光電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)第7章電光轉(zhuǎn)換現(xiàn)象與發(fā)光及圖像顯示器件

1、第7章 電光轉(zhuǎn)換現(xiàn)象與發(fā)光及圖像顯示器件光電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)目前主要的平板顯示器包括: 陰極射線管CRT (Cathode ray tube) 等離子體顯示板PDP (Plasma display panel) 液晶顯示器LCD (Liquid crystal displays)屬于被動(dòng)顯示也就是非輻射顯示 場(chǎng)發(fā)射顯示器FED (Field emission displays) 有機(jī)電致發(fā)光顯示器OLED (Organic light-emitting diode displays ) 平板顯示器的種類(lèi)平板顯示器的種類(lèi)7.1 發(fā)光二極管7.1.1 發(fā)光二極管的工作原理及結(jié)構(gòu) LED的全稱(chēng)Ligh

2、t Emitting Diode,即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED可以直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。LED工作原理內(nèi)容 LED（Light Emitting Diode）就是發(fā)光二極管，屬于一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件。它由兩個(gè)半導(dǎo)體（P型和N型半導(dǎo)體）和中間一個(gè)有源層組成。當(dāng)它兩端加上正負(fù)電壓時(shí)，電子開(kāi)始移動(dòng)并和空穴（帶正電的離子）結(jié)合產(chǎn)生輻射光，即直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED器件結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)高光效高節(jié)能光源快速響應(yīng)光源方向性好光色多，運(yùn)行成本低壽命長(zhǎng)，燈具結(jié)構(gòu)合理安全性高環(huán)保

3、7.1.2 發(fā)光二極管的特性及技術(shù)LED驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)1. 低電壓驅(qū)動(dòng)2. 過(guò)度電壓驅(qū)動(dòng)3. 高電壓驅(qū)動(dòng)4. 市電驅(qū)動(dòng) 無(wú)論是哪一種驅(qū)動(dòng)，LE照明主要是有恒壓和恒流的區(qū)別，目前恒壓設(shè)計(jì)會(huì)危害LED的未來(lái)發(fā)展，恒壓方式也是暫時(shí)的過(guò)渡，很快會(huì)被恒流技術(shù)取代。LED的配光技術(shù)LED的配光技術(shù)主要是指LED的光學(xué)設(shè)計(jì)，包括LED的初次光學(xué)設(shè)計(jì)和二次光學(xué)設(shè)計(jì)。二次光學(xué)設(shè)計(jì)涉及的配光器件分為聚光和反射兩類(lèi)。聚光器件包括：聚光透鏡和聚光杯。反射鏡繼續(xù)沿用傳統(tǒng)光源燈具的設(shè)計(jì)。散熱技術(shù)一直是LED的主要關(guān)注問(wèn)題之一，光源的工作溫度與其工作壽命密切相關(guān)。大功率LED散熱封裝技術(shù)分為：高散熱封裝結(jié)構(gòu)和覆晶式封裝結(jié)構(gòu)。

4、 LED廠商在散熱封裝上的具體做法包括降低封裝的熱阻抗、改善晶片外形、采用小型晶粒、改用矽質(zhì)封裝材料與陶瓷材料、改善LED的封裝方法等。LED的散熱技術(shù)7.1.3 LED的應(yīng)用領(lǐng)域LED的應(yīng)用領(lǐng)域7.2 液晶顯示器（LCD）什么是液晶？ 液晶態(tài)物質(zhì)既具有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性，又保留了晶體的有序排列性， 物理上呈現(xiàn)各向異性。液晶顯示器（LCD）液晶的發(fā)展歷史1850年 普魯士醫(yī)生魯?shù)婪蚍茽柦B（Rudolf Virchow）等人就發(fā)現(xiàn)神經(jīng)纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質(zhì)。 1877年 德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W拓雷曼（Otto Lehmann）運(yùn)用偏光顯微鏡首次觀察到了液晶化的現(xiàn)象。 1883年3月14日

5、植物生理學(xué)家斐德烈萊尼澤（Friedrich Reinitzer）觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時(shí)有兩個(gè)熔點(diǎn)。 1888年 萊尼澤反復(fù)確定他的發(fā)現(xiàn)后，向德國(guó)物理學(xué)家雷曼請(qǐng)教。當(dāng)時(shí)雷曼建造了一座具有加熱功能的顯微鏡去探討液晶降溫結(jié)晶之過(guò)程，而從那時(shí)開(kāi)始，雷曼的精力完全集中在該物類(lèi)物質(zhì)。 1888年 出版分子物理學(xué)，特別值得一提的是，在書(shū)中首次提出了顯微鏡學(xué)研究方法，通過(guò)對(duì)晶體顯微鏡和用它所作的觀察。 20世紀(jì) 化學(xué)家伏蘭德（D. Vorlander）的努力由聚集經(jīng)驗(yàn)使他能預(yù)測(cè)哪一類(lèi)的化合物最可能呈現(xiàn)液晶特性，然后合成取得該等化合物質(zhì)，于是雷曼關(guān)于液晶的理論被證明。 1922年 法國(guó)人弗里德（G. F

6、riedel）仔細(xì)分析當(dāng)時(shí)已知的液晶，把他們分為三類(lèi)：向列型（nematic）、層列型（smectic）、膽固醇（cholesteric）。 1930-1960年 在弗里德之后，液晶研究暫時(shí)進(jìn)入低谷。主要是由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液晶的實(shí)際應(yīng)用。但是，在此期間，半導(dǎo)體電子工業(yè)卻獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。為使液晶能在顯示器中的應(yīng)用，透明電極的圖形化以及液晶與半導(dǎo)體電路一體化的微細(xì)加工技術(shù)必不可缺。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的進(jìn)步，這些技術(shù)已趨向成熟。 液晶的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代，隨著半導(dǎo)體集成電路（integrated circuit）技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的小型化。上述技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于在液晶顯示裝置（dis

7、play）中的應(yīng)用是必不可少的，隨著材料科學(xué)和材料加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及新型顯示模式和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，液晶顯示技術(shù)獲得了快速發(fā)展。 液晶的發(fā)展歷史20世紀(jì)60年代 隨著半導(dǎo)體集成電路（integrated circuit）技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的小型化。 1968年任職美國(guó)RCA公司的發(fā)表采用DS（dynamic scattering，動(dòng)態(tài)散射）模式的液晶顯示裝置。在此之后，美國(guó)企業(yè)最早開(kāi)始了數(shù)字式液晶手表實(shí)用化的嘗試。 1971年 一家瑞士公司制造出了第一臺(tái)液晶顯示器。液晶的發(fā)展歷史7.2.1 液晶的分類(lèi)和特性近晶相液晶（S型）近晶相液晶由棒狀或條狀分子組成，分子排列成層狀，層

8、內(nèi)分子長(zhǎng)軸互相平行，其方向垂直于層面，或與層面傾斜排列。因分子排列整齊，其規(guī)整性接近晶體，具有二維有序，層內(nèi)分子之間作用力大，層間分子作用力小，每層厚度約23。近晶液晶粘度大，分子不易轉(zhuǎn)動(dòng)，即響應(yīng)速度慢，一般不宜作顯示器件。向列相液晶（N型）向列相液晶由長(zhǎng)、徑比很大的棒狀分子組成，分子質(zhì)心沒(méi)有長(zhǎng)程有序性，具有類(lèi)似于普通液體的流動(dòng)性，分子不能排列成層，能上下、左右、前后滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)軸方向上保持相互平行或近似平行。膽甾相液晶（CH）這是一種分子成扁平層狀排列的液晶材料，層內(nèi)分子互相平行，分子長(zhǎng)軸平行于層平面，不同層的分子長(zhǎng)軸方向稍有變化，沿層的法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)。向列相液晶與膽甾相液晶可

9、以互相轉(zhuǎn)換，在向列相液晶中加入旋光材料，會(huì)形成膽甾相，在膽甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能將膽甾相轉(zhuǎn)變成向列相。膽甾相液晶在顯示技術(shù)中很有用，TN、STN、相變(Pc)顯示都是在向列相液晶中加入不同比例的膽甾相液晶而獲得的。膽甾相液晶（CH）扭曲向列型液晶顯示器(TN-LCD)液晶分子沿面排列，分子長(zhǎng)軸在上下基板之間連續(xù)扭曲90，夾入兩電極基板之間，制成液晶盒，自然光經(jīng)起偏器變成直線偏振光，入射到液晶盒內(nèi)，被扭曲90，并通過(guò)下基板外的偏光軸與起偏器垂直的檢偏器，透光；當(dāng)兩電極之間加上一定的電壓時(shí)，液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)，最終成與基板成垂直排列，入射到液晶盒內(nèi)的偏振光，未被扭曲，不能通過(guò)檢偏器，不透光。

10、TN分子排布與通過(guò)光示意圖扭曲向列型液晶顯示器(TN-LCD)由于TN利用的是旋光特性，入射線偏振光通過(guò)液晶層后也必須是線偏振光，因此，光程差應(yīng)滿足： dn/2 一般d=10um n=0.20.4 dn=24um0.380.76um(可見(jiàn)光范圍)扭曲向列型液晶顯示器(TN-LCD)TN-LCD是目前最普通的一種液晶顯示器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝成熟，性能、壽命極其穩(wěn)定，價(jià)格非常便宜。但由于它的不陡的電光特性，在點(diǎn)陣顯示方式下交叉效應(yīng)嚴(yán)重，一般只實(shí)用于靜態(tài)或四路以下的動(dòng)態(tài)段式顯示中，目前最好的TN液晶器件也只能實(shí)現(xiàn)816路驅(qū)動(dòng)顯示。此外，響應(yīng)速度慢、視角窄也是它的主要缺點(diǎn)。由于以上缺點(diǎn)，TN-LCD一般

11、只能用于液晶手表、計(jì)算器、電子鐘、數(shù)字儀表等低檔電子產(chǎn)品中。超扭曲向列液晶顯示器件（STNLCD）超扭曲液晶顯示器件的電光特性非常陡峭，這大大提高了它的多路驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)扭曲角270時(shí)，曲線的陡度趨于無(wú)限大，理論上可以驅(qū)動(dòng)無(wú)數(shù)路，實(shí)際上工作于1/480占空比下沒(méi)有問(wèn)題。STNLCD這種優(yōu)良的特性大大擴(kuò)展了液晶顯示器件的應(yīng)用領(lǐng)域，自1984年發(fā)明這種顯示器件以來(lái)，STNLCD在初期的筆記本電腦、文字處理機(jī)、復(fù)印機(jī)、高檔儀表及其他需要漢字、圖形顯示的領(lǐng)域被廣泛的采用。目前應(yīng)用領(lǐng)域最大的是手機(jī)和PDA等通信產(chǎn)品，大部分手機(jī)都采用了單色或彩色STNLCD。液晶的光學(xué)及電學(xué)特性1. 介電系數(shù) ：2. 折射

12、率系數(shù)：3. 其他特性：液晶除了上述兩個(gè)主要特性外，還包含彈性常數(shù)、黏性系數(shù)、磁化率、電導(dǎo)系數(shù)等電學(xué)特性。7.2.2 TFT液晶顯示器的物理結(jié)構(gòu)和工作原理TFT液晶顯示器的物理結(jié)構(gòu)和工作原理7.2.3 液晶顯示器的制造工藝彩色濾光器組件玻璃基板加工工藝彩色濾光器組件玻璃基板加工工藝模塊裝配工藝TAB和COG連接方式ACF的連接方式7.2.4 液晶的性能及光學(xué)特性液晶的雙折射和光學(xué)性質(zhì)：液晶的主要特征之一是呈現(xiàn)光學(xué)單軸晶體性能。在給定一個(gè)波法線方向后，可以有兩種折射率不同、振動(dòng)方向互相垂直的光波，即o光和e 光，他們都是線偏振光。在向列相液晶及近晶相液晶中 n0= n ne= n nen0 n

13、= ne- no 0液晶顯示器的主要性能電光特性在TN液晶顯示器中，如果在液晶盒兩面放置相互正交的偏振片，在不加電壓時(shí)，透光強(qiáng)度最大，隨著電壓增加，透光強(qiáng)度減弱，此特性稱(chēng)為正性電光特性；若兩面放置的偏振片相互平行時(shí)，則電光曲線正好相反，此特性稱(chēng)為負(fù)性電光特性。（1）閾值電壓Vth ：透光強(qiáng)度變化10時(shí)的電壓，TN的Vth一般為13V（2）飽和電壓VS ：透光強(qiáng)度變化90時(shí)的電壓，飽和電壓越低，越易獲得好的顯示效果，功耗也可以降低（3）對(duì)比度： Tmax/Tmin TN、STN對(duì)比度 5：120：1 TFT對(duì)比度 250：1300：1（4）陡度和 VS/VTH = VTH/ (VS-VTH)=1

14、/(1-) VS越接近VTH，電光曲線越陡，趨于1，掃描線數(shù)可以越多， TN ，只能實(shí)現(xiàn)816路驅(qū)動(dòng)， STN ，可以實(shí)現(xiàn)128240路驅(qū)動(dòng)。液晶顯示器的主要性能電光特性對(duì)比度與視角如圖所示,液晶的對(duì)比度隨視角變化很厲害,當(dāng)Cr=2時(shí),圖象勉強(qiáng)可辨, Cr=5時(shí), 圖象就很清晰了。7.3 等離子體顯示器（PDP） 什么是等離子顯示器？是利用惰性氣體（稀有氣體）在一定電壓的作用下產(chǎn)生氣體放電，形成等離子體，而直接發(fā)射可見(jiàn)光?；蛘甙l(fā)射真空紫外線（VUV）進(jìn)而激發(fā)光致發(fā)光熒光粉而發(fā)射可見(jiàn)光的一種主動(dòng)發(fā)光型平板顯示器。1972年，Burroughs公司又研發(fā)出具有自掃描功能的DC-PDP板1995年N

15、HK與松下公司合作，采用內(nèi)置電阻結(jié)構(gòu)制作出107cm的高清DC-PDP7.3.1 等離子體的發(fā)展史（DC-PDP）美國(guó)伊利諾斯大學(xué)Bitzer教授等人研制出了AC-PDP等離子體的發(fā)展史彩色PDP的研究開(kāi)始于70年代中期，直到90年代，才突破了彩色化、亮度和壽命等問(wèn)題，進(jìn)入到實(shí)用化階段。其原因在于放電產(chǎn)生的離子轟擊熒光粉導(dǎo)致其老化速度快，壽命短，直到90年代末，共有3種主流的PDP放電方式，對(duì)向放電（ACM）、表面放電型（ACC）、脈沖存儲(chǔ)式直流驅(qū)動(dòng)型。等離子體的發(fā)展史7.3.2 PDP的分類(lèi)直流型(DC-PDP)：電極與氣體直接接觸的。交流型(AC-PDP)：電極用覆蓋介質(zhì)層與氣體相隔離。對(duì)

16、向放電型表面放電型AC-PDP基本結(jié)構(gòu)對(duì)向放電型：兩組電極分別制作在前后基板上，且彼此正交，每個(gè)交叉點(diǎn)形成一個(gè)放電單元，維持放電在前后基板間進(jìn)行。表面放電型(以三電極表面放電AC-PDP為例)：顯示電極（含透明電極和匯流電極）制作在前基板上，尋址電極制作在后基板上并與顯示電極正交，一對(duì)顯示電極與一條尋址電極的交叉區(qū)域就是一個(gè)放電單元，維持放電在兩組顯示電極間進(jìn)行。介質(zhì)保護(hù)膜：用于延長(zhǎng)顯示器壽命，增加工作電壓穩(wěn)定性，降低器件的著火電壓。AC-PDP基本原理PDP的子場(chǎng)驅(qū)動(dòng)波形AC-PDP單元的放電過(guò)程7.3.3 等離子體顯示器的特性及應(yīng)用PDP的特性：易于實(shí)現(xiàn)薄型大屏幕：前后基板間隙不到200m

17、，PDP屏自身厚度不到1cm。具有高速響應(yīng)特性：氣體放電的物理過(guò)程，“開(kāi)”、“關(guān)”速度在s量級(jí)，故掃描線數(shù)和像素?cái)?shù)幾乎不受限制，特別適合大屏幕高分辨力和運(yùn)動(dòng)圖像的顯示?？蓪?shí)現(xiàn)全彩色顯示：VUV激勵(lì)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉發(fā)光，并采用時(shí)間調(diào)制灰度控制，可獲得與CRT同樣寬的色域。視角寬，可達(dá)160：與CRT相同的寬視角。伏安特性非線性強(qiáng)，具有很陡的閾值特性：非尋址單元幾乎不發(fā)光，故對(duì)比度高。具有存儲(chǔ)功能：可使掃描線數(shù)達(dá)到1000線以上也不會(huì)引起屏幕亮度顯著下降。無(wú)圖像畸變，不受磁場(chǎng)干擾：精細(xì)制作的放電單元在全屏各處一致。應(yīng)用的環(huán)境范圍寬：結(jié)構(gòu)整體性好，抗震能力強(qiáng)，可在寬溫度濕度范圍內(nèi)工作，且有電磁

18、干擾、沖擊等惡劣條件下均可正常工作。工作于全數(shù)字化模式：提高了彩色圖像的穩(wěn)定性，利于數(shù)字化電視、多媒體終端的要求。長(zhǎng)壽命。PDP的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)屏幕壁掛電視、高清晰度電視和多媒體顯示器商業(yè)和公共信息顯示軍事指揮、工業(yè)控制等方面的應(yīng)用PDP的發(fā)展?fàn)顩r和市場(chǎng)展望產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r市場(chǎng)展望PDP技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)7.4 有機(jī)電致發(fā)光顯示器 OLED，即有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），又稱(chēng)為有機(jī)電激光顯示（Organic Electroluminesence Display, OELD）。7.4.1 OLED發(fā)展史 荷蘭Philips、美國(guó)Uniax、杜邦、Sharp、M

19、otorola等也都把有機(jī)電致發(fā)光顯示器作為下一代實(shí)用化平板顯示器加以開(kāi)發(fā)。OLED發(fā)展史1963年，Pope等人以電解質(zhì)溶液為電極，在蒽單晶的兩側(cè)加400V直流電壓時(shí)，觀察到了蒽的藍(lán)色電致發(fā)光。1969年，Dresner等人在有機(jī)EL器件中引入了固體電極1973年，Vityuk等人以真空沉積的蒽薄膜替代了單晶的蒽薄膜作為發(fā)光層制作了有機(jī)EL器件，驅(qū)動(dòng)電壓大大降低(30V左右)，但是這時(shí)的器件壽命還很短，發(fā)光效率很低OLED發(fā)展史研制出綠光研制出黃綠光1993年，N.C.Greenham等人在兩層聚合物間插入另一層聚合物實(shí)現(xiàn)載流子匹配注入，發(fā)光量子效率提高了20倍，這不僅拓寬了對(duì)OLED器件機(jī)

20、制的理解且預(yù)示著OLED開(kāi)始走向產(chǎn)業(yè)化1995年，日本先鋒公司率先報(bào)道了單色綠光256x64點(diǎn)陣的OLED顯示器，并于1997年成功用于汽車(chē)顯示面板OLED發(fā)展史1995年，日本先鋒公司率先報(bào)道了單色綠光256x64點(diǎn)陣的OLED顯示器，并于1997年成功用于汽車(chē)顯示面板先鋒公司于1999年展示了有源矩陣驅(qū)動(dòng)5.2 全彩色1/4VGA AM-OLED，2000年，柯達(dá)與其合作伙伴日本三洋公司采用低溫多晶硅薄膜驅(qū)動(dòng)有機(jī)電致發(fā)光顯示器，制成了5.5 全彩色VGA AM-OLED，該器件僅有一個(gè)硬幣厚2001年，Sony又推出13 全彩色AM-OLED，東芝公司首次采用噴墨印刷技術(shù)制作成功2.8全彩

21、色聚合物AM-OLEDOLED發(fā)展史7.4.2 有機(jī)電致發(fā)光顯示器的工作原理 有機(jī)電致發(fā)光顯示器的發(fā)光原理7.4.3 有機(jī)電致發(fā)光顯示器材料 制備OLED的材料種類(lèi)很多，主要分為陽(yáng)極材料、陰極材料、緩沖層材料、載流子傳輸材料和發(fā)光材料等幾大類(lèi)。 應(yīng)用在有機(jī)電致發(fā)光器件中的有機(jī)染料應(yīng)滿足以下四個(gè)條件：(l)具有較高的熒光量子效率；(2)有紅、綠、藍(lán)色的發(fā)射峰且發(fā)射峰要盡可能的窄，以便可以獲得較好的色純度；(3)穩(wěn)定性好，能夠進(jìn)行熱蒸發(fā)；(4)染料的吸收光譜與主體材料的發(fā)射光譜要有很好的重疊性，即主體材料與染料的能量適配，從主體材料到染料能夠有效地進(jìn)行能量的傳遞。 有機(jī)電致發(fā)光顯示器材料7.4.4

22、 OLED性能參數(shù)亮度與電壓關(guān)系發(fā)射光譜發(fā)光亮度發(fā)光效率發(fā)光色度壽命電流與電壓關(guān)系國(guó)際照明委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)色度坐標(biāo)圖OLED光學(xué)參數(shù)7.4.5 有機(jī)電致發(fā)光顯示器的制備過(guò)程有機(jī)電致發(fā)光顯示器的制備過(guò)程7.5 其他顯示器7.5.1 場(chǎng)發(fā)射顯示器 固體內(nèi)的電子由于受到原子核的吸引作用而被束縛在固體內(nèi)部。在經(jīng)典物理理論中，只有當(dāng)外電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到10的8次方，才能讓電子克服原子核的吸引而發(fā)射出固體表面。但是，按照量子力學(xué)，電子會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)，也就是，電子能夠穿過(guò)比它的動(dòng)能更高的勢(shì)壘。因此，當(dāng)外電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到10的6次方時(shí)，已經(jīng)有很明顯的電子發(fā)射現(xiàn)象了。這種利用外界強(qiáng)電場(chǎng)，把電子拉出固體表面的現(xiàn)象就是場(chǎng)致發(fā)射現(xiàn)象。有很多離子