液晶面板显示模式介绍

液晶面板显示模式介绍组件研发部Tim2011.1.8目录：一、液晶简介二、普通显示模式1.TN2.STN\FSTN\DSTN\CSTN\TFT三、广视角技术1.TN+FILM2.VA3.IPS一、液晶简介液晶态是各相同性液体与高度有序晶体之间的一种中间态，它既有液体的流动性，又有晶体的各向异性特征，是一种取向有序位置无序的流体。液晶最早由奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）于1888年发现，但直到1971年，TN型LCD推出后，LCD产业才进入真正的发展时期，随着半导体技术的发展和有源矩阵概念的提出，TFT-LCD技术开始逐步成形，并于90年代初期在日本开始产业化。1、液晶三大类：向列相液晶（N相）（NenaticLiquidCrystals）向列相液晶是由棒状或杆状分子组成，分子长轴相互平行，分子质心的位置混乱无序，可以自由平移。所以，向列相液晶具有一维有序性，形成一维流体。近晶相液晶（SmecticLiquidCrystals）近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，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。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。胆甾相液晶胆甾醇经脂化或卤素取代后出现的液晶称为胆甾相液晶。这类液晶分子呈扁平形状，分子排列成层，层内分子相互平行。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结构。当不同的分子长轴排列沿螺方向经历360°的变化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距（P）。一般来讲，螺距的长度P接近可见光波长，胆甾相螺旋结构的螺距易受外界因素的影响，特别是对温度很敏感。当温度变化时，螺距也随之变化，从而使得胆甾相显现不同的颜色，胆甾相的这种色温效应可以用来测量表面温度。二、普通显示模式1.TN工作模式(扭曲型向列相液晶)1.1TN－LCD的结构在镀有ITO（厚度可达1000Å）透明电极的两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶Np，四周用密封材料（一般是环氧树脂、固化剂上下玻璃之间的距离主要靠衬垫来控制。通常上下玻璃内侧对应显示图形的部分一般都镀有透明电极，透明电极的作用在于把外部信号通过它加到液晶层上，使选定区域的液晶分子排列由90º扭曲状态转变为与基板平面垂直的排列状态，从而使此处的光透过情况发生变化达到显示效果。取向层：聚酰亚胺扭转角度：90°预倾角：2°－3°手性材料：自然界中的许多分子都有两种形态，两个分子的结构从平面上看一模一样，但在空间上会完全不同，它们构成了实物和镜像的关系，和人照镜子一样，也可以比作左右手的关系，所以叫手性分子。常白模式:正像显示常黑模式:负像显示1.2、TN-LCD工作原理2.STN工作模式（超扭曲向列相液晶）2.1STN-LCD的结构一般来说STN-LCD的结构与TN—LCD基本相同。不同点仅在于以下几点：大扭角（180°-270°）；高预倾角（≤20°）；两偏振片光轴特殊设置。2.2FSTN(FilmCompensationSuperTwistedNematic)这种液晶盒的外面通常含有一层补偿膜，这层补偿膜通常由聚合物制成，也具有双折射性。当o光和e光通过补偿膜时将会产生附加相位差，使o光和e光的相位得以延迟或补偿，从而改变偏振光的干涉色。液晶显示技术中，常常利用补偿膜来消除偏振光的干涉色。FSTN-LCD中的补偿膜可以可以位于位于偏振片的下面，也可以位于偏振片的上面，可以用一片，也可以用两片。有些两片补偿膜系统下面的这片还同时起到准直器的作用，上面这片补偿膜同时具有散射膜的作用，以便增加液晶显示器的视角还不影响液晶显示器的响应速度。FSTN-LCD的特点：黑白显示、视角800（典型）、多路驱动比可达480:1(segments/commons)、反映时间250msecat4.5V(低于TN-LCD)。2.3DSTN(DoubleSuperTwistedNematic)含有补偿盒的超扭曲液晶显示器（DSTN-LCD）是最先出现的一种黑白化液晶显示器。DSTN-LCD与一般超扭曲液晶显示器的最大区别在于是由两个扭曲方向相反的超扭曲液晶显示盒粘在一起构成。上面的液晶盒构成一个超扭曲液晶显示器，下面的液晶盒即无电极也没有偏光片仅仅充满了液晶层，上下液晶盒的扭曲方向完全相反，下面的液晶盒是一个补偿盒，当o光和e光通过补偿盒时也会产生附加相位差，使o光和e光的相位得以延迟或补偿，从而消除偏振光的干涉色，得到黑白显示效果。DSTN—LCD的特点：对比度：优于STN,FSTN；能自动补偿由于温度改变而造成的对比度的变化反应速度：显著增加。色泽：通常情况下液晶显示屏略微呈现红、绿或蓝色调，DSTN—LCD使这种倾向有所减弱。视角：最佳视角大2.4CSTNCOLORSTN是在传统STN上加上一彩色滤光片（Colorfilter），將单色显示矩阵的任一象素(pixel)分成三个子象素(sub-pixel)，分別透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三基色，再通过三基色比例的调和显示出各种色彩。2.5STN光调制STN系列显示器件利用双折射现象来进行光调制。因此，在输出光中不可避免的出现各种干涉色。黄模式：在非选择态显示色呈黄色（背景为黄色）。而在选择态时呈黑色。蓝模式：非选择态时显示色呈藏青色（背景为藏青色），而在选择态时几乎成无色（白色）。2.6STN-LCD黑白化技术宾主方式：是基于STN型显示模式中的蓝色模式，采用黑色二向染料或是蓝的补色------黄色二向染料，使蓝色背景接近黑色。这种屏的结构和技术与蓝色模式STN型显示器件基本相同。相位补偿方式:分两种：二层液晶屏方式（DSTN）和相位补偿膜方式（FSTN）2.7TFT（ThinFilmTransistor）TFT-LCD结构TFT-LCD使用的液晶为TN（TwistNematic）型液晶，液晶分子呈椭圆状。2.7.1CF结构彩色滤光片基本结构是由玻璃基板（GlassSubstrate），黑色矩阵（BlackMatrix），彩色层（ColorLayer），保护层（OverCoat），ITO导电膜组成。一般穿透式TFT用彩色滤光片结构如下图。CFPixelArray:马赛克式:：显示AV动态画面直条式：较常显示文字画面,(NoteBook)面板Array:单一画素结构：TFT工作原理：TFT为一三端子元件，在LCD应用上可视为一开关液晶组件的作用类似一个电容，藉Switch的ON/OFF对电容储存的电压值进行更新/保持。SWON时信号写入(加入、记录)在液晶电容上，在以外时间SWOFF，可防止信号从液晶电容泄漏。(1)VgsVth：讯号读取TFT组件在闸极(G)给予适当电压(VGS起始电压Vth,注),使通道(a-Si)感应出载子(电子)而使得源极(S)汲极(D)导通。【注】：Vth为感应出载子所需最小电压。(2)VgsVth：讯号保持当Vgs小于起始电压时没有感应出载子则通道成断路。1.VG为扫描线电压，VID为信号线电压，分别加在TFT的闸极，源极。2.在T1时域(水平选择期间)TFTON，画素电极电位VP会被充电至信号电位VID。在T2时域(非选择期间)TFTOFF，在OFF的瞬间，VP会下降△V，此△V的大小与TFT组件的闸极与汲极间的寄生电容CGD有关，因此在设计与制程组件时尽量避免寄生电容的产生。三、广视角技术观察角度不同,获得的亮度不同1.广视角分类：TN+Film相位补偿方式共面开关（In-PlaneSwitch,IPS）模式（日立的Super-IPS和现代电子的FFS(FringeFieldSwitching)液晶模式则是IPS的改进）多畴垂直取向（Multi-domainVerticalAlignment,MVA）模式（三星公司的PVA(PatternedVerticalAlignment)模式及夏普公司的ASV(AdvancedSuperV)模式是MVA模式的延伸）其它还有松下的OCB(OpticalCompensatedBirefringence)及NEC的SFT(Super-fineTFT)技术等等2.TN+Film相位补偿方式TN模式中暗态是有场态，在饱和电压下，盒中心部位的液晶分子垂直于基板排列，而基板附近的分子几乎不扭曲地徐徐倾斜取向，形成指向矢沿盒厚方向连续变化但上下不对称的混合取向。TN+Film方式液晶盒示意图膜上的取向层供盘状液晶取向用。制作盘状液晶补偿层时，在盘状液晶固化之前施加电场（或磁场），在电场（或磁场）和取向膜取向力的双重作用下，盘状液晶分子形成光轴沿厚度方向连续变化的混合取向，与液晶盒内分子的混合取向相一致。然后在此电场（或磁场）的作用下，进行紫外线固化，使取向固定。局部不对称现象，是补偿膜没有完全补偿盒内液晶分子复杂混合取向的结果。因为补偿膜的补偿条件是根据饱和电压作用来确定的，而在显示中间灰度时，盒内液晶分子的取向变化比较复杂，对应的光学各向异性值与饱和电压作用时发生偏离，从而得不到完全补偿。TN+film技术特点：1.最为便宜，良率很高。2.对视角特性方位角对称性的改善并不显著。3.低对比及响应速度慢这两大问题依旧没有改善。4.主要应用于低端显示器。3.IPS模式IPS是“InPlaneSwitching”（共面开关）的缩写IPS技术为日本日立公司于1996年开发成功的显示技术。1998年，日立又推出了S-IPS(Super-IPS)，除了有IPS原来的技术以外，亦在反应率有了改进。在2002年，日立又推出了AS-IPS，在明暗比方面有很大的改善。目前IPS厂家：日立，LG,瀚宇彩晶、IDTech(奇美电子与日本IBM的合资公司)结构特点：1.具有介电各向异性为负的向列相液晶分子在基板间均匀平行沿面排列，梳状内信号电极和公共电极用来产生横向电场，以改变液晶分子的光轴在平行于基板平面内的方位角，控制透光率。2.两偏振片正交设置，起偏器的偏振化方向与下基板表面处液晶分子指向矢平行。工作原理：1.断开态：由于起偏器的偏光轴平行于液晶分子指向矢，所以当入射光经起偏器得到的线性偏振光射入基板处液晶层时其偏振状态不会发生变化；同时由于此时液晶分子均匀平行沿面排列，这样入射线偏光在经过液晶层时就不会发生旋转；上下偏振片的正交设置，使得该线偏光完全被检偏器阻隔，这样就可以得到几乎接近纯黑的暗态显示。2.导通态：由于梳形内数字电极和公共电极之间的横向电场作用，具有－Δε的液晶分子将转向与该电场垂直的方向排列，其扭曲角度就是分子指向矢和入射侧偏振片偏光轴的夹角，从而满足双折射条件，出现相位延迟，使得入射线偏振光穿过下玻璃基板后在进入检偏器前变成椭圆偏振光，这样一部分光就可以从检偏器射出，得到亮态显示。IPS模式特性：1.无论是垂直还是水平方向，±80º内均没有阶调反转现象。2.电压保持率很高。3.视角特性的方位对称性不佳。在某些方位角视角范围不够宽。4.开口率小，透过低。5.响应速度较慢。开口率（ApertureRatio）：开口率即是每个画素可透光的有效区域除以画素的总面积，开口率越高，整体画面越亮。IPS:由于上下电极（材料一般为Cr或Al）都做在下基板上，使得开口率下降，相同条件下透射光强度下降，从而导致对比度下降（要获得与TN模式相当的对比度就得加大背光源的亮度）。S-IPS:在一个像素范围内使梳形电极折成齿状，形成液晶分子可左、右旋转的两个区域，因而获得分割取向，使视角特性得到补偿。S-IPS模式液晶盒视角特性图：4.VA模式（垂直取向模式）：不施加电压时，所有液晶分子都垂直于基板表面排列，此时为暗态显示；当施加一个大于阈值的电压时，除了基板表面附近的液晶分子外其余分子的长轴都倾斜一定角度，该角度随着电压的增大而增大，于是入射线偏光发生双折射而变为椭圆偏振光，从而使一部分光能从检偏器射出。透射光强度取决于外加电压的大小。VA模式特点：1.响应速度大