1、第3章 液晶顯示技術(shù)及設(shè)備,3.1 液晶簡介 3.2 液晶的基本物理特性 3.3 LCD模式及其特性 3.4 LCD驅(qū)動 3.5 LCD顯示器,3.1 液晶簡介,3.1.1 液晶顯示的發(fā)展過程 3.1.2 液晶顯示的特點,3.1.1 液晶顯示的發(fā)展過程,19世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)液晶現(xiàn)象 某些有機物（胡蘿卜膽固醇的衍生物）加熱融化 不透明渾濁液態(tài) 透明液態(tài) 渾濁液態(tài)的有機物具有與晶體相似的性質(zhì) “液晶”,液晶顯示的發(fā)展過程,液晶顯示最早研究與應(yīng)用 1961，美國無線電公司（RCA）Williams發(fā)現(xiàn)動態(tài)散射 (DSM)液晶 1968，RCA的Heilmeir基于 DSM 研制出第一個液晶顯示器件 19

2、69，RCA公布并出售液晶發(fā)明專利,液晶顯示的發(fā)展過程,1960年末，發(fā)明賓主效應(yīng)液晶 液晶與二色性染料混合 工作電壓高、功耗大 1970年初，發(fā)明扭曲相列液晶（TN-LCD） 電場型，無電化學(xué)蛻變，壽命長 工作電壓低、功耗小 廣泛用于中小尺寸顯示屏，如手表、計算器等 行數(shù)增加時，對比度變壞，視角變窄,液晶顯示的發(fā)展過程,1984年，發(fā)明超扭曲相列液晶（STN-LCD） 電光特性曲線陡，顯示行數(shù)高（512行） 用于中檔液晶產(chǎn)品，如手機屏幕、小型電視機、筆記本電腦等 1990年代，有源矩陣液晶（AM-LCD）開始大規(guī)模應(yīng)用 1970年代首先出現(xiàn)，受限于成品率和制作成本 用于大容量信息顯示，如高分

3、辨率顯示器、大屏幕電視等,液晶顯示發(fā)展的有趣現(xiàn)象,RCA時期，液晶只能做數(shù)字顯示，不能做圖像顯示？ RCA出售液晶專利，停止液晶研究。 1970s開始，日本開始發(fā)展液晶顯示，根據(jù)個人電子化的需求，將液晶與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)相結(jié)合，挖到液晶“第一桶金”。 1990s，液晶可以做計算機的視頻終端，難以做電視顯示？ 2000s，出現(xiàn)中小尺寸液晶電視。 2000s，在大屏幕電視上，PDP相對于液晶更有優(yōu)勢？ 2010s，液晶在電視顯示占主導(dǎo)地位。,液晶顯示的典型產(chǎn)品,小尺寸、低分辨率、黑白大尺寸、高分辨率、彩色,液晶顯示的發(fā)展過程,目前產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 日本、韓國、中國三足鼎立，為爭奪市場激勵競爭 夏普，10

4、代線（2.85m3.05m，15塊42寸），2010年量產(chǎn)，2012年虧損1440億日元，擬出售。 中國，7條高世代（8.5代）液晶面板生產(chǎn)線相繼建設(shè)和生產(chǎn)，政府在LCD產(chǎn)業(yè)累積投入1000億，2014年中國LCD電視產(chǎn)量1.4億臺。 京東方，3年盈利1次；2015年4月20日，宣布投資400億（政府、銀行融資各45%，京東方出資10%），在合肥建立10.5代LCD面板生產(chǎn)線，用于高尺寸、超高分辨率LCD屏。 韓國，三星、LG，8.5代線。 三星，為保面板第一的位置，擬打造10.6代面板廠。,2014 年至 2016 年，全球液晶顯示面板市場份額變化,3.1.2 液晶顯示的特點,被動顯示 本身

5、不發(fā)光，通過調(diào)制外界光達(dá)到顯示目的 低壓、微功耗、長壽命 工作電壓23V，工作電流微安量級，功率微 瓦量級（不包括背光源） 工作電壓電流低，幾乎不會劣化，壽命受限于顯示器的其它部件（如背光源）,早期主要缺點及現(xiàn)狀,早期主要缺點: 分辨率低 顯示視角小 不同方向入射光透射率不同 視角小（3040） 響應(yīng)速度慢 外加電場改變液晶分子排列響應(yīng)速度慢（100200ms） 不適合高寒高熱地區(qū)軍用 現(xiàn)狀: 已實現(xiàn)全高清至4倍高清 水平視角140 ，垂直視角135 響應(yīng)時間降低至ms量級,3.2 液晶的基本物理特性,3.2.1 液晶的定義與分類 3.2.2 液晶的連續(xù)彈性體理論 3.2.3 弗里德里克斯轉(zhuǎn)變

6、(Fredericksz Transition) 3.2.4 液晶指向矢分布的數(shù)值計算方法 3.2.5 液晶的單軸光學(xué)特性 3.2.6 液晶光學(xué)特性的數(shù)值計算方法,3.2.1 液晶定義和分類,液晶：某些(有機)材料在固體和液體的中間狀態(tài) 外觀，流動的渾濁液體 物理特性，晶體的各向異性 溶致液晶 一種溶質(zhì)溶于一種溶劑形成液晶態(tài)物質(zhì)，目前尚未用于顯示器件。 熱致液晶 當(dāng)液晶物質(zhì)加熱時，在某一溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)各向異性的熔體。液晶顯示器采用工作于室溫的熱致液晶。,熱致液晶根據(jù)液晶分子結(jié)構(gòu),棒狀液晶,盤狀液晶,棒狀分子應(yīng)用最為廣泛,棒狀液晶向列相液晶,向列相液晶瞬時示意圖,液晶的有序參量,指向矢相同，液晶

7、分子排列也有所不同。 S=(3-1)/2 表示液晶分子排列的有序程度 ：液晶分子長軸相對于指向矢的偏離角 S=1，完全有序 S=0，完全無序 一般液晶，S0.3, 0.9,液晶分子長軸與取向矢的空間關(guān)系,有序參數(shù)受溫度的影響,溫度越高，有序參數(shù)越小 熔點以下，晶體，S=1 熔點以上，清亮點以下， 0S1，隨溫度上升而降低 清亮點以上，液體，S=0 S越大，液晶的介電常數(shù)差和折射率差n越大LCD具有溫度依賴性,有序參數(shù)S隨溫度的變化趨勢,棒狀液晶膽甾相液晶,指向矢分布具有螺旋結(jié)構(gòu) 大部分是膽甾醇的各種衍生物，以此得名。 液晶分子呈扁平形狀，排列成層，層內(nèi)分子相互平行，指向矢平行于層平面的分子長軸

8、方向。 相鄰兩層分子，其指向矢有一輕微的扭曲角。 分子指向矢沿著層的法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)。,膽甾相、扭曲相列相,相列相液晶，添加旋光物質(zhì)膽甾相液晶 h(螺距)，透射光是沿著螺旋軸旋轉(zhuǎn)的偏振光 透射光偏振方向的改變由分子扭曲角決定扭曲向列相(TN)液晶,膽甾相分子指向矢旋轉(zhuǎn)示意圖,棒狀液晶近晶相液晶,最接近晶體，有序性最好 層間有序，分子排列成層，不能在層間移動。 層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可垂直或傾斜于層面，分子可以在層內(nèi)滑動，但不易轉(zhuǎn)動。,近晶相液晶結(jié)構(gòu)示意圖,近晶相液晶,近晶A相： 分子指向矢與層法線平行,近晶C相： 分子指向矢與層法線成一定角度,近晶C*相,近晶C相，添加旋光物質(zhì)近

9、晶C*相 分子指向矢不僅與層法線形成一定角度，而且圍繞層法線形成圓錐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。 d：層間距 P：指向矢在圓錐旋轉(zhuǎn)一周時沿層法線方向通過的距離 鐵電液晶工作基礎(chǔ),近晶C*相分子結(jié)構(gòu)示意圖,液晶顯示的基本原理,基本物理量：亮度L=Ls T(R) L：圖像中每個子像素的亮度 Ls：背光源亮度 T(R) ：液晶盒每個子像素的透射（反射） Ls, T(R)原則上是位置(x,y)和時間(t)的函數(shù) Ls很難被控制 基本原理：外加電場液晶分子排列液晶盒的透射(反射) 。 T(R)，整個液晶盒、而不是單純液晶材料本身的透射(反射),3.2.2 液晶的連續(xù)彈性體理論,液晶自由能,一、液晶的彈性形變引起的彈性能

10、二、液晶與外場相互作用的自由能 按照自由能最小原理，液晶在外場作用下重新排列，使液晶的總自由能趨向最小，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。,向列相液晶的彈性形變示意圖,3.2.3 弗里德里克斯轉(zhuǎn)變,向列相液晶的三種基本形變,液晶響應(yīng)速度問題,響應(yīng)時間 液晶分子在電場作用下轉(zhuǎn)動所需要的時間。 開關(guān)響應(yīng)時間，液晶分子全黑（透光率10%） 全白（透光率90%）之間的轉(zhuǎn)換時間。 灰階響應(yīng)時間（GTG，gray to gray）， LCD屏 幕上每個點由前一個灰度（透過率）過渡到后一種灰度（透過率）所需的時間。 減少液晶盒厚度，可以縮短開啟和關(guān)斷時間 啟動電壓E越大，粘滯系數(shù)越小，扭曲彈性系數(shù)越大，開啟和關(guān)斷時間越

11、短,提高液晶響應(yīng)速度的措施,液晶材料特性 減小粘滯系數(shù) 增大介電系數(shù)差 提高彈性系數(shù) TN液晶材料改進余地不大 鐵電材料目前還不成熟 理論響應(yīng)時間 s量級 減小液晶單元盒間隙d 厚度太薄，制作困難成品率下降 厚度 2m 增大液晶單元盒驅(qū)動電壓V 整體增大驅(qū)動電壓有效值會減小液晶的壽命 部分增加驅(qū)動電壓：過驅(qū)動技術(shù),過驅(qū)動（Overdrive）技術(shù),在尋址電極打開瞬間，使液晶像素兩端電壓迅速增大，使液晶分子迅速扭轉(zhuǎn) 扭轉(zhuǎn)后迅速將電壓下降到正常水平,Overdrive優(yōu)點,有效提高液晶響應(yīng)速度，同時不影響液晶壽命 使灰階-灰階響應(yīng)時間接近黑白響應(yīng)時間，10ms 只對灰階部分的翻轉(zhuǎn)電壓進行提升，提升

12、的最大值也不會超過“黑白黑”部分的最大電壓，壽命不會受到任何影響。 液晶本身最大的翻轉(zhuǎn)電壓處在“黑白黑”階段，而所有灰階部分的翻轉(zhuǎn)電壓全部都小于“黑白黑”的部分。,3.2.5 液晶的雙折射光學(xué)特性,折射率橢球 液晶具有單軸晶體光學(xué)特性，折射率在平行和垂直于分子長軸方向不同 以分子為軸的折射率橢球 橢球方程,光波沿液晶光軸(z)傳播 截面為x,y平面的圓，半徑為no 偏振方向可取垂直于液晶光軸的任意方向，對應(yīng)折射率都是no 無雙折射效應(yīng),LCD的視角問題,液晶本身不發(fā)光，對比度Cr=Tmax/Tmin。 液晶顯示Cr隨觀察視角變化很大。 TN-LCD，隨著視角的增加，對比度下降，甚至出現(xiàn)階調(diào)反轉(zhuǎn)

13、，變成負(fù)像。,液晶視角特性：對比度隨人眼觀察視角的變化特性。 TN液晶 無外電場，每個像素液晶分子平行基板平面(x,y)平面，繞基板法線z軸扭曲一定角度 電場超過臨界值，液晶分子長軸從垂直于z軸沿電場方向轉(zhuǎn)過一個角度，造成不同視角光程差nd不同。 液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光線設(shè)計 視角增加，對比度下降，甚至階調(diào)反轉(zhuǎn)，變成負(fù)像,觀察角度不同，對比度、顏色、輝度均不同,光學(xué)薄膜相位差補償技術(shù),以TN常白模式為例，無電場，亮態(tài)，透過特性與視角關(guān)系不大。 有電場，暗態(tài)，液晶分子基本垂直玻璃基板表面，一般為正性雙折射，透過率與視角關(guān)系十分靈敏。 在液晶觀察面上貼負(fù)性雙折射的相差膜補償。 工藝簡單，

14、成品率高，成本低，可擴大視角范圍 相位差膜折射率分布固定，只能對某個電壓范圍的液晶進行有效補償,TN液晶相位差光學(xué)補償原理,準(zhǔn)直背光源&漫散射觀察屏,在LCD觀察面放置一塊漫散射觀察屏，可降低LCD對比度沿方位角分布的不均勻現(xiàn)象，但對比度下降嚴(yán)重。 采用準(zhǔn)直光作為LCD的背光源，對比度大大提高。 普通邊光冷陰極熒光燈背光源，輸出光與角度呈余弦分布，可以在表面黏貼一層由二維的微光學(xué)單元組成的特殊薄膜，使背光源輸出光在水平和垂直方向的發(fā)散角在10，近似為準(zhǔn)直光源。,水平切換 (In-Plane Switching: IPS),電極位于同一片玻璃基板，上下偏置片方向垂直 無電場，液晶分子在兩基板之間

15、均勻平行排列，暗態(tài)。 當(dāng)施加電壓，液晶分子旋轉(zhuǎn)扭曲，亮態(tài) 可使視角擴大到160 必須在同一片玻璃基板制作梳狀電極，導(dǎo)致對比降低，需要加強背光源的亮度。,IPS液晶工作原理,取向分割技術(shù),一個像素內(nèi)有傾角方向相反的扭曲方式，對入射光傾角變化引起的光程差nd互補，合成的視角特性可大為改善。 雙疇，可改變一個方向的視角 一個具有寬的左視角，一個具有寬的右視角 四疇，可改善兩個方向的視角,TN液晶的雙疇工作模式,多疇垂直取向(MVA),在上下玻璃基板上制作小凸起，改變基板附近的液晶分子取向 三角形柱體小凸起，形成雙疇 四面體小凸起，形成四疇 無電場，液晶分子垂直取向，上下偏振片方向相互垂直，暗態(tài) 加電

16、壓，小凸起間產(chǎn)生傾斜電場，使液晶分子偏離垂直方向，亮態(tài) 視角能高達(dá)160 制作成本較高,雙疇垂直取向液晶結(jié)構(gòu),液晶顯示的基本原理,基本物理量：亮度L=Ls T(R) L：圖像中每個子像素的亮度 Ls：背光源亮度 T(R) ：液晶盒每個子像素的透射（反射） Ls, T(R)原則上是 位置(x,y)和時間(t)的函數(shù) Ls很難被控制 基本原理：外加電場液晶分子排列液晶盒的透射(反射) 。 T(R)，整個液晶盒、而不是單純液晶材料本身的透射(反射),3.3.1 液晶電光特性與液晶顯示,液晶的電光特性 光散射性 吸收二色性 雙折射性 旋光性,光散射性,光線入射到單區(qū)均勻媒質(zhì) 液晶排列整齊，垂直入射 傳

17、播方向不變，損耗較小，透過率較高,光線入射到多區(qū)的均勻介質(zhì) 多個液晶疇區(qū)，分子取向不一致，形成多個折射率突變界面 對入射光多次折射或反射，偏離了原來傳播方向而散向四周，透過率較低,動態(tài)散射液晶顯示,有機電解質(zhì)攙入液晶材料中，液晶夾在兩塊透明導(dǎo)電玻璃之間構(gòu)成液晶盒。 玻璃基片預(yù)處理，液晶分子沿面排列。 不通電時，對入射光透明。 動態(tài)散射液晶顯示基本原理,動態(tài)散射液晶顯示基本原理,通電，液晶各向異性的電荷分布和外加電場相互作用，液晶分子扭轉(zhuǎn)。 VVW10V，產(chǎn)生周期性液晶分子環(huán)流，呈現(xiàn)出與液晶盒厚度相同間隔的周期性靜態(tài)條紋圖案（威廉斯疇） 再加大電壓，液晶分子紊流，使光變成強烈地向前散射，稱為動態(tài)

18、散射(DS)效應(yīng)液晶乳白色，對光不透明。,動態(tài)散射液晶顯示基本原理,動態(tài)散射液晶特點,優(yōu)點：無需偏振片 缺點： 采用低電阻液晶材料，電流較大 摻入有機電解質(zhì)，液晶工作壽命不夠高 對比度差 光散射的紊流使圖像邊緣不夠清晰 液晶盒較厚（6m） 第一個實用化液晶顯示器件，目前已不再使用。,偏振片的工作原理,偏振片：只通過固定偏振方向的入射光 偏振片和入射光的偏振方向的夾角，決定透射光的亮度 偏振方向相互平行，完全通過 偏振方向相互垂直，完全不通過 入射光透射率cos2 ,吸收二色性,二色性染料 某些有機染料在分子長、短軸方向?qū)庥胁煌奈?染料分子光軸平行于電矢量 強吸收,染料分子光軸垂直于電矢量 弱吸收,賓主效應(yīng)液晶顯示,將少量二色性染料溶于形狀和大小相似的液晶分子中，液晶分子為“主”，染料分子為“賓”，染料分子傾向于與液晶分子平行。,未加電壓： 液晶分子長軸平行于入射光偏振方向 染料分子長軸平行于入射光偏振方向 入射白光中的某些色光被強烈吸收， 透射光著色,施加電壓（VVth）： 液晶分子長軸垂直入射光偏振方向 染料分子長軸垂直入射光偏振方向 入射白光不被吸收，透射光不著色,賓主效應(yīng)液晶顯示特點,優(yōu)點： 從任何角度都能觀察到相近的顯示效果 原則上可實現(xiàn)廣視角LCD 缺點： 響應(yīng)速度慢 對比度低 入射光不能被完全吸收，黑色較淡 至今仍未商用,電控雙折射(ECB),加電壓，分子