第3章 液晶显示器件（LCD） 3 液晶显示器件（LCD）v什么是液晶？液晶的发现v液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的 植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂 实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后， 结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体 ，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而 美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透 明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ v他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观 察，发现这种液体具有双折射性。 v于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”， 简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件 被称为LCD。液晶态是物质的一种形态v液晶实际上是物质的一种形态，也有人称 其为物质的第四态。 v液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。 前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液 晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈 现出液晶状态。 v作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。3.1、液晶基本知识v1. 互变相变（可逆相变）v2. 单变相变液晶分类（按热致液晶分子排列状 态）v向列相液晶（Nematic ）又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜下的图v向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成 ，保持与轴向平行的排列状态。因为分子 的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自 由移动，所以像液体一样富于流动性。正 由于向列型液晶分子的这种一致排列，使 得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双 折射性。对外界的电、磁、温度、应力都 比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料 。v近晶相液晶（Smectic）又称层 状液晶 隧道显微镜下的近晶相 层状液晶v近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分 子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相 互平行，其方向可以垂直于层面或与层面 成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容 易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶 相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸 有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温 度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正 的双折射性。 v胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层 内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在 层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每 层分子都会旋转一个角度。 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波 长的数量级。 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左 旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时 ，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种 色彩。 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的 电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液 晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感 ，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相 液晶随温度改变颜色。 3.2、液晶的光电特性v（1）液晶的各向异性vP型液晶 （0）正介电各向异性液晶 vN型液晶（0，即向列 液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 v胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质， 这是因为：液晶器件所基于的三种光学特性由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具 有以下光学特性： 1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转 ； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变 化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过 或反射。液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的 。（3）液晶的电光效应v液晶材料在施加电场（电流）时，其光学 性质会发生变化，这种效应称为液晶的电 光效应。 v液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被 广泛采用。目前发现的电光效应种类很多 ，产生电光效应的机理也较为复杂，但就 其本质来讲都是液晶分子在电场作用 下改变其分子排列或造成分子变形的 结果。液晶的电光效应分类3.3、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器 件（1968年1972年）v在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。 v当通过低频交流电时，当电压超过阈值电 压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动 而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增加 电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰动 ，并对光产生强烈的散射。 vDS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较 大，一般在背面衬以黑色衬底。. 3.4、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD） （1971年1984年）v属第二代液晶显示器件。它是最常见的一 种液晶显示器件。v将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3- SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约 为数微米。v玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰 亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向 一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正 交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒 。 v由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻 璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层 定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃 之间呈90扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的 由来。 v当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场 作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性 决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋 转了90的偏振光可以通过。因此呈透光态。 v在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶 盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表 面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋 转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。v这种黑色的显示称正显示。同样如果将偏 振片平行放置，则可得到负显示。扭曲效 应的阈值电压为 式中， 为弯曲弹性常数； 为扭曲弹性常 数； 为展面弹性常为； 为上下玻璃基板 平行处理后的扭曲角。由式可知 越大， 越小，有几种 很大的液晶，可使 下 降到1.0V左右。TN-LCD工作原理用TN-LCD制作的常用液晶显示器件v1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器, 日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成 本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产 ，从而成为主流产品。在1979 年1984年间， 其产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年 增长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次 于CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业界的 极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日 俱增。 vTN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显 示及低路数（16线以下）驱动的简单字符显示。 3.5、超扭曲向列液晶显示器件（STN- LCD）（19851990年）v第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲” 即扭曲角大于90。 vTN型液晶显示器件缺点：电光响应前沿不够陡峭，反应速度慢，阈值效应不明显。使得大量显示和视频显示等受到了限制。 图3.5 TN-LCD响应速度v80年代初，人们经过理论分析和实验发现 ，只要将分子的扭曲角增加到180270时 ，就可大大提高电光特性的响应速度。 v随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当 扭角达到270时，斜率达到无究大。 v曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可 获得敏锐的锐度和宽的视角。 图3.6 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系v1985年1990年,LCD销售额年均增长率 达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它 从发明到批量生产仅用了五年时间。 v由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、 对比度好等特点 ,很快在大信息容量显示的 膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文 打字机、图形处理机、电子翻译机及其它 办公和通信设备（手机）中获得广泛应用, 并成为该时代的主流产品。 v1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的 83%。 3.6、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD） v属于第4代液晶显示器。 v普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的 电光特性，对多路、视频运动图像的显示 很难满足要求。 v有所谓的“交叉效应”。由于每个像素相 当于一个电容，必产生串扰。当一个像素 被先通时，相邻行，列像素将处于半选通 状态。v人们在第一个像素上 设计一个非线性的有 源器件，使每个像素 可以被独立驱动，克 服了“交叉效应”。 图3.3 MIM液晶显示器件的电极排布v有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲 向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示 根据有源器件的种类分为二端型和三端型 两种。 v二端型以MIM（金属-绝缘体-金属）二极管 阵列为主； v三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。 （1）MIMv在两种导电膜之间夹一 层氧化物绝缘层，其结 构为Ta-Ta2O3-Cr，通 电后两导电膜之间电压 -电流必呈非线性，二 端有源器件相当于一个 双向性二极管，正、反 向都具有开关特性。 v由于MIM面积相对于液 晶单元面积小得多，故 其等效电容CMIMCLC 。其等效电阻RMIM是非 线性的。 图3.4 MIM液晶显示器件等效电路v当扫描电压和信号电压同时作用于像素单 元时，MIM器件处于断态，RMIM很大，且 CMIMCLC，电压主要降在CMIM上； v当此电压大于MIM器件的阈值电压时，MIM 进入导通状态，RMIM迅速减小，通态电流 对CLC充电； v当充电电压均方值Vrms达到液晶的阈值电 压Vth时，液晶单元显示。v当扫描移到下一行时，原单元上的外加电 压消失，MIM转为开路，CLC通过RLC缓慢 放电，以致于可以在一帧时间内维持 VrmsVth，于是该单元不仅在寻址期内， 而且在一帧时间之内保持显示状态，解决 了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降其 对比度亦下降的弊病。（2）-SiTFTv属于非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩 阵液晶显示器件。 v它工艺简单，玻璃基板成本低，导通比大，可靠性高，容易大面积化。 图3.5 TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构 1-显示电极；2-玻璃基板；3-透明电极；4-液晶层； 5-MOSFET阵列；6-基板；7-信号存储电容器；8-FETv同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入普 通TN型液晶， v不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（ 行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和 像素电极。上玻璃板是一共用电极，如果是彩色 显示，则还要在上面用微细加工方式（染色法， 或印刷法）制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤 色膜。TFT的栅极G接扫描电压主，漏极D接信号 电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联， 液晶像素可以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的 并联。图3.6 TFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形 CGP-分布电容；CST-补偿电容；RON-导通电阻；ROFF-截止电阻v当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小 ，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快 充电到信号电压。 v当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈 值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电 ； v由这样的“存储效应”使一个帧周期内VrmsVth， 即显示占空比为1:1。 v由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高， 开关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更 好。v1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明 及a-SiTFT液晶显示技术的突破，LCD技术 进入了大容量化的新阶段，使便携计算机 和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商 品化。LCD市场需求量大幅度增长。3.7、背照灯v液晶显示器是被动显 示器件，本身不会发 光，往往工作在透光 模式下。 v因此，为了了获得高 对比度与全色显示， 需要采用背照明光源 。 v由于背照光源的功率 是整个器件的90%以 上，因此体积和功率 是首先要考此的因素 。 图3.7 边光式背光源结构图v目前采用的背照光源主要有：1）热电致发光板EL2）平板荧光灯（VFD）3）冷阴极荧光灯（CCF）4）平板场发射（FED）5）有机电致发光（OEL）等。照明方式又分为边光式与背光式背光式两 种。图3.7