光電子顯示技術(shù)液晶顯示技術(shù)

光電子顯示技術(shù)液晶顯示技術(shù)第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三§6.3液晶顯示器件（LCD）什么是液晶？第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀末，1888年奧地利的植物學(xué)家F·Reinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱使溫度升高到一定程度后，結(jié)晶的固體開始深解。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，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤。當(dāng)再進一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？他把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)這種液體具有雙折射性。于是德國物理學(xué)家D·Leimann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。第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶態(tài)是物質(zhì)的一種形態(tài)液晶實際上是物質(zhì)的一種形態(tài)，也有人稱其為物質(zhì)的第四態(tài)。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(tài)，后者則要在一定的溫度范圍內(nèi)才呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1、液晶基本知識1.互變相變（可逆相變）2.單變相變第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶分類（按熱致液晶分子排列狀態(tài)）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第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(tài)。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(xué)特性很像單軸晶體，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。第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(nèi)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(xué)上顯示正的雙折射性。第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三膽甾相液晶（Cholestevic），也稱螺旋狀液晶膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，但層內(nèi)分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個角度。液晶整體呈螺旋結(jié)構(gòu)。螺距的長度是可見光波長的數(shù)量級。由于膽甾型液晶的分子排列旋轉(zhuǎn)方向可以是左旋，也可以是右旋，當(dāng)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(zhì)。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。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。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.2、液晶的光電特性（1）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）負介電各向異性液晶

第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶短軸方向ε⊥液晶短軸方向ε∥第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三外場作用下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。目前液晶顯示器主要應(yīng)用P型液晶。使液晶分子排列發(fā)生變化的臨界電場強度為

第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三式中為彈性常數(shù)，d為液晶盒的厚度。當(dāng)液晶分子沿液晶合玻璃表面排列時，；當(dāng)液晶分子垂直于玻璃表面時，；而當(dāng)液晶分子扭曲排列時，。換算為電壓即閾值電壓

第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（2）液晶的雙折射以P型為例，長軸為光軸向列液晶有，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈現(xiàn)正單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)。膽甾型液晶具有負單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，這是因為：第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶器件所基于的三種光學(xué)特性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：1）能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉(zhuǎn)；2）使入射的偏光狀態(tài)，及偏光軸方向發(fā)生變化；3）使入射的左旋及右旋偏光產(chǎn)生對應(yīng)的透過或反射。液晶器件基本就是根據(jù)這三種光學(xué)特設(shè)計制造的。第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（3）液晶的電光效應(yīng)液晶材料在施加電場（電流）時，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)。液晶的電光效應(yīng)在液晶顯示器的設(shè)計中被廣泛采用。目前發(fā)現(xiàn)的電光效應(yīng)種類很多，產(chǎn)生電光效應(yīng)的機理也較為復(fù)雜，但就其本質(zhì)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(jié)果。第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三液晶的電光效應(yīng)分類第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.3、動態(tài)散射（DS-LCD）型液晶顯示器件

（1968年～1972年）第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三在不通電的情況下，液晶盒呈透明狀態(tài)。當(dāng)通過低頻交流電時，當(dāng)電壓超過閾值電壓Uth時，在液晶層內(nèi)形成一種因離子運動而產(chǎn)生的“威廉疇（Williams）”，繼續(xù)增加電壓，最終會使液晶層內(nèi)形成紊流和擾動，并對光產(chǎn)生強烈的散射。DS液晶顯示器件是無偏振片結(jié)構(gòu)，電流較大，一般在背面襯以黑色襯底。.第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.4、扭曲向列液晶顯示器件（TN-LCD）（1971年～1984年）第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(dǎo)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(shù)微米。第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(nèi)表面涂有定向?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保壕Х肿釉趦善Ａеg呈90°扭曲，這就是扭曲向列液晶器件名稱的由來。第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)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(jīng)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(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，當(dāng)電場大于閾值場強后，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，呈暗態(tài)。第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(yīng)的閾值電壓為式中，為彎曲彈性常數(shù)；為扭曲彈性常數(shù)；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。第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三TN-LCD工作原理第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三用TN-LCD制作的常用液晶顯示器件第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三1971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。在1979年～1984年間，其產(chǎn)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(lǐng)域的地位僅次于CRT。LCD的高速發(fā)展引起了世界電子業(yè)界的極大關(guān)注,對LCD技術(shù)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(shù)字顯示及低路數(shù)（16線以下）驅(qū)動的簡單字符顯示。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.5、超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）（1985～1990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(yīng)前沿不夠陡峭，反應(yīng)速度慢，閾值效應(yīng)不明顯。使得大量顯示和視頻顯示等受到了限制。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖6.3.5TN-LCD響應(yīng)速度第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三80年代初，人們經(jīng)過理論分析和實驗發(fā)現(xiàn)，只要將分子的扭曲角增加到180°~270°時，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)扭角達到270°時，斜率達到無究大。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。第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖6.3.6STN-LCD中中間層分子的傾斜角與約化電壓的關(guān)系第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三1985年～1990年,LCD銷售額年均增長率達32%。此階段發(fā)展最快的是STN-LCD,它從發(fā)明到批量生產(chǎn)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(shè)備（手機）中獲得廣泛應(yīng)用,并成為該時代的主流產(chǎn)品。1990年銷售額15億美元,占整個LCD市場的83%。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.6、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(yīng)”。由于每個像素相當(dāng)于一個電容，必產(chǎn)生串?dāng)_。當(dāng)一個像素被先通時，相鄰行，列像素將處于半選通狀態(tài)。第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三人們在第一個像素上設(shè)計一個非線性的有源器件，使每個像素可以被獨立驅(qū)動，克服了“交叉效應(yīng)”。圖6.3.3MIM液晶顯示器件的電極排布第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三有源矩陣液晶顯示采用了像質(zhì)最優(yōu)的扭曲向列型液晶顯示材料。有源矩陣液晶顯示根據(jù)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。第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（1）MIM在兩種導(dǎo)電膜之間夾一層氧化物絕緣層，其結(jié)構(gòu)為Ta-Ta2O3-Cr，通電后兩導(dǎo)電膜之間電壓-電流必呈非線性，二端有源器件相當(dāng)于一個雙向性二極管，正、反向都具有開關(guān)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CMIM<<CLC。其等效電阻RMIM是非線性的。圖6.3.4MIM液晶顯示器件等效電路第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)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(tài)，RMIM很大，且CMIM<<CLC，電壓主要降在CMIM上；當(dāng)此電壓大于MIM器件的閾值電壓時，MIM進入導(dǎo)通狀態(tài)，RMIM迅速減小，通態(tài)電流對CLC充電；當(dāng)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。第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)掃描移到下一行時，原單元上的外加電壓消失，MIM轉(zhuǎn)為開路，CLC通過RLC緩慢放電，以致于可以在一幀時間內(nèi)維持Vrms≥Vth，于是該單元不僅在尋址期內(nèi)，而且在一幀時間之內(nèi)保持顯示狀態(tài)，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。第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三（2）α-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(dǎo)通比大，可靠性高，容易大面積化。第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖6.3.5TFT有源矩陣驅(qū)動LCD的基本結(jié)構(gòu)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第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三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(yīng)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(lián)，液晶像素可以等效成一個電阻RLC和一電容CLC的并聯(lián)。第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三圖6.3.6TFT有源矩陣顯示器件像素等效電路及驅(qū)動波形CGP-分布電容；CST-補償電容；RON-導(dǎo)通電阻；ROFF-截止電阻第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)掃描脈沖加到柵極G時，使D-S導(dǎo)通，內(nèi)阻變小，信號電壓產(chǎn)生大的通態(tài)電流ION，并使CLC很快充電到信號電壓。當(dāng)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(yīng)”使一個幀周期內(nèi)Vrms≥Vth，即顯示占空比為1:1。由于三端器件的通態(tài)電流更大，開路電阻更高，開關(guān)特性更陡，因此比二端器件的顯示性能也更好。第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三1985年后，由于超扭曲液晶顯示器的發(fā)明及a-SiTFT液晶顯示技術(shù)的突破，LCD技術(shù)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(chǎn)品得以開發(fā)，并迅速商品化。LCD市場需求量大幅度增長。第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期三6.3.7、背照燈液晶顯示器是被動顯示器件，本身不會發(fā)光，往往工作在透光模式下。因此，為了了獲得高對比度