第十二課光電顯示(下)5.29final

第十二課光電顯示（下）2023/2/4

2023/2/4主要內(nèi)容1.光電顯示器件概論

2.典型的顯示器件

2.1 CRT2.2 LCD2.3 PDP2.4 LED2.5 LD2.6 HD2.7

Others1.1 定義1.2 歷史1.3 分類1.4性能指標(biāo)2.2液晶顯示器(LCD)LCD（筆端型+字符型）1、什么是液晶？LCD（點(diǎn)陣圖型）液晶顯示器（LCD）液晶液晶顯示器

歷史

分類

光學(xué)特性

電光效應(yīng)

歷史與分類

TN-LCDSTN-LCDTFT-LCD液晶的歷史★

液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀(jì)末，1888年奧地利的植物學(xué)家萊尼茨爾（F·Reinitzer）在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱使溫度升高到一定程度后，結(jié)晶的固體開始溶解。但溶化后不是透明的液體，而是一種呈混濁態(tài)的粘稠液體。當(dāng)再進(jìn)一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？液晶的歷史★

萊尼茨爾把這一現(xiàn)象告訴了德國卡斯魯爾大學(xué)物理學(xué)家勒曼（D.Lehmann）。勒曼在偏光顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，這種奇異的液體具有與晶體類似的雙折射性質(zhì)，并首次把這種狀態(tài)的液體命名為“液晶”，簡稱為“LC—LiquidCrystal”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD—LiquidCrystalDisplay。液晶放到偏光顯微鏡下觀察液晶的歷史★

1961年，美國無線電公司（RCA）普林斯頓研究所的一位年輕工作者海麥爾將電子學(xué)知識用于液晶的光學(xué)特性研究，取得了很大進(jìn)展?！?/p>

1968年，海麥爾及其研究小組制成了世界上第一臺液晶平板顯示器，從此開始了液晶顯示的新紀(jì)元。液晶的歷史

液晶是白色渾濁的黏性液體，其分子形狀為棒狀（如圖所示）。按照液晶的形成條件分類，液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類。

液晶的分類液晶分子液晶中分子的排列短軸長軸按照液晶的形成條件分類某些有機(jī)物加熱溶解，由于加熱破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為熱致液晶。它是由于溫度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相。把某些有機(jī)物放在一定的溶劑中，由于溶劑破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為溶致液晶，它是由于溶液濃度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相。溶致液晶熱致液晶作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。熱致液晶有序部分有序無序

(各向異性)（各項(xiàng)同性）按液晶分子排列狀態(tài)，熱致液晶相可分為三大類：

近晶相液晶（Smecticliquidcrystals）

向列相液晶（Nematicliquidcrystals）

膽甾相液晶（Cholestericliquidcrystals）熱致液晶分類熱致液晶分類：⑴近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶：棒狀或條狀分子按層狀排列，二維有序，層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可垂直于層面或與層面傾斜。分子質(zhì)心位置在層內(nèi)無序，分子可在層內(nèi)轉(zhuǎn)動或者滑動。層與層之間的作用力較弱，易滑動，具有二維的流動性。近晶相液晶的粘度與表面張力較大，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。光學(xué)上顯示正雙折射性。⑵向列相液晶（Nematic）又稱絲狀液晶：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(tài)。分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，像液體一樣富于流動性。光學(xué)特性像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應(yīng)力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料。⑶膽甾相液晶（Cholesteric），也稱螺旋狀液晶：※具有層狀結(jié)構(gòu)，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直于層的平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度?！w呈螺旋結(jié)構(gòu)，螺距的長度與可見光波長相當(dāng)?！戠扌鸵壕Ь哂胸?fù)的雙折射性質(zhì)?！戠尴嘁壕б资芡饬Φ挠绊懀貏e對溫度敏感，溫度的變化可引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色?！戠尴嗪拖蛄邢嘁壕Э苫ハ噢D(zhuǎn)換。2023/2/4

2023/2/4相列相液晶vs膽甾相液晶2023/2/4

2023/2/4液晶的光學(xué)特性1）能使入射光的前進(jìn)方向向液晶分子長軸的方向偏轉(zhuǎn)；2）使入射光的偏振狀態(tài)，及偏振方向發(fā)生變化；3）使入射的左旋及右旋偏振光產(chǎn)生對應(yīng)的透過或反射。

由于液晶具有單軸晶體的光學(xué)各向異性，所以具有以下光學(xué)特性：膽甾相液晶的旋光性線偏振光在膽甾相的液晶中傳播時(shí)，膽甾相的螺旋結(jié)構(gòu)使光的偏振方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這種特性稱為膽甾相液晶的旋光性。膽甾相結(jié)構(gòu)能使光的偏振面旋轉(zhuǎn)18000度/mm（50r/mm），是已知的旋光性最強(qiáng)的物質(zhì)。2023/2/4

2023/2/4液晶的電光效應(yīng)電光效應(yīng)：

液晶材料在施加電場（電流）時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為液晶的電光效應(yīng)。電光效應(yīng)種類：

電流效應(yīng)——?jiǎng)討B(tài)散射效應(yīng)、存儲效應(yīng)

電場效應(yīng)——排列相畸變效應(yīng)、混合排列相畸變效應(yīng)、扭曲向列效應(yīng)（TN）、相轉(zhuǎn)變效應(yīng)（PC）、賓主效應(yīng)（GH）液晶的各向異性P型液晶（Δε>0）：正介電各向異性液晶N型液晶（Δε<0）：負(fù)介電各向異性液晶

液晶的介電系數(shù)沿液晶短軸方向介電系數(shù)ε⊥沿液晶長軸方向介電系數(shù)ε∥目前液晶顯示器主要應(yīng)用P型液晶。外場作用下液晶分子的取向在外電場作用下，分子的排列極易發(fā)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。

使液晶分子排列發(fā)生變化的閾值電壓為式中Kii

為彈性常數(shù)。液晶材料在施加電場時(shí)，液晶分子在電場作用下改變其分子排列或造成分子變形，引起其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化——電光效應(yīng)。液晶電光效應(yīng)示意圖液晶的電光效應(yīng)在液晶顯示器的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。液晶顯示器（LCD）液晶液晶顯示器

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光學(xué)特性

電光效應(yīng)

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TN-LCDSTN-LCDTFT-LCD2023/2/4

2023/2/4液晶顯示器件的歷史與分類第一代（1968年～1972年）：動態(tài)散射型液晶顯示器件（DS-LCD）第二代（1971年～1984年）：扭曲向列型液晶顯示器件（TN-LCD）第三代（1985年～1990年）：超扭曲向列型液晶顯示器件（STN-LCD）第四代（1990年～）有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD/TFT-LCD）扭曲向列型液晶顯示器(TwistedNematicLiquidCrystalDisplay－TN-LCD)屬第二代液晶顯示器件，也是最常見的一種液晶顯示器件。

1971年瑞士人發(fā)明了扭曲向列型(TN)液晶顯示器,日本廠家使TN-LCD技術(shù)逐步成熟，又因制造成本和價(jià)格低廉，使其在七八十年代得以大量生產(chǎn)，從而成為主流產(chǎn)品。扭曲向列型液晶顯示器（TN-LCD）2023/2/4

2023/2/4TN-LCD結(jié)構(gòu)1.偏振片；2.玻璃基板；3.ITO透明電極；4.配向膜；5.向列相液晶；6.膠框2023/2/4

2023/2/4配向?qū)右壕Ш兄胁Ａ瑑?nèi)側(cè)覆蓋著一層配向?qū)?。配向?qū)拥淖饔檬鞘挂壕Х肿影刺囟ǖ姆较蚺帕?，這個(gè)配向?qū)油ǔＪ且槐痈叻肿佑袡C(jī)物，用摩擦的方法在表面開成方向一致的微細(xì)溝糟。也可以通過在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來制備。由于內(nèi)表面涂有配向?qū)幽?，在盒?nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)佣ㄏ蛱幚淼姆较蚧ハ啻怪?，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。2023/2/4

2023/2/4TN-LCD的工作原理2023/2/4

2023/2/4TN-LCD工作原理當(dāng)入射光通過偏振片后成為線偏振光，在無外電場作用時(shí)，由于扭曲向列液晶的旋光特性，線偏光經(jīng)過扭曲向列液晶時(shí)偏振方向跟隨扭曲向列液晶旋轉(zhuǎn)90°，在出射處，檢偏片與起偏片相互垂直，旋轉(zhuǎn)了90°的偏振光可以通過，因此呈透光態(tài)。在有電場作用時(shí)，當(dāng)電場大于閾值場強(qiáng)后，液晶盒內(nèi)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(shí)入射的線偏振光不能得到旋轉(zhuǎn)，因而在出射處不能通過檢偏片，呈不透光態(tài)。TN-LCD工作原理如果將偏振片垂直放置，可得到正顯示。白底黑字顯示——常白型TN-LCD工作原理FieldOFFFieldON如果將偏振片平行放置呢？TN-LCD工作原理不透光透光如果將偏振片平行放置，則可得到負(fù)顯示。TN-LCD工作原理黑底白字顯示——常黑型TN-LCD工作原理TN-LCD液晶顯示器的電光特性電光特性：透光強(qiáng)度與外加電壓的關(guān)系。正型：不加外電壓時(shí)透光率最大，加外電壓后透光率隨電壓的升高而降低。負(fù)型：不加外電壓時(shí)透光率最小，加外電壓后透光率隨電壓的升高而升高。（1）閾值電壓Vth引起最大透光強(qiáng)度的10%（負(fù)型）或90%（正型）的外電壓值。（2）飽和電壓Vs

最大透光率90%(負(fù)型)或最大透光率10%(正型)處對應(yīng)的外電壓值。

閾值電壓Vth和飽和電壓Vs之間，是液晶工作的區(qū)間。電光特性參數(shù)（3）陡度β和比陡度Δ

VS越接近Vth，電光曲線越“陡”，β趨于1，可以實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動，顯示的灰度級越多。

一般TN＝1.4～1.6，只能實(shí)現(xiàn)8～16路驅(qū)動。電光特性參數(shù)2023/2/4

2023/2/4TN-LCD的缺點(diǎn)由于電光曲線不“陡”，TN型液晶顯示器件存在反應(yīng)速度慢；閾值效應(yīng)不明顯；信息容量小，只能用于筆段式數(shù)字顯示及低路數(shù)（16線以下）驅(qū)動的簡單字符顯示等缺點(diǎn)。另外，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），并沒有辦法做到色彩的變化。超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）80年代初，人們經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要將分子的扭曲角增加到180°~270°時(shí)，就可大大提高電光特性的響應(yīng)速度。隨著扭曲角的增大，曲線的斜率增加，當(dāng)扭角達(dá)到270°時(shí)，斜率達(dá)到無究大。曲線斜率的提高可以允許多路驅(qū)動，且可獲得敏銳的銳度和寬的視角。超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）：第三代液晶顯示器件?！俺で奔磁で谴笥?0°。STN-LCD的結(jié)構(gòu)2023/2/4

2023/2/4STN-LCD的電光特性2023/2/4

2023/2/4STN-LCD的工作原理P2與TN型相比，STN型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：①大扭角(180o～270o)；②高預(yù)傾角(20o)；③兩偏振片光抽特殊設(shè)置。P1，P2分別為兩偏振片光軸；R1，R2分別為上下基板取向方向；，分別為兩偏振片光軸與相應(yīng)基板取向之夾角。在STN器件中，由于壁面分子取向和偏振片偏振光軸不一致，入射的線偏振光被分解成平行和垂直于分子長軸的e光和o光。由于兩者傳輸速度的不同，在通過檢偏振片時(shí)相互發(fā)生干涉，干涉強(qiáng)度取決于延遲n·d，偏振片方位角(P1，P2)和扭角的組合。在三者最佳組合時(shí)，分子取向微小變化將引起輸出光的較大變化，呈現(xiàn)陡峭的閾值特性。利用電壓作用引起分子取向突變和光學(xué)雙折射效應(yīng)的巧妙結(jié)合，可獲得大容量顯示。顯示容量的增加，使STN可以實(shí)現(xiàn)彩色化。STN-LCD的工作原理STN型彩色液晶顯示原理如果將單色STN液晶顯示器中每一個(gè)單色顯示像素分成三個(gè)子像素，并且每一個(gè)子像素前面分別加上彩色濾光片，使其顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩，即變成了全彩色液晶顯示器。彩色顯示機(jī)理2023/2/4

2023/2/4STN-LCD的應(yīng)用當(dāng)液晶顯示器顯示的像素眾多時(shí)，為了節(jié)省龐大的硬件驅(qū)動電路，液晶顯示器電極的制作實(shí)施了矩陣式結(jié)構(gòu)：即TN或STN液晶盒上下玻璃基板的內(nèi)表面沉積許多平行的條狀透明電極，而且上下電極條互相垂直，交叉處形成顯示像素。TN與STN型液晶屏幕的驅(qū)動方式行電極列電極像素顯示器上每個(gè)像素都由其所在行列位置唯一確定。液晶顯示的掃描方法是循環(huán)地逐行給行電極施加選擇脈沖，并在列電極上給出該行顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的選通或非選通的驅(qū)動信號，從而實(shí)現(xiàn)該行所有顯示像素的顯示。

這種掃描是逐行順序進(jìn)行的，循環(huán)周期很短，使得液晶屏上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的圖像。動態(tài)驅(qū)動行電極列電極像素逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意逐行掃描（尋址）示意在動態(tài)驅(qū)動方式下，要使（i，j）點(diǎn)顯示，就需在第i列和第j行上同時(shí)施加選擇電壓，使該點(diǎn)的電場強(qiáng)度最大，但此時(shí)除（i，j）點(diǎn)外，第i列和第j行的其余各點(diǎn)也承受了一定電壓，這些點(diǎn)稱為半選擇點(diǎn)。若半選擇點(diǎn)上的有效電壓大于閾值電壓時(shí)，在屏幕上將出現(xiàn)不應(yīng)有的顯示，使對比度下降，這就是交叉效應(yīng)。因此“交叉效應(yīng)”使圖像對比度降低，圖像質(zhì)量變差。并且行、列電極越多，交叉效應(yīng)越嚴(yán)重。動態(tài)驅(qū)動存在的問題2023/2/4

2023/2/4AM-LCDTN、STN-LCD存在所謂的“交叉效應(yīng)”。由于每個(gè)像素相當(dāng)于一個(gè)電容，當(dāng)一個(gè)像素被先通時(shí)，相鄰像素將處于半選通狀態(tài)，產(chǎn)生串?dāng)_。因此對于多路、視頻運(yùn)動圖像的顯示很難滿足要求。AM-LCD：ActiveMatrix-LCD，有源（主動）矩陣液晶顯示器。AM-LCD在每一個(gè)像素上設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件（例如半導(dǎo)體開關(guān)器件），使每個(gè)像素可以被獨(dú)立驅(qū)動，從而克服了“交叉效應(yīng)”。這樣不僅提高了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)在灰度控制上也可以做到非常精確。AM-LCD分類2023/2/4

2023/2/4TFT－LCD（ThinFilmTransistor－LCD）薄膜晶體管液晶顯示器。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，TFT-LCD具有屏幕反應(yīng)速度快、對比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富、分辨率高等特點(diǎn)，是目前桌面型LCD顯示器和筆記本電腦LCD顯示屏的主流顯示設(shè)備。在色彩顯示性能方面與CRT顯示器相當(dāng)。TFT－LCD2023/2/4

2023/2/4TFT-LCD的基本結(jié)構(gòu)TFT-LCD的基本結(jié)構(gòu)2023/2/4

2023/2/4TFT結(jié)構(gòu)TN結(jié)構(gòu)TFT-LCD與TN-LCD結(jié)構(gòu)差別TFT-LCD與TN-LCD結(jié)構(gòu)差別薄膜晶體管開關(guān)TFT液晶顯示器TN液晶顯示器TFT是一個(gè)使用晶體管制作的開關(guān)，它主要的作用是決定LCD

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driver上的電壓是不是要充到這個(gè)點(diǎn)來。

TFT-LCD的結(jié)構(gòu)TFT-LCD工作原理2023/2/4

2023/2/42023/2/4

2023/2/4TFT-LCD的應(yīng)用2023/2/4

2023/2/4世界上最大的液晶電視：Sharp108‘’主要類型LCD的性能比較2023/2/4

2023/2/4項(xiàng)目TNSTNTFT驅(qū)動方式單純矩陣驅(qū)動的扭曲向列型單純矩陣驅(qū)動的超扭曲向列型主動矩陣驅(qū)動視角大小小（視角+30°/觀賞角度60°）中等（視角+40°）大（視角+70°）畫面對比最?。ó嬅鎸Ρ仍?0:1）中等最大（畫面對比在150︰1）反應(yīng)速度最慢（無法顯示動畫）中等（150ms）最快（40ms）顯示品質(zhì)最差（無法顯示較多像素，分辨率較差）中等最佳顏色單色或黑色單色及彩色彩色價(jià)格最便宜中等最貴（約STN3倍）適合產(chǎn)品電子表、電子計(jì)算機(jī)、各種汽車、電器產(chǎn)品的數(shù)字顯示器移動電話、PDA、電子辭典、掌上型電腦、低檔顯示器筆記本/掌上型電腦、PC顯示器、背投電視、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)液晶顯示器的特點(diǎn)在各類顯示器件特性比較中，液晶具有如下獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)：①低壓、低功耗

2～3V的工作電壓和幾個(gè)微安的工作電流，功耗只有10-6～10-5W/cm2，與大規(guī)模集成電路的發(fā)展相適應(yīng)。②平板結(jié)構(gòu)液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是兩片導(dǎo)電玻璃，中間灌有液晶的薄形盒，易于控制顯示面積和厚度。72③顯示信息量大液晶顯示中，各象素點(diǎn)之間不用采取隔離措施，所以在同樣顯示窗口內(nèi)可容納更多的象素。④易于彩色化液晶無色，所以可采用濾色膜容易實(shí)現(xiàn)彩色。⑤長壽命⑥無輻射、無污染

CRT中有X射線輻射，PDP中有高頻電磁輻射，液晶不會有這種情況出現(xiàn)。73液晶顯示也具有下列缺點(diǎn)：①顯示視角小

大部分液晶顯示的原理依靠液晶分子的各向異性，對不同方向的入射光，反射率是不一樣的，視角一旦增大對比度迅速下降。②響應(yīng)速度慢

液晶在顯示快速移動的畫面時(shí)，質(zhì)量不好，可通過減薄液晶厚度和改進(jìn)電路來改善。另外也不適用于高寒和高熱地區(qū)使用。③亮度相對較低④對比度低⑤畫面均勻度相對較差、存在點(diǎn)缺陷742023/2/4

2023/2/42.3 PDPPDP（PlasmaDisplayPlane，等離子顯示）是人們期待取代CRT的新型顯示器件之一，適合大面積顯示。2023/2/4

2023/2/4PDP顯示原理：PDP是利用氣體放電發(fā)光進(jìn)行顯示的平面顯示板。這種屏幕采用等離子管作為發(fā)光元件，大量等離子管排列構(gòu)成屏幕。每個(gè)等離子管對應(yīng)的每個(gè)小室內(nèi)部充滿惰性氣體（AC：Ne；DC：Ne,Ar,Hg；彩色：Ne:Xe,Ag:Hg）。等離子管電極間加上高壓后，封裝在兩個(gè)玻璃之間的氣體放電，產(chǎn)生等離子體，等離子體產(chǎn)生紫外光照射三基色熒光粉發(fā)出可見光。PDP顯示原理2023/2/4

2023/2/4PDP顯示原理2023/2/4

2023/2/42023/2/4

2023/2/4PDP的優(yōu)點(diǎn)a，體積小，重量輕；b，圖像邊緣不變形；c，超寬視角（自發(fā)光）；d，亮度均勻，對比度高。彩色亮度1500cd/m2，暗室對比度10000：1e，響應(yīng)時(shí)間短（us）；f，超大顯示，對角線32”-102”；g，色彩好，真彩色16.7M，灰度級別256-4096；h，無輻射2023/2/4

2023/2/4PDP的缺點(diǎn)a，每個(gè)單元獨(dú)立發(fā)光耗電量大增，發(fā)熱量大，多組散熱扇；b，像素尺寸不能太小，因?yàn)樾枰烹?，過小導(dǎo)致?lián)舸ㄈ匀淮嬖跓连F(xiàn)象）；c，影像有殘留現(xiàn)象；d，角度受氣室深度影響（<170度）。2023/2/4

2023/2/42.4 LED顯示LED利用PN結(jié)電致發(fā)光原理實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示。優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換效率高、高亮度、功耗低。主要應(yīng)用于廣告、信號、家電等領(lǐng)域。2023/2/4

2023/2/4夏普108英寸的液晶電視CeBIT2007：Te