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1、3章 液晶显示 重点 液晶分子如何排列 液晶显示的基本原理 有源矩阵显示 彩色显示 液晶屏的制作方法,3.1 什么是液晶显示,液晶显示的用途,携带器件：计算器、手表、携带电话、电子手册、携带情报工具、游戏机、万步计、翻译辞典办公用品：文字处理机、笔记本电脑、PC监视器、复印机、传真机等家电：液晶电视、摄象机、数字相机、多功能电话、可视电话、家电的操作显示盘等,车载：指示表类、车载导航仪、液晶电视等其它：体温计、血压计、自动贩卖机等,液晶有这么多 的用途啊！,3.2 液晶的排列,向列相液晶的特征,重心无序、长轴指向有序,取向膜和取向处理,取向膜的主流：聚酰亚胺 Polyimide 0.1m厚、高
2、分子膜 在玻璃基板上印刷形成取向处理：使液晶取向排列的过程。,为什么液晶会排列？,无取向膜,有取向膜,玻璃基板,透明电极,取向膜,水平排列（垂直排列）,摩擦处理,取向膜,透明电极,玻璃基板,无摩擦,摩擦方向,有摩擦,玻璃基板的移动方向,摩擦方向,取向膜,透明电极,玻璃基板,摩擦取向机理的两种解释：,1 摩擦使表面受伤而产生细沟，液晶分子沿沟的方向一致排列。2 摩擦后使取向膜表面产生一种静电 力，使液晶分子沿力的方向排列。物理性质随方向不同而不同称为 各向异性。实际上，由于摩擦在 取向膜上造成各向异性，这种各 向异性与液晶分子的各向异性相 互作用使得液晶一致排列。,3.3 液晶的电压响应,正性向
3、列相液晶,分子长轴方向上的介电常数大于短轴方向上的介电常数。特点：加电压时分子长轴指向电场方向，在器件中分子直立。,透明电极ITO,Indium Tin Oxide,铟锡氧化物，作为液晶光阀的开关电极,off,on,Vth:阈值电压（液晶分子开始动作 所对应的电压值）,正性液晶分子在电场中的动作,负性液晶分子在电场中的动作,off,on,垂直取向膜上的取向,3.4 预 倾 角,无预倾角的液晶在电场中的四种立起方式,预倾角,摩擦方向,摩擦方向,沿一个方向摩擦能够产生预倾角,3.5 TN 模 式,90扭曲,摩擦方向,摩擦方向,1、两基板上的摩擦方向互相垂直 90扭曲排列2、掺入手性剂 限定旋转方向
4、,3.6 液 晶 光 阀,偏光的概念,光（横波）的行进方向,（a）自然光,（b）线偏振光,电矢量振动面,偏振片,偏光轴,吸收轴,直线偏光,自然光,偏光轴平行,偏光轴垂直,光透过亮,光截止暗,TN 的亮度调整,透过率,中间灰度,电压,光源：内藏荧光管、太阳光,3.7 手表计算器的数字显示,下基板的电极图形,上基板的电极图形,时间,On状态的电压信号波形,Off状态的电压信号波形,时间,上下基板电极的位相差,On VVthoff VVth,1973年夏普公司,3.8 矩阵的图象显示,矩阵显示的信号输入方式,扫描寻址方式：纵向 x 电极上的信号同时输入；横向 y 电极上的信号逐线输入。视频动画显示的
5、要求：每秒更换60幅画面。如果有300条 y 电极线，那么每线上信号电压持续时间为1/(60300)秒，约0.05毫秒。,矩阵显示中的问题,液晶响应 速度慢交叉窜扰 cross talk,液晶的响应时间,液晶的电响应时间大于10毫秒。TFT 可解决液晶响应速度慢的问题。,交叉窜扰问题,STN,TN,STN 模式的电光响应曲线陡度大，可减弱交叉窜扰。,STN 排列的获得：,调整摩擦方向、手性剂的量、预倾角。适用于文字处理机、一部分笔记本电脑的显示器。,FSTN：,通常STN模式不能显示黑/白，具有黄或蓝色的底色。加上位相补偿膜后，可祛除底色。这种STN称FSTN。,3.9 最新的显示方法,STN
6、 显示中的问题点：1、响应速度慢 动态显示时出现残象2、视角窄3、线数增加后对比度下降解决办法：有源矩阵,有源矩阵与无源矩阵,象素,象素,开关,无源矩阵：无开关,有源矩阵：有开关 TFT、MIM,有源矩阵显示,上侧基板与数字显示一样只有一个共通电极；下侧基板上有(x y)个电极对应着每个象素；每个象素上有一个开关。开关与信号线(source line)对应，具有导通/非导通的功能。有源矩阵中没必要使用STN模式，而使用TN模式。其响应速度、视角与对比度都有改善。适用于笔记本电脑、车载导航仪、液晶电视等。,3.10 有源矩阵显示,电极,开关,信号电压,液晶,电容,接通,切断,电容,信号电压为负时
7、，电流方向相反，电容电压也反向，但液晶分子的响应与电压方向无关。,两个电极间夹一层液晶形成电容,由于TFT的作用，使象素上数十微秒间触发的电压被电容维持住。,低,低,低,高,栅电压扫描,off,off,off,on,信号扫描,栅线与信号线逐行扫描，扫描后的信号由电容维持。逐行扫描从上到下完成后就形成一个画面。CRT是逐点扫描。无论是静态画面还是动态画面，都是由这种反复扫描形成的。,3.11 TFT 的介绍,TFT开关,栅线,信号线（源线）,象素 的结构,沟道保护膜,漏极,象素电极,单元 TFT 的断面,保护膜,源极,N+a-Si,a-Si,栅极,绝缘膜,玻璃基板,TFT 的开关特性,开关特性用
8、 on/off 时的阻抗比来表示。普 通电筒的开关阻抗比为无穷大，但TFT的 开关阻抗比则有一定数值106/1012。所以即使在off时TFT中也有少量电流流过，使得象素上存储的电荷漏掉。实际上信号是以60Hz刷新率扫描，TFT的 开关比已能充分体现开关性能。现在多数TFT-LCD中设置辅助电容，与 液晶电容相并列，它具有更稳定的电荷 存储性能。,TFT薄膜制作的方法,3.12,清洗玻璃基板,PCVD或溅射法镀绝缘膜、半导体层、金属层等,旋涂高阻保护膜,预烘烧使保护膜硬化,紫外线暴光 掩膜板,保护膜,显像液除去暴光部分,再次烘烧固化,保护膜,金属,腐蚀掉露出的金属膜(绝缘膜或半导体层),剥离保
9、护膜得到预计的膜图形,重复上述工艺可制备复杂的多层结构。制备TFT需要相当多的工艺过程。,3.13 彩色显示的介绍,三 基 色 的 加 法 混 色,赤,绿,蓝,黄,洋红,蓝绿,白,黑,三色组合可形成个颜色。如果分别调节三基色的亮度，可得到任意颜色。加法混色不仅用于液晶显示，而且还用于等离子体显示和阴极射线管（CRT电视）等。,液 晶 的 彩 色 显 示 方 法,玻璃基板,ITO,取向膜,黑矩阵遮光膜,红膜,绿膜,蓝膜,CF基板,TFT基板,液晶层,玻璃基板,ITO,取向膜,液晶分子TN模式,TFT部分,红膜,绿膜,蓝膜,遮光板(黑矩阵),CF基板,TFT基板,TFT,信号线,象素电极,栅线,的
10、部分是彩膜的重叠部分,微米厚，置于基板内侧每个象素内并排红蓝绿三片滤光膜，且每片滤光膜都对应一个TFT开关，从而可任意调整每片膜上的光强度进行加法混色。,彩 膜,黑矩阵,防止布线区域漏光，防止外光直接照射TFT导致关态电阻率低下。,彩膜基板的制作方法,形成黑矩阵,形成红色膜,形成绿色膜,形成蓝色膜,4套光刻图形工艺,3.14 液晶屏的制作,清洗,清洗,印刷取向膜200C处理,印刷取向膜200C处理,摩擦、清洗,摩擦、清洗,分散spacer,封框胶印刷,对盒,加热固化,断屏,注入液晶,封口,清洗,贴附偏振片,液 晶 的 注 入 工 艺,液晶,液晶屏,空气,真空,真空,空气,真空,封口胶,3.15
11、 薄型背光源,要求1、亮度的均一性2、薄型化3、高灰度、高效率 光源耗电占整个显示屏的一半以上 重大课题,背 光 源 的 构 造(侧端光源),射向液晶屏,反光罩,冷阴极(荧光)管,反射板,导光板(平面光),扩散板(匀光),蓝膜,绿膜,红膜,蓝,绿,红,波长,亮度,荧光灯管的发光光谱,冷 阴 极 荧 光 灯,Sidelight 方式：薄型化,灯电源电路：将数伏电压升到1000伏 的程度。也须薄型化。,三基色荧光粉：控制荧光粉的成分与量 有效发光、节能,3.16 液晶屏的驱动,画像信号,控制器,栅 极 驱 动,标准电源回路,信 号 线 驱 动,1,2,3,4,1 2 3 4 5 6,栅 线 上 的
12、 电 压 波 形,电压,时间,0V,栅线1,栅线2,栅线3,34.7s,VGA480条栅线，60Hz,信 号 线 上 的 电 压 波 形,电压,时间,信号线1,信号线2,信号线3,VGA 640条信号线3(RGB)2400,34.7s/,专用ICLCD控制器双向驱动,各向异性导电粘胶膜,只允许电流在厚度方向上导通，而不允许在面内流动。,IC侧的输出端,液晶屏的端子,导电性粒子,TFT基板,黏结剂,栅源驱动,液晶显示器的整体结构图,偏光片,偏光片,CF基板,TFT基板,液晶层,源驱动,背光源单元,电源,控制器,栅驱动,转换器,表示显示性能的用语,尺寸：与CRT相同用对角线长、以英寸为单 位。灰度：表示亮度，以cd/m2为单位。最近有 亮度为300cd/m2的商品出售。象元数：VGA 640(3)480 SVGA 800(3)600 XGA 1024(3)768 SXGA 1280(3)1024,主流,对比度：最亮与最暗两状态间的亮度比值。理想暗态的灰度应该是无限小。现在商品的对比度一般为300左右。视角：对比度能够保持在 5 或 10 以上的角 度范围。响应时间：液晶分子对电场的响应时间现 在为30ms量级。这个响应速度 在计算机、监视器和导航显示 器上几乎没有问题，但在视频 动态显示上出现残像。这是今 后需要改进的课题。,典型例：TN模式的对比度图（10）,数字表示角度,
