第3章-液晶顯示器件課件

第3章液晶顯示器件（LCD）第3章液晶顯示器件（LCD）§3液晶顯示器件（LCD）什么是液晶？§3液晶顯示器件（LCD）什么是液晶？2液晶的發(fā)現(xiàn)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(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？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(jiǎn)稱為“LC”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為L(zhǎng)CD。液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀(jì)末，1888年奧地利的植3第3章--液晶顯示器件ppt課件4液晶態(tài)是物質(zhì)的一種形態(tài)液晶實(shí)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(jī)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。液晶態(tài)是物質(zhì)的一種形態(tài)液晶實(shí)際上是物質(zhì)的一種形態(tài)，也有人稱其53.1、液晶基本知識(shí)1.互變相變（可逆相變）2.單變相變3.1、液晶基本知識(shí)1.互變相變（可逆相變）6第3章--液晶顯示器件ppt課件7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液晶分類（按熱致液晶分子排列狀態(tài)）向列相液晶（Nematic8向列型液晶由長(zhǎng)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?yàn)榉肿拥闹匦碾s亂無序，并容易順著長(zhǎng)軸方向自由移動(dòng)，所以像液體一樣富于流動(dòng)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(duì)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。向列型液晶由長(zhǎng)徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀9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近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶隧道顯微鏡下的近晶10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(zhǎng)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(dòng)，因此具有二維的流動(dòng)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(duì)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。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11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(zhǎng)軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直這個(gè)平面上，每層分子都會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。液晶整體呈螺旋結(jié)構(gòu)。螺距的長(zhǎng)度是可見光波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)。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(zhǎng)接近時(shí)，會(huì)引起這個(gè)波長(zhǎng)光的布拉格散射，呈某一種色彩。膽甾型液晶具有負(fù)的雙折射性質(zhì)。一定強(qiáng)度的電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(duì)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。膽甾相液晶（Cholestevic），也稱螺旋狀液晶膽甾型123.2、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(fù)介電各向異性液晶

3.2、液晶的光電特性（1）液晶的各向異性13液晶短軸方向ε⊥液晶短軸方向ε∥液晶短軸方向ε⊥液晶短軸方向ε∥14外場(chǎng)作用下的取向在外電場(chǎng)作用下，分子的排列極易發(fā)生變化，P型液晶分子長(zhǎng)軸方向平行于外電場(chǎng)方向，N型液晶分子長(zhǎng)軸方向垂直于外電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度為

外場(chǎng)作用下的取向在外電場(chǎng)作用下，分子的排列極易發(fā)生變化，P型15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(shí)，；當(dāng)液晶分子垂直于玻璃表面時(shí)，；而當(dāng)液晶分子扭曲排列時(shí)，。換算為電壓即閾值電壓

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16（2）液晶的雙折射以P型為例，長(zhǎng)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(fù)單軸晶體的光學(xué)性質(zhì)，這是因?yàn)椋海?）液晶的雙折射以P型為例，長(zhǎng)軸為光軸17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(duì)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(jì)制造的。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18（3）液晶的電光效應(yīng)液晶材料在施加電場(chǎng)（電流）時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)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(jì)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(jī)理也較為復(fù)雜，但就其本質(zhì)來講都是液晶分子在電場(chǎng)作用下改變其分子排列或造成分子變形的結(jié)果。（3）液晶的電光效應(yīng)液晶材料在施加電場(chǎng)（電流）時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)19液晶的電光效應(yīng)分類液晶的電光效應(yīng)分類203.3、動(dòng)態(tài)散射（DS-LCD）型液晶顯示器件（1968年～1972年）3.3、動(dòng)態(tài)散射（DS-LCD）型液晶顯示器件（1968年～21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(shí)，當(dāng)電壓超過閾值電壓Uth時(shí)，在液晶層內(nèi)形成一種因離子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的“威廉疇（Williams）”，繼續(xù)增加電壓，最終會(huì)使液晶層內(nèi)形成紊流和擾動(dòng)，并對(duì)光產(chǎn)生強(qiáng)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。.在不通電的情況下，液晶盒呈透明狀態(tài)。223.4、扭曲向列液晶顯示器件（TN-LCD）（1971年～1984年）3.4、扭曲向列液晶顯示器件（TN-LCD）（1971年～123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(jiǎn)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。屬第二代液晶顯示器件。它是最常見的一種液晶顯示器件。24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(xì)溝糟。在保證兩塊基板上溝糟方向正交的前提下，形成一個(gè)間隙為幾個(gè)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?，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。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25當(dāng)入射光通過偏振片后成為線偏振光，在外電場(chǎng)作用時(shí)，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(chǎng)作用時(shí)，當(dāng)電場(chǎng)大于閾值場(chǎng)強(qiáng)后，液晶盒內(nèi)液晶分子長(zhǎng)軸都將沿電場(chǎng)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，呈暗態(tài)。當(dāng)入射光通過偏振片后成為線偏振光，在外電場(chǎng)作用時(shí)，由線偏光經(jīng)26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(fù)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。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(fù)27TN-LCD工作原理TN-LCD工作原理28用TN-LCD制作的常用液晶顯示器件用TN-LCD制作的常用液晶顯示器件291971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。在1979年～1984年間，其產(chǎn)量年均增長(zhǎng)38%,成本年遞減18%，銷售額年增長(zhǎng)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(duì)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(dòng)的簡(jiǎn)單字符顯示。1971年瑞士人發(fā)明了扭曲向列型(TN)液晶顯示器,日本廠家303.5、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(diǎn)：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。3.5、超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）（1985～31圖3.5TN-LCD響應(yīng)速度圖3.5TN-LCD響應(yīng)速度3280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(dòng)，且可獲得敏銳的銳度和寬的視角。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33圖3.6STN-LCD中中間層分子的傾斜角與約化電壓的關(guān)系圖3.6STN-LCD中中間層分子的傾斜角與約化電壓的關(guān)341985年～1990年,LCD銷售額年均增長(zhǎng)率達(dá)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(shí)間。由于STN-LCD具有掃描線多、視角較寬、對(duì)比度好等特點(diǎn),很快在大信息容量顯示的膝上型、筆記本型、掌上型微機(jī)及中英文打字機(jī)、圖形處理機(jī)、電子翻譯機(jī)及其它辦公和通信設(shè)備（手機(jī)）中獲得廣泛應(yīng)用,并成為該時(shí)代的主流產(chǎn)品。1990年銷售額15億美元,占整個(gè)LCD市場(chǎng)的83%。1985年～1990年,LCD銷售額年均增長(zhǎng)率達(dá)32%。此階353.6、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(jiǎn)單矩陣液晶顯示器TN型及STN型的電光特性，對(duì)多路、視頻運(yùn)動(dòng)圖像的顯示很難滿足要求。有所謂的“交叉效應(yīng)”。由于每個(gè)像素相當(dāng)于一個(gè)電容，必產(chǎn)生串?dāng)_。當(dāng)一個(gè)像素被先通時(shí)，相鄰行，列像素將處于半選通狀態(tài)。3.6、有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）屬于第4代液晶36人們?cè)诘谝粋€(gè)像素上設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件，使每個(gè)像素可以被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，克服了“交叉效應(yīng)”。圖3.3MIM液晶顯示器件的電極排布人們?cè)诘谝粋€(gè)像素上設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件，使每個(gè)像素可以被37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。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38（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(gè)雙向性二極管，正、反向都具有開關(guān)特性。由于MIM面積相對(duì)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3.4MIM液晶顯示器件等效電路（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Ta39當(dāng)掃描電壓和信號(hào)電壓同時(shí)作用于像素單元時(shí)，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(shí)，MIM進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，RMIM迅速減小，通態(tài)電流對(duì)CLC充電；當(dāng)充電電壓均方值Vrms達(dá)到液晶的閾值電壓Vth時(shí)，液晶單元顯示。當(dāng)掃描電壓和信號(hào)電壓同時(shí)作用于像素單元時(shí)，MIM器件處于斷態(tài)40當(dāng)掃描移到下一行時(shí)，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(shí)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(shí)間之內(nèi)保持顯示狀態(tài)，解決了簡(jiǎn)單矩陣液晶顯示器隨著占空比下降其對(duì)比度亦下降的弊病。當(dāng)掃描移到下一行時(shí)，原單元上的外加電壓消失，MIM轉(zhuǎn)為開路，41（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(jiǎn)單，玻璃基板成本低，導(dǎo)通比大，可靠性高，容易大面積化。（2）α-SiTFT屬于非晶硅-薄膜晶體管類型的三端有源矩陣42圖3.5TFT有源矩陣驅(qū)動(dòng)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(hào)存儲(chǔ)電容器；8-FET圖3.5TFT有源矩陣驅(qū)動(dòng)LCD的基本結(jié)構(gòu)43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(diǎn)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(xì)加工方式（染色法，或印刷法）制作上與下面矩陣對(duì)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(hào)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(gè)電阻RLC和一電容CLC的并聯(lián)。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，44圖3.6TFT有源矩陣顯示器件像素等效電路及驅(qū)動(dòng)波形CGP-分布電容；CST-補(bǔ)償電容；RON-導(dǎo)通電阻；ROFF-截止電阻圖3.6TFT有源矩陣顯示器件像素等效電路及驅(qū)動(dòng)波形45當(dāng)掃描脈沖加到柵極G時(shí)，使D-S導(dǎo)通，內(nèi)阻變小，信號(hào)電壓產(chǎn)生大的通態(tài)電流ION，并使CLC很快充電到信號(hào)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(shí)，該像素顯示，并通過RLC緩慢放電；由這樣的“存儲(chǔ)效應(yīng)”使一個(gè)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。當(dāng)掃描脈沖加到柵極G時(shí)，使D-S導(dǎo)通，內(nèi)阻變小，信號(hào)電壓產(chǎn)生461985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(jìn)入了大容量化的新階段，使便攜計(jì)算機(jī)和液晶電視等新產(chǎn)品得以開發(fā)，并迅速商品化。LCD市場(chǎng)需求量大幅度增長(zhǎng)。1985年后，由于超扭曲液晶顯示器的發(fā)明及a-SiTFT液晶473.7、背照燈液晶顯示器是被動(dòng)顯示器件，本身不會(huì)發(fā)光，往往工