第7章光显示及器件案例.ppt

1、第7章 光显示材料及器件,7.1 液晶显示材料及器件 7.2 等离子体显示器 7.3 电致发光显示,什么是液晶？,液晶的发现,液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶

2、显示器件被称为LCD。,液晶态是物质的一种形态,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。 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。 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。,液晶基本知识,1. 互变相变（可逆相变） 2. 单变相变,液晶分类（按热致液晶分子排列状态）,向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶,向列液晶在偏光显微镜下的图,向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一

3、致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。,近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶,隧道显微镜下的近晶相层状液晶,近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。,胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶,胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列

4、则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。,胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。,液晶的光电特性,（1）液晶的各向异性 P型液晶 （0）正介电各向异性液晶 N型液晶（0）负介电各向异性液晶,液晶短轴方向,液晶短轴方向

5、,外场作用下的取向,在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。 目前液晶显示器主要应用P型液晶。 使液晶分子排列发生变化的临界电场强度为,（2）液晶的双折射,以P型为例，长轴为光轴 向列液晶有 ，所以n0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：,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； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。

6、 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。,（3）液晶的电光效应,液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。,液晶的电光效应分类,扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）,属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。 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

7、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。,当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90的偏振光可以通过。因此呈透光态。 在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射

8、的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。,TN-LCD工作原理,用TN-LCD制作的常用液晶显示器件,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。,超扭

9、曲向列液晶显示器件（STN-LCD,第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲”即扭曲角大于90。 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， 阈值效应不明显。 使得大量显示和视频显示等受到了限制。,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180270时，就可大大提高电光特性的响应速度。 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。 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。,STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系,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-L

10、CD,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%。,有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）,属于第4代液晶显示器。 普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求。 有所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，必产生串扰。当一个像素被先通时，相邻行，列像素将处于半选通状态。,人们在第一个像

11、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，克服了“交叉效应”。,MIM液晶显示器件的电极排布,有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种。 二端型以MIM（金属-绝缘体-金属）二极管阵列为主； 三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。,-SiTFT,属于非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。 它工艺简单， 玻璃基板成本低， 导通比大， 可靠性高， 容易大面积化。,TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构 1-显示电极；2-玻璃基板；3-透明电极；4-液晶层； 5-MOSFET阵列；6-基板；7-信号存储电容器；

12、8-FET,同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入普通TN型液晶， 不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。上玻璃板是一共用电极，如果是彩色显示，则还要在上面用微细加工方式（染色法，或印刷法）制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤色膜。TFT的栅极G接扫描电压主，漏极D接信号电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联，液晶像素可以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的并联。,TFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形 CGP-分布电容；CST-补偿电容；RON-导通电阻；ROFF-截止电阻,当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，

13、信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电到信号电压。 当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电； 由这样的“存储效应”使一个帧周期内VrmsVth，即显示占空比为1:1。 由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，开关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。,1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及a-SiTFT液晶显示技术的突破，LCD技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。,背照灯,液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，往往工作在透光模式下。 因此，

14、为了了获得高对比度与全色显示，需要采用背照明光源。 由于背照光源的功率是整个器件的90%以上，因此体积和功率是首先要考此的因素。,边光式背光源结构图,目前采用的背照光源主要有： 1）热电致发光板EL 2）平板荧光灯（VFD） 3）冷阴极荧光灯（CCF） 4）平板场发射（FED） 5）有机电致发光（OEL）等。 照明方式又分为边光式与背光式背光式两种。,39,等离子体显示,一、什么是等离子体?,所谓等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整

15、体行为表现出电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态。,40,00C,1000C,100000C,41,看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。,等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。,等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场产生来控制等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提新的技术和工艺。,42,低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研

16、究领域的大转变，高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等，为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。 现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。,43,等离子体显示器(Plasma Display Panel)缩写为PDP。,等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，它在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体（象素）。每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。等离

17、子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分量的由三原色混合的可见光。每个等离子体发光管就是我们所说的等离子体显示器的像素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的“光点”汇集而成的。等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方面领先一步。,44, 气体放电产生等离子体,在通常情况下,气体是不导电的。但是,在适当的条件下，组成气体的分子可能发生电离,产生可自由移动的带电粒子,并在电场作用下形成电流,这种电流通过气体的现象称为气体放电。,电源,R,阴极,阳极,当电极间的电压足够高时，就使电极间气体击穿而产生放电。,气体放电产生等离子体-1,45,气体中的带电粒子，在电场加速

18、下获得足够高的速度（动能）,再与中性气体原子碰撞，使其释放出另一个电子，失去一个电子的气体原子形成带正电的离子。离子带正电后受阴极的吸引，而与电子的运动方向相反,也会与电子一样获得加速运动。最后撞击阴极，使其发射电子。这样气体中产生大量带电粒子，形成电流，即气体放电。,电源,R,阴极,阳极,气体放电产生等离子体-2,46,在技术性能上，由于PDP屏中发光的等离子管在平面中均匀分布，这样显示图像的中心和边缘完全一致，不会出现扭曲现象，实现了真正意义上的纯平面。由于其显示过程中没有电子束运动，不需借助电磁场进行偏转，因此外界的电磁场也不会对其产生干扰，适于不同环境条件下使用。,简单地说，PDP是在

19、两片玻璃板之间注入电压，产生气体及肉眼看不到的紫外线使荧光粉发光，利用这个原理呈现画面。因其可以挂在墙上，故又称壁挂式电视。,47,1、交流等离子显示板（ACPDP，1966，美国） 放电气体与电极由透明介质层相隔离，隔离层为串联电容作限流之用，放电因受该电容的隔直通交作用，需用交变脉冲电压驱动，为此无固定的阴极和阳极之分，发光位于两电极表面，且为交替呈脉冲式发光。ACPDP因其光电和环境性能优异，是PDP技术的主流。,PDP的分类：,48,2、直流等离子体显示板 （DCPDP，1968，荷兰 ） 放电气体与电极直接接触，电极外部串联电阻作限流之用，发光位于阴极表面，且为与电压波形一致的连续发

20、光。 自扫描等离子体显示板（SSPDP）属于DCPDP1970，美国 。,49,等离子体显示具有以下一些特点： （1）等离子体显示为自发光型显示，有较好的发光效率与亮度。 （2）适于大屏幕、高分辨率显示。 （3）等离子体显示单元具有很强的非线性。 （4）存储特性。 （5）PDP结构上可以采用不透明但电阻低的金属电极。,50,（6）PDP有合适的阻抗特性。 （7）响应快。PDP响应时间为数毫秒，使显示电视图像时更新像素信号不成问题。 （8）刚性结构，耐振动，机械强度高，寿命长。,51,气体放电基本知识,平板电极间充有： 氖气(Ne)或氖(Ne) +0.1%氩(Ar)混合 气体。,充电二极管的伏安

21、特性,52,曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。,随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中EF段），EF段被称为正常辉光放电区，放电在C点开始发光，不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压VS称为放电维持电压。,53,阴极电流密度为常数是正常辉光放电的特点。 当放电电流更大时进入异常辉光放电FG段，这时放电单元阻抗变大。 当电

22、流进一步增大，放电进入弧光放电后，在H点曲线变得平坦，压降小、电流大是弧光放电的特点。 实际的显示器件必须应用在正常或异常辉光放电区，这个区域放电稳定、功耗小。,54,三个状态：熄火态、过渡态和着火态。 氖气产生的可见光波长范围在400-700nm，其中峰值波长为582 nm的光辐射占整个光强的35-40%，因此氖气发橙红色光。,55,单色等离子体显示,基本结构 Ne-Ar混合气体在一定电压下产生气体放电， 发射出582nm橙色光。,56,57,2. 工作原理,58,（1）当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电压VS时，单元中气体不会着火，如在维持电压间隙加上幅度高于Vf的书写电压Vwr，单元将放电发光，放电形成的电子、离子在电场作用下分别向该瞬时加有正电压和负电压的电极移动，由于电极表面是介质，电子、离子不能直接进入电极而在介质表面累积起来，形成壁电荷，在外电路中，壁电荷形成与外加电压极性相反的壁电压，这时，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。,59,（2）、此将小于维持电压，使放电空间电场减弱，致使放电单元在26微秒内逐渐停止放电，因介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来，当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于Vf，单元再次着火发光并在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷，并再次使放电熄灭直到