液晶显示器的原理和制造

液晶显示器的原理和制造2009年12月(一)序言一、对显示器的要求1.性能好且稳定（高亮度、高对比度、宽视角、快速响应等）2.高密度信息量3.可擦除4.使用方便、安全、可靠5.寿命长6.适宜的价格（低成本）加电场二、液晶显示的原理基片的表面处理液晶分子呈有序排列有一定的光学状态液晶分子排列发生变化光学状态发生变化产生对比度→显示撤除电场三、液晶显示的模式显示模式电流效应型动态散射型（DS）胆甾型（CH）反铁电型（AFLC）铁电型（FLC）相变型（PC）宾主型（GH）电控双折射型（ECB）超扭曲向列型（STN）电场效应型介电各向异性型扭曲向列型（TN）(二)什么是液晶一、液晶的发现及命名1888年奥地利植物学家F.Reinitzer在加热胆甾醇苯甲酸酯结晶试验时发现：结晶酯加热加热透明液体冷却冷却德国物理学家O.Lehmann将其称为：FliessendeKrystalle(德语)英文为：LiquidCrystal中文即：液晶乳白色浑浊液体二、液晶分子的结构CN化学家的观点物理学家的观点形状各向异性,长度>4倍宽度上述分子(5CB)是~2nm×0.5nm分子长轴有一定刚性分子末端含有极性或可极化的基团CH3-(CH2)4CN三、液晶的定义通常物质有三态：固体液体气体液晶是物质的第四态——介乎于各向同性液体和晶体之间的中间相（mesophase）晶体液晶（各向同性）液体气体具有液晶相的物质都是有机化合物四、液晶的特点(各向同性)液体液晶晶体宏观流动性、各向同性流动性、各向异性有一定形状、各向异性微观位置短程序位置短程序、方向序位置长程序表1温度晶体向列相液晶各向同性相液晶相图1五、液晶的分类1922年法国G.Friedel将液晶分成三大类向列相分子沿某一择优方向取向，分子重心无序分布胆甾相分子在空间形成连续的螺旋结构，在垂直于螺旋轴的平面内分子排列类似向列相近晶相层状结构，分子垂直或斜交于层平面，层内分子重心无序分布（A、C、C*…）或有序分布（B、G、F、G…）近晶C相近晶A相向列相图2向列相&胆甾相n通常向列相螺距P指向矢手性向列相向列相位置无序指向有序指向矢倾向沿某一方向胆甾相位置无序指向有序指向矢排列呈螺旋状图31.指向矢在宏观上把液晶当作连续体来处理的理论中，常引用一个平滑的矢量场来描述液晶分子的排列状态。更确切地说，即在一个无限小的体积内将大量分子的长轴方向的平均取向作为一个择优取向，这个择优取向常常用单位矢量来表示,它被称为指向矢(director)。图4(1)定义六、液晶的物理性质(2)指向矢的性质即是一个无量纲的单位矢量满足：多畴——整个液晶层有多个方向单畴——整个液晶层只有一个方向奇点——空间中某些点或线上可以有多个方向（或不确定）缺陷（向错点、向错线）=-s=+1s=+1s=+1s=1/2s=-1/2s=-1s=3/2s=+2向列相液晶分子在不同强度向错线周围排列的情况向列相中向错线的显微照片2.介电各向异性在向列相中分别沿与液晶指向矢平行和垂直的方向进行测量，可以得到两个不等的介电常数和。对液晶沿某一方向加电场E，相应的电位移矢量D为：定义为液晶的介电各向异性。分子具有与其长轴平行的永久偶极距>0分子具有与其长轴垂直的永久偶极距<0（1）由于介电各向异性，导致向列相分子被电场强迫取向：（2）式中第一项与取向无关，第二项对取向非常重要当Δ>0时，若，则为最大，W为最小；即分子倾向沿电场排列当Δ<0时，若，则，W为最小；即分子倾向垂直电场排列（2）图53.电阻率与电极效应液晶的电阻率ρ的数量级为，近乎半导体和绝缘体的边界。ρ作为液晶纯度的表征量，ρ小→直流分量大→电化学分解→LCD的寿命降低ρ大→质量好，但ρ太大，则难以制备（产率太低）电极效应直流电→电极处发生电化学反应→液晶发生分解→LCD损坏防止办法：利用低频交变电场驱动4.光学各向异性:双折射冰洲石△n=ne-no图6光在向列相中的传播液晶分子长轴的方向——光轴双折射现象、光波的叠加、干涉等现象均同样在液晶中发生，只要将液晶作为单轴正晶体就可作类似的。5.弹性各向异性:向列相的三种形变展曲K11弯曲K33扭曲K22图7(1)关于弹性常数的讨论●向列相中可以只产生其中一种形变，因此每一个Kii（i=1,2,3）都必须是正的。●Kii的量纲是尔格/厘米（或达因）●●●温度增高Kii减少弹性常数K22与温度之间的关系图8（2）弹性常数对显示的影响阈值电压弹性常数越大→阈值电压也越大响应时间弹性常数越大→响应速度越快电光曲线K33/K11越小→该液晶的电光曲线越陡→多路驱动能力越强对于多路驱动的电光器件，要求液晶材料K33/K11=1.1K22/K11＝0.4~0.86.边界效应(1)强锚定界面对分子的作用称之为“锚定”。在大多数实际情形下，表面作用力足够强，能使分子在表面有确定的方向，这种情形称之为“强锚定”。与之对应的则称为“弱锚定”。(2)易取向方向液晶分子沿界面某一方向排列时表面能量为最小，该方向称为易取向方向。表面锚定fqNn极化锚定Wq方位锚定Wfsurface强锚定10-4J/m2弱锚定10-7J/m2Wq,f是将指向矢n从其易取向方向移动所需的能量图9外部介质是单晶体，液晶的易取向方向总是平行于某些简单的晶轴。摩擦玻璃表面，液晶的易取向方向即为摩擦方向。各向同性介质，易取向方向可以沿各种方向，有时是连续分布的。设指向矢与表面法线之间的角度为θ，θ＝0　垂直排列（HTAB,卵磷脂处理）　　　　0＜θ＜90°倾斜排列　　　　θ＝90°平面排列微沟槽表面均匀排列(//)磨擦polyimide键合垂直排列()表面活性剂图10（3）摩擦取向机制沟槽理论平行沟槽切应变理论摩擦聚合物聚合物分子择优结构能量最低平行择优方向7.液晶的粘滞性(1)各向异性流体的特点平移运动分子排列流动排列的变化流动(2)液晶的体积粘滞系数ηη是利用粘度计测量混乱无序液晶的粘滞系数，即把液晶当作普通流体来处理。◆温度越高，η越小◆η直接影响液晶的响应时间T，η越小，T越小耦合定向排列破坏排列粘滞系数随温度的变化对于各向同性液体E是分子运动的扩散激活能H3CONC4H9图11（3）(二)TN—LCD的基本原理一、TN—LCD的结构及结构参数结构：ITO玻璃——制盒，电极图形液晶——利用其电光效应偏振片——起偏片和检偏片→产生正交偏光结构特点：扭曲90°结构参数：K、△∈、△n、ρ、d、θ、摩擦方向→指向矢→光轴手性添加剂作用:使液晶分子形成扭曲结构次开发（4）(4)(对稀溶液)手性添加剂HTP(mm)-1S-811-14IS-4651-13.6负号表示左螺旋方向对0.1%掺杂的S-811P=71.4mm-1表2二、显示模式1.非激活态（不加电场）的光学性质90°扭曲→导波效应→偏振面旋转90°，但必须满足Mauguin条件△n·d这样使得通过该液盒时其偏振面产生的扭曲与光波长无关，即出射光是线偏振光如果上述条件不满足，则出射光为椭圆偏振光，透射强为（5）（6（7）（8）图12图13所以I与△n·d的曲线上有一系列极值，第一极小、第二极小等，通常在TN-LCD中△n·d=0.48、1.05、1.64……对于白底黑字，透射光强与△n·d的关系恰好相反，即I具有一系列极大值，为了提高对比度和视角，通常希望背底明亮，即I在关态时具有极大值，在实际使用的TN-LCD中通常使用△n·d在第二极大处。 2.激活态的光学性质当对TN-LCD施加电场时，n沿E排列→分子分布产生畸变（垂直排列），透射光沿长轴（即光轴）传播，不发生双折射，偏振动面不变，为检偏器所阻→不透光（显示）图14（1）光轴分布在不同的电压下，倾角分布由平坦→弓形曲线（相对于层中心对称）低电压——正弦曲线高电压——近似方形（2）垂直入射时的透射率数学：Jones矩阵法连续扭曲并倾斜的结构→N个等厚单轴晶片的叠加光轴在每一晶片中是一致的，在不同晶片中不同每个晶片为一传输矩阵→改变在其中光的偏振状态整个层的总透射率由这些矩阵相乘来计算图15三、TN-LCD的电光曲线和电光响应1.电光曲线的定义和特点(1)定义——透射光强随施加电压变化的函数关系图16图17(2)特点：(a)两偏光片的偏光轴正交，并且分别与紧邻玻片内侧上的的摩擦方向（即液晶分子排列方向)平行或垂直——正性显示（白底黑字-常白型）若两偏光片的偏光轴互相平行，且与任一玻片内侧上的摩擦方向相一致——负性显示（黑底白字-常黑型）正性比负性对比度高图18(b）有阀值，有饱和，Vth、Vsat都很低，易于低电压使用；（c）由于是场效应低电流、微功耗；（d）电压为交变电压，避免电极处的电化学反应从而造成LCD的损坏；（e）透射光强在很宽的频率范围内只与驱动电压的均方根值有关，而与电压波形无关；（f）电光曲线会随环境温度变化。2.重要参量的意义（1）相对透光率Lt=×100%（2）阀值电压Vth——当V>Vth时，Lt才发生变化Vth与△∈成反比，即△∈越大，Vth越小，液晶分子越易沿电场排列Kii越小，Vth越小，液晶分子越“软”，则也越易沿电场排列Vth与盒厚d无关透射光强入射光强（9）（3）V10和V90（以负性显示为例）V10——相对透光率为最大值的10%时的外加电压V90——相对透光率为最大值的90%时的外加电压（4）陡度γγ=V90/V10(负性显示)，γ>1，γ越小，则陡度越好（5）对比度和视角对比度Cr显示状态和非显示状态相对透光率的比值视角人眼观察的角度视角特性对比度随视角变化的特性视角锥对比度大于某一个最小可接受值的视角范围，通常视角锥为Cr=2上视-10°，下视40°，左右视角30°图193.与电光性能相关的缺陷(1)矩阵显示的基本概念图202行2列全选点半选点非选点产生交叉效应的原因——液晶具有双向导通特征以正性显示（白底黑字-常白型）为例电压升高超过Vth全选点亮态→暗态电压再升高半选点亮态→暗态电压继续升高非选点亮态→暗态如何避免交叉效应？在与全选点相应的行和列加上一个全电压的同时，在非选点对应的电极上也加一个偏置电压，适当选择电压可使全选点上的电压超过Vth，而非选点上的电压低于Vth。若扫描电极数为N 偏压比==b=√N+1 选点电压非选点电压（10）扫描电压Vo则选点上的电压Vs非选点上的电压Vns  注意Von、Voff只取决于矩阵电路，与液晶无关，要使液晶在这个矩阵电路中避免交叉效应，应有VoffV10液晶阀值电压低应调高电压交叉效应即选点不黑，非选点不亮，陡度不好应提高陡度显示不匀<1>功耗较大，LC的ρ值小<2>走线不合理，细而长<3>局部定向不好图214.电光曲线与材料和温度的关系（1）陡度与材料的关系减小K33/K11，增大K33/K22，可以提高陡度即可增大对比度和扫描线数（2）电光曲线随温度的变化随着温度的升高，阀值电压减小（弹性常数减小），曲线向左移∴高温时出现鬼影，低温时字蒙5.电光响应施加电压和撤去电压时相对透光率随时间的变化（1）响应时间的定义延迟时间——加上电压后到相对透光率达到最大的10%时的时间上升时间——相对透光率从最大值的10%增加到90%时所用的时间下降时间——相对透光率从最大值的90%增加到10%时所用的时间图22（2）响应时间与材料和温度的关系当外加电压远大于Vth时∴τ∝η即液晶越粘，响应越慢（13）（14）其中即外加电压越大，上升越快即液晶△∈越大，液晶越易沿电场排列，上升越快液晶盒越厚，弛豫越慢,响应也越慢温度越低，液晶越粘，响应越慢图236.视角问题（1）产生原因以正性显示（白底黑字）为例加电场后→液晶分子垂直排列对于垂直入射线偏振光→穿过液晶层（沿光轴前进），只有o光传播→偏振方向不变→被检偏片完全吸收（黑态）对于倾斜入射线偏振光→穿过液晶层（光线不沿光轴前进）o光和e光同时存在，二者的位相差正比于△n·d→穿过液晶后叠加为椭圆偏振光→不能被检偏片完全吸收，出现漏光→对比度下降图24（2）影响视角的因素(a)光程差的影响△n·d越小，视角越宽，当△n·d=0.48第一极值时视角最宽(b)电压变化的影响随着电压的变化，视角范围也会变化(c)视角展宽的方法利用第一极值优化工作电压象素分隔法无摩擦取向法（非晶LCD）补偿膜法图25(三)STN—LCD的基本原理一、为什么要引入STN-LCD？1.TN-LCD的局限性1971年，Schadt和Helfrich发明了TN－LCD优点：结构简单、工艺制作容易缺点：驱动路数不高，只能显示简单的信息（15）2.TFT-LCD未能突破TFT-LCD采用薄膜晶体管单向导通的原理解决了交叉效应问题，但制作难度很大，在70～80年代无法突破。3.STN-LCD应运而生在TN存在局限性、TFT无法突破且又无其他显示模式能解决大容量信息显示的情况下，1984年Scheffer和Nehring发明了STN-LCD。4.STN-LCD的优缺点优点：可实现240路以下的显示笔记本电脑的应用平板显示的里程碑缺点：响应慢、有底色、工艺制作难度大二、STN-LCD的结构特点1.大扭曲角（180°～270°）驱动路数N<3232≤N≤160160≤N≤240N>240陡度r>1.191.19≥r≥1.081.08≥r≥1.06<1.06扭曲角θ180°220°240°260°TNθ＝90°STN通常采用θ=220°和240°表3图262.高预倾角(1）目的：保证液晶分子按预定的方式扭曲消除向错环（2）扭曲角增大要求预倾角增大φ＝3°～6°（对TN而言，φ～1°）3.偏光片与摩擦方向有一定夹角调节偏光片的取向和液晶层的,使得对比度和亮度具有最佳组合。图27彩色某一部分光谱分量才能透过椭圆偏振光e光和o光相干涉通过LC层E光O光P片与分子取向有夹角线偏振光P片入射自然光（各种ω）三、STN-LCD显示原理1.非激活态（不加电场）的光学模式TN——导波模式，只利用一种光学本征模（e光或o光）的旋光效应黑白显示A片注1：TN若使用双折射模式，则电光曲线平移，视角和对比度无明显差别，但出现底色，会产生颜色不匀现象，给盒厚控制带来困难。注2：STN若使用导波模式，则电光曲线平缓，Von值太高。双折射效应的效果增大阀值特性陡度d的微小变化非选态带色多色显示困难颜色变化盒厚控制2.电光效应图28四、STN的显示模式图29(3)灰模用于灰模的紫色偏光片的特点如下图图30Tλ(4)黑白模补偿片：将通过LC层所生成的椭圆偏振光变成线性偏振光图31双盒STN：在常规STN层下置第二个STN层,其厚度和有源STN层相同,但无电极,且扭曲方向相反。无源层将通过有源STN层所生成的椭圆偏振光进行补偿，恢复成线性偏振光，非选态为黑色;而选态不为无源层所补偿，为亮态。优点：补偿效果好，对温度变化不敏感缺点：重量、厚度大一倍，成本高，制作难度大图32五、条纹畴及d/p窗口1.条纹畴的产生扭曲角φ增大后，在Vth附近易出现一种条纹畴成因：胆甾相在电场作用下由于对流不稳定性所造成的图332.效应条纹畴电光曲线变缓多路驱动能力下降短暂记忆效应（平面结构不易恢复）信息丢失图343.各种参数对条纹畴产生的影响4.d/p值d为液晶盒的厚度，p为螺距对于STN-LCD，d/p值的影响：降低d/p值抑制条纹畴，提高陡度会产生欠扭，工艺要求高所以d/p值应有一定范围，这个范围称为d/p窗口。欠扭反转畴正常过扭条纹畴d/p对220°STN正常的范围为0.37注意事项

软件开发合同注意事项软件销售合同注意事项电梯维保合同注意事项软件销售合同注意事项员工离职注意事项