光电子技术第6章 平板显示器件

1、6.1 6.1 液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD）液晶：液晶：一些有机化合物既具有液态的一些有机化合物既具有液态的流动性，又具有晶体的各向异性。流动性，又具有晶体的各向异性。微小的外部能量微小的外部能量电场、磁场、热能等电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从而引起就能实现各分子状态间的转变，从而引起液晶的光、电、磁的物理性质发生变化。液晶的光、电、磁的物理性质发生变化。液晶分子的形状呈棒状，宽约十分之几纳液晶分子的形状呈棒状，宽约十分之几纳米，长为数纳米。米，长为数纳米。 液晶材料用于显示是利用它在电场作用下，光液晶材料用于显示是利用它在电场作用下，光学性质发生变化从而学性质发生

2、变化从而对外部入射光对外部入射光产生调制。产生调制。 向列相液晶分子是液向列相液晶分子是液晶显示的主要材料晶显示的主要材料。实用中是用实用中是用3030多种单质液晶组成混合液晶。多种单质液晶组成混合液晶。一、线偏振光在向列液晶中的传播一、线偏振光在向列液晶中的传播关于关于液晶介电常数液晶介电常数；定义：；定义： /0 P P型液晶；型液晶； 外电场作用时，分子长轴外电场作用时，分子长轴方向与外电场平行。方向与外电场平行。0 N N型液晶型液晶 ； 外电场作用时，分子长轴外电场作用时，分子长轴方向与外电场垂直。方向与外电场垂直。液晶显示主要使用液晶显示主要使用P P型液晶。型液晶。 P P型液晶

3、是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。型液晶是正单轴晶体，分子长轴方向就是光轴。 oennnnn/线偏振光正入射线偏振光正入射P P型液晶材料，如果其型液晶材料，如果其偏振方向与光轴平行或垂直，则它的偏振方向与光轴平行或垂直，则它的偏振方向和传播方向都不改变。偏振方向和传播方向都不改变。二、扭曲向列型液晶器件（二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCDTN-LCD）液晶盒液晶盒 ：封装液晶的封装液晶的间隙只有几间隙只有几mm。定向层定向层：使使液晶分子液晶分子从上到下扭曲从上到下扭曲9090。TN-LCDTN-LCD的工作原理的工作原理采用光刻技采用光刻技术，制作术，制作ITOITO玻璃上玻璃上的显示

4、电极的显示电极加电压到相应电极上，加电压到相应电极上，可实现所期望的显示。可实现所期望的显示。在下偏振片在下偏振片后再贴一块后再贴一块反光片，就反光片，就成为反射式成为反射式液晶显示器液晶显示器TN-LCDTN-LCD的电光特性的电光特性rmsU：电压有效值：电压有效值 rmsthUU%rmsthUU90T %电光特性与电光特性与显示对比度显示对比度相关。相关。TN-LCDTN-LCD的响应时间的响应时间在在80ms80ms左右。左右。三、超扭曲向列型液晶显示（三、超扭曲向列型液晶显示（STN-LCDSTN-LCD）在液晶显示电极上加信号，是用液晶显示电极上加信号，是用矩阵寻址法，即矩阵寻址法

5、，即X-YX-Y寻址。寻址。TN-LCDTN-LCD的液晶分子的扭的液晶分子的扭曲角为曲角为9090，电光特性，电光特性曲线不够陡峭。在用矩曲线不够陡峭。在用矩阵寻址法驱动时，有明阵寻址法驱动时，有明显的交叉效应。显的交叉效应。 交叉效应随矩阵行、列数交叉效应随矩阵行、列数目的增大而加剧，使图像目的增大而加剧，使图像对比度降低，质量变差。对比度降低，质量变差。 STN-LCDSTN-LCD使液晶分子的扭曲角增加到使液晶分子的扭曲角增加到180180270270，大大提高了电光特性的陡度，大大提高了电光特性的陡度。 STN-LCDSTN-LCD利用了超扭曲和双折射两个效应，利用了超扭曲和双折射两

6、个效应，是基于是基于光学干涉光学干涉的显示器件。的显示器件。 对对STN-LCDSTN-LCD的有色的有色背景进行补偿，背景进行补偿，实现黑白显示实现黑白显示实现黑白显示后，实现黑白显示后，再加彩色滤色器，再加彩色滤色器，就可实现彩色显示就可实现彩色显示STN-LCDSTN-LCD的的电光响应电光响应时间大于时间大于100ms100ms。四、有源矩阵液晶显示器件（四、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCDAM-LCD）在每一个像素上设计一个非线性的有源器件，在每一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，克服交叉效应，使每个像素可以被独立驱动，克服交叉效应，可以提高液晶的分辨率和

7、实现多灰度级显示。可以提高液晶的分辨率和实现多灰度级显示。TFT-LCDTFT-LCD就是目前性能就是目前性能较好的较好的AM-LCDAM-LCD器件。器件。l存储效应，得到对比度存储效应，得到对比度很高的显示质量。很高的显示质量。 l多灰度级显示多灰度级显示l彩色显示彩色显示五、五、LCDLCD的背光源的背光源液晶显示屏、液晶彩电等为了实现高液晶显示屏、液晶彩电等为了实现高对比度的全色显示需要加背光源。对比度的全色显示需要加背光源。背光源主要有：背光源主要有：热阴极荧光灯热阴极荧光灯(HCFL)(HCFL)、冷、冷阴极荧光灯阴极荧光灯(CCFL)(CCFL)、LEDLED、电致发光（、电致发

8、光（ELEL）板等。板等。LCDLCD屏加上控制、驱动电路和背屏加上控制、驱动电路和背光源就组成了实用的光源就组成了实用的LCDLCD模块。模块。背光源应有较高的亮度和发光效率，背光源应有较高的亮度和发光效率，功耗小，寿命长，且背照均匀。功耗小，寿命长，且背照均匀。六、六、LCDLCD的特点和应用的特点和应用器件厚度仅数毫米，非常适于便携式器件厚度仅数毫米，非常适于便携式装置的显示。装置的显示。工作电压仅几伏，用工作电压仅几伏，用CMOSCMOS电路可直接电路可直接驱动。驱动。功耗很低。功耗很低。采用彩色滤色器，易实现彩色显示。采用彩色滤色器，易实现彩色显示。LCDLCD已成为应用最广泛的平板

9、显示器之一。已成为应用最广泛的平板显示器之一。应用于仪器仪表、手机等显示，还有应用于仪器仪表、手机等显示，还有 计算机显示器、液晶彩电、液晶投影机等，计算机显示器、液晶彩电、液晶投影机等， 市场十分广阔。市场十分广阔。液晶投影机光路液晶投影机光路图图6.2 LED6.2 LED、OLEDOLED显示器显示器一、一、LEDLED大屏幕显示大屏幕显示超高亮度红、绿、蓝超高亮度红、绿、蓝LEDLED组成平板组成平板阵列，进行大屏幕显示，已是现阵列，进行大屏幕显示，已是现代化社会的一道风景。代化社会的一道风景。二、有机电致发光器件二、有机电致发光器件OLEDOLED LEDLED是无机电致发光，是无机

10、电致发光，OLEDOLED是有机是有机 荧光材料作为发光物质，结构和发荧光材料作为发光物质，结构和发光机理上类同于无机光机理上类同于无机LEDLED器件。器件。 （Organic light emitting diodeOrganic light emitting diode）ETLETL：电子传输层：电子传输层 EMLEML：发光层：发光层 HTLHTL：空穴传输层：空穴传输层有机有机材料材料OLEDOLED发光有五个步骤：发光有五个步骤：载流子电子和空穴分别从阴极、阳极注入载流子电子和空穴分别从阴极、阳极注入ETLETL、HTLHTL。载流子分别从载流子分别从ETLETL和和HTLHTL向

11、向EMLEML迁移。迁移。载流子在载流子在EMLEML中复合并产生激发子（中复合并产生激发子（ExciplexExciplex）。）。激发子迁移激发子迁移, , 传递能量给发光分子，使其传递能量给发光分子，使其 电子从基态跃迁到激发态。电子从基态跃迁到激发态。激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。激发态电子跃迁回低能态，产生辐射。OLEDOLED是一种高亮度、宽视角、全固化的是一种高亮度、宽视角、全固化的主动发光型显示器件。主动发光型显示器件。主要优点：主要优点： l发光亮度发光亮度可达几百可达几百上万上万cd/mcd/m2 2，电视才，电视才100cd/m100cd/m2 2 。l低电压驱动：低

12、电压驱动：十几十几V V几几V V；功耗低。；功耗低。l有机材料有机材料易得，易得，制备工艺简单，易制成大面积显示制备工艺简单，易制成大面积显示器件，可以做成器件，可以做成能弯曲的柔软显示器。能弯曲的柔软显示器。 l很多有机物都可实现红、绿、蓝，很多有机物都可实现红、绿、蓝，易实现高分辨率易实现高分辨率的彩色显示屏。的彩色显示屏。l超轻、超薄超轻、超薄（厚度可低于（厚度可低于1mm1mm），），响应速度响应速度是液晶是液晶 的的10001000倍，实现精彩的视频播放倍，实现精彩的视频播放大面积大面积“薄膜电视薄膜电视”。OLEDOLED制造成本低，将会逐渐取代制造成本低，将会逐渐取代LCDLC

13、D。OLEDOLED将会成为平板显示的主流技术之一。将会成为平板显示的主流技术之一。弯曲的柔软显示器弯曲的柔软显示器 OLEDOLED彩色显示屏彩色显示屏左边：左边：OLEDOLED显示显示右边：右边：LCDLCD显示显示 6.3 6.3等离子体显示器（等离子体显示器（PDPPDP）（Plasma Display PanelPlasma Display Panel）是利用气体放电而发光的平板显示屏是利用气体放电而发光的平板显示屏气体放电气体放电 等离子体等离子体 激发气体激发气体原子辐射紫外光原子辐射紫外光(UV)(UV) 激发相应激发相应荧光粉，产生红、绿、蓝可见光。荧光粉，产生红、绿、蓝可

14、见光。AC-PDPAC-PDPDC-PDPDC-PDPAC-PDPAC-PDP是是PDPPDP技术的主流技术的主流 一、彩色一、彩色AC-PDPAC-PDP工作原理工作原理双基板型：双基板型：对向放电式对向放电式单基板型：单基板型：表面放电式表面放电式表面放电式的一表面放电式的一种实用结构种实用结构 维持电压维持电压UsUs书写脉冲书写脉冲UwUw AC-PDPAC-PDP的存储特性的存储特性擦除脉冲中和壁电荷擦除脉冲中和壁电荷QwQwAC-PDPAC-PDP的的驱动：驱动：气体放电气体放电 点火电压点火电压U Uf f二、彩色二、彩色AC-PDPAC-PDP的特点和应用的特点和应用PDPPD

15、P的优点：的优点：为自发光型显示为自发光型显示, ,发光效率与亮度高，发光效率与亮度高，图像对比度高，视角大。图像对比度高，视角大。显示质量好，显示质量好，灰阶可超过灰阶可超过256256级，色彩丰富，级，色彩丰富，分辨率高，响应时间仅数分辨率高，响应时间仅数msms。有存储特性，有存储特性，大屏幕显示时能得到较高的大屏幕显示时能得到较高的亮度。亮度。刚性结构，刚性结构，耐震动，机械强度高，寿命长。耐震动，机械强度高，寿命长。制造工艺简单，投资小。制造工艺简单，投资小。PDPPDP的缺点：的缺点：工作电压较高（工作电压较高（8080150V150V），不宜在低气），不宜在低气压环境下工作（防止

16、充填气体膨胀）。压环境下工作（防止充填气体膨胀）。彩色彩色AC-PDPAC-PDP最适宜于大屏幕显示，最适宜于大屏幕显示，可到可到7070以上。以上。是最佳的大屏幕壁挂是最佳的大屏幕壁挂HDTVHDTV显示器。显示器。6.4 DLP6.4 DLP投影显示投影显示DLPDLP（Digital Light ProcessingDigital Light Processing） 实现了最终的显示环节的完全数字化实现了最终的显示环节的完全数字化 数字微反射镜器件数字微反射镜器件DMDDMD是其核心装置。是其核心装置。 （Digital MicromirrorDigital Micromirror De

17、vice Device）一、一、DMDDMD的结构和工作原理的结构和工作原理DMDDMD是带有集成微镜部件的微电子机械是带有集成微镜部件的微电子机械光调制器，光调制器，由百万个方形微镜（如由百万个方形微镜（如161616m16m2 2）组成二维阵列。）组成二维阵列。 DMDDMD芯片芯片每个微镜对应一个像素，每个微镜对应一个像素，图像分辨率可达图像分辨率可达128010241024。微镜反射微镜反射照明光，投射出去，在照明光，投射出去，在屏幕上形成图像。屏幕上形成图像。单个数字微镜部件有三层，单个数字微镜部件有三层，最上层：最上层：铝反射镜片；铝反射镜片；中间层：中间层：带动铝镜的转板和铰带动

18、铝镜的转板和铰链；还有寻址电极，用以实现链；还有寻址电极，用以实现静电驱动；静电驱动；最下面：最下面：固定中间层元件的底固定中间层元件的底板，有寻址电极片和板，有寻址电极片和SRAMSRAM。SRAMSRAM中的图像中的图像R R、G G、B B数据控制微铰链数据控制微铰链的机械动作：的机械动作：1 1为为“开开”，0 0为为“关关”。每个镜片在微铰链控制下偏转，每个镜片在微铰链控制下偏转，“开开”为为+10+10度，度， “ “关关”为为-10-10度。度。一个微镜一个微镜下的下的SRAMSRAM数据就通断一个像素的光。数据就通断一个像素的光。 Mirror +10 Mirror -10 C

19、MOS显示数字灰度等级由脉冲宽度调制显示数字灰度等级由脉冲宽度调制（PWM）技术实现：技术实现：SRAMSRAM数据精确控制镜片倾斜在哪个数据精确控制镜片倾斜在哪个方向上、多长时间。方向上、多长时间。“开开”状态时间长，则像状态时间长，则像素亮度大；时间短，则像素暗。素亮度大；时间短，则像素暗。镜片可以在一镜片可以在一秒内开关秒内开关10001000多次，允许多次，允许10bit10bit灰度等级再现。灰度等级再现。高技术集成的高技术集成的DMDDMD是典型的微光机电系统，是典型的微光机电系统，它用作光显示的基本原理是：它用作光显示的基本原理是：数字图像信数字图像信号控制微镜的号控制微镜的“开

20、开”或或“关关”，调制入射，调制入射光，在屏幕上形成精确的数字影像。光，在屏幕上形成精确的数字影像。二、二、DLPDLP投影机系统投影机系统DMDDMD是一个数字光调制器，是一个数字光调制器，自身不发光。自身不发光。 为了实现彩色显示，为了实现彩色显示，DLPDLP投影机有三片式、投影机有三片式、单片式、两片式等不同档次的产品。单片式、两片式等不同档次的产品。三片式：三片式：即用三个即用三个DMDDMD装置。每个装置。每个DMDDMD分别用分别用R R、G G、B B数据控制。数据控制。 单片式：单片式：即用一个即用一个DMDDMD装置。投影灯光先装置。投影灯光先通过一个通过一个色轮色轮再投射

21、到再投射到DMDDMD上。上。DLPDLP工作工作在顺序颜色模式在顺序颜色模式 ，利用视觉暂留作用。，利用视觉暂留作用。 双片式：双片式：即用两个即用两个DMDDMD装置。装置。性价比性价比较好。较好。 三、三、DLPDLP投影显示的技术优势投影显示的技术优势 完全的数字化显示，完全的数字化显示，这是独有的特色。这是独有的特色。 反射显示，反射显示，光能利用率高。光能利用率高。 优秀的图像质量。优秀的图像质量。DMDDMD填充因子大于填充因子大于90%90%，称为，称为“无缝图像无缝图像”。 DMDDMD可靠性很高，寿命长可靠性很高，寿命长 。DLPDLP投影显示方兴未艾，已成为主流产品。投影

22、显示方兴未艾，已成为主流产品。其核心技术已运用到全光通信其核心技术已运用到全光通信MEMSMEMS交叉交叉连接器中。连接器中。6.5 6.5 硅基液晶显示器（硅基液晶显示器（LCOSLCOS）硅基液晶（硅基液晶（Liquid Crystal on Liquid Crystal on Silicon , LCOSSilicon , LCOS）显示亦称硅上液晶。）显示亦称硅上液晶。 采用采用CMOSCMOS集成电路芯片作为反射式集成电路芯片作为反射式LCDLCD的基片：的基片：控制电路在硅基背面，正面涂控制电路在硅基背面，正面涂有反射层，之上是薄薄一层液晶。有反射层，之上是薄薄一层液晶。 一、硅基液晶面板的构成和工一、硅基液晶面板的构成和工作原理作原理LCOSLCOS面板也是在每一个像面板也是在每一个像素上加（素上加（TFTTFT），电路是），电路是 作在下基板单晶硅背面。作在下基板单晶硅背面。单晶硅的电子迁移率高，单晶硅的电子迁移率高，利于器件的快