第3章 液晶顯示器件（LCD）,3 液晶顯示器件（LCD）,什么是液晶？,液晶的發現,液晶的發現可追溯到19世紀末，1888年奧地利的植物學家FReinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實驗時發現，當加熱使溫度升高到一定程度后，結晶的固體開始深解。但溶化后不是透明的液體，而是一種呈混濁態的粘稠液體，并發出多彩而美麗的珍珠光澤。當再進一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態粘稠的液體是什么呢？ 他把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發現這種液體具有雙折射性。 于是德國物理學家DLeimann將其命名為“液晶”，簡稱為“LC”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD。,液晶態是物質的一種形態,液晶實際上是物質的一種形態，也有人稱其為物質的第四態。 液晶分為兩大類：溶致液晶和熱致液晶。前者要溶解在水或有機溶劑中才顯示出液晶態，后者則要在一定的溫度范圍內才呈現出液晶狀態。 作為顯示技術應用的液晶都是熱致液晶。,3.1、液晶基本知識,1. 互變相變（可逆相變） 2. 單變相變,液晶分類（按熱致液晶分子排列狀態）,向列相液晶（Nematic）又稱絲狀液晶,向列液晶在偏光顯微鏡下的圖,向列型液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態。因為分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，所以像液體一樣富于流動性。正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料。,近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶,隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶,近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。層與層之間的作用較弱，容易滑動，因此具有二維的流動特性。近晶相液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這種液晶光學上顯示正的雙折射性。,膽甾相液晶（Cholestevic），也稱螺旋狀液晶,膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結構，但層內分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉一個角度。 液晶整體呈螺旋結構。螺距的長度是可見光波長的數量級。 由于膽甾型液晶的分子排列旋轉方向可以是左旋，也可以是右旋，當螺距與某一波長接近時，會引起這個波長光的布拉格散射，呈某一種色彩。 膽甾型液晶具有負的雙折射性質。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉變為向列相液晶。 膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。,3.2、液晶的光電特性,（1）液晶的各向異性 P型液晶 （0）正介電各向異性液晶 N型液晶（0）負介電各向異性液晶,液晶短軸方向,液晶短軸方向,外場作用下的取向,在外電場作用下，分子的排列極易發生變化，P型液晶分子長軸方向平行于外電場方向，N型液晶分子長軸方向垂直于外電場方向。 目前液晶顯示器主要應用P型液晶。 使液晶分子排列發生變化的臨界電場強度為,式中 為彈性常數，d為液晶盒的厚度。當液晶分子沿液晶合玻璃表面排列時， ；當液晶分子垂直于玻璃表面時， ；而當液晶分子扭曲排列時， 。 換算為電壓 即閾值電壓,（2）液晶的雙折射,以P型為例，長軸為光軸 向列液晶有 ，所以n0，即向列液晶一般都呈現正單軸晶體的光學性質。 膽甾型液晶具有負單軸晶體的光學性質，這是因為：,液晶器件所基于的三種光學特性,由于液晶具有單軸晶體的光學各向異性，所以具有以下光學特性： 1）能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉； 2）使入射的偏光狀態，及偏光軸方向發生變化； 3）使入射的左旋及右旋偏光產生對應的透過或反射。 液晶器件基本就是根據這三種光學特設計制造的。,（3）液晶的電光效應,液晶材料在施加電場（電流）時，其光學性質會發生變化，這種效應稱為液晶的電光效應。 液晶的電光效應在液晶顯示器的設計中被廣泛采用。目前發現的電光效應種類很多，產生電光效應的機理也較為復雜，但就其本質來講都是液晶分子在電場作用下改變其分子排列或造成分子變形的結果。,液晶的電光效應分類,3.3、動態散射（DS-LCD）型液晶顯示器件（1968年1972年）,在不通電的情況下，液晶盒呈透明狀態。 當通過低頻交流電時，當電壓超過閾值電壓Uth時，在液晶層內形成一種因離子運動而產生的“威廉疇（Williams）”，繼續增加電壓，最終會使液晶層內形成紊流和擾動，并對光產生強烈的散射。 DS液晶顯示器件是無偏振片結構，電流較大，一般在背面襯以黑色襯底。.,3.4、扭曲向列液晶顯示器件（TN-LCD）（1971年1984年）,屬第二代液晶顯示器件。它是最常見的一種液晶顯示器件。 將兩塊涂有導電透明電極氧化錮錫In2O3-SnO2（簡稱ITO）薄膜的玻璃板中間夾有介電各向異性為正的向列相液晶，厚度約為數微米。,玻璃基板表面做平行取向處理，即涂敷一層聚酰亞胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面開成方向一致的微細溝糟。在保證兩塊基板上溝糟方向正交的前提下，形成一個間隙為幾個微米的液晶盒。 由于內表面涂有定向層膜，在盒內液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于兩片玻璃內表面定向層定向處理的方向互相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈90扭曲，這就是扭曲向列液晶器件名稱的由來。,當入射光通過偏振片后成為線偏振光，在外電場作用時，由線偏光經過扭曲向列液晶的旋光特性決定，在出射處，檢偏片與起偏片相互垂直，旋轉了90的偏振光可以通過。因此呈透光態。 在有電場作用時，當電場大于閾值場強后，液晶盒內液晶分子長軸都將沿電場方向排列，即與表面呈垂直排列，此時入射的線偏振光不能得到旋轉，因而在出射處不能通過檢偏片，呈暗態。,這種黑色的顯示稱正顯示。同樣如果將偏振片平行放置，則可得到負顯示。扭曲效應的閾值電壓為 式中， 為彎曲彈性常數； 為扭曲彈性常數； 為展面彈性常為； 為上下玻璃基板平行處理后的扭曲角。由式可知 越大， 越小，有幾種 很大的液晶，可使 下降到1.0V左右。,TN-LCD工作原理,用TN-LCD制作的常用液晶顯示器件,1971年瑞士人發明了扭曲向列型(TN)液晶顯示器,日本廠家使TN-LCD技術逐步成熟，又因制造成本和價格低廉，使其在七八十年代得以大量生產，從而成為主流產品。在1979 年1984年間，其產量年均增長38%,成本年遞減18%，銷售額年增長12%，這使LCD在顯示器件領域的地位僅次于CRT。LCD的高速發展引起了世界電子業界的極大關注,對LCD技術研究投入的力量和資金與日俱增。 TN-LCD的信息容量小，只能用于筆段式數字顯示及低路數（16線以下）驅動的簡單字符顯示。,3.5、超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）（19851990年）,第三代液晶顯示器件。顧名思義，“超扭曲”即扭曲角大于90。 TN型液晶顯示器件缺點： 電光響應前沿不夠陡峭， 反應速度慢， 閾值效應不明顯。 使得大量顯示和視頻顯示等受到了限制。,圖3.5 TN-LCD響應速度,80年代初，人們經過理論分析和實驗發現，只要將分子的扭曲角增加到180270時，就可大大提高電光特性的響應速度。 隨著扭曲角的增大，曲線的斜率增加，當扭角達到270時，斜率達到無究大。 曲線斜率的提高可以允許多路驅動，且可獲得敏銳的銳度和寬的視角。,圖3.6 STN-LCD中中間層分子的傾斜角與約化電壓的關系,1985年1990年,LCD銷售額年均增長率達32%。此階段發展最快的是STN-LCD,它從發明到批量生產僅用了五年時間。 由于STN-LCD具有掃描線多、視角較寬、對比度好等特點 ,很快在大信息容量顯示的膝上型、筆記本型、掌上型微機及中英文打字機、圖形處理機、電子翻譯機及其它辦公和通信設備（手機）中獲得廣泛應用,并成為該時代的主流產品。 1990年銷售額15億美元,占整個LCD市場的83%。,3.6、有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）,屬于第4代液晶顯示器。 普通簡單矩陣液晶顯示器TN型及STN型的電光特性，對多路、視頻運動圖像的顯示很難滿足要求。 有所謂的“交叉效應”。由于每個像素相當于一個電容，必產生串擾。當一個像素被先通時，相鄰行，列像素將處于半選通狀態。,人們在第一個像素上設計一個非線性的有源器件，使每個像素可以被獨立驅動，克服了“交叉效應”。,圖3.3 MIM液晶顯示器件的電極排布,有源矩陣液晶顯示采用了像質最優的扭曲向列型液晶顯示材料。有源矩陣液晶顯示根據有源器件的種類分為二端型和三端型兩種。 二端型以MIM（金屬-絕緣體-金屬）二極管陣列為主； 三端型以薄膜晶體管（TFT）為主。,（1）MIM,在兩種導電膜之間夾一層氧化物絕緣層，其結構為Ta-Ta2O3-Cr，通電后兩導電膜之間電壓-電流必呈非線性，二端有源器件相當于一個雙向性二極管，正、反向都具有開關特性。 由于MIM面積相對于液晶單元面積小得多，故其等效電容CMIMCLC。其等效電阻RMIM是非線性的。,圖3.4 MIM液晶顯示器件等效電路,當掃描電壓和信號電壓同時作用于像素單元時，MIM器件處于斷態，RMIM很大，且CMIMCLC，電壓主要降在CMIM上； 當此電壓大于MIM器件的閾值電壓時，MIM進入導通狀態，RMIM迅速減小，通態電流對CLC充電； 當充電電壓均方值Vrms達到液晶的閾值電壓Vth時，液晶單元顯示。,當掃描移到下一行時，原單元上的外加電壓消失，MIM轉為開路，CLC通過RLC緩慢放電，以致于可以在一幀時間內維持VrmsVth，于是該單元不僅在尋址期內，而且在一幀時間之內保持顯示狀態，解決了簡單矩陣液晶顯示器隨著占空比下降其對比度亦下降的弊病。,（2）-SiTFT,屬于非晶硅-薄膜晶體管類型的三端有源矩陣液晶顯示器件。 它工藝簡單， 玻璃基板成本低， 導通比大， 可靠性高， 容易大面積化。,圖3.5 TFT有源矩陣驅動LCD的基本結構 1-顯示電極；2-玻璃基板；3-透明電極；4-液晶層； 5-MOSFET陣列；6-基板；7-信號存儲電容器；8-FET,同一般液晶顯示器類似，兩片玻璃板之間封入普通TN型液晶， 不同的是在玻璃基板上要放置掃描線和尋址線（行、列線），在交點上再制作上TFT有源器件和像素電極。上玻璃板是一共用電極，如果是彩色顯示，則還要在上面用微細加工方式（染色法，或印刷法）制作上與下面矩陣對應的R、G、B濾色膜。TFT的柵極G接掃描電壓主，漏極D接信號電壓，源極S接ITO像素電極，與液晶像素串聯，液晶像素可以等效成一個電阻RLC和一電容CLC的并聯。,圖3.6 TFT有源矩陣顯示器件像素等效電路及驅動波形 CGP-分布電容；CST-補償電容；RON-導通電阻；ROFF-截止電阻,當掃描脈沖加到柵極G時，使D-S導通，內阻變小，信號電壓產生大的通態電流ION，并使CLC很快充電到信號電壓。 當CLC充電電壓均方根值Vrms大于液晶像素的閾值電壓Vth時，該像素顯示，并通過RLC緩慢放電； 由這樣的“存儲效應”使一個幀周期內VrmsVth，即顯示占空比為1:1。 由于三端器件的通態電流更大，開路電阻更高，開關特性更陡，因此比二端器件的顯示性能也更好。,1985年后，由于超扭曲液晶顯示器的發明及a-SiTFT液晶顯示技術的突破，LCD技術進入了大容量化的新階段，使便攜計算機和液晶電視等新產品得以開發，并迅速商品化。LCD市場需求量大幅度增長。,3.7、背照燈,液晶顯示器是被動顯示器件，本身不會發光，往往工作在透光模式下。 因此，為了了獲得高對比度與全色顯示，需要采用背照明光源。 由于背照光源的功率是整個器件的90%以上，因此體積和功率是首先要考此的因素。,圖3.7 邊光式背光源結構圖,目前采用的背照光源主要有： 1）熱電致發光板EL 2）平板熒光燈（VFD） 3）冷陰極熒光燈（CCF） 4）平板場發射（FED） 5）有機電致發光（OEL）等。 照明方式又分為邊光式與背光式背光式兩種。,圖3.7 邊光式背光源結構圖,電致發光（EL）是一種冷光源，它是靠熒光粉在交變電場作用下的本征發光，但亮度低，壽命僅有5000小時。