第3章 液晶显示器件(LCD)

西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5LiquidCrystalDisplay第3章液晶显示器件(LCD)LCD是FPD中应用最广泛的；具有低耗电、无幅射、无污染、省空间的优点；没有画面闪烁问题，不会干扰其它电子装置；可为用户显出清晰、犀利的画面，同时具有明亮、鲜艳的色彩。•日本、美国等因LCD有与CRT相抗衡的优势提出“90年代将开始平板显示时代”。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5LCDMostmatureflatpaneltechnologyMajorshareofFPDmarketPoorintrinsicviewingangleRequiresbacklightInefficientSlowEffectedbyTemperatureandsunlight西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5AdvantagesofLCD•ThesharpnessofaLCDdisplayisatmaximumtweekness(干扰).•Zerogeometricdistortionatthenativeresolutionofthepanel.•Highpeakintensityproducesverybrightimages.Bestforbrightlylitenvironments.•Screensareperfectlyflat.•Thin,withasmallfootprint.Consumelittleelectricityandproducelittleheat•TheLCDdisplayunitisverylightandcanbeputanywhereormovedanywhereinthehouse.•Lackofflickerandlowglarereduceeyestrain.西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5目前液晶显示器件的特点:1)低功耗(数十μW／cm2)。用干电池长时间驱动、节能。2)工作电压低(10V)。与大规模集成LSI电路驱动电路相适应，能直接用IC驱动、驱动电路小型化、简单化、实用性好。3)平板器件薄型结构，无电磁辐射，寿命长。4)显示面积可以从数mm2～108吋。5)图像无闪烁、无失真、可视界面大6)是受光型显示器件，即使在明亮的场所也能显示清晰。7)便于彩色化，可扩大显示功能和实现多样化显示。8)能投影放大显示，容易实现大画面显示(数m2)。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5具有CRT无法比拟的优点：•①图像清晰度高，一般来说都能达到1024×758像素，完全符合未来高清数字电视要求。•②机身轻薄，厚度在4厘米以内，仅有等离子电视的二分之一，是普通CRT电视厚度的十分之一左右。•③使用寿命长，一般达到50000小时以上，按一天使用8小时计算，可使用17年，比普通CRT彩电使用寿命还长。•④环保节能，液晶电视采用逐行扫描与点阵成像，图像无闪烁，不会对人眼造成伤害。21英寸液晶电视功率为40瓦，30英寸为120瓦，比普通CRT彩电省电。•⑤具有防爆性能。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.53.1液晶的基本知识3.2液晶的各种物理性质3.3液晶的显示方式3.4各种液晶材料3.5液晶显示器件的结构和制作3.6LCD的显示形式和驱动方法3.7LCD应用3.8新型LCD西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5一、定义：•液晶是一种介于液体和晶体(固态)之间的中间态物质。•----是具有规则性分子排列的有机化合物，是液态晶体的总称。•----把既有液体的流动性特性，又有类似晶体结构的有序性即晶体光学各项异性的晶体命名为流体晶体“液晶”。•物理性质：在一定温度范围内有液体的流动性、粘度、形变等力学性质，又有晶体的热、光、电、磁等。•几乎都是有机物，分子结构呈棒状或近似棒状的细长形状。如20-47℃室温下，液晶MBBA(甲氧基亚苄基—4-n—丁基苯胺)分子长度约为数nm，宽仅有0.1nm左右。3.1液晶的基本知识西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5二、发展•早期：1888年奥地利的植物学家莱尼茨尔（F．Reinitzer）)发现了胆甾醇的苯甲酸酯和醋酸酯的液晶性。在160土15℃下呈乳白粘稠状液体，并有美丽的珍珠光泽。•1889年德国物理学家莱曼(O．Lehmann)在偏光显微镜下，观察到乳白液体的双折射现象，认为是一种具有流动性的晶体。定义为“液晶”。•1963年美国无线电（RCA)的威廉斯(R．williams)发现在向列型液晶层上施加电压会使其变混浊。据先驱者海麦尔(G．H．HeiImeier)发现的液晶光学的特异性质制成了液晶平板显示器件。•1968年由Heilmeier等人发表的动态散射型(DS)和宾主型(GH型)LCD，•我国1970年后，对液晶基础理论及相关连的真空技术、玻璃材料、电子学等的发展均打下了基础。液晶器件应用产品有：全电子手表、微型计算机、数字屏幕游戏机等•1984年：深圳中航天马公司建成第一条4in规格的TN－LCD生产线….西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5•近年来，有超扭曲向列型(sTN-LCD，扭曲角180-240°)单色，蓝、黄模式，黑、白模式。有源矩阵(AM-LCD)，TFT-LCD型。•1990年6月日本NEC出售PC计算机彩色TFTLCD（像素640×400个、20MHz的CPU、40M字节的硬磁盘、外形尺寸仅12×36.4×46cm3、重10.4kg）•1999年4代线LCD用玻璃基板的尺寸680mm×880mm发展到2006年8代线的2200mm×2400mm。厚度为2.88mm的12英寸TFT液晶面板,对比度为2000∶1,响应时间为8ms,像素为1280×800,背光采用LED,向OLED挑战;并准备建10代生产线,目标是40英寸。•日本夏普公司LCD技术处于领先，开发的4096×2160像素的64英寸LCD对比度为2000∶1，确立了LCD超高分辨率的制高点;•采用改进MVA技术，已经实现视角改善，光利用率大幅提高。为改善运动图像边缘模糊问题，提高液晶响应速度和扫描频率，引入了背光扫描等措施，并据显示图像控制CCFL、LED背光源和γ曲线实现了显示屏的高对比度。•108英寸LCDTV向PDP挑战;西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5三、液晶种类：1、据液晶的形成方式分为：热致液晶(ThermotropicLiquidCrystals)和溶致液晶(LyotropicLiquidCrystals)两大类。•热致液晶---当液晶物质加热时，在某温度范围内呈现出各向异性的熔体；此类液晶与显示器件关系密切，所用的大多是热致液晶物质•溶致液晶---是溶解于水或有机溶剂，具有和液体一样可以流动，又类似于晶体各向异性性质的有机物质。•此类液晶在生物体中具有特殊意义，其组成和性质正受到重视。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5热致液晶的形成：既能从固相加热，也能从液相冷却而得到，称之为相变。•相变有两种情况：一种称为互变相变型。当相变温度为T1和T2时，会产生有可逆相变。即•另一种称为单变相变型。在相变中只有液体冷却时才能形成液晶相。另外，有一种液晶物质能够呈现出两种以上不同类型的液晶相，或若干近晶相。即••目前己发现的液晶有近万种。液晶相T1T2各向同性液体晶体晶体液晶相各向同性液体T1T2西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5各向同性的西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.52、热致液晶thermotropicliquidcrystals据分子排列方式分为（在偏光镜下观察到的光学图案）：近晶型、向列型、胆甾型三类的分子排列。共同点：具有细长棒状分子结构，沿着分子轴方向相互平行排列(取向有序)。向列相近晶相胆甾相西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5（1）近晶型液晶(smectic)又称层状液晶-----分子呈棒状，长轴方向基本一致，分层排列。•每个分子都垂直于层面或与层面成一定角度排列，其分子层内结合力强、层间结合比较弱，容易相互滑动，具有二维流体性质。•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•与普通液晶相比，具有高粘度的特性，在光学上显示正的双折射性。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5近晶型A层内分子的位置没有规则，指向矢垂直于层面，近晶型C的指向矢稍有倾斜。近晶型B层内分子的位置也是有序的。随着温度的升高，近晶型呈现这些相按B—C—A的顺序相继出现。大量分子宏观性排列方向的单位矢称指向矢--液晶分子的长轴方向。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5•近晶相液晶（Smectic）隧道显微镜下的近晶相层状液晶西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5•在偏光显微镜下的图象西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5（2）．向列型液晶(Nematic)又称丝状液晶•棒状分子相互平行向一个方向排列，但不分层，重心自由在空间随机分布，分子轴向着同一方向(取向有序)，且各个分子沿着分子轴的方向能够自由地移动。•富于流动性强、粘度小。•显示正的双折射性。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5•向列相液晶（Nematic）向列液晶在偏光显微镜下的图西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5（3）．胆甾型液晶(cholesteric)又称螺旋状•分子不一定是棒状的，排列具有近晶型液晶的层状结构。•同一薄层内，所有分子相互平行排列，有一个固定的取向。•不同薄层中分子的取向不相同，相邻两层的分子取向相差15°，•各层之间的取向渐变可以连成一条空间扭转的螺旋线。•这种特殊的螺旋结构使液晶具有了旋光性、选择性光散射和偏振光二色性等光学性质。•与近晶型和向列型液晶不同，具有负的双折射性质。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5胆甾型液晶西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5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。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5另外：（4）特异型：•a、盘型：以苯环为核心的盘型酯类分子，有负的光轴性质，无旋光性，状如硬币，可形成柱状堆积，密堆一层层相同的排列堆叠。•B、重入型：降温过程中，在近晶相两端都出现的向列相，即一种奇妙的相变过程中，再次出现相同液晶的现象称---。西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.53.2液晶的各种物理性质3.2.1物理性质的各向异性•分子的轴向∥和垂直于分子长轴的方向⊥有不同的物理性质：即折射率n：n∥≠n⊥，•介电常数ε：ε∥≠ε⊥、•磁化率χ：χ∥≠χ⊥•电导率σ：σ∥≠σ⊥，•粘度系数η：η∥≠η⊥液晶长轴ε∥液晶短轴ε⊥西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.51、介电常数各向异性：•有两种情况：⊿ε=ε∥-ε⊥＞0或＜0•当⊿ε＞o时（⊿ε为10～20）为P型液晶---正介电各向异性液晶•⊿ε＜o时（⊿ε为-1～2）为N型液晶----负介电各向异性液晶•另外，介电各向异性与液晶分子的极化度有关，在可见光范围内液晶常常是ε∥＞ε⊥。S)cos1(2KTFNF422//西北大学信息科学与技术学院现代显示技术2009.8.5有序参数S：•液晶分子沿一定方向的平行排列虽有序，有序排列的程度的定量描述即S：•图若一个