LCD-液晶显示器课件

1第3章液晶显示技术及设备•3.1液晶简介•3.2液晶的基本物理特性•3.3LCD模式及其特性•3.4LCD驱动•3.5LCD显示器23.1液晶简介•3.1.1液晶显示的发展过程•3.1.2液晶显示的特点33.1.1液晶显示的发展过程•19世纪末，发现液晶现象–某些有机物（胡萝卜胆固醇的衍生物）加热融化不透明浑浊液态透明液态–浑浊液态的有机物具有与晶体相似的性质“液晶”4液晶显示的发展过程•液晶显示最早研究与应用–1961，美国无线电公司（RCA）Williams发现动态散射(DSM)液晶–1968，RCA的Heilmeir基于DSM研制出第一个液晶显示器件–1969，RCA公布并出售液晶发明专利5液晶显示的发展过程•1960年末，发明宾主效应液晶–液晶与二色性染料混合–工作电压高、功耗大•1970年初，发明扭曲相列液晶（TN-LCD）–电场型，无电化学蜕变，寿命长–工作电压低、功耗小–广泛用于中小尺寸显示屏，如手表、计算器等–行数增加时，对比度变坏，视角变窄6液晶显示的发展过程•1984年，发明超扭曲相列液晶（STN-LCD）–电光特性曲线陡，显示行数高（512行）–用于中档液晶产品，如手机屏幕、小型电视机、笔记本电脑等•1990年代，有源矩阵液晶（AM-LCD）开始大规模应用–1970年代首先出现，受限于成品率和制作成本–用于大容量信息显示，如高分辨率显示器、大屏幕电视等7液晶显示发展的有趣现象•RCA时期，液晶只能做数字显示，不能做图像显示？RCA出售液晶专利，停止液晶研究。1970s开始，日本开始发展液晶显示，根据个人电子化的需求，将液晶与半导体集成电路技术相结合，挖到液晶“第一桶金”。•1990s，液晶可以做计算机的视频终端，难以做电视显示？2000s，出现中小尺寸液晶电视。•2000s，在大屏幕电视上，PDP相对于液晶更有优势？2010s，液晶在电视显示占主导地位。8液晶显示的典型产品小尺寸、低分辨率、黑白大尺寸、高分辨率、彩色9液晶显示的发展过程•目前产业现状–日本、韩国、中国三足鼎立，为争夺市场激励竞争•夏普，10代线（2.85m×3.05m，15块42寸），2010年量产，2012年亏损1440亿日元，拟出售。•中国，7条高世代（8.5代）液晶面板生产线相继建设和生产，政府在LCD产业累积投入1000亿，2014年中国LCD电视产量1.4亿台。–京东方，3年盈利1次；2015年4月20日，宣布投资¥400亿（政府、银行融资各45%，京东方出资10%），在合肥建立10.5代LCD面板生产线，用于高尺寸、超高分辨率LCD屏。•韩国，三星、LG，8.5代线。–三星，为保面板第一的位置，拟打造10.6代面板厂。102014年至2016年，全球液晶显示面板市场份额变化113.1.2液晶显示的特点•被动显示–本身不发光，通过调制外界光达到显示目的•低压、微功耗、长寿命–工作电压2～3V，工作电流微安量级，功率微•瓦量级（不包括背光源）–工作电压电流低，几乎不会劣化，寿命受限于显示器的其它部件（如背光源）12早期主要缺点及现状•早期主要缺点:–分辨率低–显示视角小•不同方向入射光透射率不同视角小（30~40）–响应速度慢•外加电场改变液晶分子排列响应速度慢（100~200ms）–不适合高寒高热地区军用•现状:–已实现全高清至4倍高清–水平视角140，垂直视角135–响应时间降低至ms量级133.2液晶的基本物理特性•3.2.1液晶的定义与分类•3.2.2液晶的连续弹性体理论•3.2.3弗里德里克斯转变(FrederickszTransition)•3.2.4液晶指向矢分布的数值计算方法•3.2.5液晶的单轴光学特性•3.2.6液晶光学特性的数值计算方法143.2.1液晶定义和分类•液晶：某些(有机)材料在固体和液体的中间状态–外观，流动的浑浊液体–物理特性，晶体的各向异性•溶致液晶–一种溶质溶于一种溶剂形成液晶态物质，目前尚未用于显示器件。•热致液晶–当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现各向异性的熔体。液晶显示器采用工作于室温的热致液晶。15热致液晶——根据液晶分子结构•棒状液晶•盘状液晶棒状分子应用最为广泛16棒状液晶——向列相液晶•由棒状分子组成，能上下、左右、前后滑动，具有液体流动性。•各个分子整体上表现出一定的取向，该方向的单位矢量称为指向矢𝑛。具有单轴晶体的光学特性。•粘度较小，容易转动，在液晶显示器件应用最广泛。向列相液晶瞬时示意图17液晶的有序参量•指向矢相同，液晶分子排列也有所不同。•S=(3cos2-1)/2–表示液晶分子排列的有序程度–：液晶分子长轴相对于指向矢的偏离角–S=1，完全有序–S=0，完全无序–一般液晶，S[0.3,0.9]液晶分子长轴与取向矢的空间关系18有序参数受温度的影响•温度越高，有序参数越小–熔点以下，晶体，S=1–熔点以上，清亮点以下，•0S1，随温度上升而降低–清亮点以上，液体，S=0•S越大，液晶的介电常数差和折射率差n越大LCD具有温度依赖性有序参数S随温度的变化趋势19棒状液晶——胆甾相液晶•指向矢分布具有螺旋结构–大部分是胆甾醇的各种衍生物，以此得名。–液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行，指向矢平行于层平面的分子长轴方向。–相邻两层分子，其指向矢有一轻微的扭曲角。–分子指向矢沿着层的法线方向排列成螺旋状结构。20胆甾相、扭曲相列相•相列相液晶，添加旋光物质胆甾相液晶•h(螺距)，透射光是沿着螺旋轴旋转的偏振光•透射光偏振方向的改变由分子扭曲角决定扭曲向列相(TN)液晶胆甾相分子指向矢旋转示意图21棒状液晶——近晶相液晶•最接近晶体，有序性最好–层间有序，分子排列成层，不能在层间移动。–层内分子长轴相互平行，其方向可垂直或倾斜于层面，分子可以在层内滑动，但不易转动。近晶相液晶结构示意图22近晶相液晶近晶A相：分子指向矢与层法线平行近晶C相：分子指向矢与层法线成一定角度23近晶C*相•近晶C相，添加旋光物质近晶C*相•分子指向矢不仅与层法线形成一定角度，而且围绕层法线形成圆锥旋转结构。–d：层间距–P：指向矢在圆锥旋转一周时沿层法线方向通过的距离•铁电液晶工作基础近晶C*相分子结构示意图24液晶显示的基本原理•基本物理量：亮度L=LsT(R)–L：图像中每个子像素的亮度–Ls：背光源亮度–T(R)：液晶盒每个子像素的透射（反射）–Ls,T(R)原则上是位置(x,y)和时间(t)的函数–Ls很难被控制•基本原理：外加电场液晶分子排列液晶盒的透射(反射)。–T(R)，整个液晶盒、而不是单纯液晶材料本身的透射(反射)253.2.2液晶的连续弹性体理论•液晶没有位置有序性，加外力后，液晶分子指向矢𝑛(𝑟)（而不是液晶分子）会发生形变。•𝑛(𝑟)变化的距离L(L1m)分子大小a(a~1nm)。可忽略分子量级的变化，把液晶看做连续介质。•在撤销外力以后，液晶分子通过分子间的相互作用，又会弹性地恢复到原来的取向。液晶形变类似于固体的弹性形变。26液晶自由能•一、液晶的弹性形变引起的弹性能•二、液晶与外场相互作用的自由能•按照自由能最小原理，液晶在外场作用下重新排列，使液晶的总自由能趋向最小，最终达到新的平衡状态。向列相液晶的弹性形变示意图273.2.3弗里德里克斯转变•大部分液晶产品，液晶夹在两个平行（玻璃）基板之间。–与基板平面垂直的方向为z轴。–两个基板位于z=0、z=d。•玻璃内表面处指向矢固定，称为取向层。•液晶盒内指向矢𝑛(x,y,z)，随外场变化，满足总自由能最小。•取向层阻碍电场对液晶的作用，只有当场强大于阈值场时，指向矢𝑛(x,y,z)才随外场发生形变，称为弗里德里克斯转变(FrederickszTransition)28向列相液晶的三种基本形变假设指向矢𝑛的形变随位置连续而缓慢的变化，可用𝑛(𝑟)的微分表示形变。29液晶响应速度问题•响应时间–液晶分子在电场作用下转动所需要的时间。–开关响应时间，液晶分子全黑（透光率10%）•全白（透光率90%）之间的转换时间。–灰阶响应时间（GTG，graytogray），LCD屏•幕上每个点由前一个灰度（透过率）过渡到后一种灰度（透过率）所需的时间。•减少液晶盒厚度，可以缩短开启和关断时间•启动电压E越大，粘滞系数越小，扭曲弹性系数越大，开启和关断时间越短30提高液晶响应速度的措施•液晶材料特性–减小粘滞系数–增大介电系数差–提高弹性系数–TN液晶材料改进余地不大–铁电材料目前还不成熟–理论响应时间s量级•减小液晶单元盒间隙d–厚度太薄，制作困难成品率下降•厚度~2m•增大液晶单元盒驱动电压V–整体增大驱动电压有效值会减小液晶的寿命部分增加驱动电压：过驱动技术31过驱动（Overdrive）技术•在寻址电极打开瞬间，使液晶像素两端电压迅速增大，使液晶分子迅速扭转•扭转后迅速将电压下降到正常水平32Overdrive优点•有效提高液晶响应速度，同时不影响液晶寿命–使灰阶-灰阶响应时间接近黑白响应时间，10ms–只对灰阶部分的翻转电压进行提升，提升的最大值也不会超过“黑→白→黑”部分的最大电压，寿命不会受到任何影响。–液晶本身最大的翻转电压处在“黑→白→黑”阶段，而所有灰阶部分的翻转电压全部都小于“黑→白→黑”的部分。333.2.5液晶的双折射光学特性•折射率椭球–液晶具有单轴晶体光学特性，折射率在平行和垂直于分子长轴方向不同以分子为轴的折射率椭球椭球方程1222222eoonznynx•当沿波矢k0方向传播，其位于yz平面内，截面为椭圆，有双折射效应。•o光：振动方向𝐷′，折射率n0•e光：振动方向𝐷折射率与角度有关34•光波沿液晶光轴(z)传播–截面为x,y平面的圆，半径为no–偏振方向可取垂直于液晶光轴的任意方向，对应折射率都是no无双折射效应35•垂直光轴方向传播(y)–截面为x,z平面的椭圆，长短轴no,ne–允许两个线偏振光传播•𝐷′垂直于光轴，折射率no•𝐷平行于光轴，折射率ne•单轴光学晶体分类–正单轴晶体，neno–负单轴晶体，neno–n=ne-no，0.1~0.33637LCD的视角问题•液晶本身不发光，对比度Cr=Tmax/Tmin。•液晶显示Cr随观察视角变化很大。•TN-LCD，随着视角的增加，对比度下降，甚至出现阶调反转，变成负像。38•液晶视角特性：对比度随人眼观察视角的变化特性。•TN液晶–无外电场，每个像素液晶分子平行基板平面(x,y)平面，绕基板法线z轴扭曲一定角度–电场超过临界值，液晶分子长轴从垂直于z轴沿电场方向转过一个角度，造成不同视角光程差nd不同。–液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光线设计•视角增加，对比度下降，甚至阶调反转，变成负像观察角度不同，对比度、颜色、辉度均不同39光学薄膜相位差补偿技术•以TN常白模式为例，无电场，亮态，透过特性与视角关系不大。•有电场，暗态，液晶分子基本垂直玻璃基板表面，一般为正性双折射，透过率与视角关系十分灵敏。•在液晶观察面上贴负性双折射的相差膜补偿。•工艺简单，成品率高，成本低，可扩大视角范围•相位差膜折射率分布固定，只能对某个电压范围的液晶进行有效补偿TN液晶相位差光学补偿原理40准直背光源&漫散射观察屏•在LCD观察面放置一块漫散射观察屏，可降低LCD对比度沿方位角分布的不均匀现象，但对比度下降严重。•采用准直光作为LCD的背光源，对比度大大提高。•普通边光冷阴极荧光灯背光源，输出光与角度呈余弦分布，可以在表面黏贴一层由二维的微光学单元组成的特殊薄膜，使背光源输出光在水平和垂直方向的发散角在10，近似为准直光源。41水平切换(In-PlaneSwitching:IPS)•电极位于同一片玻璃基板，上下偏置片方向垂直–无电场，液晶分子在两基板之间均匀平行排列，暗态。–当施加电压，液晶分子旋转扭曲，亮态–可使视角扩大到160–必须在同一片玻璃基板制作梳状电极，导致对比降低，需要加强背光源的亮