显示与成像技术-第一部显示第三章1_液晶显示技术

1、第三章第三章 液晶显示技术液晶显示技术3 液晶显示器件（液晶显示器件（LCD）n什么是液晶？一一 液晶发展史液晶发展史 n1888年奥地利植物学家莱尼茨尔(F.Reinitzer)在测定有机物的熔点时，在某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）中首先观察到液晶现象。n第二年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）发现这类浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来 n1963年，RCA公司的威利阿姆斯（G.H. Heimeier) 发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变5年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性

2、质的显示装置 。n1973年，格雷教授（英国哈尔大学）发现了稳定的液晶材料（联苯系）n同年,日本的山崎淑夫开发出世界上第一块液晶显示式数字石 英表.成为了液晶成功应用的里程碑.n 1976年，由SHARP公司在世界上首次，将其应用于计算器（EL-8025）的显示屏中，此材料目前已成为LCD材料的基础 n 上世纪80年代,液晶显示技术开始应用到计算机领域.n 1984 年，欧美提出了 STN-LCD (超扭曲向列)，和尚不成熟的 TFT-LCD (薄膜式晶体管)技术 。n 到 80 年代末，日本开始大规模生产 STN-LCD ， LCD 工业开始飞跃。 n 1993 年，日本又掌握了 TFT-L

3、CD 大规模制造技术，液晶显示器随着面板制造成本的下降，它进入市场实际应用变为可能。 n 1997 年，日本第三代 TFT-LCD 生产线的成熟，液晶显示器也逐渐为业界和消费者所接受。 n 液晶显示器制造的脚步越来越快，先是韩国、我国台湾的加入、第四代液晶面板的成熟制造，再到现在第六、七代面板生产的成熟、第八代面板的上马，液晶显示器一下子成了人们的新宠。 液晶显示器的主要生产厂商n日本：日立、东芝、夏普等n韩国：LG-Philips、三星n台湾地区：奇美、友达光电、华映、广辉等n中国：上海广电、京东方等液晶显示的特点一、显示质量高 二、没有电磁辐射 三、可视面积大四、应用范围广 五、画面效果好

4、 六、数字式接口 七、“身材”匀称小巧八、功率消耗小 二二 液晶及其分类液晶及其分类某些有机材料在由固体转变为液体时经过的中间状态，处于中间状态的物质既具有象液体一样的流动性和连续性，又具有象晶体一样的各向异性。这种有序流体就是液晶。液晶态是物质的一种形态n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。n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。n作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。液晶的分类液晶的分类（1）热致液晶：）热致液晶：当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体按照液晶分子的排列的有序

5、状态不同，热致液晶可分为三种。分别为：.层状液晶 (近晶相）.线状液晶.胆甾醇液晶.碟状液晶（）层状液晶（）层状液晶结构特点：结构特点：由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴互相平行，其方向可以垂直于层面如图（a) 或与层面成倾斜排列如图（b)。性质：性质：近晶相液晶(层状液晶)具有高度的有序性,经常出现在较低温度区域内。目前已经发现了16种近晶相，用SA SB、SC等表示。常见的有3种。随温度的升高，按AB C的顺序相继出现。由于近晶液晶的粘度大，分子不易转动，一般不适宜制作显示器件。图（a）图（b）（2）向列型液晶）向列型液晶n结构特点：结构特点：由长径比很大的棒状分子组成，分子

6、质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，分子不能排列成层，能上下、左右、前后移动，只在分子长轴方向上保持互相平行或近于平行。n物理性能：物理性能：具有单轴晶体的光学特性，在电学上具有明显的介电各向异性，黏度小。n用途：用途：利用外电场对具有各向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示目的。（3）胆甾型液晶）胆甾型液晶n结构特点结构特点：液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子相互平行。分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状。n物理性能：负性的单轴光学特性。旋光性很强螺距极易受外力

7、而改变选择性光反射特性圆偏振二色性 胆甾相液晶的选择反射胆甾相液晶在白光照射下呈现美丽的色彩，这是它选择反射某些波长的光的结果。反射哪种波长的光取决于液晶的种类和它的温度以及光线的入射角。 我们可以用晶体衍射的布拉格公式解释液晶的这一现象。沿不同角度可以观察到不同颜色的光。温度发生变化时，胆甾相液晶的螺距敏锐地变化，因而反射光的颜色也随之变化。胆甾相液晶的这一特性被广泛用于温度计和各种测量温度变化的显示装置中。 选择性光反射特性选择性光反射特性 为反射光的波长，为反射光的波长，p表示胆甾相液晶的螺距，表示胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，为平均折射率， 是入射光与液晶表面间的夹角是入射光与液晶

8、表面间的夹角 （2）溶致液晶）溶致液晶n将一种溶质溶于一种溶剂，溶质分子形成有序排列而形成的液晶态物质。n如人体内的某些成分、两性化合物的水溶液，具有双折射特性（如肥皂水）。 各向同性各向同性: :指物体的物理、化学等方面的性质不指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同在不同的方向所测得的性能数值完全相同. . 例如例如声音在水中的传播。声音在水中的传播。各向异性：各向异性：与各向同性相反。与各向同性相反。在液晶中的每一点，分在液晶中的每一点，分子都确定了一个特殊的方向，与其他方向相

9、比分子以更多子都确定了一个特殊的方向，与其他方向相比分子以更多的时间指向这个方向。根据按照声音传播的方向相对于分的时间指向这个方向。根据按照声音传播的方向相对于分子长轴方向的不同，一群分子对声音有着不同的响应，所子长轴方向的不同，一群分子对声音有着不同的响应，所以沿着指向矢方向传播的声音与沿任何其他方向传播的声以沿着指向矢方向传播的声音与沿任何其他方向传播的声音将会以不同的方式发生强度衰减。这个性质被称作音将会以不同的方式发生强度衰减。这个性质被称作各向各向异性。异性。二二 液晶的物理特性液晶的物理特性 如图，在液晶中测试各向异性如图，在液晶中测试各向异性.当两板之间充以液晶时，使上板当两板之

10、间充以液晶时，使上板相对于下板滑动所需的力取决于指向矢的方向。当指向矢是指向页相对于下板滑动所需的力取决于指向矢的方向。当指向矢是指向页面外（左图）或是沿着板运动的方向（中图）时，所需得力要小于面外（左图）或是沿着板运动的方向（中图）时，所需得力要小于指向上下排列（右图）时。（图中上板为运动板，下板为固定板）。指向上下排列（右图）时。（图中上板为运动板，下板为固定板）。由于存在着物理性质的各项异性，液晶物质的折射由于存在着物理性质的各项异性，液晶物质的折射率率n，介电常数，介电常数，磁化率，磁化率?，电导，电导，粘度，粘度等物等物理性质，在液晶长轴的方向（理性质，在液晶长轴的方向（）和与其垂直

11、的方）和与其垂直的方向（向（）又很大的不同，即存在各向异性。）又很大的不同，即存在各向异性。 液晶短轴方向液晶短轴方向 n n ? ? 2.折射率的各向异性与各种光学性质折射率的各向异性与各种光学性质液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率。单液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率。单轴晶体具有两个不同的主折射率轴晶体具有两个不同的主折射率和和，二者分别表二者分别表示电矢量的振动方向与晶体光轴垂直的通常光及平行的示电矢量的振动方向与晶体光轴垂直的通常光及平行的异常光折射率。异常光折射率。对于向列液晶和层列液晶，液晶取向的方向相当于单对于向列液晶和层列液晶，液晶取向的方向相当于单轴晶体

12、的光轴，因此，对于与取向的方向分别呈垂直轴晶体的光轴，因此，对于与取向的方向分别呈垂直及呈平行关系的振动光的折射率取及呈平行关系的振动光的折射率取n ，n ，则有则有n n n n 折射率的各向异性由下式给出：折射率的各向异性由下式给出： n n n n 在胆甾相液晶的情况下，在胆甾相液晶的情况下， n n 所以所以胆甾相液晶称为光学负液晶胆甾相液晶称为光学负液晶、液晶的有序化参数、液晶的有序化参数液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列，在处液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列，在处理液晶物理性质的各项异性时十分重要。液晶分子的排列理液晶物理性质的各项异性时十分重要。液晶分子的排

13、列的有序程度，可以由下式所定义的分子排列的有序参数的有序程度，可以由下式所定义的分子排列的有序参数S来来表述：表述： 1cos3212 S分子长轴完全无序时，分子长轴完全无序时，所有分子完全平行取向，所有分子完全平行取向，一般情况下，一般情况下，.之之间间液晶器件所基于的三种光学特性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：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；）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；2）能改变入射光的偏振状态和偏振方向；）能改变入射光的偏振状态和偏振方向；3）使入射的左

14、旋及右旋偏光产生对应的透过或）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造 的。的。1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转边界入射光线出射光线更靠近分子长轴方向出射光线边界入射光线0的液晶施加某一强度以上的电场（的液晶施加某一强度以上的电场（EEC)，分，分子长轴会发生与电场平行的再排列。其原因是处于这种在子长轴会发生与电场平行的再排列。其原因是处于这种在排列状态时，液晶的电场能量密度排列状态时，液晶的电场能量密度fe变得最低。变得最低。 222121EnEfe 液晶

15、显示的基本原理n液晶的物理特性：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。扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器液晶显示器件的几大部件示意图液晶显示器件的几大部件示意图加电将光线阻断，加电将光线阻断，不加电则使光线射出不加电则使光线射出二、分子的排列种类二、分子的排列种类 垂直分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作垂垂直分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作垂直排列；直排列； 沿面分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作平沿面分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作平行的，并且按同一方向排列；行的，并且按同一方向排列； 倾斜分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面以

16、一倾斜分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面以一定的角度倾斜，并且沿同一方向排列；定的角度倾斜，并且沿同一方向排列； 混合分子排列混合分子排列 扭曲分子排列扭曲分子排列 沿面螺旋排列沿面螺旋排列 焦锥分子排列焦锥分子排列液晶分子三、液晶分子排列的方法三、液晶分子排列的方法 液晶分子初始的排列方式取决于液晶与基片所构成的界液晶分子初始的排列方式取决于液晶与基片所构成的界面状态的取向效果。可分为面状态的取向效果。可分为 1. 垂直表面处理垂直表面处理 2.平行表平行表面处理面处理 3.倾斜表面处理倾斜表面处理基片表面的具体处理方法分为三类：基片表面的具体处理方法分为三类：（1）基片表面直接取向处理法

17、：基片表面直接取向处理法：用具有垂直取向能力或用具有垂直取向能力或平行取向能力的取向剂对基片进行直接处理。平行取向能力的取向剂对基片进行直接处理。（2）基片表面间接取向处理法：基片表面间接取向处理法：将取向剂溶解在液晶中，将取向剂溶解在液晶中，注入到液晶盒中后，取向剂从液晶中析出而吸附在基片注入到液晶盒中后，取向剂从液晶中析出而吸附在基片表面上。表面上。（3）基片表面变形取向处理法：基片表面变形取向处理法：将原来光滑的基片表面将原来光滑的基片表面变成不光滑的表面，通过不光滑面与液晶的弹性的相互变成不光滑的表面，通过不光滑面与液晶的弹性的相互作用，使液晶分子成一定的排列方向而固定下来。作用，使液

18、晶分子成一定的排列方向而固定下来。液晶显示器的主要性能参量n光电特性：透过强度与外加电压的关系。 1、 动态散射液晶显示器件（动态散射液晶显示器件（DS-LCD） 2、扭曲向列液晶显示器件、扭曲向列液晶显示器件 （TN-LCD） 3、电控双折射液晶显示器件、电控双折射液晶显示器件 （ECB-LCD） 4、宾主效应液晶显示器件（、宾主效应液晶显示器件（GH-LCD） 5、相变液晶显示器件（、相变液晶显示器件（PC-LCD） 6、超扭曲向列液晶显示器件（、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD） 7、铁电液晶显示器件（、铁电液晶显示器件（FLCD） 8、固态液晶膜液晶显示器件（、固态液晶膜液晶显示

19、器件（PDLCD） 9、多稳态液晶显示器件（、多稳态液晶显示器件（MLCD）各种液晶显示器件各种液晶显示器件1 动态散射（动态散射（DS-LCD）型液晶显）型液晶显示器件（示器件（1968年年1972年）年）（1）在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。）在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。（2）当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压）当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Uth时，在液时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴（威廉畴（Williams）”（3）继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和）继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰扰动，并对动，

20、并对光产生强烈的散射光产生强烈的散射(不透明）。不透明）。动态散射型液晶显示器nDS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大，一般在背面衬以黑色衬底。n电流较大，对比度差，出现光散射的紊流是图形不清晰，电解质使液晶质量变差，寿命短。n液晶中唯一的电流型器件（电导率的各向异性），历史上第一个实用化的液晶显示器件。 2 扭曲向列液晶显示器件（扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年年1984年）年）2 扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器(twisted nematic , TNLCD)垂直于电极基垂直于电极基板入射的直线板入射的直线偏振光的偏光偏振光的偏光方向，在通过方向，在通过液晶盒的

21、过程液晶盒的过程中，随液晶分中，随液晶分子的扭曲发生子的扭曲发生90旋光。旋光。上下偏振片的上下偏振片的偏振方向互相偏振方向互相平行，则平行，则TN液晶盒可以遮液晶盒可以遮光；如果偏振光；如果偏振方向互相垂直，方向互相垂直，则则TN液晶盒液晶盒可以透光可以透光TN液晶的缺点：液晶的缺点：TN液晶的光电特性不陡，在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只适液晶的光电特性不陡，在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只适用于静态驱动或四路以下的动态驱动的段形显示中。用于静态驱动或四路以下的动态驱动的段形显示中。电光响应速度慢。（电光响应速度慢。（100ms)光的透过和关闭都不彻底。光的透过和关闭都不彻底。 因

22、此只限于低档产品的应用。因此只限于低档产品的应用。扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器用TN-LCD制作的常用液晶显示器件n1971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界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。nTN-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。

23、 3 超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（19851990年）年）n80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。n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。n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。 3 超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD)STN扭曲角为扭曲角为270或附近或附近值值STN液晶盒中，上、下偏液晶盒中，上、下偏光轴与上下基片分子长轴光轴与上下基片分子长轴都不平行，而成一个角度，都不平行，而成一个角度，一般为

24、一般为30STN利用液晶的双折射特利用液晶的双折射特性工作。液晶盒由于经过性工作。液晶盒由于经过偏镜的入射线偏振光与液偏镜的入射线偏振光与液晶分子成角度，使入射光晶分子成角度，使入射光被分解为正常束和异常束被分解为正常束和异常束两种，通过液晶盒两束光两种，通过液晶盒两束光产生光程差，在通过检偏产生光程差，在通过检偏镜时发生干涉。镜时发生干涉。STN工作于黑工作于黑/黄模式、白黄模式、白/蓝模式、黑白模式。目前广蓝模式、黑白模式。目前广泛应用于各种中档显示器中。泛应用于各种中档显示器中。n1985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

25、用了五年时间。n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、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。n1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的83%。 4 宾主型液晶显示器（宾主型液晶显示器（GH-LCD)在一定分子排列的液晶（主）中，溶解二色性染料（宾），该二色在一定分子排列的液晶（主）中，溶解二色性染料（宾），该二色性染料分子与液晶分子呈平行排列。性染料分子与液晶分子呈平行排列。有机染料具有光吸收的各向异性有机染料具有光吸收的各向异性对电矢量平行于长轴的

26、彩色光吸收大对电矢量平行于长轴的彩色光吸收大对电矢量垂直于长轴的彩色光吸收小对电矢量垂直于长轴的彩色光吸收小缺点：缺点：1.光电特性差光电特性差 2.不加偏振片时对比度不高，加了偏振片后，透光性不加偏振片时对比度不高，加了偏振片后，透光性 能不好，亮度降低。能不好，亮度降低。 3.响应时间比响应时间比TN型要长。（型要长。（90300ms） 4.工作电压高，（工作电压高，（1015V)目前没有得到广泛应用，因其可以不要偏振片，能够显示多种彩色等特点，只目前没有得到广泛应用，因其可以不要偏振片，能够显示多种彩色等特点，只在双色显示等特殊场合有应用。在双色显示等特殊场合有应用。5 电控双折射型（电

27、控双折射型（EBC）基于通过施加电场对液晶盒的双折射进行控制来实现，作为多色液基于通过施加电场对液晶盒的双折射进行控制来实现，作为多色液晶显示方式是很有用的。晶显示方式是很有用的。均质垂直方式均质垂直方式均质平行方式均质平行方式混合渐变方式混合渐变方式 均质垂直方式均质垂直方式不加电压下，入射直线偏不加电压下，入射直线偏光通过液晶盒时不受双折光通过液晶盒时不受双折射作用，因此不能透过第射作用，因此不能透过第二偏振片，呈黑色；二偏振片，呈黑色；当施加电压时，液晶分子当施加电压时，液晶分子长轴发生一定角度的倾斜，长轴发生一定角度的倾斜，入射直线偏光受到双折射入射直线偏光受到双折射作用而变为椭圆偏光，于作用而变为椭圆偏光，于是部分光透过检偏片，从是部分光透过检偏片，从而使投射光着色。入射光而使投射光着色。入射光为白光会发生干涉现象，为白光会发生干涉现象，通过检偏片的光，会因施通过检偏片的光，会因施加电压大小的不同而着色加电压大小的不同而着色不同。不同。2.沿面排列方式沿面排列方式3.混合排列方式混合排列方式缺点：视角窄，色域小，受温缺点：