第7章-电光转换现象与发光及图像显示器件

1、第7章 电光转换现象与发光及图像显示器件光电子技术基础厚德博学 求实创新l目前主要的平板显示器包括目前主要的平板显示器包括: 阴极射线管阴极射线管CRT (Cathode ray tube) 等离子体显示板等离子体显示板PDP (Plasma display panel) 液晶显示器液晶显示器LCD (Liquid crystal displays)属于被动显示也属于被动显示也就是非辐射显示就是非辐射显示 场发射显示器场发射显示器FED (Field emission displays) 有机电致发光显示器有机电致发光显示器OLED (Organic light-emitting diode

2、displays ) 平板显示器的种类平板显示器的种类7.1 发光二极管发光二极管7.1.1 发光二极管的工作原理及结构发光二极管的工作原理及结构 lLED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED工作原理工作原理内容 LED（Light Emitting Diode）就是发光二极管，属于一种固态的半导体器件。它由两个半导体（P型和N型半导体）和中间一个有源层组成。当它两端加上正负电压时

3、，电子开始移动并和空穴（带正电的离子）结合产生辐射光，即直接把电转化为光。LED器件结构器件结构优点优点高光效高节能光源快速响应光源方向性好光色多，运行成本低寿命长，灯具结构合理安全性高环保7.1.2 发光二极管的特性及技术发光二极管的特性及技术LED驱动电源技术驱动电源技术l1. 低电压驱动l2. 过度电压驱动l3. 高电压驱动l4. 市电驱动 无论是哪一种驱动，LE照明主要是有恒压和恒流的区别，目前恒压设计会危害LED的未来发展，恒压方式也是暂时的过渡，很快会被恒流技术取代。LED的配光技术的配光技术lLED的配光技术主要是指LED的光学设计，包括LED的初次光学设计和二次光学设计。l二次

4、光学设计涉及的配光器件分为聚光和反射两类。聚光器件包括：聚光透镜和聚光杯。反射镜继续沿用传统光源灯具的设计。l散热技术一直是LED的主要关注问题之一，光源的工作温度与其工作寿命密切相关。l大功率LED散热封装技术分为：高散热封装结构和覆晶式封装结构。 LED厂商在散热封装上的具体做法包括降低封装的热阻抗、改善晶片外形、采用小型晶粒、改用矽质封装材料与陶瓷材料、改善LED的封装方法等。LED的散热技术的散热技术7.1.3 LED的应用领域的应用领域LED的应用领域的应用领域7.2 液晶显示器（液晶显示器（LCD）什么是液晶？ 液晶态物质既具有液体的流动性和连续性，又保留了晶体的有序排列性， 物理

5、上呈现各向异性。液晶显示器（液晶显示器（LCD）液晶的发展历史液晶的发展历史1850年年 普鲁士医生鲁道夫菲尔绍（Rudolf Virchow）等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。 1877年年 德国物理学家奥拓雷曼（Otto Lehmann）运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象。 1883年年3月月14日日 植物生理学家斐德烈莱尼泽（Friedrich Reinitzer）观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时有两个熔点。 1888年年 莱尼泽反复确定他的发现后，向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程，而从那时开始，雷曼的精力完全集中在该

6、物类物质。 1888年年 出版分子物理学，特别值得一提的是，在书中首次提出了显微镜学研究方法，通过对晶体显微镜和用它所作的观察。 20世纪世纪 化学家伏兰德（D. Vorlander）的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化合物最可能呈现液晶特性，然后合成取得该等化合物质，于是雷曼关于液晶的理论被证明。 1922年年 法国人弗里德（G. Friedel）仔细分析当时已知的液晶，把他们分为三类：向列型（nematic）、层列型（smectic）、胆固醇（cholesteric）。 1930-1960年年 在弗里德之后，液晶研究暂时进入低谷。主要是由于当时没有发现液晶的实际应用。但是，在此期间，半导体

7、电子工业却获得了长足的发展。为使液晶能在显示器中的应用，透明电极的图形化以及液晶与半导体电路一体化的微细加工技术必不可缺。随着半导体工业的进步，这些技术已趋向成熟。 液晶的发展历史液晶的发展历史20世纪60年代，随着半导体集成电路（integrated circuit）技术的发展，电子设备实现了进一步的小型化。上述技术的进步，对于在液晶显示装置（display）中的应用是必不可少的，随着材料科学和材料加工技术的进一步发展，以及新型显示模式和驱动技术的开发，液晶显示技术获得了快速发展。 液晶的发展历史液晶的发展历史20世纪世纪60年代年代 随着半导体集成电路（integrated circuit

8、）技术的发展，电子设备实现了进一步的小型化。 1968年年任职美国RCA公司的G.H.Heilmeier发表采用DS（dynamic scattering，动态散射）模式的液晶显示装置。在此之后，美国企业最早开始了数字式液晶手表实用化的尝试。 1971年年 一家瑞士公司制造出了第一台液晶显示器。液晶的发展历史液晶的发展历史7.2.1 液晶的分类和特性液晶的分类和特性近晶相液晶（近晶相液晶（S型）型）l近晶相液晶由棒状或条状分子组成，分子排列成层状，层近晶相液晶由棒状或条状分子组成，分子排列成层状，层内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面倾斜内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面

9、倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序，层内分子之间作用力大，层间分子作用力小，每层厚序，层内分子之间作用力大，层间分子作用力小，每层厚度约度约23。近晶液晶粘度大，分子不易转动，即响应速。近晶液晶粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。度慢，一般不宜作显示器件。向列相液晶（向列相液晶（N型）型）l向列相液晶由长、径比很大的棒状分子组成，分子质向列相液晶由长、径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，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、

10、前后滑动，只在分子不能排列成层，能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近似平行。分子长轴方向上保持相互平行或近似平行。胆甾相液晶（胆甾相液晶（CH）l这是一种分子成扁平层状排列的液晶材料，层内分子互相这是一种分子成扁平层状排列的液晶材料，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍平行，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结构。有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。l向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中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

11、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。光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。l胆甾相液晶在显示技术中很有用，胆甾相液晶在显示技术中很有用，TNTN、STNSTN、相变、相变(Pc)(Pc)显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。的。胆甾相液晶（胆甾相液晶（CH）扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)l液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲90，夹入两电极基板之间，制成液晶盒，自然光经起偏，夹入两电极基板

12、之间，制成液晶盒，自然光经起偏器变成直线偏振光，入射到液晶盒内，被扭曲器变成直线偏振光，入射到液晶盒内，被扭曲90，并通，并通过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器，透光；当两过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器，透光；当两电极之间加上一定的电压时，液晶分子转动，最终成与基电极之间加上一定的电压时，液晶分子转动，最终成与基板成垂直排列，入射到液晶盒内的偏振光，未被扭曲，不板成垂直排列，入射到液晶盒内的偏振光，未被扭曲，不能通过检偏器，不透光。能通过检偏器，不透光。TN分子排布与通过光示意图分子排布与通过光示意图扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)l由于由于TN利用的是旋光

13、特性，入射线偏振光利用的是旋光特性，入射线偏振光通过液晶层后也必须是线偏振光，因此，通过液晶层后也必须是线偏振光，因此，光程差应满足：光程差应满足： dn/2 l一般一般d=10um n=0.20.4 dn=24um0.380.76um(可见光范围可见光范围)扭曲向列型液晶显示器扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)lTN-LCD是目前最普通的一种液晶显示器，结构简单，工是目前最普通的一种液晶显示器，结构简单，工艺成熟，性能、寿命极其稳定，价格非常便宜。但由于它艺成熟，性能、寿命极其稳定，价格非常便宜。但由于它的不陡的电光特性，在点阵显示方式下交叉效应严重，一的不陡的电光特性，在点阵显示方式下交

14、叉效应严重，一般只实用于静态或四路以下的动态段式显示中，目前最好般只实用于静态或四路以下的动态段式显示中，目前最好的的TN液晶器件也只能实现液晶器件也只能实现816路驱动显示。此外，响应路驱动显示。此外，响应速度慢、视角窄也是它的主要缺点。速度慢、视角窄也是它的主要缺点。l由于以上缺点，由于以上缺点，TN-LCD一般只能用于液晶手表、计算器、一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。电子钟、数字仪表等低档电子产品中。超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STNLCD）l超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大提高了超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大

15、提高了它的多路驱动能力，当扭曲角它的多路驱动能力，当扭曲角270时，曲线的陡度趋时，曲线的陡度趋于无限大，理论上可以驱动无数路，实际上工作于于无限大，理论上可以驱动无数路，实际上工作于1/480占空比下没有问题。占空比下没有问题。STNLCD这种优良的特性大大扩展这种优良的特性大大扩展了液晶显示器件的应用领域，自了液晶显示器件的应用领域，自1984年发明这种显示器件年发明这种显示器件以来，以来，STNLCD在初期的笔记本电脑、文字处理机、复在初期的笔记本电脑、文字处理机、复印机、高档仪表及其他需要汉字、图形显示的领域被广泛印机、高档仪表及其他需要汉字、图形显示的领域被广泛的采用。目前应用领域最

16、大的是手机和的采用。目前应用领域最大的是手机和PDA等通信产品，等通信产品，大部分手机都采用了单色或彩色大部分手机都采用了单色或彩色STNLCD。液晶的光学及电学特性液晶的光学及电学特性l1. 介电系数 ：l2. 折射率系数：l3. 其他特性：液晶除了上述两个主要特性外，还包含弹性常数、黏性系数、磁化率、电导系数等电学特性。7.2.2 TFT液晶显示器的物理结构和工作原理液晶显示器的物理结构和工作原理TFT液晶显示器的物理结构和工作原理液晶显示器的物理结构和工作原理7.2.3 液晶显示器的制造工艺液晶显示器的制造工艺彩色滤光器组件玻璃基板加工工艺彩色滤光器组件玻璃基板加工工艺彩色滤光器组件玻璃

17、基板加工工艺彩色滤光器组件玻璃基板加工工艺模块装配工艺模块装配工艺TAB和和COG连接方式连接方式ACF的连接方式的连接方式7.2.4 液晶的性能及光学特性液晶的性能及光学特性液晶的双折射和光学性质：液晶的双折射和光学性质：液晶的主要特征之一是呈现光学单轴晶体性液晶的主要特征之一是呈现光学单轴晶体性能。在给定一个波法线方向后，可以有两种能。在给定一个波法线方向后，可以有两种折射率不同、振动方向互相垂直的光波，即折射率不同、振动方向互相垂直的光波，即o o光和光和e e 光，他们都是线偏振光。光，他们都是线偏振光。在向列相液晶及近晶相液晶中在向列相液晶及近晶相液晶中 n n0 0= n= n n

18、 ne e= n= n n ne enn0 0 n n = n = ne e- n- no o 00液晶显示器的主要性能电光特性液晶显示器的主要性能电光特性l在在TN液晶显示器中，如果在液晶盒两面放置相互正交的液晶显示器中，如果在液晶盒两面放置相互正交的偏振片，在不加电压时，透光强度最大，随着电压增加，偏振片，在不加电压时，透光强度最大，随着电压增加，透光强度减弱，此特性称为正性电光特性；若两面放置的透光强度减弱，此特性称为正性电光特性；若两面放置的偏振片相互平行时，则电光曲线正好相反，此特性称为负偏振片相互平行时，则电光曲线正好相反，此特性称为负性电光特性。性电光特性。l（1）阈值电压）阈值

19、电压Vth ：透光强度变化：透光强度变化10时的电压，时的电压，TN的的Vth一般为一般为13Vl（2）饱和电压）饱和电压VS ：透光强度变化：透光强度变化90时的电压，饱和电时的电压，饱和电压越低，越易获得好的显示效果，功耗也可以降低压越低，越易获得好的显示效果，功耗也可以降低l（3）对比度：）对比度： Tmax/Tminl TN、STN对比度对比度 5：120：1 l TFT对比度对比度 250：1300：1l（4）陡度）陡度和和l VS/VTHl = VTH/ (VS-VTH)=1/(1-)l VS越接近越接近VTH，电光曲线越陡，电光曲线越陡，趋于趋于1，扫描线数可以越多，扫描线数可以

20、越多，l TN 1.41.6，只能实现，只能实现816路驱动，路驱动，l STN 1.021.2，可以实现，可以实现128240路驱动。路驱动。液晶显示器的主要性能电光特性液晶显示器的主要性能电光特性对比度与视角对比度与视角l如图所示如图所示,液晶液晶的对比度随视的对比度随视角变化很厉害角变化很厉害,当当Cr=2时时,图象图象勉强可辨勉强可辨, Cr=5时时, 图象图象就很清晰了。就很清晰了。7.3 等离子体显示器（等离子体显示器（PDP） 什么是等离子显示器？是利用惰性气体（稀有气体）在一定电压的作用什么是等离子显示器？是利用惰性气体（稀有气体）在一定电压的作用下产生气体放电，形成等离子体，

21、而直接发射可见光。或者发射真空紫外下产生气体放电，形成等离子体，而直接发射可见光。或者发射真空紫外线（线（VUV）进而激发光致发光荧光粉而发射可见光的一种主动发光型平板）进而激发光致发光荧光粉而发射可见光的一种主动发光型平板显示器。显示器。1972年，年，Burroughs公司又研发出公司又研发出具有自扫描功能的具有自扫描功能的DC-PDP板板1995年年NHK与松下公司合作，采与松下公司合作，采用内置电阻结构制作出用内置电阻结构制作出107cm的高的高清清DC-PDP7.3.1 等离子体的发展史（等离子体的发展史（DC-PDP）美国伊利诺斯大学美国伊利诺斯大学Bitzer教授等人研制出了教授

22、等人研制出了AC-PDP等离子体的发展史等离子体的发展史l彩色彩色PDP的研究开始于的研究开始于70年代中期，直到年代中期，直到90年代，才突破年代，才突破了彩色化、亮度和寿命等问题，进入到实用化阶段。其原了彩色化、亮度和寿命等问题，进入到实用化阶段。其原因在于放电产生的离子轰击荧光粉导致其老化速度快，寿因在于放电产生的离子轰击荧光粉导致其老化速度快，寿命短，直到命短，直到90年代末，共有年代末，共有3种主流的种主流的PDP放电方式，对放电方式，对向放电（向放电（ACM）、表面放电型（）、表面放电型（ACC）、脉冲存储式直）、脉冲存储式直流驱动型。流驱动型。等离子体的发展史等离子体的发展史7.

23、3.2 PDP的分类的分类l直流型(DC-PDP)：电极与气体直接接触的。l交流型(AC-PDP)：电极用覆盖介质层与气体相隔离。l对向放电型l表面放电型AC-PDP基本结构基本结构l对向放电型：两组电极分别制作在前后基板上，且彼此正交，每个交叉点形成一个放电单元，维持放电在前后基板间进行。l表面放电型(以三电极表面放电AC-PDP为例)：显示电极（含透明电极和汇流电极）制作在前基板上，寻址电极制作在后基板上并与显示电极正交，一对显示电极与一条寻址电极的交叉区域就是一个放电单元，维持放电在两组显示电极间进行。l介质保护膜：用于延长显示器寿命，增加工作电压稳定性，降低器件的着火电压。AC-PDP

24、基本原理基本原理PDP的子场驱动波形的子场驱动波形AC-PDP单元的放电过程单元的放电过程7.3.3 等离子体显示器的特性及应用等离子体显示器的特性及应用lPDP的特性：的特性：l易于实现薄型大屏幕易于实现薄型大屏幕：前后基板间隙不到：前后基板间隙不到200m，PDP屏自身厚度不到屏自身厚度不到1cm。l具有高速响应特性具有高速响应特性：气体放电的物理过程，：气体放电的物理过程，“开开”、“关关”速度在速度在s量量级，故扫描线数和像素数几乎不受限制，特别适合大屏幕高分辨力和运级，故扫描线数和像素数几乎不受限制，特别适合大屏幕高分辨力和运动图像的显示。动图像的显示。l可实现全彩色显示可实现全彩色

25、显示：VUV激励红、绿、蓝三基色荧光粉发光，并采用时激励红、绿、蓝三基色荧光粉发光，并采用时间调制灰度控制，可获得与间调制灰度控制，可获得与CRT同样宽的色域。同样宽的色域。l视角宽视角宽，可达，可达160：与：与CRT相同的宽视角。相同的宽视角。l伏安特性非线性强，具有很陡的阈值特性伏安特性非线性强，具有很陡的阈值特性：非寻址单元几乎不发光，故：非寻址单元几乎不发光，故对比度高。对比度高。l具有存储功能具有存储功能：可使扫描线数达到：可使扫描线数达到1000线以上也不会引起屏幕亮度显著线以上也不会引起屏幕亮度显著下降。下降。l无图像畸变，不受磁场干扰无图像畸变，不受磁场干扰：精细制作的放电单

26、元在全屏各处一致。：精细制作的放电单元在全屏各处一致。l应用的环境范围宽应用的环境范围宽：结构整体性好，抗震能力强，可在宽温度湿度范围：结构整体性好，抗震能力强，可在宽温度湿度范围内工作，且有电磁干扰、冲击等恶劣条件下均可正常工作。内工作，且有电磁干扰、冲击等恶劣条件下均可正常工作。l工作于全数字化模式工作于全数字化模式：提高了彩色图像的稳定性，利于数字化电视、多：提高了彩色图像的稳定性，利于数字化电视、多媒体终端的要求。媒体终端的要求。l长寿命长寿命。lPDP的应用领域的应用领域l当屏幕壁挂电视、高清晰度电视和多媒体显示器l商业和公共信息显示l军事指挥、工业控制等方面的应用lPDP的发展状况

27、和市场展望l产业发展状况l市场展望lPDP技术的发展趋势7.4 有机电致发光显示器有机电致发光显示器 OLED，即有机发光二极管（，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称），又称为有机电激光显示（为有机电激光显示（Organic Electroluminesence Display, OELD）。）。7.4.1 OLED发展史发展史 荷兰荷兰Philips、美国、美国Uniax、杜邦、杜邦、Sharp、Motorola等也都把等也都把有机电致发光显示器作为下一代实用化平板显示器加以开发有机电致发光显示器作为下一代实用化平板显示器加以开发。OLED发展

28、史发展史l1963年，Pope等人以电解质溶液为电极，在蒽单晶的两侧加400V直流电压时，观察到了蒽的蓝色电致发光。l1969年，Dresner等人在有机EL器件中引入了固体电极l1973年，Vityuk等人以真空沉积的蒽薄膜替代了单晶l1982年，P.S.Vincett等人使用铝和金作为阴极和阳极，0.6的蒽薄膜作为发光层制作了有机EL器件，驱动电压大大降低(30V左右)，但是这时的器件寿命还很短，发光效率很低OLED发展史发展史l1987年，美国Eastman Kodak公司的C.W.Tang等人研制出绿光l1990年，英国剑桥大学J.H.Burroughs等人研制出黄绿光l1993年，N

29、.C.Greenham等人在两层聚合物间插入另一层聚合物实现载流子匹配注入，发光量子效率提高了20倍，这不仅拓宽了对OLED器件机制的理解且预示着OLED开始走向产业化l1995年，日本先锋公司率先报道了单色绿光256x64点阵的OLED显示器，并于1997年成功用于汽车显示面板OLED发展史发展史l1995年，日本先锋公司率先报道了单色绿光256x64点阵的OLED显示器，并于1997年成功用于汽车显示面板l先锋公司于1999年展示了有源矩阵驱动5.2 全彩色1/4VGA AM-OLED，2000年，柯达与其合作伙伴日本三洋公司采用低温多晶硅薄膜驱动有机电致发光显示器，制成了5.5 全彩色V

30、GA AM-OLED，该器件仅有一个硬币厚l2001年，Sony又推出13 全彩色AM-OLED，东芝公司首次采用喷墨印刷技术制作成功2.8全彩色聚合物AM-OLEDOLED发展史发展史7.4.2 有机电致发光显示器的工作原理有机电致发光显示器的工作原理 有机电致发光显示器的发光原理有机电致发光显示器的发光原理7.4.3 有机电致发光显示器材料有机电致发光显示器材料 制备制备OLED的材料种类很多，主要分为阳极材料、阴极材的材料种类很多，主要分为阳极材料、阴极材料、缓冲层材料、载流子传输材料和发光材料等几大类。料、缓冲层材料、载流子传输材料和发光材料等几大类。 应用在有机电致发光器件中的有机染

31、料应满足以下四个条应用在有机电致发光器件中的有机染料应满足以下四个条件：件：(l)具有较高的荧光量子效率；具有较高的荧光量子效率；(2)有红、绿、蓝色的发射有红、绿、蓝色的发射峰且发射峰要尽可能的窄，以便可以获得较好的色纯度；峰且发射峰要尽可能的窄，以便可以获得较好的色纯度；(3)稳定性好，能够进行热蒸发；稳定性好，能够进行热蒸发；(4)染料的吸收光谱与主体材料染料的吸收光谱与主体材料的发射光谱要有很好的重叠性，即主体材料与染料的能量适的发射光谱要有很好的重叠性，即主体材料与染料的能量适配，从主体材料到染料能够有效地进行能量的传递。配，从主体材料到染料能够有效地进行能量的传递。 有机电致发光显

32、示器材料有机电致发光显示器材料7.4.4 OLED性能参数性能参数亮度与亮度与电压关系电压关系发射光谱发射光谱发光亮度发光亮度发光效率发光效率发光色度发光色度寿命寿命电流与电压关系电流与电压关系国际照明委员会标准色度坐标图OLED光学参数光学参数7.4.5 有机电致发光显示器的制备过程有机电致发光显示器的制备过程有机电致发光显示器的制备过程有机电致发光显示器的制备过程7.5 其他显示器其他显示器7.5.1 场发射显示器场发射显示器 固体内的电子由于受到原子核的吸引作用而被束缚在固固体内的电子由于受到原子核的吸引作用而被束缚在固体内部。在经典物理理论中，只有当外电场场强达到体内部。在经典物理理论中，只有当外电场场强达到10的的8次方，才能让电子克服原子核的吸引而发射出固体表面。次方，才能让电子克服原子核的吸引而发射出固体表面。但是，按照量子力学，电子会发生隧穿效应，也就是，电但是，按照量子力学，电子会发生隧穿效应，也就是，电子能够穿过比它的动能更高的势垒。