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1、LCD显示技术,电子显示田民波 编著 清华大学出版社,液晶与液晶显示器（liquid crystal display,LCD）,液晶与液晶显示器,液晶：在一定温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。处于固体相和液体相中间状态的液晶相，具有上述液晶相的物质。分子形状为细长的棒状或扁平板状的具有某种特殊排列方式的有机化合物。,液晶,按排列方式分：层列液晶：棒状分子平行排列成层状，与层面近似垂直，易层间滑动，粘度比通常液体高；,液晶,层列液晶向列液晶：分子以相同方向平行排列，不存在层状，分子沿长轴方向自由移动，富于流动性，粘度较小；,液晶,层列液晶向列液晶胆甾相液
2、晶：分子长轴在层面内与向列液晶相似平行排列成层状，相邻层分子长轴取向方向存在差别，形成螺旋结构其各种光学性质，如旋光性、选择性光散射，圆偏光等都基于这种结构；,液晶与显示,在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列，在电压及热等的作用下，其分子排列发生有别于其他分子排列的变化。伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、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以转变为视觉变化。液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发光型（受光型）显示。,LCD的特征,优点：由于低功耗(几至几十微瓦每平方厘米)，利用电池即可长时间运行，属于省能源型;低电压运行(几十伏特)，可由IC
3、直接驱动，驱动电子回路小型、简单。元件为薄型(几毫米)，而且从大型显示(对角线长几十厘米)到小型显示(对角线长几毫米)都可以满足，特别适用于便携式装置;属于非主动发光型显示，即使在明亮的场所，显示也是鲜明的;容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化;可以进行投影(扩大)显示及组合(集成)显示，因此容易实现大画面显示(对角线为数米的显示)。,LCD的特征,缺点由于属于非主动发光型，在采用反射方式进行显示时，在比较暗的场所，显示不够鲜明；在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背置光；一般说来，显示对比度与观察方向相关，因此，视角的扩大受到限制；响应时间与周围温度有关，低温(-30-4
4、0)时工作不能充分保证；,韩国 LG电子公司开发出了代号为“L1970HR”的全球响应时间最快的液晶显示器，这款显示器的对比度在全球也是最高的。LG电子公司表示，新开发液晶显示器的灰阶响应时间(gray-to-gray 也就是从一个灰度画面到另一个灰度画面)为2毫秒。这款液晶显示器的对比度为1600比1，也是液晶显示器中最高的对比度。,液晶用于显示的物理性能,物理性质的各向异性折射率n，介电常数，磁化率，电导率，粘度，在液晶分子长轴方向和与其垂直方向有很大不同，即存在各向异性；液晶分子排列的有序化参数,液晶分子排列的有序化参数n：着眼于全体液晶分子时液晶分子长轴的择优取向：个别分子长轴方向a与
5、n偏离的角度表示全空间取平均,液晶方向n与分子取向a的空间关系,S=0，完全无序，各向同性液体S=1，完全平行，理想液晶S=0.30.8，向列液晶，与温度有关；,液晶用于显示的物理性能,折射率的各向异性与各种光学性能折射率各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性单轴双折射晶体主折射率：no：电矢量振动方向垂直于光轴的通常光的折射率ne：电矢量振动方向平行于光轴的异常光的折射率,对于层列和向列液晶：n的方向相当于光轴方向与取向n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取，光学正液晶,对于胆甾相液晶：螺旋轴相当于光轴称为光学负液晶,各种光学性质光行进方向偏向取向n的方向速
6、度与折射率成反比,偏光状态及偏光振动方向发生变化=0,/2,偏光状态不变0/2，沿z前进同时振动状态发生连续变化,入射偏光左右旋光，选择性光散射,当液晶扭曲的螺距P与入射光波长相比大很多时，发生旋光平行入射，则平行出射垂直入射，则垂直出射对于其他方向振动的入射光，根据液晶厚度不同，出射圆、椭圆、直线任一种偏振光。,入射偏光左右旋光，选择性光散射,当液晶扭曲的螺距P与入射光波长相比不大的通常的胆甾相，发生选择性光散射与液晶旋光方向相同的的旋光成分发生反射；与液晶旋光方向相反的的旋光成分发生透射；,施加电场引起分子排列的变化,在施加电场作用下，液晶分子排列发生变化导致光学性质发生变化，是由于液晶的
7、介电常数各向异性与电场的相互作用；或是具有铁电性的液晶的自发极化与电场的相互作用产生的；,施加电场引起分子排列的变化,液晶的为正或负，是由液晶的分子结构决定的初始分子排列设定全体液晶分子取向n平行或垂直电极基板,对具有各向异性介电常数的液晶施加电场E，电场能量密度：分子排列取电场能量密度最低的状态对0,发生n与E平行的再排列对0,发生n与E垂直的再排列,LCD的各种显示方式及工作原理和特性,液晶的电气光学效应及显示方式,扭曲向列(Twisted Nematic，TN)型,结构：10 m厚的0的TN液晶，扭曲螺距与可见光波长相比大得多。分子排列变化：扭曲（90）垂直光学现象：明暗的变化,超扭曲向
8、列型着色方式,基于扭曲角从180360的超扭曲向列液晶的双折射效应，SBE/STN结构，2偏振片间充以超扭曲向列液晶以270为例黄/黑模式蓝/白,超扭曲向列型黑白模式,D-STN 2层模式:输入层，光学位相补偿层(逆扭曲STN盒),RF-STN型LCD结构及工作原理,位相差板使通过STN盒的RGB椭圆偏光的椭圆率减小，主轴在一定方向上偏转，从而使,铁电型,以手性近晶C相液晶为代表，在显示出自发极化的铁电型液晶（FLC）中可以看到高速光开关现象及存储现象，我们称这种效应为铁电型(FLC)电气光学效应。这种FLC型电气光学效应分为非存储(单稳态)型和存储(双稳态)型两大类。二者的区别在于不施加电场
9、时初始分子排列不同。,手性液晶分子绝大多数液晶分子的主要组成部分是碳原子，而每个碳原子与四个官能团R1,R2,R3,R4共键当R1,R2,R3,R4都是完全不同的官能团时，分子具有手性。这时这个分子的镜像分子无法通过任何平移或旋转变换与它的本身重合。就像我们的左右手，互为镜像，但左右手在不反转一只手的情况下无论如何是不能重合的。,非存储型液晶盒厚度比手性节距z要大得多与层法线呈角，呈相同倾斜排列的液晶分子构成各个层面；层列面与电极基板垂直螺旋轴与基板面平行,非存储型（EEc）,FLC型LCD的各种方式,双折射方式通过施加电场正负极性的切换可以实现光闸明暗最大对比出现在245,液晶盒全体发生光干
10、涉现象,P,A,正交偏振片,明,暗,二色性方式使用溶解有二色性染料的液晶盒和一个偏振片染料分子长轴方向对偏振光有最大吸收，最佳倾斜角290电场去除后，返回初始分子排列状态，最稳定的分子排列状态是唯一的。,着色,无色,存储（双稳态）型,液晶厚度与其螺距相比要小得多与螺旋结构消失的层列C结构相当,铁电型液晶元件的响应性铁电型液晶盒的电气光学效应是由自发极化强度Ps与电场强度E的强力相互作用(PsE)产生的，与基于介电各向异性和电场强度的弱相互作用(E2/2)的通常的非铁电型液晶盒的情况相比，前者的响应速度要快若干个数量级，达微秒量级。不过，这种高响应速度，要在自发极化的取向趋于一致、螺旋结构取消的
11、薄膜液晶盒(图2-13(c),(d)中才能实现。,反铁电型,分子排列与转换性质相邻层分子长轴倾斜角度相同，方向相反自发极化矢量在相邻层内呈相反方向，相互抵消，净值为零；铁电相内自发极化不为零，形成与轴平行的螺旋结构,把液晶盒放在偏振方向相互垂直的两偏振片(偏振方向平行或垂直于近晶层法线)之间，将得到暗态。在施加外电场后，反铁电相(AF)转变为铁电相(FO)。反铁电和铁电之间转换呈正、负双滞后特性。,亚铁电相确定的四稳态双稳态转换FO(+)FO(-);三稳态转换FO(+)AFFO(-);四稳态转换FO(+)FI(+)FI(-)FO(-)。,铁电、亚铁电、反铁电分子取向排列示意,三稳态光学响应 对
12、反铁电液晶盒施加电压时，透光率从一值变化至另一值，之间要经过一个阐值的变化，,宾主型（GH）,在一定分子排列的液晶中溶解二色性染料二色性染料的分子在长轴和短轴方向对可见光的吸收具有各向异性；在分子长轴方向具有光吸收迁移矩的染料称为P型二色性染料，在短轴方向具有光吸收迁移矩的染料称为N型二色性染料。二色性染料分子与液晶分子平行排列，二色性染料分子与液晶分子一起连动。,GH显示方式的原理在图2-18中，若用0的向列液晶(NN液晶)代替Np液晶，用N型二色性染料代替P型二色性染料，则不施加电压时的透射光着色，而施加电压时的透射无色。,双折射控制型（electrically controlled bi
13、refringence,ECB）,可作为多色液晶显示根据所用液晶盒的分子排列不同可分为：均质垂直方式(DAP)、均质平行方式、混合渐变向列方式(HAN)等几种类型。,ECB(DAP）型显示方式的原理,透过检偏片的光的强度为入射偏光方向与液晶盒中通常光的振动方向间所构成的角度，为入射光的波长液晶分子倾斜角度 是所加电压的函数对于入射光是白光的情况，由于干涉现象，透过第二偏振片的光，会因施加电压大小不同而着不同的颜色。,HAN方式：HAN方式的特点是采用混合渐变排列的液晶盒，其中液晶分子的排列与一 个基板面垂直，而与另一个基板面平行。因此，基于这种方式的彩色LCD可以使 用NP和NN两种类型的液晶
14、，同时还具有许多其他优点，例如：不存在明确的阈值电压可以在极低的电压下工作，而且容易色相分离等。,高分子分散型,高分子分散型由向列液晶和高分子构成，并利用复合体的光散射效应进行显示。基于这种方式的LCD总称为高分子分散(polymer dispersed,PD)LCD。根据复合体的构造，这种PD型LCD可分为：向列毛团准直相(nematic currilinear aligned phase,NCAP)型聚合物网络(polymer network,PN)型两大类。,NCAP型 NCAP型是液晶以微小粒滴的形式分散在高分子基体中构成的;不施加电压时，液晶分子随机排列，由于入射光的散射，LCD呈现
15、暗白色；施加电压时，液晶分子按电场方向排列，入射光不发生散射，LCD呈透明的外观；,NCAP型显示方式的原理,PN型PN型是在液晶的连续相中高分子以三维网络状或微小粒滴状分散而形成的。未施加电压时，液晶分子沿高分子三维网络结构的界面排布，从整体看为随机排列，对入射光产生散射，使外观呈现暗白色；施加电压时，液晶分子按电场方向即与光的入射方向呈相同方向排列，对入射光不发生散射，使外观呈现透明色；,PN型显示方式的原理,PD型LCD优缺点优点：基于散射效应，无需偏振片，易实现大视角显示采用液晶与高分子复合体，易实现大画面显示缺点：响应时间长，存在回线特性，受稳定影响在调光玻璃、大面积显示、有源矩阵驱
16、动的投影型显示器方面的应用。,彩色LCD的各种显示方式,彩色LCD显示方式，根据其彩色生成原理不同，可以按下表进行分类。在彩色滤光器方式和彩色光源方式中，作为受动元件的彩色滤光器及彩色光源是彩色的生成源，作为能动元件的液晶盒仅起到光开关的作用。因此，这种方式的彩色LCD一般称为受动型的LCD。与此相对，光干涉方式及GH方式的LCD称为能动型彩色LCD。从结构上讲，这些彩色LCD是通过能动元件液晶盒的双折射性及二色性的变化，借助偏振片的作用，直接产生色相的变化。,彩色LCD的显示方式,彩色滤光器方式的彩色LCD,使具有B/W光开关功能的液晶盒与红绿蓝(RGB)多色滤光器相组合，利用加法混色就可以
17、实现多色显示或全色显示。通常在马赛克形、条形、三角形布置的RGB的各像素间，设有黑色矩阵条，这种设置的目的在于提高对比度和色纯度。,彩色滤光器方式彩色LCD装置的断面结构,彩色滤光器的分光透射率与三波长荧光灯的发光光谱,通过附设三波长发光荧光灯作为背照光，与彩色滤光器配合使用，可以：提高辉度提高色纯度,多色D-STN型LCD及彩色CRT的颜色再现范围,彩色光源方式彩色LCD,投影型彩色光源方式总共采用三个FLC型液晶盒做B/W光开关采用由金属卤化物灯及氙Xe灯发出的高强度白光，经二色镜分离出RGB三原色,投影型铁电型液晶彩色显示LCD的系统构成,彩色光源方式彩色LCD,直视型彩色光源方式一个高
18、速FLC型液晶盒，背置RGB三种彩色荧光灯组成。时序彩色照明方式的彩色显示原理，是直视彩色LCD的关键技术。,LCD的构造与制作,LCD的构造用途不同，尺寸不同，小到手表用，计算器用，大到汽车仪表盘、计算机终端、电视机等,反射式TN型LCD的外观,有效显示面积1663mm2,反射式TN型LCD的断面结构,对于不需要偏振片的显示方式及透射型LCD要从前图所示的结构中去掉偏振片及反射板。透射型LCD需要附加背面照明光源(back light)。而且，对于彩色显示LCD，一般要在透明电极和玻璃基板之间增设RGB多色滤色器层。,液晶分子排列的种类及分子排列方法液晶分子排列的作用：均匀而稳定的液晶分子排
19、列对于LCD来说是必不可少的。这是因为无论对于哪种方式的LCD，都要通过电场及热等外部场的作用使其产生区别于其他分子的排列状态。,液晶分子的排列种类均质垂直分子排列:液晶分子与双方基板表面都呈垂直的排列;均质平行分子排列:液晶分子与双方基板表面呈平行，且呈同一方向的排列;倾斜(tilt)分子排列:液晶分子相对于双方基板表面呈一定角度倾斜，且呈同一方向的排列;混合(hybrid)分子排列:液晶分子与一方的基板表面垂直，与另一方的基板表面按同一方位呈平行排列，全体分子的排列均在两基板间发生连续的90的扭转;,液晶分子的排列种类：扭曲(twist)分子排列:液晶分子与双方的基板表面都呈平行排列，但其
20、排列方位在两基板间发生90。转动，因此全体分子的排列方位在两基板间发生连续的90扭转。平面型(planer)分子排列:液晶分子排列的螺旋轴与双方的基板表面呈垂直的排列，聚焦圆锥(focal conic)分子排列:液晶分子排列的螺旋轴与双方的基板表面呈平行的排列。,液晶分子排列种类：,均质垂直,均质平行,倾斜,混合,扭曲,分子取向处理垂直取向处理:通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面垂直排列;平行取向处理:通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面平行排列;倾斜取向处理:通过对基板表面处理，可使液晶分子的长轴方向与基板表面只按确定的角度倾斜排列。通过三种分子取向处理可以
21、得到分子取向基板，由2块这种分子取向基板的不同的组合，可以构成不同的液晶盒。前述的任何一种液晶分子排列都可以由不同组合的液晶盒来实现。,基板表面分子取向处理的几种方法,基板表面分子取向处理的几种方法基板表面直接处理法，是在基板表面涂布取向剂溶液，再通过加热干燥去除溶剂，从而在基板表面形成取向剂的薄层。基板表面间接处理法，是将取向剂溶人液晶中，使其随液晶一起注入液晶盒，溶于液晶中的取向剂被基板表面吸附，形成取向剂层。在基板表面变形处理法中，一种方法是用棉布等沿某一方向轻轻摩擦，一般是在对基板表面通过平行取向剂直接处理之后，再经摩擦处理，通过这种方法可使液晶分子的平行排列方位取向一致。另一种方法是
22、用氧化硅等取向剂相对于基板表面以一定倾斜方向蒸发沉积，蒸镀角小(520)时可实现液晶分子的倾斜排列，蒸镀角大(2045)时可实现平行排列。,LCD制作LCD的制造工艺,决定器件性能和质量的重要环节,浸渍法或滴入法,LCD的各种驱动方式,各种驱动电极的结构静态驱动多路传输驱动有源矩阵驱动,LCD的各种驱动方式,LCD电极结构及其主要用途,电极结构,各种具体的驱动方式,静态驱动,静态驱动：对要显示的各个段电极分别、且同时驱动的方法。因此，全体段电极中的每一个都要有各自独立的驱动电路元件，在显示段电极和公共电极上，在显示期间，都要施加连续的电压。,静态驱动,静态驱动波形实例电极波形为单一极性的方波液
23、晶上实际施加的电压为交流波形可以有效防止液晶劣化,多路传输驱动,适用于使用比较多的段电极的情况位电极与按顺序排列的12分时驱动的定时器相配合所需驱动元件及引线端子数可大幅度减少。,多路传输驱动显示情况下位电极、段电极的组合结构,但是，由于多个段电极共用一条驱动线，显示段电极以外的段电极上也施加有各种不同的分电压，这显然会降低显示的对比度。为了克服这种“串像”现象，在液晶的多路传输驱动方式中，一般采用下述的所谓“电压平均化法”。应设法满足下列条件：为了克服串像现象，对显示像素群与非显像素群的液晶施加的等效电压vs、vus，分别在各自的像素群中取相等值为了增大显示对比度，vs不仅要超过液晶的工作阈
24、值电压，而且要达到最大限度;vus的取值不应超过阈值电压值,电压平均化法的驱动波形等效电压,显示对比度取最大值的条件，由Vs/Vus的比值取最大的条件得出，在最大显示对比度，动作电压裕度表示为随扫描电极数n增加，显示对比度降低，需要电气光学响应更为敏感的液晶。在不改变液晶的场合，显示对比度随n的增加而降低。,有源矩阵驱动,有源矩阵驱动方式分类这种驱动方式是在扫描电极与信号电极矩阵交点处的像素位置，附加、集成开关元件及电容器元件(必要时)，目的在于提高对比度和响应性等显示性能。各像素的开关元件及电容器元件分别担当防止“串像”的功能和积蓄电荷的功能。因此它们本质上将不受扫描电极数的约束，从原理上讲
25、，可以实现与占空比100%的静态驱动接近的液晶显示。,有源矩阵驱动漏极通过导通的FET为电容器供应信号电荷，信号电荷使液晶维持在工作状态，直到下一次帧扫描。,有源矩阵驱动LCD的结构,外围驱动电路与显示部分的FET阵列在同一基板上集成实现一体化,LCD的技术发展动向,LCD技术发展回顾TFT-LCD技术移动电话用STN-LCD的技术动向我国LCD产业现状LCD新技术动向,LCD的技术发展动向,LCD技术发展回顾 第一阶段(1968-1972年)1968年美国RCA公司研制了动态散射型(DSM)液晶显示器，1971-1972年制造出采用DSM液晶的手表，标志着LCD技术进人实用化阶段。第二阶段(
26、1971-1984年)瑞士发明扭曲向列（TN）显示器笔段式小容量第三阶段（1985-1990）超扭曲（STN)和-Si TFT大容量第四阶段（1990-1995）有源矩阵TFT、MIM高画质第五阶段（1996-)监视器市场21世纪头20年将是LCD的黄金时代。,移动电话用STN-LCD的技术动向,移动电话对LCD显示器的要求,移动电话对LCD显示器的要求大容量化会引起功耗增加、死区增大的问题彩色化小巧薄型低功耗高画质、更佳的可视性。,彩色化（反射式、半透射式）电路构成屏的构成 内面反射制作工艺困难，但显示品质优。,彩色化电路构成屏的构成照明为在夜间看到显示，二者都需要照明系统：反射式：上方照射
27、的前照明方式半透射式：背照光，色彩美观优于反射式，但透过率低下，多采用白色LED屏。,LCD新技术动向改善视角特性垂直取向方式提高响应速度解析度反射式彩色，微功耗，90以上用于背照光降低LCD厚度有机膜柔性基板，更轻更薄，易弯曲，易折叠,视角特性的改善,利用取向分割改善视角,观察角度不同，对比度、颜色、灰度均不相同。,IPS面内切换的原理,多畴垂直取向方式,水平取向与垂直取向（VA)方式的区别,显示黑时，黑色更深,多畴垂直取向(MVA)方式,既利于增加视角，又能提高对比度液晶盒内壁取向板的制作,自动复数取向分割方式的原理及各种形式,MVA液晶显示器工作原理,提高响应速度,在LCD的动态画面显示
28、中，高速移动图像会出现“拖尾”、“重影”等现象，这是由于液晶的响应速度慢于一帧的显示时间(当帧频为60Hz时，一帧显示时间约16ms)造成的，由此形成的一帧结束时的残像在下一帧显现出来。,场序彩色动态显示场序彩色(field-sequential color，即RGB时间分割显示)LCD由三色背照光源按时序分别点亮，液晶屏根据显示的信息控制透射光的颜色和亮度而实现时间上的加法混色，不需彩色滤光膜，像素数变为普通透射型LCD的1/3，更容易实现高容量、大画面显示，可能成为LCD的发展趋势。为实现场序彩色显示，液晶的响应速度最慢要达到帧频的1/3,而要达到优良的显示质量，响应时间应为23ms。,提
29、高解像度电子文件阅读用显示器为实现清晰、光滑的文字显示，需要175dpi以上 的解像度。,反射式彩色液晶显示器,反射式显示功耗仅为同样尺寸背照明显示器的1/71/10,整机又薄又轻。,降低LCD厚度的玻璃上芯片技术,所谓玻璃上芯片(chip-on-glass,COG)技术是将IC器件直接贴装在作为LCD组成部分的同一玻璃基板上，故称为玻璃上芯片技术。未来COG装配的形式包括控制部分和除激励电路(driver circuits)以外的偏压电路(bias circuits),四边平面封装,板上芯片,带载自动键合,COG方式的关键技术是采用了各向异性导电膜(anisotropic conductiv
30、e film,ACF)。ACF是一种粘接材料，有两种作用，一种作用是将芯片粘结固定在玻璃基板上，另一种作用是电气连接，该作用更关键。ACF在室温下为绝缘体，但在热压状态下，即在热和压力的共同作用下，导电颗粒被紧紧地挤压在一起，形成导电通道，见图2-63。通过使用这些导电小颗粒，可以在每毫米间距上连接约20线以上。,利用ACF在加热和加压条件下，将IC贴装至玻璃上。,各向异性导电膜,有机膜柔性基板液晶显示器,由于LCD器件的低温加工技术的突破，可以用有机膜柔性基板取代刚性的玻璃基板预示着手帕式液晶显示器的问世为时不远,这种显示器重量轻、屏幕大、不易碎、不用时能被卷起来进行摆放，它将来甚至有可能被卷成如钢笔之类日常物品一样大小。该显示器由一个25微米厚的动态矩阵背板和一个200微米厚的可反射性“电子墨水”面板构成。这种显示器是迄今为止最薄、最柔韧的动态矩阵显示器。此外，它是目前最大的、像素点最小的有机电子显示器。,
