夏普公司的ASV技术主要通过缩小液晶面板上颗粒之间的间距、增大液晶颗粒上光圈，并整体调整液晶颗粒的排布来降低液晶电视的反射，增加亮度、可视角和对比度。应用最新超宽视角技术的LCD显示屏亮度可达700 cd/m2，对比度1200l，平均灰阶响应速度6 ms，视角1
50、76。,第3章 液晶显示技术,（6）超黑晶技术 超黑晶技术通过在屏幕表面加入数层带有特殊化学涂层的光学薄膜物质来进行处理对外光线。一方面折射成不同的比例，使反射的光线得以改变方向并互相抵消；另一方面能最大限度地吸收外来光线，改变光线传播的波长和反射。经过这样的处理后，就能最大限度地减少外来光线在屏幕造成的反射，把在屏幕上产生的反光度和反光面积降低至最低程度，令液晶显示器能在恶劣的光线环境下使用，即使在户外依然能显示出亮丽细致的画质效果。（7）超高开口率技术 超高开口率是用特殊树脂作为总布线和出入口布线的层与层之间绝缘膜，并将像素领域进行扩大。（8）反光低反射技术 防眩光低反射技术技术原理与超黑
