光电显示技术第3章-2013

3.1液晶概述3.2液晶显示器件3.3液晶显示器的

技术参数、特点及发展史第3章液晶显示技术3.1.1液晶的晶相3.1.2液晶的物理性质3.1.3液晶的电气光学效应3.1液晶概述1、什么是液晶F.ReinitzerD．Leimann

液晶现象是1888年奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）在研究胆固醇苯甲酸酯时首先观察到的现象。他发现，当该化合物被加热时，在145℃和179℃时有两个敏锐的“熔点”。在145℃时，晶体转变为混浊的各向异性的液体，继续加热至179℃时，体系又进一步转变为透明的各向同性的液体。处于145℃和179℃之间的液体部分，保留了晶体物质分子的有序排列，因此被称为“流动的晶体”、“结晶的液体”。

1889年，随后，德国人Lehmann用偏光显微镜证实了此相态具有光学各向异性，兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性，并将处于这种状态的物质命名为“液晶”（liquidcrystals，LC）。LCD的发展现状

液晶显示的实用化进程1968年，美国RCA公司公布液晶显示应用发明专利。七十年代，日本投入研究，出现液晶显示的手表和计算器。现在韩国、台湾后来居上。

液晶应用的发现

1961年，美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F.Heimeier，他把电子学方面的知识应用于有机化学，取得了惊喜的发现。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视吗!LCD的应用LCD的发展现状2009.06-2010.06全球TFT-LCD产值942亿美元LCD的发展现状全球液晶面板制造商排名中国大陆京东方(BOE)、天马、龙腾光电台湾友达（AUO)、奇美(CMO)韩国三星电子、LG

日本夏普（sharp）2010.05主要制造商产值地域分布韩国台湾日本中国大陆LCD的发展现状

液晶面板生产代线扩张情况LCD的发展现状1.液晶的基本概念

何谓液晶？

物质在自然界中通常以固态、液态和气态形式存在，即常说的三相态。在外界条件发生变化时（如压力或温度发生变化），物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的相变。大多数物质发生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中间没有过渡态生成。固态液态气态1.液晶的基本概念固态相变

温度增加，某些晶态固体不直接变为各向同性的液体，而取中间态。此过程中，晶态固体中分子的位置有序和取向有序是通过一系列的相变过程逐渐失去的。失去取向有序而保留位置有序时，此物质称为塑性晶体。位置有序性失去而取向有序性保留时，此物质称为液晶。有些物质的受热熔融或被溶解后，虽然失去了固态物质的大部分特性，外观呈液态物质的流动性，但仍然保留着结晶态物质分子的有序排列，从而在物理性质上表现为晶体的各向异性，形成一种兼有晶体和液体部分性质的过渡中间相态，这种中间相态被称为液晶态，处于这种状态下的物质称为液晶（liquidcrystals）。液晶态结晶状的固态(CrystallineSolid)

各向同性的液体(IsotropicLiquid)

定义：液晶是指在一定条件下，既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性的物质。问题：怎样让物质出现液晶态？1.液晶的基本概念

研究发现绝大多数液晶分子具有以下两个特点：液晶分子结构呈细长棒状或扁平圆盘状液晶分子是极性的（电荷分布不均匀）

目前发现的具有液晶态的物质都是有机物，这是因为有机物的分子容易满足液晶分子的两个条件。2.液晶的分类1）溶致液晶

有些材料在溶剂中达到一定的浓度区间便会产生液晶，这类液晶叫溶致液晶。它是由双极性（双亲）化合物和某些溶剂（例如水）的作用而形成的，它们存在于某一定的区间内并随浓度的变化而变化。肥皂水2.液晶的分类1)Thermotropic(热致液晶)2)Lyotropic(溶致液晶)以产生相变之原因来区分2）热致液晶只在某一温度范围内存在的液晶相。互变液晶：

T1为熔点T2为清亮点单变液晶：液晶态只在低于熔点的温度下稳定存在，并且只能随着温度的降低才能得到液晶态。目前显示技术上所采用的液晶材料均是热致互变液晶。2.液晶的分类晶体液晶相各向同性的液体T1T2晶体液晶相各向同性的液体T1T2a)棒状

b)圆盘状

1.Nematic(向列相)3.Cholesteric(胆甾相)2.Smectic(近晶相)Thermotropic(热致液晶)分子形狀排列方式（1）向列相液晶（显示器件使用最多），又称丝状液晶

：表示液晶分子的平均排列方向分子的长程指向有序，分子之间趋于彼此互相平行排列液晶分子具有流动性，即分子重心是无序的指向矢2.液晶的分类（2）近晶相液晶液晶分子分层排布，同一层内的分子互相平行；分子长轴垂直于平面，或与平面倾斜排列。隧道显微镜下的近晶相层状液晶2.液晶的分类vvv（2）近晶相液晶近晶C近晶B近晶A

分子与层面垂直，层内质心无序分子与层面有一夹角，层内质心无序分子质心排列成面心六角形vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv2.液晶的分类

Solid

LiquidCrystallineIsotropic

TmTNITemp.

LCmesophases

SmecticCSmecticANematic2.液晶的分类（2）近晶相液晶2.液晶的分类（3）胆甾相液晶（亦称螺旋相）Cholesteric相液晶的分子排列。Lnnnnxyzqo>0表液晶分子为右旋排列，qo<0表液晶分子为左旋排列。螺距(Pitch)=2Lnx=cos(qoz+φ)ny=sin(qoz+φ)nz=0液晶分子分层排列，同一平面内分子互相平行，分子长轴平行于层平面；分子的指向矢在空间成连续的螺旋变化;螺距约3000Å，与可见光波长同数量级。向列型----流动性最好，熔融体或者溶液黏度最小，一维有序。近晶型----最接近晶体的特性、黏度存在各向异性，二维有序。胆甾型----具有很高的旋光性，可以使白色光发生色散，有彩虹般的颜色。2.液晶的分类向列相与胆甾相液晶可以互相转换

在向列液晶中加入旋光物质，会形成胆甾相；在胆甾相液晶中加入消旋向列液晶，能将胆甾相转换为向列相。由若干分子为一组的单元所构成的体心立方结构。近晶D相

柱状相液晶有序参量xyz

液晶分子排列有序度：S温度上升，S减小晶体：θ=0，S=1液体：S=0液晶：S=0~1，0.3~0.8液体S=0晶体S=1液晶S=0.3-0.8光的电磁波理论§1.光的偏振（1）光的电磁波理论

光是电磁波，把电磁波按波长或频率的次序排列成谱，称为电磁波谱。可见光是一种波长很短的电磁波，其波长范围为400nm~760nm频率范围为7.51014Hz~3.91014Hz，它是能引起视觉的电磁波。红

760nm~630nm橙630nm~590nm黄590nm~570nm绿570nm~500nm青500nm~460nm蓝460nm~430nm紫430nm~400nm在真空中，光传播的速度为：在介质中，光传播的速度为：折射率：nv§1.光的偏振（1）光的电磁波理论平面简谐电磁波a、电磁波是横波，电矢量与磁矢量均垂直于波的传播方向.b、E和B相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、B、v三者满足右螺旋关系.c、E、B各在各自的振动面内振动，这种性质称为偏振.§1.光的偏振（1）光的电磁波理论

（2）何谓偏振光波是电磁波，具有横波性。由于光波对物质的作用主要是电矢量，因此光学中把电矢量E称为光矢量，E矢量的振动方向就是光矢量振动方向。

E矢量可以有各种不同的振动方向。通常把光矢量保持在特定振动方向上的状态称为偏振态。把光矢量大小和方向呈规则变化的光称为偏振光。线(平面)偏振光偏振光自然光部分偏振光椭圆偏振光圆偏振光光§1.光的偏振

自然光

自然光：一般光源发出的光，自然光的光矢量在所有可能的方向上，且振幅E相等没有优势方向自然光的分解一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。符号表示§1.光的偏振

线偏振光光在传播过程中电矢量的振动只限于某一确定振动平面---平面偏振光，又称线偏振光。光矢量振动方向不变，大小随相位变化。符号表示§1.光的偏振

圆偏振光光矢量大小不变，方向旋转，其端点轨迹为截面是圆§1.光的偏振

椭圆偏振光光矢量旋转，其端点轨迹为截面是椭圆§1.光的偏振

某一方向的光振动比与之其它方向上的光振动占优势的光为部分偏振光，是介于自然光与线偏振光之间。

部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光.其中Imax某一方向所具有的能量最大值，Imin为其垂直方向上具有的能量最小值。自然光的P=0；线偏振光的P=1。符号表示§1.光的偏振

如何获得线偏振光

二向色性:

某些物质只让某一方向的光振动通过,这种性质称二向色性.

偏振片：涂有二向色性材料的透明薄片.起偏器：使自然光（或非偏振光）变成线偏振光。检偏器：检查入射光的偏振性。检偏器起偏器§1.光的偏振P

马吕斯定律PE0E0cos通光方向光振动方向马吕斯定律（1809）II0§1.光的偏振§2.晶体的双折射现象（1）双折射的寻常光和非寻常光恒量玻璃折射定律

由于晶体无限重复性的限制，使其结构上不可能是任意的，而只具有一定类型，即七大晶系。xayzbc立方

a=b=c===o

四方(正方)a=bc===o晶系名称结构图形结构特点介电常数矩阵晶体除立方晶系完全各向同性

其它晶体均为各向异性由于对称,矩阵必为对称阵，即有六个独立参数通过对角化对于双轴晶体：

ε1≠ε2≠

ε3对于单轴晶体：

ε1=ε2

≠

ε3对于立方晶体，及各向同性：

ε1=ε2=ε3单轴晶体沿z方向传播，E矢量在xy平面:ExEy沿x方向传播，E矢量在yz平面:EyEz沿y方向传播，E矢量在xz平面:ExEz

由于折射率不同，故产生双折射。

当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。光轴是一特殊的方向，凡平行于此方向的直线均为光轴。沿光轴方向入射的光束，通过晶体不分为两束光，仍沿入射方向行进。沿光轴以外方向入射的光束，会分为两束光。只有一个光轴的晶体，称为单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等。大部分液晶材料具有单轴晶体的光学特性（2）晶体的主折射率正晶体负晶体

在双折射晶体中，o光沿各向传播的速度相同，故o光波面为球面，振动方向始终垂直其主平面。o光只有一个光速vo一个折射率no························vot§2.晶体的双折射现象e光沿各向的传播速度不同，e波面为椭球面，振动方向始终在其主平面内。n0，ne称为晶体的主折射率vetvot§2.晶体的双折射现象（2）晶体的主折射率正晶体负晶体

正晶体:

ne>no(e<o)如石英、冰等。负晶体:

ne<no(e>o)如方解石、红宝石等。正晶体

（e<o）O波面负晶体(e>o)e波面两束光只有在沿光轴方向上传播时，它们的速率才是相等的，在垂直于光轴方向上两束光的速率相差最大。（2）晶体的主折射率正晶体负晶体§2.晶体的双折射现象(3)液晶的介电各向异性为平行于指向矢的介电常数为垂直于指向矢的介电常数为液晶的介电各向异性大小

液晶分子是极性分子，在电场作用下相当于一个电偶极子。液晶分子电偶极距的方向与该方向上的介电常数紧密相关。(4)液晶的折射率各向异性表示寻常光的折射率表示非寻常光的折射率表示折射率各向异性大小在胆甾相液晶的情况下，与取向n垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率no，ne可由下式给出：胆甾相液晶称为光学负液晶。对于通常光和异常光，其折射率大小的空间分布如图所示。螺旋轴ne=n┴光轴胆甾相液晶(光学负液晶)

液晶受扰动时，分子取向有恢复平行排列的能力，称为曲率弹性。向列相和胆甾相的分子取向改变有3种形式：展曲、扭曲、弯曲。近晶相发生形变时，层厚保持不变，只有展曲和层面位移引起的混合弹性。

§3液晶的物理性质（1）分子取向改变

液晶发生展曲或弯曲时，会产生极化甚至产生空间电荷（由于形变使分子电偶极矩不再相互抵消），这种现象称为挠曲电效应（Flexoelectriceffect）。形变使液晶产生极化电四极矩引起挠曲电效应

液晶既是抗磁体又是介电材料，介电各向异性与材料、频率有关。外电场或磁场会改变其取向。把胆甾相液晶放在与螺距相垂直的外磁场中，磁场足够大时可使胆甾相变为向列相。抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消，合磁矩为零。（2）液晶的电气光学效应通过施加电场可改变液晶分子的排列状态，其光学性质也随之变化。称为液晶的电气光学效应（Electro-OpticEffect）。电控双折射效应动态散射旋光效应宾主效应1、电控双折射效应：对液晶施加电场，改变其分子排列方向，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射现象。

当外电场改变时，液晶光轴的倾斜随之变化，使两双折射光束间的相位差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。这是液晶灵活多变的电旋光性。（2）液晶的电气光学效应2、动态散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液晶将产生不稳定性，会出现一排排彼此间隔数10µm的均匀的平行黑条纹，可用作光栅。进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复了透明状态，这就是液晶的动态散射。（2）液晶的电气光学效应第一代显示器：动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件（1968年～1972年）在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰动，并对光产生强烈的散射。DS（动态散射）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。

3、旋光效应：把充满向列相液晶的液晶盒的两玻璃片绕垂直轴扭转900，向列型液晶的内部就发生了扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前、后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，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90°。（2）液晶的电气光学效应（2）液晶的电气光学效应4、宾主效应:将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢量方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子都平行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，液晶重新排布，折射率改变，使得原来的吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为“宾”，液晶则为“主”，因此得名“宾主（guest-host，G-H）”效应。（2）液晶的电气光学效应

液晶柔软的分子排列是其用于显示器件的基础。柔软的初始分子排列，使其在电压或热的作用下发生独特排列的变化。其双折射性、旋旋光性、光散射性等光学性质的变化变为视觉变化，实现图像和数字的显示。

液晶显示是利用液晶对光的作用的变化进行显示，属于非主动发光型显示。4、液晶的用途3.2.1液晶显示器件的构造3.2.2液晶显示器件的显像原理3.2.3液晶显示器件的分类3.2.4液晶显示器件的驱动3.2液晶显示器件3.2.1液晶显示器件的构造3.2.1液晶显示器件的构造背光模组：提供光源上下偏光片，TFTGlassSubstrate,液晶：形成偏振光，控制光线的通过与否彩色滤光片：提供TFTLCDR/G/B(三原色）的来源ITO透明导电层：提供透明的导电通路PhotoSpacer：提供一个固定高度给彩色滤光片和TFTGlassSubstrate，作为灌入液晶的空间，以及做为上下两层Glass的支撑LCD：非发光型、视感舒适，可做成平板型。LCD的驱动特点：1、必须用交流驱动、同时应减小直流成分。

2、频率低于数千赫兹时，LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关。3、液晶单元是容性负载，无极性。3.2.2液晶显示器件的显像原理1、单色液晶显示器的原理LCD是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成90°）。而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

以TFT-LCD为例说明液晶显示的原理TFT-LCD使用的液晶为TN（TwistNematic）型液晶，分子成椭圆状。TN型液晶一般是顺着长轴方向串接，长轴间彼此平行方式排列；当接触到槽状表面时，液晶分子就会顺着槽的方向排列于槽中

当液晶被包含在两个槽状表面中间，且槽的方向相互垂直，则液晶分子的排列为：a）上表面分子：沿着a方向；b)下表面分子：沿着b方向；c）介于上下表面中间的分子：产生旋转的效应。因此液晶分子在两槽状表面间产生90°的旋转

当线性偏振光射入上层槽状表面时，此光线随着液晶分子的旋转也产生旋转。当线性偏振光射出下层槽状表面时，此光线已经产生了90度的旋转。偏振光透过液晶分子，偏振方向发生旋转，光线可通过偏光片成像原理成像原理当液晶分子呈如图方向排列时，光线偏振方向将不再发生旋转，最终无法通过偏光片

液晶本身不发光，故在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜。背光板提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。

在玻璃板与液晶材料之间有透明电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子排布就会产生变化。2、彩色LCD显示器工作原理

在彩色LCD面板中，每一个像素都由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色和蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。LCDCRT价格高、视角小、彩色显示不理想体积庞大、耗电多、闪烁只有一种分辨率（满屏时）分辨率可选择、可调整每个液晶单元单独开关，图像清晰3枪电子流须精确聚集，否则图像不清晰无闪烁，屏幕易出现瑕疵

易感觉图像闪烁

背光源（难看的条纹等）早期LCD是非主动发光，速度低、效率差、对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影响视频的显示效果。因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑、呼机或单色屏手机中。现在，所有笔记本或桌面系统用的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格，加有背光源，眼睛观看透射光，TFT-LCD技术能够显示更加清晰、明亮的图像。3、液晶显示器件的显示方式液晶显示器的显示方式分为三种：一种是LCD面本身为显示面的直观式；另一种则是将LCD面的图像放大投影到投影屏以供观看的投影式；第三种为通过光学透镜将放大的虚像投射到视网膜上的方式。⑴直观式显示方式：这是直接观看显示面的方式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。

透射型是把来自背面背光源的光以显示信息的方式在LCD面板进行时空调制。反射型没有背光源，而是利用周围光进行显示，故不能在黑暗场所使用。透射反射兼用型把反射板做成开有网点状细孔的半透射性板。当周围光暗时，起背光源的扩散板作用；而亮时则起漫反射板的作用。3、液晶显示器件的显示方式

⑵投影式显示方式：投影式是将LCD上写入的光学图像放大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶光阀（LV）。图像的放大率和亮度可以通过加大投影用光源的光强来提高。3、液晶显示器件的显示方式

将光信息写入LCD的激励方式有：光写入方式、热（激光）写入方式和电写入（矩阵驱动）方式。其中，利用热写入方式还要并用电场效应。3、液晶显示器件的显示方式①光写入方式：如图3.9，液晶和光导电体双层结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。将高分辨率小型CRT的电子束轰击荧屏产生的光点在光导电层做出潜像，对液晶施加的电压进行空间调制，在液晶层形成图像。用投影的强光照射液晶层，带图像信息的反射光投射到屏上，200~450英寸。3、液晶显示器件的显示方式图3.9光写入方式液晶光阀的结构3、液晶显示器件的显示方式②热（激光）写入方式：由相变实现显示，利用的是光学变化。将有向列、胆甾混合液晶（或层列液晶）加热到相变温度以上，然后急剧冷却，则该部分由透明变成排列紊乱的不透明组织。利用红外激光束的偏转，在LCD面板上进行扫描，就可在LCD上写入高分辨率的图像。

写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大投影，这种方式一般都有存储功能。写入所用的是≤500mW的半导体激光器，擦除是通过对液晶层施加高电场（数十千伏/厘米）。

在投影式显示方式中提到的光写入方式、热（激光）写入方式就是光束扫描驱动方式。这种工作方式的特点：在面板上并没有被分割的像素电极，光束点相当于一个像素，通过光束扫描以形成像素。光束扫描驱动3、液晶显示器件的显示方式③电写入（矩阵驱动）方式：有简单矩阵型和有源矩阵型两种。简单矩阵型有超扭曲向列模式、胆甾类液晶的相变模式等。有源矩阵型：非晶硅薄膜晶体管（a-SiTFT）驱动LCD、多晶硅薄膜晶体管（P-SiTFT）驱动LCD、单晶硅MOS晶体管（LCOS）驱动LCD。3、液晶显示器件的显示方式

TFT-LCD型：娱乐电视显示、办公自动化或会议室的计算机图像显示都使用性能优异的TFT-LCD有源矩阵型投影显示。但直观式LCD很难做到40英寸以上。40英寸以上最好使用投影显示方式。投影显示装置与金属卤灯等光源亮度有关，当投影屏达200英寸左右，重要的是显示的高亮度和低功耗。

利用TFT-LCD的彩色投影显示有以下几种方式：使用一个彩色LCD的单板式；

缺点：透光弱将3个黑白型LCD和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学系统组合起来的三板式等。图3.10TFT-LCD投影装置的结构合色棱镜

投影方式有前投式和背投式。所谓前投，简单地说，就是投影机的安装位置与观众在屏幕的同侧。所谓背投，就是投影机的安装位置与观众分别位于屏幕的二侧，投影机发出的光线从屏幕的一侧直射到屏幕，光线透过屏幕进入观众眼睛。前投屏幕可做成任意尺寸，但需要控制环境光才能得到很好的观看效果。非常适用于具有很多观众的暗室环境。背投屏幕在尺寸不如前投，但不需要控制环境光。比较适用于观众不多，环境光线和照明很好的环境。

为了在某视角范围内提高显示图像的亮度，一般对投影屏进行精加工，以获得2～3倍的增益。视角虽变窄，但亮度得到了提高。背投式在屏前侧表面做了减轻外部光反射的处理，即使在比较亮的场所使用也有好的对比度。3.2.3液晶显示器的分类

根据液晶驱动方式，目前LCD产品分为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶体管（TFT）型3大类。

1、扭曲向列型（TN）

从产品数量看，近10亿台LCD产品中，TN型产品占7成左右，STN型占2.5成，TFT型仅占0.5成；若从产值来看，因TFT产品价格高，产值占LCD七成左右。1971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。TN-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。第2代：扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）

（1971年～1984年）用TN-LCD制作的常用液晶显示器件将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3-SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约为数微米。玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90°扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。1、扭曲向列型这种黑色的显示称正显示。同样如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。扭曲效应的阈值电压为式中，为弯曲弹性常数；为扭曲弹性常数；为展面弹性常为；为上下玻璃基板平行处理后的扭曲角。由式可知越大，越小，有几种很大的液晶，可使下降到1.0V左右。TN型液晶显示器件缺点：电光响应前沿不够陡峭，反应速度慢，容易形成残影阈值效应不明显,大量显示和视频显示受到了限制。图

TN-LCD响应速度2、超扭曲向列型（STN型）80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180°~270°时，就可大大提高电光特性的响应速度。第3代：超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（1985～1990年）STN显示组件的基本工作原理和TN型大致相同，不同的是液晶分子的配向处理和扭曲角度。STN显示组件必须预做配向处理，使液晶分子与基板表面的初期倾斜角增加，此外，STN显示组件所使用的液晶中加入微量胆石醇液晶使向列型液晶可以旋转角度为80°～270°，为TN的2～3倍，故称为STN型。

区分项目TNSTN扭曲角90°180°～270°倾斜角1°～2°4°～7°厚度5～10μm3～8μm间隙误差±0.5μm±0.1μm表3.2TN与STN型组件的比较图3.11STN与TN型液晶分子的扭曲状态

1985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用了五年时间。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。1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的83%。3、薄膜晶体管型

薄膜晶体管（TFT）型液晶显示器采用了两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了场效应晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式。第4代：薄膜晶体管型液晶显示器件（TFT-LCD）（1990年至今）3、薄膜晶体管型FET（单极型晶体管）电极导通时，像TN液晶一样通过遮光和透光达到显示目的。但由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。表3.33种主要类型LCD产品的比较项目TNSTNTFT驱动方式单纯矩阵驱动单纯矩阵驱动主动矩阵驱动视角（观赏角度）小（视角+30°/观赏角度60°）中等（视角+40°）大（视角+70°）画面对比最小（画面对比在20:1）中等最大（画面对比在150︰1）反应速度最慢（无法显示动画）中等（150ms）最快（40ms）显示品质最差（无法显示较多像素，分辨率较差）中等最佳颜色单色或黑色单色及彩色彩色价格最便宜中等最贵（约STN3倍）适合产品电子表、电子计算机、各种汽车、电器产品的数字显示器移动电话、PDA、电子辞典、掌上型电脑、低档显示器笔记本/掌上型电脑、PC显示器、背投电视、汽车导航系统3.2.4液晶显示器件的驱动LCD驱动方式有静态、动态（多路或简单矩阵）、有源矩阵方式及光束扫描四种。驱动方式包括刷新方式和存储方式。前者是用小于人眼暂留像时间的帧周期转换图像信息，进行显示；而后者则利用LCD所具有的存储作用，以一次性的帧扫描，即可进行静态图像显示。

所谓静态驱动，是指所显示的像素电极和共用电极上，同时连续地施加驱动电压，直到显示时间结束。由于在显示时间内驱动电压一直保持，故称做静态驱动。

1、静态驱动静态驱动优点：响应速度快、耗电少、驱动电压低；缺点：驱动电极必须与显示笔段数相同。

图2中笔段波形不是与公用波形同相就是反相。同相时液晶上无电场，LCD处于非选通状态。反相时，液晶上施加了一矩形波。当矩形波的电压比液晶阈值高很多时，LCD处于选通状态。图1驱动电路图2驱动波形图1是一个异或门电路，笔段波形是由振荡电路产生的方波脉冲，且直接与液晶显示屏的COM端连接。公共端接入高低（ON/OFF）电平控制电极的亮与灭。异或门的输出端接液晶显示屏的笔段端前电极（a,b,c,d,e,f或g端）图3七段液晶显示屏的电极配置和静态驱动电路图4七段液晶显示屏图3中七段共用一个背电极COM，前电极a,b,c,d,e,f,g互相独立，每段各加一个异或门进行驱动。笔段式静态驱动的优点：（1）各电极的驱动相互独立，互不影响；（2）在显示期间，驱动电压一直保持，使液晶充分驱动。因而，具有对比度好、亮度高、响应快等优点。静态驱动的缺点：每个笔段形电极需要一个控制元件，当显示数字的位数很多是，相应的驱动元件数和引线端子数就会太多，所以，只适合位数很少的笔段电极显示

将m×n个像素以m+n个电路实施驱动。因为在一个电极上有多个像素相连接，所以施加电压就成为时间分割脉冲，即各像素承受一定周期的间歇式电压激励。一般以30Hz以上的帧频对行电极进行逐行扫描（一次一行），对列电极同步施加亮和不亮的信号。将这种驱动方式叫做多路（时间分割）驱动，也叫做无源矩阵驱动。2、简单矩阵驱动(多路驱动、无源矩阵驱动)图5简单矩阵驱动图3.13无源矩阵的交叉效应当一个像素上施加电压时，附近未被选中的像素上也会有一定的电压。当所施加的电压大于阈值电压较多，而液晶显示器的电光曲线又不能够陡峭时，附近未被选中的像素也会部分呈显示状态，这就是液晶显示器在无源多路驱动时固有的交叉效应。产生交叉效应的主要原因：液晶具有双向导通特性和液晶器件的电光曲线陡度不够。交叉效应会严重的降低图像质量，主要是对比度降低。2、从外部施加的驱动电压方面来考虑--平均电压法原理：把半选择点上的电压和非选择点上的电压平均化。由于半选择点电压与非选择点电压相差较大，如果在非选择列上施加适当的电压（以前的电路中非选择点上不加电压），达到提高非选择点的电压，降低半选择点电压，则结果是拉开了选择点与半选择点间的电压差，而同时又缩小了半选择点与非选择点间的电压差，无疑最佳效果应是半选择点电压与非选择点电压相同，这就是在多路驱动技术中普遍采用的平均电压法的实质。

有源矩阵驱动也叫做开关矩阵驱动。这是一种在显示面板的各像素设置开关组件和信号存储电容，以实现驱动的方式，其目的是提高显示性能。这种方式能够获得优异的显示性能，因而，作为直观式或投影式，广泛用于个人计算机等OA设备及电视等视频机。3、有源矩阵驱动液晶面板工作原理图3.14TFTLCD的等效电路与工作

图3.14表示了以TFT为开关组件时的工作原理。利用一次一行方式依次扫描栅极，将一个栅极线上所有TFT一下子处于导通状态，从取样保持电路，通过漏极总线将信号提供给各信号存储电容。各像素的液晶被存储的信号激励至下一个帧扫描时为止。场效应管（FieldEffectTransistor简称FET）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。绝缘栅型场效应三极管IGFET之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET，简称MOS管。MOS管性能更为优越，发展迅速，应用广泛。电极D（Drain）称为漏极，相当双极型三极管的集电极；电极G（Gate）称为栅极，相当于双极型三极管的基极；电极S（Source）称为源极，相当于双极型三极管的发射极。场效应管FETTFT-LCD阵列工艺流程a-SiTFT阵列是精密加工技术成形的，即利用甲硅烷的辉光放电分解法在玻璃基板上形成a-Si半导体有源层。TFT-LCD阵列基板由于TFT管在光照射下及导电特性发生变化，因此一般用不透光层保护。透光部分为透明导电ITO膜部分。ITO面积占一个像素中总面积的比例，称为液晶显示器件的开口率。TFT-LCD成盒工艺流程TFT基板制作完成后，进行取向薄膜的涂敷和摩擦处理，再进行封装和灌注液晶。TFT-LCD模块工艺流程TFT-LCD彩膜基板彩膜结构图RRGBRGBRGBRGBRGBRGBStripe排列RGBRGBRGBRGBRGBRGBMosaic排列RGBRGDelta排列BGBRRGBRGBRGBRRGBRG彩膜RGB排列TFT-LCD液晶显示器颜色显示TFT-LCD液晶显示器颜色显示从原理上没有像简单矩阵那样的扫描电极数的限制，可以实现多像素化。由于液晶激励时间可以很长，亮度高，响应时间也很快。在透明玻璃基板上利用溅射、化学气相沉积成膜，可以实现大型化和彩色化。可以同时在显示区域外部形成驱动电路，有利于实现高可靠性和低成本。TFT-LCD有以下特点：3.3.1液晶显示器件的技术参数3.3.2液晶显示器件的特点3.3.3液晶显示技术的发展史3.3液晶显示器的

技术参数、特点及发展史3.3.1液晶显示器的技术参数

1、可视面积

可视面积尺寸就是实际可以使用的屏幕对角线尺寸。一个15.1英寸的液晶显示器约等于17英寸CRT屏幕的可视范围。3.3.1液晶显示器的技术参数2、点距点距是指在水平方向或垂直方向上的有效观察尺寸与相应方向上的像素之比，点距越小显示效果就越好。现在市售产品的点距一般有点28、26、25三种。14吋LCD：可视面积285.7×214.3mm2、最大分辨率为1024×768、点距等于可视宽度/水平像素＝285.7mm/1024=0.279mm。

3、可视角度液晶显示器的可视角度左右对称，以显示器的垂直法线（即显示器正中间的垂直假想线）为准，在垂直法线左方或右方一定角度的位置上仍然能够正常的看见显示图像，这个角度范围就是液晶显示器的水平可视角度。LCD的最大亮度由冷阴极射线管（背光源）决定，亮度值在200～250cd/m2（nit尼特）之间。若LCD的亮度略低，会觉得发暗，而稍亮一些，就会好很多。虽然技术上可以达到更高亮度，但是这并不代表亮度值越高越好，因为太高亮度的显示器有可能使观看者眼睛受伤。4、亮度

响应时间是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或亮转暗的速度，此值越小越好。如果响应时间太长，就有可能使液晶显示器在显示动态图像时有尾影拖曳的感觉。这是液晶显示器的弱项之一，但随着技术的发展而有所改善。一般将反应速率分为两个部分，即上升沿时间和下降沿时间，表示时以两者之和为准，一般以20ms左右为佳。5、响应时间5、响应时间

色彩度是LCD的重要指标。LCD面板有1024×768个像素点，每像素色彩由（R、G、B）3基色控制。每个基色（R、G、B）达到6位，即64种表现度，每个独立像素有643=262144种色彩。也有使用FRC技术以仿真方式表现出全彩画面，即每个基色（R、G、B）能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达2563=16777216种色彩。6、色彩度7、对比度最大亮度值（全白）与最小亮度值（全黑）的比值。CRT显示器的对比度高达500︰1。但LCD对比值约为250︰1。8、分辨率

TFT-LCD分辨率通常用一个乘积来表示，例如800×600、1024×768等，像素越高，图像越细腻、越精美。9、外观

LCD显示板的厚度在6.5～8cm之间。3.3.2液晶显示器的特点1、低压微功耗

2、平板型结构

3、被动显示型

4、显示信息量大

5、易于彩色化

6、电磁辐射弱

7、寿命长3.3.3液晶显示技术的发展史1、动态散射模式

LCD问世后，Heilmeier等人对APAPA液晶进行研究，并公布了有关液晶最初的电气光学效应中动态散射模式（DynamicScatteringMode，DSM）的内容。在提出动态散射模式的同时，也给出了文字显示的实例——液晶钟表、计算器等。2、宾主模式

液晶显示也经历了从黑白显示到彩色。1974年有人发表了关于相变型G-H模式的研究报告，这是一种不需要偏振片的显示方式。从1975年左右开始，曾进行过以数字的显示或车载使用为目的开发。但因是单色显示而使其应用受限，所以当彩色滤光片方式出现时，这种研究就被放弃了。3、扭曲向列模式

瑞士的Schadt等人于1971年首次公开了现在最为普遍的工作模式——扭曲向列模式。几乎与此同时开发的TN模式液晶显示器件，则是采用低电压、低功耗的CMOS集成电路作驱动器，首先应用在钟表、计算器和其它分段型数字显示器上。4、超扭曲向列模式1984年瑞士的Scheffer发表了有关扭曲角为270°的超双折射效应（SupertwistedBirefringentEffect，SBE）的研究成果。超扭曲向列模式，从广义上说也包含SBE模式，1985年日本将其实现了产品化，采用了多扫描线选址（MultiLineAddressing，MLA）驱动方式。5、双折射控制模式

双折射控制（ElectricallyControlledBirefringence，ECB）模式是指通过电场改变液晶的分子排列，以改变透射率的方式。除了有垂直取向（DeformationofVerticalAlignedPhases，DAP）的LCD，还有其它取向方式。其特点是可以将显示容量变大，但因其视角小，一般用于投影式。此后推出了简单矩阵型彩色LCD。5、双折射控制模式

还有一种叫做“π”盒的方式，也属于双折射控制模式。因其响应性好，应用于黑白阴极射线管的彩色显示和立体显示。通过赋予其灰度特性，并通过光学补偿改进视角特性，将其发展成为光学自补偿弯曲（OpticallyCompensatedBend，OCB）模式，并探索应用于TFT-LCD中。6、高分子分散液晶

它是利用液晶与高分子聚合物的光散射现象的液晶。它是应需要提高亮度的反射型要求而开发的，不需要偏振片。7、存储功能突出的相变模式

具有存储功能的相变（PC）模式液晶比较适用于功耗低、电池驱动的便携式终端。美国肯特州州立大学开发了有存储功能、比较亮、简单矩阵驱动的反射型高分子稳定胆甾LCD。8、高速响应的铁电液晶1980年Clark等人发表论文指出，表面稳定铁电液晶在电场与自发极化的作用下产生液晶响应，其响应速度在几十微秒以内。这引起了人们的关注。反铁电相液晶具有自己修复取向破损的功能，人们也一直关注其在TFT-LCD上的应用。9、液晶技术的新进展

（1）采用TFT型主动矩阵进行驱动采用在每个液晶像素上加装主动矩阵进行点对点控制方式，保证优质画面。

在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种类型的LCD，无论在分辨率、色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑斓的画面。9、液晶技术的新进展

（2）利用色滤光镜制作工艺，创造色彩斑斓的画面

采用此技术制造的低温多晶硅薄膜晶体管（LTP-SiTFT）液晶显示方式，比老式LCD屏像素反应速度快600倍，减少画面出现的延迟现象。（3）低反射液晶显示技术

在显示屏最外层采用防反射技术，液晶显示屏所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏的分辨率、防止反射等这四个方面都达到了更好的改善。

（4）“连续料界结晶硅”液晶显示技术

分平面控制模式（IPS）宽视角技术

ASV广视角技术。（5）超宽视角技术在视角的提升上可达到178度

在屏幕表面加上数层光学薄膜（含特殊化学物质）来处理外部光线。

折射成不同的比例，使反射光线改变方向并互相抵消；

最大限度地吸收外来光线。把屏幕产生的反光度和反光面积降低至最低程度，LCD即使在户外恶劣的光线环境下，依然能显示出亮丽细致的画质效果。（6）超黑晶技术

防眩光低反射技术原理与超黑晶技术原理相似，在液晶表面加特殊化学涂层，减少屏幕对外界光线的反射，使背光源的光能更好地透过液晶层，使亮度更高、反射更低。（7）超高开口率技术

超高开口率是用特殊树脂作为总布线和出入口布线的层与层之间绝缘膜，并将像素领域进行扩大。

（8）反光低反射技术京东方

京东方完整掌握了含全球领先的AFFS宽视角技术在内的TFT－LCD核心技术。2007年专利296项，其中发明专利256项。拥有一条月产能为8.5万片玻璃基板的第5代TFT-LCD生产线和一条月产能为3万片玻璃基板的第4.5代TFT-LCD生产线。2006年第236强，2007年第56强。京东方1）TN+Film（TFT-TwistedNematic+Film，普通TN+视角扩大膜）

2）IPS（In-Plane-Switching，板内切换）

3）VA

（VerticalAlignment，垂直排列）

4）FFS（Fringe-FieldSwitching，边缘场切换），属IPS系。

5）CPA

（ContinuousPinwheelAlignment，连续焰火状排列。就是常被称为ASV的技术），属VA系。作业选取液晶显示器相关的关键技术进行文献检索，并对相关技术进行学习、小论文撰写和讲解汇报。3人一个小组，自己组合，汇报中注明分工。2周后提交纸质论文和电子ppt，并进行现场汇报。论文字数不低于1000字，注明文献出处，PPT讲解时间为5分钟。成绩由论文撰写和讲解汇报两部分组成。LCDDISPLAYTECHNOLOGY DigitalImagesandPixelsAdigitalimageisabinary(digital)representationofatwo-dimensionalpictorialdata.Digitalimagesmayhavearasterorvectorrepresentation.RasterImagesdefinedovera2Dgridofpictureelements,calledpixels.Apixelisthebasicitemsofarasterimageandincludeintensityorcolorvalue.

PixelsLCD(LiquidCrystalDisplay)LCDPanelisbasedon Alightvalveforeachpixelthatturnthelighton,off,oranintermediatelevel.GridofsuchlightvalvefortheLCDdisplaypanel.Abacklightanddisplayenhancementfilmscreatetheillumination.LCD-DisplayApplyingvoltagetotheelectrodeschangesthelevelofilluminationineachsub-pixelThepanelissandwichedbetweenFrontsurfacefilmstoenhancedisplaypropertyBacklightLinearPolarizedLightLightusuallyvibratesinalldirectionAlinearpolarizedlightlimitthevibrationtoonedirectionItabsorbsthecomponentoflightthatvibrateinallotherdirection.LCDrequirelighttovibrateinonedirectionAboutLiquidCrystalLiquidcrystalmoleculescanmovefreelywhilemaintainingtheirorientation.Italignitselftoapolyimidefilmtotheinsideofapanelglass.Whenthetwoglasspanelsarenotalignedthel