第三章液晶显示技术

null第三章 液晶显示技术第三章 液晶显示技术液晶显示的发展历史 1888奥地利植物学家F.Reinitge首先观察到液晶现象：在测定有机物熔点时，发现某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊液态阶段，继续加热，才称为透明的各向异性。 1889年德国物理学家O.Lehmann观察到同样现象，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”。 1961年，美国RCA公司的G.H. Heimeier将染料与向列液晶混合，夹在两片透明带电玻璃基片内，施加几伏电压，液晶盒就由红色变成透明态。液晶显示的特点 优点 低压、微功耗 平板结构 被动显示型 显示信息量大 易于彩色化 长寿命 无辐射、无污染 缺点 显示视角小 响应速度慢 由于是非主动发光，暗时看不清第三章 液晶显示技术第三章 液晶显示技术3.1. 液晶的基本知识 3.2. 液晶的应用物理特性 3.3. 液晶的光学特性 3.4.液晶显示器件的基本结构及主要性能参量 3.5.常用的液晶显示器件 3.6.液晶显示器件的驱动技术 3.7.液晶显示器件的主要材料及制造工艺 3.8.液晶显示技术的最新进展3.1. 液晶的基本知识3.1. 液晶的基本知识液晶－物质的第四态 有些有机材料加热至熔点后不直接从固体转变为液体，而是先要经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间态外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射特性。 这些处于中间状态的物质，一方面具有象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，处于中间状态的物质仍保留着晶体的某些有序排列，只有这样才会在宏观上表现出物理性质的各向异性。这样的有序流体就是液晶。 液晶－物质的第四态液晶－物质的第四态液晶的分类（由形成分类）液晶的分类（由形成方法分类）热致液晶：当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体。 溶致液晶：将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。热致液晶热致液晶按热致液晶物质随温度变化而引发的物质变化过程分类 互变性液晶: 单变性液晶 按分子排列有序状态不同分类 向列相液晶(nematic)，又称丝状液晶 近晶相液晶(smectic)，又称层状液晶 胆甾相液晶(cholestevic)，也称螺旋状液晶null近晶相液晶向列相液晶胆甾相液晶null近晶相液晶(smectic)，又称层状液晶 其结构是由液晶棒状分子聚集一起, 形成一层一层的结构. 其每一层的分子的长轴方向相互平行. 且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角. 由于其结构非常近似于晶体, 所以又称做近晶相. 其秩序参数S(order parameter)趋近于1. 在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂 ,所以层与层间较易滑动. 但是每一层内的分子键结较强, 所以不易被打断. 因此就单层来看, 其排列不仅有序且黏性较大。 近晶相液晶一般不用于显示。 null向列相液晶(nematic)，又称丝状液晶 由长径比很大的棒状分子组成，偏光显微镜下常见结构是丝状。 这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列, 所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向(也就是指向矢)作为主轴并相互平行排列. 而且不像层状液晶一样具有分层结构. 与层列型液晶比较其排列比较无秩序, 也就是其秩序参数S较层状型液晶较小. 另外其黏度较小, 所以较易流动(它的流动性主要来自对于分子长轴方向较易自由运动)。在光学上具有单轴晶体光学特性。 在电学上具有明显的介电各向异性。 故可以利用外加电场对具有各向异性的向列液晶进行控制，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。null胆甾相液晶(cholestevic)，也称螺旋状液晶 这个名字的来源,是因为它们大部份是由胆甾醇的衍生物所生成的. 但有些没有胆甾醇结构的液晶也会具有此液晶相. 这种液晶如果把它的一层一层分开来看, 会很像向列液晶.  这类分子呈偏平状，排成层，分子长轴平行于层平面，不同层内分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。在向列相液晶中加入旋光物质，会形成胆甾相液晶，在胆甾相液晶中加入消旋向列相液晶，能将胆甾相液晶转变为向列相。 胆甾相液晶的螺距为300nm，与可见光波长同量级，该螺距会随着外界温度、电场条件而变化，螺旋方向既可左旋也可右旋。null胆甾相液晶(cholestevic) 独特的性质： 呈负性的单轴光学特性，光轴与分子层垂直； 它的旋光性很强达每mm几万度，远高于石英晶体； 它的螺距极易受外力而改变，故可用调节螺距的方法对外界光进行调制。 当入射光与光轴成θ夹角照射时，满足布拉格干涉方程的入射光才能产生强干涉，成为“反射”光。 即，在白光垂直层面入射时，仅有入射波长等于螺距的整数倍的光才能被反射，即具有选择性光反射特性；如果改变白光入射角度，则反射光的颜色也会改变；对于温度不同，螺距不同，反射光颜色也随之不同。－胆甾相液晶可制作感温变色的测温元件。3.2. 液晶的应用物理特性3.2. 液晶的应用物理特性液晶的各向异性 各向异性产生的原因 对液晶各向异性的描述 各向异性带来的用途 有序参量 电场中液晶分子的排列 介电各向异性 使液晶分子排列发生变化的临界电场液晶的各向异性液晶的各向异性各向异性产生的原因： 从分子角度观察，液晶分子一般均为刚性棒状分子。其长短轴具有不同的性质，成为极性分子。 由于分子力学作用，使液晶分子集合在一起时，处于自然状态下的分子长轴总是互相平行的，而分子重心则呈自由状态。 从宏观上观察，液晶具有液体的流动性和晶体的各向异性，沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性质出现不同。null各向异性的描述： 平行(//)方向：沿分子长轴方向－指液晶分子集合体的平均长轴方向。 垂直(┴)方向：沿液晶分子集合体的平均短轴方向。 指向矢(n)方向：在向列液晶中长轴的平均方向也可以看作该液晶的指向矢方向。 沿分子长轴平行方向的物理量，均称为平行方向物理量，而与分子长轴垂直的物理量称为垂直方向物理量。各向异性的大小和方向用它们的代数和表示。 如介电各向异性可表示为： 若 ，则为正介电各向异性； 若 ，则为负介电各向异性。null各向异性带来的用途： 由于液晶的各向异性，又加之其弹性系数又很小，故在外场作用下，分子的排列极易发生变化。 如在外加磁场和电场作用下，液晶的指向矢会沿外电场和外磁场的方向重新排布。液晶显示器件就是根据这一理论的。 如：当没有外电场的情况下，液晶分子因边界条件其指向矢为沿玻璃表面平行排列。若施加一个电场E，若液晶分子具有正介电各向异性，就会使液晶分子长轴方向趋于E方向，引起分子转动，变为垂直于玻璃表面，这就是液晶可以用于TN型显示的基本道理。有序参量有序参量分子排列越整齐，该物体整体各向异性就越明显，然而，不论用什么方法，在什么条件下，液晶分子的排列都不可能百分之百一致。 我们称这种分子排列的有序程度为“有序参量”，用“S”表示。 定义式中θ为分子长轴与指向矢单位矢量的夹角。 有序参量与液晶材料、温度有关，温度上升，有序参量下降，也会导致液晶显示器件显示质量的下降。 一般定义各向同性的液体的有序参量为0；理想平行排布的晶体，有序参量为1(仅在0ºK时)。而液晶的S为0.3~0.8之间。 S为液晶本身的特性，不受外力和外场的影响。 有序参量S的大小直接影响整体液晶的折射率、介电常数、磁化率等各向异性的大小，影响液晶显示器件的性能。3.3. 液晶的光学特性3.3. 液晶的光学特性光的偏振和晶体光学相关知识 光是一种电磁波 自然光和偏振光光的偏振和晶体光学相关知识光的偏振和晶体光学相关知识光的偏振 偏振光：光的矢量方向和大小有规则变化的光为偏振光。 线偏振光：传播中，光的矢量方向不变，其大小随相位变化的光。在垂直于传播方向的平面内，光矢量的端点轨迹是一直线； 圆偏振光：传播中，光矢量的大小不变，其方向规则变化，在垂直于传播方向的平面内，光矢量的端点轨迹是一圆。 椭圆偏振光：传播中，光矢量的端点沿椭圆轨迹转动，则为椭圆偏振光。 任何一种偏振光，都可以用两个振动方向互相垂直，相位有关联的线偏振光来表示。 自然光：一切可能方位上振动的光波的综合。光的偏振和晶体光学相关知识光的偏振和晶体光学相关知识光的偏振 部分偏振光：自然光在传播过程中，由于外界的影响，造成各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光为部分偏振光。 完全偏振光强度Ip：振动优势方向的强度与弱势(垂直方向)的强度的差Ip＝Imax-Imin。 偏振度P：完全偏振光在部分偏振光总强度中所占的比率 (Imax-Imin)/ (Imax+Imin)起偏器：能将自然光变成偏振光的器件。 检偏器：检验偏振光的器件。 消光比：检偏器相对被测起偏器转动时，最小透射光强与最大透射光强之比。3.3. 液晶的光学特性3.3. 液晶的光学特性液晶的双折射特性和光学性质 单轴的光学各向异性为液晶带来特有的光学特性 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴(即指向矢n)方向偏转； 能改变入射光的偏振状态或偏振的方向； 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或透射液晶的双折射特性和光学性质液晶的双折射特性和光学性质(b) 胆甾相液晶(光学负液晶)(a) 近晶液晶和向列液晶(光学正液晶)液晶的双折射特性和光学性质单轴的光学各异性为液晶带来特有的光学特性 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴(即指向矢n)方向偏转； 在液晶中， ，所以入射光中平行n方向的光速就大于垂直与n方向的光速，所以入射光在液晶中的传播方向将沿分子偶极矩n的方向偏转。 能改变入射光的偏振状态或偏振的方向； 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或透射 液晶显示器件基本上都是基于这三大光学特性而设计制造的。液晶的双折射特性和光学性质null 入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化 null 随着光线沿着z方向前进，偏振光相继成为椭圆、圆、椭圆和线偏振光，同时改变了线偏振方向。最后，这束光将以位相差所决定的偏振状态，进入空气中。 null在线偏振光入射到指向矢n有扭曲的液晶中时， 若线偏振光电矢量的振动方向与分子的指向矢在同一平面内且相互平行，则当液晶扭曲螺距远大于入射光波长时，入射光将沿平行于入射口的n的扭曲的方向发生旋转，并且以平行于出射口的线偏振方向射出。 若线偏振光电矢量的振动方向与入射面分子的指向矢n垂直时，则出射光的电矢量振动方向仍保持与出射面指向矢n相垂直。能改变入射光的偏振状态或偏振的方向3.4.液晶显示器件的基本结构及主要性能参量3.4.液晶显示器件的基本结构及主要性能参量液晶显示器件基本结构 液晶分子的沿面排列 液晶显示器的主要性能参量 电光特性(阈值电压/饱和电压/对比度/陡度/电光响应曲线/对比度与视角 ) 温度特性 伏安特性液晶显示器件基本结构液晶显示器件基本结构典型液晶显示器件的基本结构示意图（以扭曲向列液晶TN显示器件为例） 将两片已光刻好透明导电电极图案的平板玻璃相对放置在一起，间距6~7μm; 四周用环氧树脂密封，但在一侧封接边上留一个开口，通过抽真空，将液晶注入，然后将此口用胶封死。 在前后导电玻璃外侧，正交地贴上偏振片，构成完整液晶显示器件。液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列分子排列的种类 垂直排列、沿面排列、倾斜排列 混合排列：液晶分子相对一侧的基片面作垂直排列，而在另一侧基片面则沿水平排列。因而，液晶分子的排列在两块基片之间连续弯曲90º; 沿面扭曲：所有分子相对两侧基片面作平行排列，但在两极片面上的排列相互成90º。因而，液晶分子的排列在两块基片之间连续扭转90º; 沿面螺旋排列：液晶分子排列的螺旋轴与两侧基板表面呈垂直的排列。 焦锥排列：液晶分子的螺旋轴相对于两侧的基片面呈平行状态的分子排列。但其螺旋轴的方向不确定。液晶分子的沿面排列分子排列的种类 对于典型的7种液晶分子排列，都可以用三种基本分子取向处理过的导电玻璃基片进行不同组合来形成。 垂直取向处理┴ 平行取向处理// 倾斜取向处理/液晶分子的沿面排列液晶显示器的主要性能参量液晶显示器的主要性能参量阈值电压Vth:引起最大透光强度10%(负型)或90%(正型)的外加电压值(对交流则是外加电压的均方根值)。标志了液晶电子效应应有可观察反应的起始电压值。Vth越小，显示器件的工作电压越低，TN型的为1～3V，动态散射型DS的为5~10V。 饱和电压VS：对应于最大透光强度90%(负型)或10%(正型)的外加电压值。标志了液晶显示器件得到最大对比度的外电压值， VS小则易获得良好的显示效果，降低功耗。电光特性 电光曲线：液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度与外加电压的关系可用电光曲线来描述。 负型电光曲线：描述随外加电压增大，透光强度增加的曲线。 正型电光曲线：描述随外加电压增大，透光强度减小的曲线。液晶显示器的主要性能参量电光特性 对比度：最大透过强度与最小透过强度之比。 由于液晶分子排列有序参量不可能达到1，而偏振片的平行透光率与垂直遮光率也不可能达到100%，所以液晶显示的视觉效果不会达到白纸黑字的效果。一般液晶显示器件在白色光或日光照射下，对比度只有5:1～20:1。 陡度β和比陡度∆定义： 显然，陡度β>1，饱和电压与阈值电压越近，陡度越趋近于1，比陡度∆越大 。在无源点阵液晶显示中，β值决定了器件的驱动路数。液晶显示器的主要性能参量液晶显示器的主要性能参量电光特性 电光响应时间：对于正型电光曲线：上升时间τr为透光强度由90%降到10%所需的时间；下降时间τd为透光强度由10%升到90%是所需的时间。液晶显示器的主要性能参量null电光特性 对比度与视角：液晶显示器件图像的对比度随视角变化很厉害，右图为TN型液晶器件的对比度与视角的关系。 在等对比度曲线中，Cr=2时，图像勉强可以分辨；Cr＝5时，图像看上去相当好。液晶显示器的主要性能参量null温度特性：液晶器件的使用温度范围较窄，温度效应也较为严重，这是液晶器件的主要缺点。温度过高，液晶态消失，不能显示；温度过低，响应速度会明显变慢，直至结晶，使器件损坏。 普通型静态驱动型工作温度0ºC~40ºC; 普通型动态驱动型工作温度5ºC~40ºC; 宽温型器件，可使工作温度在高低端各扩展10ºC~20ºC 伏安特性：除了DS型液晶器件，实用的液晶显示器件均为电场效应器件。 以TN型为例，其内阻很高，电阻率为1010Ω/cm2以上，而电容只有几个pF /cm2 。所以工作电流不到1μA /cm2,是典型的微功耗器件。 TN型器件基本上是容抗性的，因此交流驱动时，驱动频率对驱动电流影响很大，一般驱动频率都控制在不产生闪烁的最低临界值上。液晶显示器的主要性能参量3.5.常用的液晶显示器件3.5.常用的液晶显示器件液晶显示的三种方式：反射式、透射式、投影式 动态散射液晶显示器件(DS-LCD) 扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD) 电控双折射液晶显示器件(ECB-LCD) 宾主效应液晶显示器件(GH-LCD) 相变液晶显示器件(PC-LCD) 超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD) 铁电液晶显示器件(FLCD) 固态液晶膜液显示器件(PDLCD) 多稳态液晶显示器件(MLCD) 有源矩阵液晶显示器件(AM-LCD) 液晶显示器件小结液晶显示的三种方式液晶显示的三种方式反射式：利用外光，节省功耗。以TN型液晶为例： 入射光先穿过液晶盒，后被反射器反射。 反射器由漫反射器及一个镜面组成，粘附在底玻璃外表面(有时也用锡箔充当反射器)。 两个偏振片正交。器件工作于正性显示时： 不加电：光通过偏振片变成线偏振光，经过液晶层，偏振方向旋转90°，刚好通过下偏振片到达反射器，反射回的光偏振性没有改变，再穿过液晶盒和上偏振片到达人眼。 加电：当电压足够高时，由于液晶分子与电场平行，光的偏振面不再发生旋转，光无法穿过液晶盒到达反射面。null透射式：将光源放在显示器之后，显示器调制入射光。以TN型液晶为例： 液晶盒上下两偏振片构成一对起偏器、检偏器：偏光轴互相平行，且都与顶部基片内表面处的液晶分子取向一致。 未加电场时(驰豫态)，入射光到达液晶盒底部，光的偏振面将与检偏器的偏光轴垂直，光线被遮挡，从背面看到的液晶盒不透明； 加外电场后，入射光经过液晶盒不发生旋转，能从检偏器透过，液晶盒如同透明。液晶显示的三种方式null投影式：液晶显示器起投影仪中幻灯片的作用，对投射光源起调制作用，也称液晶光阀。 早期液晶光阀与光敏层(光电导膜)组合在一起。光电导层接收不同光量时，电阻改变，从而调制加在液晶上的电压。后来采用可电写入CCD，现在多采用液晶盒加有源矩阵。近年来发展迅猛的LCOS中有源矩阵直接制作在单晶硅片上，尺寸可以很小。右图为一种液晶投影系统。液晶显示的三种方式扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)两块导电玻璃基板中间充入厚度约为10μm具有正介电各向异性的向列液晶(Np液晶)，液晶分子沿面排列，但分子长轴在上下基片之间连续扭曲90°，形成扭曲(TN)排列的液晶盒。 只要入射光波长远小于液晶盒的扭曲螺距和其折射率各向异性的乘积，光通过该液晶盒时，其偏振面产生的扭转就与光的波长无关。要使入射线偏振光通过液晶层后的光是线偏振光，必须满足：对于Np型液晶，分子长轴方向折射率大，所以入射光随分子长轴转过90°,从液晶出射。扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)若在液晶盒上加一个电压超过阈值Vth后，Np型液晶分子长轴开始沿电场倾斜，当电压达到2Vth时，除电极表面分子外，所有液晶盒两电极之间的液晶分子均变成沿电场方向排列。此时，TN型液晶的90°旋光性能消失。 TN液晶显示器件的工作电压阈值与介电常数和弹性系数的关系为： 显然Vth与液晶盒厚度无关； 选择大∆ε和小弹性系数可以减小Vth，实际使用的Vth约为2~3V。null扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)null应用：低档液晶显示器－笔段式数字显示器，如：液晶手表、数字仪表、电子钟、计算器。 主要缺点： 电光特性不陡，故工作于点阵显示方式下交叉效应严重，通常只适用于静态驱动或四路以下驱动的段形显示。 电光响应速度慢，100ms左右，只适于显示静止或慢变的画面，不能胜任视频显示。 光透过和关闭不彻底，对比度不理想。扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)为提高TN液晶显示器件的电光特性曲线的陡度，把扭曲角加大，当扭曲角大于90°，一般在180°～360°的液晶器件称为超扭曲向列(STN)液晶系列。 为维持大扭曲角，需要使用手性向列相液晶，将之填入液晶盒，在上下基片处，由于定向处理，液晶分子的指向矢是固定的，从而使螺距长度比本征值伸长或缩小，因螺距与掺杂浓度成正比，故螺距容易调节，适用于不同厚度的液晶盒。测量液晶盒中中央部分分子长轴的倾斜角θm随外加电压的变化曲线，可知总扭曲角β=270°时曲线的陡度无穷大。此时，陡峭的电光特性曲线使器件工作在1/480占空比下没问，对计算机等设备足够了。 null从结构上看TN型与STN型液晶盒差别不大，但实质上工作原理完全不同： STN液晶盒的扭曲角在270°附近。 STN液晶盒中上下偏光轴与上下基片分子长轴都不互相平行，而是成一个角度，一般为30°。TN液晶盒工作于黑白模 式，而STN液晶盒一般 工作于光程差为0.8μm 的情况下，干涉色为黄 色。加大于Vth电压时， 白光可透过液晶层，但 经过检偏镜时明显减 弱，液晶呈黑色外观， 称黑/黄模式。若检偏器 光轴与出射光侧液晶分 子长轴左旋30°，则为 白/蓝模式。超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)null为消除STN盒的天生干涉色，可有两种方法 两个STN重叠，分别为左旋、右旋，且相邻面上液晶分子沿面定向正交。－成本太高。 加滤色膜，－透过光损失大。超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)STN液晶是高端无源矩阵液晶显示器中最有用的材料，仍是世界上改进、研究的对象。 由于工作原理为光的干涉，不适于显示灰度。 选材和工艺均十分苛刻，因此成本比TN的高很多。液晶显示驱动技术液晶显示驱动技术液晶器件驱动电压特点液晶器件驱动电压特点液晶器件的电极连接液晶器件的电极连接液晶显示器件的电极连接液晶显示器件的电极连接段形显示像素 显示像素为一长棒形，也称笔段形，常用7段显示，显示数字，英文字母，汉字等。显示内容为静态，类似数码管，但功耗比数码管低。 普通点阵矩阵电极排布 x方向和y方向的两组平行直线，电极分布于前后玻璃基板上。 x电极常称为行电极，扫描电极。 y电极常称为列电极，信号电极。 点矩阵的外引线为不同需要而不同。 为扩展驱动能力，电极排布也有不同。有源矩阵电极排布： 1. 普通点矩阵又称无源矩阵。 2. 有源矩阵中，每个像素都连有一 个有源器件。矩阵电极和有源器件 均在玻璃基板上，上侧玻璃基板上 只有一个公用电极。普通点阵液晶显示器件的静态驱动技术普通点阵液晶显示器件的静态驱动技术三种静态驱动方法 笔段式数码显示 棒形模拟显示 示波器显示的静态驱动 静态驱动器原理静态驱动：像素前后电极上施加电压信号时成显示状态，不施加电压时呈非显示状态。适用于静态驱动的多是总引线数比较少的情况。静态显示不会出现动态显示中的种种缺点，如：亮度、对比度下降和视角变小，但是对于一般大容量显示器件，却因为它需要极多的外电极引线而无法应付，难以实现。静态驱动原理---笔段式数码显示静态驱动原理---笔段式数码显示数码七划加小数点，共八个电极引出线。 背后的电极称为位电极，或背电极，用一根电极引线互相连接，若n位数显示，需电极引线8n+1根。 每个数码需配一个译码器，驱动电压为3~5V，频率32Hz、167Hz、200Hz。 工作时背电极COM上连续加占空比为1/2的连续方波，在要显示的笔段上施加图中CEG2所示波形，不要显示的笔段上施加图中CEG1所示波形。 用方波电压加一个异或门实现，B为异或门的输入端，方波电压同时加在B和COM上， A端为高电平时，输出端电压与B相反相，该段为显示状态；A端为低电平时，输出端电压与B同相，该段为非显示状态； 控制了A的电平高低，就控制了笔段的显示与否。普通矩阵液晶显示器件的动态驱动技术普通矩阵液晶显示器件的动态驱动技术简单的动态驱动技术： 无源矩阵的动态驱动技术 无源矩阵：由液晶上、下玻璃基片内表面的水平直线电极组和垂直直线电极组所构成。 水平电极：X电极，扫描电极，将被按时间顺序施加上一串扫描脉冲电压。 垂直电极：Y电极，选址或选通电极，将与X扫描电极同步，分别输入选通电压波形，及非选通电压波形。 所有行被扫描一遍后，所有被选通像素点组成一幅画面，故画面中各行的像素是在不同时间段被选通的，有可能造成图像亮暗不均，动态驱动技术称为时间分割显示。 m行n列矩阵对应n×m各像素，采用动态驱动技术只需n+m根引线。 扫描所有行电极的时间为帧周期。扫描一行的时间与帧周期之比为占空比，为扫描电极数的倒数，扫描行越多，占空比越小，根据液晶器件的电能蓄积效应，液晶响应就越不充分。 无源矩阵驱动的缺陷之一----交叉效应无源矩阵驱动的交叉效应无源矩阵驱动的交叉效应交叉效应(crosstalk)：原指多路通信中两条互不相干线路之间的“串音”现象。在液晶显示器的多路驱动中也有类似的现象。 液晶是容性高阻材料，夹在X,Y电极群中的每个液晶像素可等效成一个高阻与一个小电容并联的阻抗，于是全部矩阵单元成为立体电路，各像素间就有了电耦合的途径。 液晶器件电光曲线陡度不够以及具有的双向导通特性是产生交叉效应的主因，这样外加电压只有根据阻抗来分配电压。交叉效应所造成的不良后果主要表现在： 选择点与半选择点电压接近，当外加电压超过阈值电压后，半选择点也会逐渐呈显示状态，对比度下降； 半选择点与非选择点上电压不一致，造成画面不均匀。null抑制交叉效应的措施抑制交叉效应的措施抑制交叉效应的措施抑制交叉效应的措施nullnullnullnullnullnullnull引出期望：设计一种非线性有源器件，使每个像素可以独立驱动，从而克服交叉效应，实现多路视频画面。若该非线性器件还有存储功能，则还可以解决由于占空比变小而带来的种种问题。 有源矩阵(Active Matrix)液晶显示器件，可根据有源器件的种类分类。三端有源方式由于扫描输入与寻址输入可分别优化处理，故图像质量好，但工艺制造复杂，投资额度大。 以薄膜晶体管(Thin Film Transistor)TFT为主。 单晶硅片价格昂贵，不适于制作大画面显示屏。但随着集成电路技术的进步，在投影液晶显示器中很受重视LCOS。 二端有源方式，工艺相对简单，开口率较大，投资额度小，但图像质量略差。 以MIM金属－绝缘体－金属二极管方式最实用。有源矩阵液晶显示器件(AM－LCD)null二端有源器件 二极管寻址矩阵液晶显示：在像素上串联一个二极管，使像素电路具有非线性特性，可突破扫描行数存在的极限问题.有源矩阵液晶显示器件(AM－LCD)二极管寻址矩阵液晶显示屏等效电路： 未扫描的电极为负电平，只有被扫描的电极才为零电压； 未寻址的列为零电压，被寻址的列为负电平。 除被选择的像素外，所有的二极管均处于反偏状态而截止，这些像素上没有电压，安全消除了交叉效应。null三端有源器件 TFT－LCD使液晶显示器件进入高画质，真彩色显示阶段。 三端有源矩阵液晶显示器件的工作原理：玻璃基板与普通液晶显示器不一样，在下基板上要光刻出行扫描线和列寻址线，构成一个矩阵，在其交点上，制作出TFT有源器件和像素电极，其工作原理如图。 同一行中与各像素串连的场效应管FET的栅极是连在一起的，故行电极X也称栅极母线； 信号电极Y将同列中各FET的漏极连在一起，称为漏极母线。 FET的源极与液晶像素电极相连，为增加像素驰豫时间，对其还并联一个合适的电容。 有源矩阵液晶显示器件(AM－LCD)null三端有源矩阵液晶显示器件的工作原理： 当扫描到某一行时，扫描脉冲使该行所有FET导通，同时各列将信号电压施加到液晶像素上，即对并联的电容器充电。 这行扫描过后，各FET处于开路状态，不管以后列上信号如何变化，对未扫描行上的像素均无影响，即信号电压可以在液晶像素上保持近一帧时间。使占空比达到100%，而与扫描行数N无关，这样就彻底解决了交叉效应及占空比随N增大而减小的问题。有源矩阵液晶显示器件(AM－LCD)3.7.液晶显示器件的主要材料及制造工艺3.7.液晶显示器件的主要材料及制造工艺液晶显示器的主要材料 液晶显示器的主要工艺 背光照明系统 彩色滤光片液晶显示器的主要材料液晶显示器的主要材料液晶 平板玻璃 透明导电玻璃－ITO膜(Indium Tin Oxide氧化铟锡) 偏光片 取向材料液晶显示器件的主要工艺液晶显示器件的主要工艺光刻：为形成显示矩阵或显示字符图案，要对透明导电层进行光刻。 取向排列工艺：用于使两玻璃片内表面处液晶分子的排列方向符合预定方向。 丝网印刷制液晶盒工艺：制盒即上下两玻璃基片贴合，在此前需要用丝网印刷技术把公共电极转印点和密封胶印刷到显示玻璃基板上。 灌注液晶及封口工艺：抽真空、灌注液晶、封口。背光照明系统背光照明系统液晶显示器件是被动型显示器件，它本身不会发光，是靠调制外界光实现显示的。外界光是液晶显示器件进行显示的前提条件。因此，在液晶显示装配、使用中，巧妙地解决采光，可以保证和提高液晶显示的质量，一般液晶显示的采光技术分为自然光采光技术和外光源设置技术。 背光源采光技术的两大任务是： 1.使液晶显示器件在有无外界光的环境下都能使用； 2.提高背景光亮度，改善显示效果。 常用的背光照明系统 冷阴极荧光灯(CCFL)背光照明系统 发光二极管背光照明系统(LED) 电致发光(EL)背光照明系统 背光模组背光照明系统背光照明系统发光二极管背光照明系统(LED)： 特 点：寿命长，>100,000小时；亮度调节简便；是常用的背光方式； 四种不同的布局可适合各种不同模块的采光需求。 LED被安装在导光板左右两边 LED被安装在导光板上边 LED被安装在导光板上下两边 LED被绑定在背光板内，可提供更均匀的背光。发光二极管背光照明系统(LED)：： 体积更薄：SONY推出的VAIO TX笔记本采用了厚度仅有4.5mm的LED背光液晶显示屏。 寿命：LED10万小时。 颜色表现：轻松地获得超过100％的NTSC色彩区域 。发光二极管背光照明系统(LED)：发光二极管背光照明系统(LED)发光二极管背光照明系统(LED)NEC采用LED背光源的21.3英寸LCD 三星采用LED背光源的46英寸LCD TV在美国旧金山举办“SID 2006”展示会上，德国的Osram Opto Semiconductors公司展示了最新开发的使用LED背光单元的102寸液晶面板。 发光二极管背光照明系统(LED)发光二极管背光照明系统(LED)：现阶段的CCFL发光效率基本都在60lm/W左右，而大型化的LED背光则只有30lm/W。 ：由于在大尺寸背光发光效率上的差距达到了50％，因此LED背光用在大尺寸面板上所需要的功耗将会是普通CCFL的2倍!这也是现在成品化的大尺寸LED背光LCD都搭配了主动散热系统的原因。背光照明系统背光照明系统电致发光(EL)背光照明系统 特 点：能提供亮度高且均匀的背光；背光板很薄，一般小于1mm，因此对整个发光面板的厚度影响不大；在正常的驱动条件下初始亮度高，其亮度的半衰期为5,000～8,000小时；颜色为蓝-绿色，绿色以及橙色等，用滤光片还可以实现白色或其他颜色。虽然亮度比CCFL低，但已广泛应用于中小型LCD器件。 背光照明系统背光照明系统冷阴极荧光灯(CCFL)背光照明系统 冷阴极灯管在一玻璃管内封入隋性气体Ne+Ar混合气体，其中含有微量水银蒸气(数mg)，并于玻璃内壁涂布萤光粉，于二电极间加上一高压高频电场，则水银蒸气在此电场内被激发即产生释能发光效应，放出波长253.7nm的紫外线光，而内壁的萤光粉原子则因紫外线激发而跃迁至高能态，当原子返回低能态时放射出可见光(此可见光波长由萤光物质特性决定)。 特点：高亮度，可达3,000～4,000cd/m2;长寿命，寿命可达30,000至50,000小时;低发热量，在节电性能方面也相当令人满意。 背光照明系统背光照明系统除了结构复杂、亮度输出均匀性差之外，采用CCFL作为LCD背光源还有个让人头痛的问题——使用寿命短。绝大部分CCFL背光源在使用2～3年之后亮度下降非常明显，许多LCD在使用几年后会出现屏幕变黄、发暗的现象，这正是CCFL使用衰减期较短的缺陷造成的。背光照明系统背光照明系统冷阴极荧光灯(CCFL)背光照明系统 特点：亮度高、功耗低；适用于大面积显示所需的背光；色还原较好(普通的冷阴极荧光管一般只能够达到NTSC色域的78 %)；亮度可调节；平均亮度半衷期为20,000小时。 布局： 直下式(反射式) CCFL 侧入式(侧导光式)CCFLnullnullnullnullnullnull背光模组背光模组导光板：其最主要的功能在于要将光线导向设计者所需要的方向，而所有的导光板的设计都是要配合下游产品LCD和背光模块的需要，最重要的是要达到辉度和均匀度。 导光原理：光线在导光板中以全反射传输，遇到分布在底部的散射颗粒时便发生散射，使光线折射出板外。背光模组背光模组反射板：将没有直接散射出去的杂乱光线再次引入导光板以提高光源的利用率 反射板种类： 金属反射：金属的导电系数越高，光的穿透深度越小，反射率越高。因此金属反射材料多使用高导电系数的金，银，铝和铜 白色塑料反射：一般为PET+TIO2 背光模组背光模组扩散板： 由扩散物质的折射与反射将光雾化 将光由小角度出射集中到正面 提高正面辉度 把光线形成漫反射并均匀扩散 背光照明系统背光照明系统背光源在LCD中的成本随LCD的不同而不同，但其所占比例一直在LCD中占很大比重，如下图所示：背光照明系统背光照明系统光源模组中最核心的技术为导光板的光学设计技术，目前主要有印刷型和射出成型（也称为注塑型）二种导光板形式，其它如射出成型加印刷，激光打点，腐蚀等占很少比例，不适合批量生产原则。 两种应用较广的设计技术中，印刷形因为其成本低，在过去较长时间内成为主流技术，但合格品不高一直是其主要缺点，而目前LCD产品要求设计出更精密的导光板结构，射出成型形导光板必然成为背光源发展主流，但相应的模具技术难题只有少数大厂能够克服。彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜(CF)对彩色滤色膜的要求 三基色有高饱和度，高透明度，白平衡好。 高对比度 平整度好 高热学稳定性，光学稳定性、化学稳定性。 彩色滤色膜的制造工艺 彩色TFT－LCD显示器基本结构 液晶彩色滤色膜基本结构彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜(CF)CF的R\G\B三种配置方法彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜的制造工艺 颜色分散法：将颜色分散在感光胶中，通过掩模曝光，被曝光部分感光胶聚合，变成非水溶性，显影后留下，其余部分被冲洗掉，如此重复三次，形成彩色膜。 彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜的制造工艺 染色法：将可染色的光敏聚合物涂在玻璃基板上，通过掩模曝光，用水冲洗，形成透明的图案，该图案用酸或活性染料染色。染色后的图案用硬化剂进行处理，防止每种颜色色移，即形成一种颜色，同样对于RGB三色需要重复三次。 印刷法：用印刷法制作彩色滤光片的工艺有网版印刷、橡胶版印刷、胶印法印刷和凹版印刷四种。印刷法的优点是低成本、生产率高，适合于各种规格的产品。缺点是产品分辨率较低，表面平坦性较差。 电镀法(电沉积法)：将ITO 电极的图案制作得与像素配置方式完全一致，并将同种颜色的电极图案连在一起电镀。电镀槽内放入色料和树脂胶粒组成的分散体系，通电后涂料便沉积在透明导电层上。使用三种不同的色料分三次电镀，便得三色膜。彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜(CF)彩色滤色膜的制造工艺对比： 用染色法生产的产品色纯度好、对比度高，但耐热性差； 用电镀法生产的产品表面平坦性好，但ITO 电阻的变化会引起C F 性能的变化，而且对ITO 的均匀性要求较高； 印刷法生产的产品分辨率低，目前最小线宽只能做到70μm ，表面平坦性差。 颜料分散法将颜料直接分散在光刻胶内，工艺比较简单，产品性能优异，是目前最常用的也是发展较快的一种技术，不过此种方法对颜料及颜料光阻的性能要求较高。 黑色矩阵：黑矩阵的主要作用是防止漏光、增大对比度，通过增大开口率提高光利用率和降低能耗。利用真空溅射Cr膜作黑矩阵是目前最常采用的方法，其优点是膜薄而质密，缺点是成本高、生产工艺复杂、反射率高和不利于环保。目前正在研究开发用黑色树脂代替Cr做黑色矩阵的技术。彩色滤色膜(CF)3.8.液晶显示技术的最新进展3.8.液晶显示技术的最新进展LCD宽视角化技术的进展 低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs 最新液晶电视行业实例LCD宽视角化技术的进展LCD宽视角化技术的进展视角：指观察角度与显示面板法线方向之间的夹角。 对于同一种液晶分子的排列状态,视角不同,液晶分子的可视形貌也不同,所观察到的透射光的强度也不同,看到的光学效果也随之变化,表现出光学各向异性现象,如图1 所示。 视角越小,光学各向异性越小;反之,视角越大,光学各向异性越大。因此造成对于同一种液晶分子的排列状态,在不同视角下,有效光程差Δnd 不同的结果。LCD宽视角化技术的进展LCD宽视角化技术的进展解决方法： 补偿膜式：一种在液晶盒的表面上加贴一片一定数值的光学各向异性的薄膜以改善视角特性的方法。 低扭曲角和低Δnd 设计LCD 改变液晶分子排列方式 IPS模式（平面控制模式） MVA＆PVA模式（垂直取向模式）补偿膜TN尚需提高性能 IPS器件需要改善成品率； VA器件尚需降低价格。LCD宽视角化技术的进展LCD宽视角化技术的进展改变液晶分子排列方式 平面控制模式(IPS) ：把控制液晶分子偏转的一对电极都做在同一基板上,利用施加在这一对电极之间的横向电场来控制液晶分子的状态,使液晶分子在平行于基板的平面内旋转,产生扭曲形变。该模式的起偏器和检偏器的方向互相垂直,指向矢的方向与起偏器方向相同,所以无电场时液晶显示器为暗态;在施加电场时,光线在通过扭曲的液晶层时受到调制,电场不同,光的透过率不同,如图所示。LCD宽视角化技术的进展LCD宽视角化技术的进展垂直取向模式(MVA和PVA) MVA多畴垂直取向模式 首先在液晶显示器的上、下基板上均匀形成很多小凸起,使液晶分子垂直取向,起偏器和检偏器的方向互相垂直,所以无电场时液晶显示器为暗态;当施加电压时,这些凸起间产生倾斜电场,使液晶分子偏离垂直取向,在每个像素点上形成多个不同的畴,导致光的透过率增加,从而使通过液晶显示器的光线受到外场的调制, 显示出彩色图像。LCD宽视角化技术的进展LCD宽视角化技术的进展垂直取向模式(MVA和PVA) PVA电极花样垂直取向模式 利用边缘电场与垂直排列结合的扩展视角技术,也较好地解决了液晶显示器的视角问题。在PVA 模式中,起偏器与检偏器相互垂直,液晶分子垂直取向,并附加光学补偿膜。上下基板的ITO 层被刻成带缝的花样,如图所示。上下基板加上电压时,就产生倾斜的电场,使液晶分子形成多个畴区,以几个方向向下倾斜,透光率增加,视角特性得到改善。低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅LTPS: Low Temperature Ploy Silicon 的缩写，一般情况下低温多晶硅的制成温度应低于摄氏600度，尤其对LTPS区别于a-Si制造的制造程序“激光退火”（laser anneal）要求更是如此。 p-Si 与 a-Si的显著区别是LTPS TFT在制造过程中应用了激光照射。LTPS制造过程中在a-Si层上进行了激光照射以使a-Si结晶。由于封装过程中要在基板上完成多晶硅的转化，LTPS必须利用激光的能量把非结晶硅转化成多晶硅，这个过程叫做激光照射。 低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDsLTPS TFT和α-Si TFT相比有以下优点。 速度快： p-Si分子结构排列整齐而有方向性，与 α-Si杂乱的排列方式不同，因此电子可以以较高的速度移动。α-Si的电子迁移率为0.5~1cm2/Vs，而p-Si的电子迁移率高达600～700cm2/Vs.低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDsLTPS TFT和α-Si TFT相比有以下优点。 产品轻薄：由于p-Si也可做驱动电路，因此可将周边驱动电路制作在玻璃基板上，而α-Si不行。故LTPS TFT更适合使用在便携式产品上。 成本低：由于LTPS TFT将驱动电路集成在面板内，因此可降低成本。下一阶段在技术成熟后，还可将内存、数模转换器也集成到面板上，成本的降低将更为明显。如果成品率达到与α-Si TFT相当时，则生产成本可降低20％以上。 耗电省： LTPS TFT体积小，因此可以提升开口率。在同样亮度的情况下，可以用光强度较弱的冷阴极管，进而减小耗电。低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDsLTPS TFT和α-Si TFT相比有以下优点。 分辨率高：由于LTPS TFT体积较小，因此同尺寸产品可制造出更高分辨率的面板。当前中小尺寸分辨率可达200ppi(每英寸显示点数)的水平，比α-Si TFT的83~93ppi高出很多。低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDs低温多晶硅(LTPS)TFT-LCDsLTPS TFT和α-Si TFT相比有以下优点。 高可靠性：LTPS TFT周边驱动电路的接脚较少，故接线的连接点较少，使其产生缺陷的几率减小，增加了产品的可靠性。以12英寸XGA（1024*768）面板为例，采用α-Si TFT约需10～12 块驱动IC，接点数高达4000点。如果采用LTPS面板，则仅需200个接脚，因此可大幅降低因PIN脚接触不良而产生的故障。null 因为我们是靠控制液晶分子的偏转角度来开关像素的, 这就必然导致LCD只有一个最佳观赏角度—— 正视, 当从其他角度观看时, 由于背光可以通过旁边的像素进入人眼, 从而造成颜色的失真, 同时由于人眼所在方位的限制, 加上光的透射, 各个区域的像素给眼的光强度是不同的, 这就使眼睛感到不同区域的亮度不一样, 从而造成眼睛的不适。因此, 液晶显示器的视角问题是与生俱来的, 而有趣的是正是液晶屏的这个缺点让双视角液晶显示技术成为了可能。 双 视 电 视双 视 电 视双 视 电 视 双视电视设计的基本思路是将同一幅屏幕上的图像划分成奇数像素列和偶数像素列交替进行显示，同时在屏幕前方覆盖一块上面印有浅黑色垂直线条的透明塑料薄膜，用来保证两个观看区看到不同的画面。用户A和用户B之间的设计视角为40o，透明塑料薄膜上的浅黑色垂直线条虽然阻挡了一小部分光线，但不会使图像变暗，因为它可以用增大背景亮度的办法来补偿。 双 视 电 视双 视 电 视应用： 1.在公交车辆提供的双视电视上，乘客可以看到丰富多彩的电视节目，而司机则从其座位角度看到诸如导航信息等完全不同的画面。 2.另一应用是在办公室工作人员提防附近无关人员偷视的安全电脑显示器。当你在电脑显示器的正前方操作时，只要偷窥者不直接站在你的背后，其它方向的偷窥者是无法扫视到电脑屏幕上的任何内容的。 几款双视电视： 松下TH-65PV500C。这款电视的突出之处在于超大的视觉享受，即使分成“双视窗”后仍有很大的视窗范围 。 日立55PD8900TC。这款55英寸的等离子电视拥有可遥控旋转30度的底座 。 三洋新近推出的LCD-42CA6型高清液晶拥有珍珠白的时尚外观，用户可以在不同的频道设置不同的颜色、声音等的菜单，这样就能解决有的台太亮，有的台太暗或者换台时声量突然暴增的问题。