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1第一章液晶显示的特点（LCD）1．液晶显示的发展起源1888年奥地利植物学家F.Reinitge首先观察到液晶现象。他在测定有机熔点时，发现某些有机物熔化后会经历一个不透明的浑浊液态阶段，继续加热，才成为透明的各向同性液态。1889年，德国物理学家O.Lehmann观察到同样的现象，并发现呈浑浊状液体的中间具有和晶体相似的性质，故称为“液晶”。这是世界上首次被发现的一种热致液晶：胆甾醇苯甲酸脂，在160±15℃的温度下呈乳白色粘稠状液体。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视，只是把液晶用在压力和温度的指示器上。液晶的发展在1961年出现了转折点。该年，美国无线电公司（RCA）普林斯顿研究所的一个从事微波固体元件研究已两年的年轻技术工作者G.H.Heimeier，即将完成他的博士学位答辩。他有一个朋友正在从事有机半导体的研究工作，在上下班的路上向Heimeier介绍他所从事的研究工作，使他发生了浓厚的兴趣。就这样，这位电子学专家改变了自己的专业，进入了有机化学领域，他把电子学应用于有机化学，仅一年就发表了五篇论文。他将染料与向列液晶混合，夹在两片透明导电玻璃基片之间，只施加几伏电压，功率不到几个微瓦每平方厘米，液晶盒就由红色变成透明态。Heimeier想到这不就是平板彩色电视吗?兴奋的小组成员日以继夜地工作，相继发现了动态散射、相变等一系列液晶的电光效应，并且研究出一系列数字、字符显示器件以及液晶钟表、驾驶台显示器等应用产品。RCA公司领导对有关液晶的发明极为重视，将其列为企业的重大秘密。1968年RCA公司向世界公布这些液晶发明。1969年2月日本NHK向国内进行了报导，引起日本科技、工业界的极大重视。日本将当时的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”’市场为导向，很快打开了液晶的应用局面。所谓“个人电子化”必须是袖珍式的，要求耗电越小越好。作为显示器件，总是希望电路结构尽可能简单，功耗小并能实现集成化。而液晶刚好能与低电压、小功耗的CMOS(互补MOS)相配合。日本人从液晶手表、液晶计算器等低档产品起步，发展到小尺寸无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到目前多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器，不但促进了日本微电子工业的惊人发展，还一直领导着世界液晶工业的发展方向，掌握着液晶工业最前端的技术。经过近30年的发展，液晶巳形成一个独立的学科。液晶知识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、微电子、精细加工、色度学、照明等。要全面、深入了解液晶显示器件必须对上述提及的领域有一定的知识面。2．LCD技术的发展过程自1968年第一块液晶显示器延生以后，LCD发展经历了5个发展阶段。第一阶段(1968～1972年)：1968年美国RCA公司研制了动态散射型液晶显示器，1971～21972年制造出动态散射型液晶手表，LCD技术从此走向实用化阶段。第二阶段(1971～1984年)：1971瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器，日本厂家使其产业化。由于TN-LCD制造成本低，成为20世纪七八十年代液晶产品的主流。但是由于TN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显示及简单字符型显示。第三阶段(1985～1990年)：1985年后，由于超扭曲(STN)液晶显示器的发展及非晶硅薄膜晶体管(α-SiTFT)液晶显示技术的发明，使LCD技术发展进入了大容量显示的阶段，即进人大信息容量显示的膝上电脑、笔记本电脑、电子翻译机等。第四阶段(1990～1995年）：在有源矩阵液晶显示器飞速发展的基础上，LCD技术开始进入高画质液晶显示阶段。第五阶段(1996年以后)：LCD已在笔记本电脑中普及应用。从1998年开始，TFT-LCD产品打入监视器市场，长期困扰液晶的三大难题：视角、色饱和度和亮度问题已基本解决。液晶显示器的性能在不断提高的同时，价格以5年降价3／4的经验规律大幅度下降，使LCD技术得到广泛的应用与推广。我国的液晶显示技术研究始于1969年，基本上与世界同步，但是真正形成液晶显示产业则是在1980年以后，到目前为止，大体上经历了4个阶段。第一阶段(1980－1984年)：国内先后引进了3条l0.3cm基片玻璃的LCD生产线，主要用于生产手表、计算器和一些仪表的液晶产品。目前这些生产线巳停产或被改造。第二阶段(1985－1990年)：国内先后引进5条17.9cm生产线，目前大部分还在生产。第三阶段(从1989年始)：引进30.6cm×35.7cm、35.7cm×35.7cm(40.8cm)TN-LCD生产线，这些线产量大，设备较先进，成品率高，是目前主要的TN-LCD生产线。与此同时，台、港、新加坡商人也纷纷在广东、福建设厂，以生产低档TN-LCD为主。第四阶段(从1992年始)：开始引进35.7cm×35.7cm或30.6cm×35.7cmSTN-LCD生产线，除个别厂能正常大批量生产外，由于技术不过关，因此大多数生产厂难以大批量生产高档STN-LCD产品。2000年长春市从日本DTI引进第一条小尺寸TFT生产线。总的来说，目前我国是TN-LCD生产大国，STN-LCD生产量不大，TFT-LCD产品还是缺门。由于我们不掌握大面积TFT矩阵制造工艺，使LCD产品停留在较低的水平。3．液晶显示的特点在各类显示器件特性比较中，液晶具有下列独到的特点：（1）低压、微功耗极低的工作电压，只要2～3V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10﹣6～10﹣5W／cm2。这是任何别的显示器件做不到的。液晶的低压、微功耗正好与大规模集成电路的发展相适应，使电子手表、计算器、便携仪表、手提电脑、GSP电子图成为可能。3(2)平板结构液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒。这种结构的优点是：①开口率高，最有利于用作显示窗口；②显示面积做大、做小都较容易；③便于自动化大量生产，生产成本低；④器件很薄，只有几个毫米厚。(3)被动显示型液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。当然，液晶在黑暗中是本能显示的，但在自然界中，人类所获得的视觉信息中，90％以上是靠外部物体的反射光，而并非靠物体本身的发光，所以被动显示更适合于人眼视觉，不易引起眼部疲劳。由于是被动显示，外光越强，显示内容也越清晰；对于主动显示，则外光越强，显示内容的对比度越差，发生“光冲刷”现象。(4)显示信息量大液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施或预甾隔离区，所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。(5)易于彩色化一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。液晶所能重视的彩色可与CRT显示器相媲美。(6)长寿命只要液晶的配套件不损坏，液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。(7)无辐射、无污染CRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶显示中不会出现这类问题。液晶显示也具有下列缺点：(1)显示视角小出于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不一样的，所以视角较小，只有30。～40。，随着视角的变大，对比度迅速变坏。虽然己开发出一系列新工艺，可以大大改善液晶显示的视角，但都会使制造成本大大增加。(2)响应速度慢4液晶显示大多是依靠在外加电场作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影响很大，一般均为100～200ms。特别在零下几十度低温下，就无法工作。所以一般液晶在显示快速移动的画面时，质量不好。目前已有解决的办法，即减薄液晶厚度和在电路上想办法。液晶器件不适于高寒地区军用，也不适用于高热地区军用，因为高温会破坏液晶的定向层，造成不可恢复的损坏。（3）由于是非主动发光，暗时看不清虽然可以用加背光源解决此问题。如亮度、对比度达到主动发光显示器件(如CRT)程度，则低功耗的优点也就不存在了。第二章液晶显示的基础知识液晶显示(LiquidCrystalDisplayLCD)器件是众多平面显示器件中发展最成熟、应用面最广、已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显示器件。它在显示器件市场中的产值占有率超过CRT显示器件已是指日可待，究其原因是由于液晶自身的一系列无可比拟的特点和相关配套技术的发展所决定的。第一节液晶的相关知识一、液晶的概念液晶是一种几乎完全透明的物质。在物理学上把物质分为三态，即固态、液态和气态。通常固体加热至熔点就变成透明的液体。然而有些有机材料不是直接从固体转变为液体，而是先要经过一个中间状态才能转变为液体，这种中间状态外观是流动性的浑浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射性。普通的无机物或有机物分子在晶格结点上作有规则排列，即三维有序。这种结构使晶体具有各向异性。在一定压力下，晶体具有确定的熔点，熔点以上呈液态，晶体所具有的各种特征均消失，变为各向同性的液体。熔点是晶体的灵敏的特征数值，物质纯度越高，固-液转变区间越窄。上述的处于中间状态物质，一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有象晶体一样的各向异性。显然，处于中间状态下的物质仍保留着晶体的某种有序性，只有这样才会在宏观上表现出物理性质的各向异性，这种分子排列具有方向性的流体就称为液晶。5二、液晶的种类液晶的种类很多，自然存在的和人工合成的液晶多达千种，但他们基本上都是有机化和物。按液晶相形成的条件来归纳分类，液晶可以分为热致液晶、溶致液晶、感应液晶及流致液晶。1、热致液晶热致液晶是当液晶物质加热时，任某一温度范围内呈现出各向异性的熔体。目前，用于显示的液晶材料基本上都是可工作于室温的热致液晶。液晶分子多为长度为几十埃，宽度为几埃。细长形状。热致液晶因分子排列有序状态不同，又分为近晶液晶(Smectic)，又称层状液晶；向列液晶(Nematic)，又称丝状液晶；胆甾相液晶(Cholesevic)，也称螺旋状液晶。这三种热致液晶的分子结构示意图如图2-1所示。（a）近晶相液晶（层状液晶）（b）向列相液晶（丝状液晶）6（c）胆甾相液晶（螺旋状液晶）图2-1近晶相、向列相和胆甾相液晶的分子排列示意图（1）近晶相液晶（S型）Smectic一词由希腊语而来，因为这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中，都显示特有的偏光显微镜像，因而命名为皂相。分子分层排列，有同一方向，比较接近晶体，故译成近晶相。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，或与层面倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但层内分子之间作用力大（粘滞系数很大），层间分子作用力小，不能在上下层之间移动，每层厚度约2～3A。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温的范例内。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，多用于光记忆材料。（2）向列相液晶（N型）Nematic也是由希腊语而来，液晶的薄层在偏光显微镜下观察时，呈现丝状型结构，故称之为丝相。他子位置杂乱，但方向大致一致，故译向列相。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，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。从宏观上看，向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序，并可在三维范围内移动，可以象液体一样流动，所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特性（折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同），而在电学上又具有明显的介电各向异性，这样，可以利用外加电场对具有各向异性的向列相液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示的目的。向列相液晶已成为现代显示器件中应用最为广泛的一种液晶材料。此外，与近晶相液晶相比，向列相液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实上不上向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列和