平板显示技术：第三章液晶与液晶显示器

1、1l 按照液晶的形成条件分类按照液晶的形成条件分类l以分子以分子结构结构來來区区分分3.1.2 液晶的分类液晶的分类Polymeric LC2Thermotropic (Thermotropic (热热致液晶致液晶) ) : : (a) (a)一定温度范围内才呈液晶态的物质，一定温度范围内才呈液晶态的物质，因因温度温度的改的改变变而而产生相变产生相变 (b) (b)具有具有显著显著的光的光电电特性，特性，应用于显应用于显示器示器Lyotropic (Lyotropic (溶致液晶溶致液晶) :) : (a) (a)将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，

2、因溶於溶因溶於溶剂剂中中浓度浓度比例的改比例的改变变而而产产生相生相变变 (b) (b)特别特别存在存在于于生物生物体组织体组织中中 (c) (c)对温度反应敏感对温度反应敏感，在生物科技，在生物科技领域占领域占重要地位重要地位 3Liquid Crys 高分子液晶又高分子液晶又称为称为聚合物液晶，其基本聚合物液晶，其基本单体单体是由是由长长条条狀或狀或圆盘状圆盘状的液晶分子形成液晶基元的液晶分子形成液晶基元(Mesogens) ，再再与与聚合物相連接形成主聚合物相連接形成主链链(main chain) ，或嵌在聚合，或嵌在聚合物兩物兩侧侧形成形成侧链侧链(side chain) 。主主链链型

3、型侧链侧链型型4分子形狀排列方式长条状(Rod-like) 圆盘狀(Disc-like) 3. 胆固醇相 (Cholesteric) 1. 向列相 (Nematic) 2. 近晶相(层列相) (Smectic)1. 圆柱相(Columnar) 2. 向列相(Nematic) Thermotropic (热致液晶)板条状(Lath-like)热热 致致 液液 晶晶 分分 类类5678910坚硬部 柔软部分 缝隙部末端部刚性部缝隙部末端部液晶的混合技术液晶的混合技术：通过混合多种单质材料，通过混合多种单质材料， 可以得到单质可以得到单质液晶中得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度液晶中得

4、不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。 a mixture of two LC compounds can offer a much larger temperature range that exhibits the nematic phase for LCD applications。the melting point, clearing point, De, elastic constants, Dn, and viscosity depend on the mixture ratio。显示用液晶

5、材料显示用液晶材料通常由通常由10种左右的分子组成种左右的分子组成11相变温度（熔点相变温度（熔点mp、清亮点、清亮点cp），），介电各向异性（介电各向异性（），），折光各向异性（折光各向异性（n）粘度（粘度（），），弹性常数（弹性常数（K）等。）等。3.1.4 液晶显示材料的物理性能液晶显示材料的物理性能一般单化合物液晶分子（单体液晶）具有下列物理性质：一般单化合物液晶分子（单体液晶）具有下列物理性质： 任何有机化合物的性能取决于其分子结构，液晶化合任何有机化合物的性能取决于其分子结构，液晶化合物也不例外，液晶化合物的特性由液晶化合物的分子结构物也不例外，液晶化合物的特性由液晶化合物的分子结

6、构决定，即，决定，即，液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向异性。异性。12A. 相变温度（熔点相变温度（熔点mp、清亮点、清亮点cp）液晶相（介晶相）：指化合物从熔点到清亮点之间的温度。液晶相（介晶相）：指化合物从熔点到清亮点之间的温度。清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。熔点熔点清亮点清亮点13B. 介电各向异性（介电各向异性（）=- 14C. 折光各向异性（折光各向异性（n）n= ne-no 15D. 弹性常数弹性常数展曲扭曲弯曲介电常数和弹性常数共同决定阈值电压。介电常数和弹性常数

7、共同决定阈值电压。16粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘粘度越小，显示器的响应速度越快。度越小，显示器的响应速度越快。粘度、盒厚、驱动电压和温度决定响应时间。粘度、盒厚、驱动电压和温度决定响应时间。17液晶材料的常用检测方法液晶材料的常用检测方法 在研制某种混合液晶材料中，通常要使用许多测试在研制某种混合液晶材料中，通常要使用许多测试方法来评价混合液晶材料的性能指标是否达到要求，如果方法来评价混合液晶材料的性能指标是否达到要求，如果评价不符合要求，即返回基础配方，重新选择添加剂进行评价不符合要求，即返回基础配方，重新选择添加剂进行配制，经过往复数

8、次才能实现配方的最后定型。配制，经过往复数次才能实现配方的最后定型。 一般一般相变温度相变温度测试用测试用DSC或温台或温台+POM法。法。组成测定组成测定用用GC或或HPLC方法。方法。电阻率电阻率测试用微电流计加电极。测试用微电流计加电极。光电性能光电性能测试用液晶综合参数测试仪。测试用液晶综合参数测试仪。粘度粘度测试用粘度测试仪。测试用粘度测试仪。光学各项异性光学各项异性用偏光折射仪。用偏光折射仪。1819介电异向性介电异向性 /- - 是液晶显示器件原理的基础。是液晶显示器件原理的基础。液晶液晶1. 1. 介电各向异性介电各向异性1 1、正性液晶（、正性液晶（NP)NP)：偶极矩平行于

9、分子长轴。：偶极矩平行于分子长轴。 2 2、负性液晶（、负性液晶（Nn)Nn)：偶极矩垂直于分子长轴。：偶极矩垂直于分子长轴。3 3、介电转换液晶（、介电转换液晶（DT)DT)：在低频电场或高频：在低频电场或高频电场作用下，分子长轴方向与分子永久电偶电场作用下，分子长轴方向与分子永久电偶极矩的夹角极矩的夹角 可由可由0 0到到 /2/2变化。变化。正负性液晶在电场作用下分子的行为正负性液晶在电场作用下分子的行为0 00 02021液晶的光学性质：液晶的光学性质：22n液液晶晶的的电电阻阻率率 的的数数量量级级一一般般为为108-1012 cm，它它接接近近于于半半导导体体和和绝绝缘缘体体的的边

10、边界。界。 小小表表示示杂杂质质离离子子较较多，多，也也就就是是液液晶晶的的纯纯度度较较差，差，一一般般 1010 cm时，时，在在外外电电场场作作用用下下由由于于电电化化学学分分解解会会破破坏坏液液晶晶分分子子结结构。构。23TFT-LCD用液晶材料高电阻率高电阻率对紫外光的高稳定性（无分解）对紫外光的高稳定性（无分解）如果电阻率不高盒内电压降减小 电压保持率（液晶上实际电压的维持效果）劣化 材料在紫外光下的分解会产生离子，也会使实效材料在紫外光下的分解会产生离子，也会使实效电压下降。电压下降。24折射率差值折射率差值过大，大视角处会出现色反转；折射率差值过小，对比度低下。一般0.08为宜。

11、 介电常数的各向异性大，驱动电压低。25IPS模式的液晶材料视角特性优良、电压保持特性好的显示模式。使用氰基化合物。VA模式的液晶材料加电场时液晶分子为平行基板面的排列。分子长轴方向的介电率小于分子短轴方向的。2627电光度度的的1 10 0（负负性）性）或或9 90 0（正正性）性）的的外外加加电电压。压。它它标标志志了了液液晶晶电电光光效效应应有有可可观观察察反反应应的的起起始始电电压压值。值。n（2)2)饱饱和和电电压压V Vs s：n对对应应于于最最大大透透光光度度9 90 0（负负性）性）或或1 10 0（正正性）性）处处的的外外加加电电压。压。V Vs s大大小小标标志志了了获获得

12、得最最大大对对比比度度所所需需的的外外加加电电压压的的数数值，值，V Vs s小小则则易易获获得得良良好好的的显显示示效效果，果，且且降降低低显显示示功功耗，耗，对对显显示示寿寿命命有有利。利。28minmaxTT对比度29（5 5）陡度）陡度 和比和比陡度陡度 ： thsVV 由于由于V Vs sV Vthth，所以，所以 总是大于总是大于1 1的数值，的数值， 的的极限值为极限值为1 1。在电光曲线中，。在电光曲线中， V Vs s越接近越接近V Vthth时，则时，则电光曲线越陡。一般电光曲线越陡。一般TNTN效应液晶的效应液晶的 1.41.4 1.61.6。11thsthVVV30（6

13、 6）响应时间）响应时间 对于正型电光曲线，上升对于正型电光曲线，上升时间时间 r r为透光强度由为透光强度由9090降到降到1010所需的时间；所需的时间；下降时间下降时间 d d为透光强度由为透光强度由1010上升到上升到9090所需的时间。所需的时间。 r r和和 d d与液晶材料、粘滞与液晶材料、粘滞系数系数 、弹性常数、弹性常数k k、液晶盒厚、液晶盒厚度、螺距度、螺距P P、外电压、外电压V V大小、不大小、不同的表面处理等有关。同的表面处理等有关。 31反射式反射式TN型液晶显示器件结构图型液晶显示器件结构图反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面反射器由一个漫

14、反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面上。上。特点：可以利用外界光，节省功耗，在阳光下图象不会被冲刷。特点：可以利用外界光，节省功耗，在阳光下图象不会被冲刷。3233液晶结构特性介于晶体和液体之间，是有序的流体。液晶结构特性介于晶体和液体之间，是有序的流体。液晶能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射液晶能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应。及旋光效应。在外场作用下会产生热光、电光或磁光效应。在外场作用下会产生热光、电光或磁光效应。 当液晶盒充入向列相液晶，把两玻璃片绕在他们互相垂直当液晶盒充入向列相液晶，把两玻璃片绕在他们互相垂直的轴扭转的轴扭转90，向列相液晶的内部就发

15、生扭曲，形成具有，向列相液晶的内部就发生扭曲，形成具有扭曲排列的向列型液晶盒。扭曲排列的向列型液晶盒。 在上述液晶盒前后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方在上述液晶盒前后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方向平行。向平行。 不施加电场时，白光射入后，液晶盒会使入射光的偏振光不施加电场时，白光射入后，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轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90。旋光效应旋光效应34双折射现象双折射现象 对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将发生双折射。向的改变，按照一定的偏

16、振方向入射的光，将发生双折射。双折射现象是液晶的重要特性，与晶体特性相似。双折射现象是液晶的重要特性，与晶体特性相似。 单轴晶体有两个不同的主折射率，单轴晶体有两个不同的主折射率， n= n/ - n 液晶的光轴可以由外电场改变，双折射光束间的相位差也随液晶的光轴可以由外电场改变，双折射光束间的相位差也随之变化。之变化。 入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。 因为具有双折射性，当入射光的前进方向偏于分子长轴方向：因为具有双折射性，当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够改变入射光的偏振状态或方向 能使入射偏振光以左

17、旋光或右旋光进行反射或透射。能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。3536373839T TN N 型型L LC C40414243反射式反射式LCD显示原理显示原理444546464748MIM液晶显示器件的电极排布49505151 金属金属-绝缘体绝缘体-金属二极管（金属二极管（MIM） 二端有源液晶显示器件二端有源液晶显示器件 MIM液晶显示器件结构液晶显示器件结构a) 俯视俯视 b) AA剖面剖面5253MIM寻址矩阵液晶显示屏的制备工艺5455L C D上玻璃基板下玻璃基板上电极下电极上偏振片下偏振片反射板TN液晶材料封接胶透明电极引线透明电极引线透明玻璃注液晶口封接胶框液晶

18、显示器的结构图液晶显示器的结构图5657L LC CD D主主58595960彩彩色色6162636465定向层涂覆：在玻璃表面均匀涂覆一层定向层定向层涂覆：在玻璃表面均匀涂覆一层定向层 丝印成盒：将上下两片玻璃用丝印胶黏结在一起，形丝印成盒：将上下两片玻璃用丝印胶黏结在一起，形成一个空盒成一个空盒 666768在在B处正视屏幕看到的是处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面，而在正常的中灰阶画面，而在A或者或者C处看到的却是高灰处看到的却是高灰阶和低灰阶阶和低灰阶 69707172WV Film + TN LCD（FujiFilm）MVA: Mutil-domain Vertical Alignm

19、ent（FUJITSU）IPS: In Plane Switching（HITACHI, Matsushita, Mitsubishi）FFS: Fringe Field Switching（BOEHYDIS）PVA: Patten Vertical Alignment（SAMSUNG）OCB: Optically Compensated Bend（PANASONIC）ASV: Advanced Super View (SHARP)主要宽视角技术主要宽视角技术73741. TNFi子子的的排排列列还还是是TN模模式，式，运运动动状状态态仍仍然然是是在在加加电电后后由由面面板板的的平平行行方方向

20、向向向垂垂直直方方向向扭扭转。转。n采采用用双双折折射射率率n0的的透透明明薄薄膜膜来来补补偿偿由由于于TN液液晶晶盒盒（n0）造造成成的的相相位位延延迟迟以以实实现现广广视视角角的的目目的，的，所所以以这这个个Film又又叫叫相相差差膜膜或或者者补补偿偿膜膜（也也有有视视角角拓拓宽宽膜膜之之称）称）。n相相差差膜膜是是将将透透明明薄薄膜膜经经过过拉拉伸伸等等处处理理后后做做成成预预定定形形变变的的构构件。件。7576技术特点：技术特点：与TN LCD现有技术兼容；技术准入门槛低。不足：不足：视角改善不够理想（120左右）；对现有TN LCD显示性能改善有限。777879803. MVA（Mu

21、lti-domain Veent）广广视视角角技技术术81Cross-sectional ViewElectric FieldProtrusion in CFCommon electrodePixel electrode新型结构新型结构技术特点：技术特点：响应速度快（160）。技术不足：技术不足：驱动电压高（13.5V）；液晶注入时间较长；工艺复杂成本高。技术发展：技术发展：Super MVA（1996），Premium MVA。主要应用面板厂家：主要应用面板厂家：奇美电子，友达光电等8283844. IPS（In Plane Sg术术8586技术特点：技术特点：液晶分子面内翻转；视角范围广（

22、160），图像显示性能佳。技术不足：技术不足：驱动电压高（15V）；开口率低，亮度不足。技术发展：技术发展：Super-IPS，Advanced Super-IPS。主要应用面板厂家：主要应用面板厂家：LG Philips等8788 OnSuper IPSIPSContrast ratio: 200 350 Viewing angle(35:1):110.150160.160 Response time: 40 30 ms89909192 19961996年年HYDISHYDIS提出了其广视角专利技术提出了其广视角专利技术 边缘场开关边缘场开关FFSFFS技术技术 19991999年该技术被成

23、功应用于年该技术被成功应用于15in XGA15in XGA级级Tablet PCTablet PC产品产品 20012001年开发了年开发了Ultra FFSUltra FFS（双畴）技术并应用于显示器（双畴）技术并应用于显示器 20032003年年1 1月京东方全资收购了韩国月京东方全资收购了韩国HYDISHYDIS（BOEHYDISBOEHYDIS）， 从而拥有了从而拥有了FFSFFS广视角技术。广视角技术。 20042004年年BOEHYDISBOEHYDIS提出了性能更优异的提出了性能更优异的AFFSAFFS广视角技术广视角技术93In Plane SwitchingFringe F

24、ield SwitchingC/FC/FEdwldwlIPSFFSl/dl/wFieldElectrodes1 1 1Ey, Ez (Fringe Field)Ey (In Plane)1Folded ITOMetalsFFSFFS和和IPSIPS技术比较技术比较VcomVpixel透光区9495 广视角和高亮度广视角和高亮度钝化层公共电极像素电极取向层GlassGlass透光光源透光IPSGlassGlass光源透光FFSGlass 液晶分子 电场 偏振片 偏振片 偏振片 电场 液晶分子 偏振片969798996. PLS 技技术术100IPSMVAFilm+TNDual TNTNFFS窄 视角 宽高 穿透率 低 SE, PVAFFS技术特点技