光電技術(shù)第8章+液晶顯示4課件

四、液晶顯示陰極射線管(CRT)平板顯示(FlatPanelDisplay，F(xiàn)PD)顯示技術(shù)液晶顯示(LCD)等離子體顯示(PDP)電致發(fā)光顯示(ELD)其他顯示投影顯示真空熒光顯示電致變色顯示4.1液晶

液晶(LiquidCrystal)是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，是具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。如果把它加熱會(huì)呈現(xiàn)透明的液體狀態(tài)，把它冷卻則會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶顆粒的混濁固體狀態(tài)。

液態(tài)晶體的首次發(fā)現(xiàn)，距今已經(jīng)度過一百多個(gè)年頭了。1888年，奧地利的植物學(xué)家Friedrich

Reinitzer所發(fā)現(xiàn)，其在觀察從植物中分離精制出的安息香酸膽固醇(cholesteryl

benzoate)

的融解行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，此化合物加熱至145.5℃時(shí)，固體會(huì)熔化，呈現(xiàn)一種介于固相和液相間的半熔融流動(dòng)白濁狀液體。這種狀況會(huì)一直維持溫度升高到178.5℃，才形成清澈的等方性液態(tài)(isotropic

liquid)。1889年，研究相轉(zhuǎn)移及熱力學(xué)平衡的德國(guó)物理學(xué)家O.Lehmann，對(duì)此化合物作更詳細(xì)的分析。他在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，此黏稠之半流動(dòng)性白濁液體化合物，具有異方性結(jié)晶所特有的雙折射率(birefringence)之光學(xué)性質(zhì)，即光學(xué)異相性(optical

anisotropic)。故將這種似晶體的液體命名為液晶。

此后，科學(xué)家將此一新發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)，稱為物質(zhì)的第四態(tài)-液晶(liquid

crystal)。

它在某一特定溫度的范圍內(nèi)，會(huì)具有同時(shí)液體及固體的特性。

一般以水而言，固體中的晶格因?yàn)榧訜?，開始吸熱而破壞晶格，當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)便會(huì)溶解變成液體。而熱致型液晶則不一樣，當(dāng)其固態(tài)受熱后，并不會(huì)直接變成液態(tài)，會(huì)先溶解形成液晶態(tài)。當(dāng)持續(xù)加熱時(shí)，才會(huì)再溶解成液態(tài)。這就是所謂二次溶解的現(xiàn)象。

而液晶態(tài)顧名思義，它會(huì)有固態(tài)的晶格，液態(tài)的流動(dòng)性。

當(dāng)液態(tài)晶體剛發(fā)現(xiàn)時(shí)，因?yàn)榉N類很多，

所以不同研究領(lǐng)域的人對(duì)液晶會(huì)有不同的分類方法。各種熱致型液晶分布的溫度范圍溶致液晶(LypotropicLC)，要溶解在水中或有機(jī)溶劑中才顯示出液晶狀態(tài).從液晶產(chǎn)生的條件熱致液晶(ThermotropicLC)，在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)是由液晶棒狀分子聚集一起,

形成一層一層的結(jié)構(gòu)。其每一層的分子的長(zhǎng)軸方向相互平行。且此長(zhǎng)軸的方向?qū)τ诿恳粚悠矫媸谴怪被蛴幸粌A斜角。由于其結(jié)構(gòu)非常近似于晶體,

所以又稱做近晶相。在層狀型液晶層與層間的鍵結(jié)會(huì)因?yàn)闇囟榷鴶嗔眩詫优c層間較易滑動(dòng)。但是每一層內(nèi)的分子鍵結(jié)較強(qiáng)，所以不易被打斷。因此就單層來看，其排列不僅有序且黏性較大。①層狀液晶(SmecticLiquidCrystals)層狀液晶（SmecticLiquidCrystals）

它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的.

但有些沒有膽固醇結(jié)構(gòu)的液晶也會(huì)具有此液晶相。這種液晶如果把它的一層一層分開來看，會(huì)很像線狀液晶。但是在Z軸方向來看，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的指向矢會(huì)隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當(dāng)其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為螺距(pitch)。正因?yàn)樗恳粚痈€狀液晶很像，所以也叫Chiral

nematic

phase。③膽固醇液晶(CholestericLC)膽固醇液晶(Cholesteric)1970年才發(fā)現(xiàn)的的碟型(discotic)液晶，是具有高對(duì)稱性原狀分子重疊組成的向列型或柱行系統(tǒng)。④碟狀液晶(DiscticLC)介電系數(shù)ε(dielectric

permittivity)

可以將介電系數(shù)分開成兩個(gè)方向的分量,

分別是ε//

(與指向矢平行的分量)與ε⊥(與指向矢垂直的分量)。當(dāng)ε//

>ε⊥

便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶,

可以用在平行配位.

而ε//

<ε⊥

則稱之為介電系數(shù)異方性為負(fù)型的液晶,

只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應(yīng).

當(dāng)有外加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子會(huì)因介電系數(shù)異方性為正或是負(fù)值，來決定液晶分子的轉(zhuǎn)向是平行或是垂直于電場(chǎng),

來決定光的穿透與否?，F(xiàn)在TFT

LCD上常用的TN型液晶大多是屬于介電系數(shù)正型的液晶.

當(dāng)介電系數(shù)異方性Δε(=ε//-ε⊥)越大的時(shí)候,

則液晶的臨界電壓(threshold

voltage)就會(huì)越小.

這樣一來液晶便可以在較低的電壓操作.

折射系數(shù)(refractive

index)由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長(zhǎng)軸平行或垂直方向上的物理特性會(huì)有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數(shù)一樣,

折射系數(shù)也依照跟指向矢垂直與平行的方向,

分成兩個(gè)方向的向量.

分別為n

//

與n⊥.

此外對(duì)單光軸(uniaxial)的晶體來說,

原本就有兩個(gè)不同折射系數(shù)的定義.

一個(gè)為no

,它是指對(duì)于ordinary

ray的折射系數(shù),

所以才簡(jiǎn)寫成no

.而ordinary

ray是指其光波的電場(chǎng)分量是垂直于光軸的稱之.

另一個(gè)則是ne

,它是指對(duì)于extraordinary

ray的折射系數(shù),

而extraordinary

ray是指其光波的電場(chǎng)分量是平行于光軸的.

同時(shí)也定義了雙折射率(birefrigence)Δn

=

ne-no為上述的兩個(gè)折射率的差值.

依照上面所述,

對(duì)層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長(zhǎng)的像棒狀,

所以其指向矢的方向與分子長(zhǎng)軸平行.

再參照單光軸晶體的折射系數(shù)定義,

它會(huì)有兩個(gè)折射率，分別為垂直于液晶長(zhǎng)軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長(zhǎng)軸方向n

//(=

no)兩種，所以當(dāng)光入射液晶時(shí)，便會(huì)受到兩個(gè)折射率的影響，造成在垂直液晶長(zhǎng)軸與平行液晶長(zhǎng)軸方向上的光速會(huì)有所不同。對(duì)于液晶的光電特性來說,

除了上述的兩個(gè)重要特性之外,

還有許多不同的特性.

比如說像彈性常數(shù)(elastic

constant

:κ11

,

κ22

,

κ33

),

它包含了三個(gè)主要的常數(shù),

分別是,

κ11

指的是斜展(splay)的彈性常數(shù),

κ22

指的是扭曲(twist)的彈性常數(shù),

κ33

指的是彎曲(bend)的彈性常數(shù).

另外像黏性系數(shù)(viscosity

coefficients

,η

),

則會(huì)影響液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與反應(yīng)時(shí)間(response

time),

其值越小越好.

但是此特性受溫度的影響最大.

另外還有磁化率(magnetic

susceptibility),

也因?yàn)橐壕У漠惙叫躁P(guān)系,

分成c

//

與c⊥

.而磁化率異方性則定義成Δc

=

c

//

-c⊥

.

此外還有電導(dǎo)系數(shù)(conductivity)等等光電特性.顯示用液晶都是一些有機(jī)化合物，液晶分子呈現(xiàn)棒狀，寬約十分之幾納米，長(zhǎng)約數(shù)納米，長(zhǎng)度約為寬度的4~8倍。液晶分子有較強(qiáng)的電偶極矩，易于極化。液晶分子間作用力較固體弱，液晶分子容易呈各種狀態(tài)，微小的外部能量就能實(shí)現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化，液晶就是利用其光學(xué)性質(zhì)變化。4.4偏振器4.5TN型LCD(TwistedNematicLiquidcrystaldisplay)圖可以知道,

當(dāng)上下兩塊玻璃之間沒有施加電壓時(shí),

液晶的排列會(huì)依照上下兩塊玻璃的配向膜而定.

對(duì)于TN型的液晶來說,

上下的配向膜的角度差恰為90度，所以液晶分子的排列由上而下會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)90度,

當(dāng)入射的光線經(jīng)過上面的偏光板時(shí),

會(huì)只剩下單方向極化的光波.

通過液晶分子時(shí),

由于液晶分子總共旋轉(zhuǎn)了90度,

所以當(dāng)光波到達(dá)下層偏光板時(shí),

光波的極化方向恰好轉(zhuǎn)了90度.

而下層的偏光板與上層偏光板,

角度也是恰好差異90度。所以光線便可以順利的通過,

但是如果對(duì)上下兩塊玻璃之間施加電壓時(shí),

由于TN型液晶多為介電系數(shù)異方性為正型的液晶(ε//

>ε⊥),

所以從圖中便可以看到,

液晶分子的排列都變成站立著的.

此時(shí)通過上層偏光板的單方向的極化光波,

經(jīng)過液晶分子時(shí)便不會(huì)改變極化方向,

因此就無法通過下層偏光板.NW(Normally

white),是指當(dāng)對(duì)液晶面板不施加電壓時(shí),

所看到的面板是透光的畫面,

也就是亮的畫面,

所以才叫做normally

white.

而反過來,

當(dāng)對(duì)液晶面板不施加電壓時(shí),

如果面板無法透光,

看起來是黑色的話,

就稱之為NB(Normally

black).

為什么會(huì)有NW與NB這兩種不同的偏光板配置呢?

主要是為了不同的應(yīng)用環(huán)境.

一般應(yīng)用于桌上型計(jì)算機(jī)或是筆記型計(jì)算機(jī),

大多為NW的配置.

那是因?yàn)?

如果你注意到一般計(jì)算機(jī)軟件的使用環(huán)境,

你會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)屏幕大多是亮點(diǎn),

也就是說計(jì)算機(jī)軟件多為白底黑字的應(yīng)用.

既然亮著的點(diǎn)占大多數(shù),

使用NW當(dāng)然比較方便.

也因?yàn)镹W的亮點(diǎn)不需要加電壓,

平均起來也會(huì)比較省電.

反過來說

NB的應(yīng)用環(huán)境就大多是屬于顯示屏為黑底的應(yīng)用了.STN(Super

Twisted

Nematic)型LCD

STN

LCD與TN型LCD在結(jié)構(gòu)上是很相似的,

其主要的差別在于

TN型的LCD,其液晶分子的排列,

由上到下旋轉(zhuǎn)的角度總共為90度.

而STN型LCD的液晶分子排列,

其旋轉(zhuǎn)的角度會(huì)大于180度,

一般為270度.(請(qǐng)見圖12)

正因?yàn)槠湫D(zhuǎn)的角度不一樣,

其特性也就跟著不一樣.

從圖13中TN型與STN型LCD的電壓對(duì)穿透率曲線可以知道,

當(dāng)電壓比較低時(shí),

光線的穿透率很高.

電壓很高時(shí),

光線的穿透率很低.

所以它們是屬于Normal

White的偏光板配置.

而電壓在中間位置的時(shí)候,

TN型LCD的變化曲線比較平緩,

而STN型LCD的變化曲線則較為陡峭.

因此在TN型的LCD中,

當(dāng)穿透率由90%變化到10%時(shí),

相對(duì)應(yīng)的電壓差就比STN型的LCD來的較大.

前面曾提到,

在液晶顯示器中,

是利用電壓來控制灰階的變化.

而在此TN與STN的不同特性,

便造成TN型的LCD,先天上它的灰階變化就比STN型的LCD來的多.

所以一般TN型的LCD多為6~8

bits的變化,

也就是64~256個(gè)灰階的變化.

而STN型的LCD最多為4

bits的變化

也就只有16階的灰階變化.

除此之外STN與TN型的LCD還有一個(gè)不一樣的地方就是反應(yīng)時(shí)間(response

time)

一般STN型的LCD其反應(yīng)時(shí)間多在100ms以上

而TN型的LCD其反應(yīng)時(shí)間多為30~50ms

當(dāng)所顯示的影像變動(dòng)快速時(shí)

對(duì)STN型的LCD而言

就容易會(huì)有殘影的現(xiàn)象發(fā)生4.6TFT型液晶顯示器(Thin

film

transistor

liquid

crystal

display)

TFT

LCD叫做薄膜晶體管液晶顯示器，液晶顯示器需要電壓控制來產(chǎn)生灰階。而利用薄膜晶體管來產(chǎn)生電壓,以控制液晶轉(zhuǎn)向的顯示器,

就叫做TFT

LCD.

在上下兩層玻璃間,

夾著液晶,

便會(huì)形成平行板電容器,

稱之為CLC(Capacitor

of

liquid

crystal).

它的大小約為0.1pF,

但是實(shí)際應(yīng)用上,

這個(gè)電容并無法將電壓保持到下一次再更新畫面數(shù)據(jù)的時(shí)候.

也就是說當(dāng)TFT對(duì)這個(gè)電容充好電時(shí),

它并無法將電壓保持住,

直到下一次TFT再對(duì)此點(diǎn)充電的時(shí)候.(以一般60Hz的畫面更新頻率,

需要保持約16ms的時(shí)間.)

因此，電壓有了變化，所顯示的灰階就會(huì)不正確。一般在面板的設(shè)計(jì)上,

會(huì)再加一個(gè)儲(chǔ)存電容CS(storage

capacitor

,0.5pF),

以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時(shí)候.

不過正確的來說,

長(zhǎng)在玻璃上的TFT本身,只是一個(gè)使用晶體管制作的開關(guān).

它主要的工作是決定LCD

source

driver上的電壓是不是要充到這個(gè)點(diǎn)來.

至于這個(gè)點(diǎn)要充到多高的電壓,

以便顯示出怎樣的灰階.

都是由外面的LCD

source

driver來決定的.TFT結(jié)構(gòu)圖彩色濾光片(Colorfilter,CF)用放大鏡靠近液晶顯示器，你會(huì)發(fā)現(xiàn)圖中所顯示的樣子。紅色、藍(lán)色及綠色,是所謂的三原色。利用這三種顏色，便可以混合出各種不同的顏色。很多平面顯示器就是利用這個(gè)原理來顯示出色彩.我們把RGB三種顏色,分成獨(dú)立的三個(gè)點(diǎn),各自擁有不同的灰階變化,然后把鄰近的三個(gè)RGB顯示的點(diǎn),當(dāng)作一個(gè)顯示的基本單位,也就是pixel。那這一個(gè)pixel,就可以擁有不同的色彩變化了。然后對(duì)于一個(gè)需要分辨率為1024*768的顯示畫面,我們只要讓這個(gè)平面顯示器的組成有1024*768個(gè)pixel,便可以正確的顯示這一個(gè)畫面。在圖中,每一個(gè)RGB的點(diǎn)之間的黑色部分,就叫做Blackmatrix，blackmatrix主要是用來遮住不打算透光的部分.比如像是一些ITO的走線,或是Cr/Al的走線,或者是TFT的部分.這也就是為什么在圖15中,每一個(gè)RGB的亮點(diǎn)看起來,并不是矩形,在其左上角也有一塊被blackmatrix遮住的部分,這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。背光板(Backlight,BL)在一般的CRT屏幕,是利用高速的電子槍發(fā)射出電子,打擊在銀光幕上的熒光粉,藉以產(chǎn)生亮光,來顯示出畫面.然而液晶顯示器本身,僅能控制光線通過的亮度,本身并無發(fā)光的功能.因此,液晶顯示器就必須加上一個(gè)背光板,來提供一個(gè)高亮度,而且亮度分布均勻的光源.我們?cè)趫D14中可以看到,組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管),反射板,導(dǎo)光板,prismsheet,擴(kuò)散板等等.燈管是主要的發(fā)光零件,藉由導(dǎo)光板,將光線分布到各處.而反射板則將光線限制住都只往TFTLCD的方向前進(jìn).最后藉由prismsheet及擴(kuò)散板的幫忙,將光線均勻的分布到各個(gè)區(qū)域去,提供給TFTLCD一個(gè)明亮的光源.而TFTLCD則藉由電壓控制液晶的轉(zhuǎn)動(dòng),控制通過光線的亮度,藉以形成不同的灰階.框膠(Sealant)及Spacer在圖中另外還有框膠與spacer兩種結(jié)構(gòu)成分.其中框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃,能夠緊密黏住,并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞于面板四周,將液晶分子框限于面板之內(nèi).而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐,它必須均勻的分布在玻璃基板上,不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起,反而會(huì)阻礙光線通過,也無法維持上下兩片玻璃的適當(dāng)間隙(gap),會(huì)成電場(chǎng)分布不均的現(xiàn)象,進(jìn)而影響液晶的灰階表現(xiàn).開口率(Apertureratio)液晶顯示器中有一個(gè)很重要的規(guī)格就是亮度,而決定亮度最重要的因素就是開口率.開口率是是光線能透過的有效區(qū)域比例.圖17左邊是一個(gè)液晶顯示器從正上方或是正下方看過去的結(jié)構(gòu)圖.當(dāng)光線經(jīng)由背光板發(fā)射出來時(shí),并不是所有的光線都能穿過面板,像是給LCDsource驅(qū)動(dòng)芯片及gate驅(qū)動(dòng)芯片用的信號(hào)走線,以及TFT本身,還有儲(chǔ)存電壓用的儲(chǔ)存電容等等.這些地方除了不完全透光外,也由于經(jīng)過這些地方的光線并不受到電壓的控制,而無法顯示正確的灰階,所以都需利用blackmatrix加以遮蔽,以免干擾到其它透光區(qū)域的正確亮度.所以有效的透光區(qū)域,就只剩下如圖右邊所顯示的區(qū)域而已.這一塊有效的透光區(qū)域,與全部面積的比例就稱之為開口率.當(dāng)光線從背光板發(fā)射出來,會(huì)依序穿過偏光板,玻璃,液晶,彩色濾光片等等.假設(shè)各個(gè)零件的穿透率如以下所示:偏光板:50%；玻璃:95；液晶:95%；開口率:50%(有效透光區(qū)域只有一半)；彩色濾光片:27%(假設(shè)材質(zhì)本身的穿透率為80%,但由于濾光片本身涂有色彩,只能容許該色彩的光波通過.以RGB三原色來說,只能容許三種其中一種通過.以上述的穿透率來計(jì)算,從背光板出發(fā)的光線只會(huì)剩下6%,實(shí)在是少的可憐.這也是為什么在TFTLCD的設(shè)計(jì)中,要盡量提高開口率的原因.只要提高開口率,便可以增加亮度,而同時(shí)背光板的亮度也不用那么高,可以節(jié)省耗電及花費(fèi).背光源冷陰極螢光燈管(ColdCathodeFluorescentLamp)，簡(jiǎn)稱CCFL。

LED背光源CoststructureinLCD

成本透過率分析光通過LCD的透過率在5%-7%之間，顯示器在5%，LCDTV透過率要大些，由于其像素尺寸較大。偏振片和CF吸收了大部分光，差不多90%。背光源是LCD的光引擎，研究背光源的主要目的就是要減少光的損失，提高光利用率。背光源決定了顯示屏的亮度，它在液晶顯示器件的總功耗中可達(dá)2/3。所以為降低總功耗必須提高背光的利用率。背光源的作用及特性

作用所謂背光源（BackLight）是位于液晶顯器（LCD）背后的一種光源，它的發(fā)光效果將直接影響到液晶顯示模塊（LCM）視覺效果。液晶顯示器本身并不發(fā)光，背光源的作用就是把線光源發(fā)出的光通過漫反射使之成為面光源特性要求NOTE：背光源最重要的指標(biāo)是亮度，均勻性，發(fā)光效率（功耗），和色域。CCFL背光源發(fā)光原理及示意圖高壓激發(fā)電子電子撞擊Ne和Ar

高能Ne和Ar

撞擊HgHg釋放UV（253.7nm）UV撞擊熒光體發(fā)光CCFLproviderCCFL和LED特性比較CCFL和LED成本比較LGP功能導(dǎo)光板顧名思義其最主要的功能在于要將光線導(dǎo)向設(shè)計(jì)者所需要的方向，而所有的導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)都是要配合下游產(chǎn)品LCD和背光模塊的需要，最重要的是要達(dá)到輝度和均勻度。LGP原理光線在導(dǎo)光板中以全反射傳輸，遇到分布在底部的散射顆粒時(shí)便發(fā)生散射，使光線折射出板外LGP材料PMMAZEONORPMMAZEONOR優(yōu)點(diǎn)成本低吸水性好應(yīng)用廣比重低缺點(diǎn)先天缺陷產(chǎn)能不大吸水性差成本高LGP發(fā)展平板直下式平板側(cè)光印刷式側(cè)光射出印刷式側(cè)光射出非印刷式新