1、1LCD 液晶显示器 3.1 液晶简介 3.2 液晶的基本物理特性 3.3 LCD模式及其特性 3.4 LCD驱动 3.5 LCD显示器2LCD 液晶显示器 3.1.1 液晶显示的发展过程 3.1.2 液晶显示的特点3LCD 液晶显示器 19世纪末，发现液晶现象 某些有机物（胡萝卜胆固醇的衍生物）加热融化 不透明浑浊液态 透明液态 浑浊液态的有机物具有与晶体相似的性质“液晶”4LCD 液晶显示器 液晶显示最早研究与应用 1961，美国无线电公司（RCA）Williams发现动态散射(DSM)液晶 1968，RCA的Heilmeir基于 DSM 研制出第一个液晶显示器件 1969，RCA公布并出
2、售液晶发明专利5LCD 液晶显示器 1960年末，发明宾主效应液晶 液晶与二色性染料混合 工作电压高、功耗大 1970年初，发明扭曲相列液晶（TN-LCD）电场型，无电化学蜕变，寿命长 工作电压低、功耗小 广泛用于中小尺寸显示屏，如手表、计算器等 行数增加时，对比度变坏，视角变窄6LCD 液晶显示器 1984年，发明超扭曲相列液晶（STN-LCD）电光特性曲线陡，显示行数高（512行）用于中档液晶产品，如手机屏幕、小型电视机、笔记本电脑等 1990年代，有源矩阵液晶（AM-LCD）开始大规模应用 1970年代首先出现，受限于成品率和制作成本 用于大容量信息显示，如高分辨率显示器、大屏幕电视等7
3、LCD 液晶显示器RCA时期，液晶只能做数字显示，不能做图像显示？RCA出售液晶专利，停止液晶研究。1970s开始，日本开始发展液晶显示，根据个人电子化的需求，将液晶与半导体集成电路技术相结合，挖到液晶“第一桶金”。1990s，液晶可以做计算机的视频终端，难以做电视显示？2000s，出现中小尺寸液晶电视。2000s，在大屏幕电视上，PDP相对于液晶更有优势？2010s，液晶在电视显示占主导地位。8LCD 液晶显示器小尺寸、低分辨率、黑白大尺寸、高分辨率、彩色9LCD 液晶显示器 目前产业现状 日本、韩国、中国三足鼎立，为争夺市场激励竞争 夏普，10代线（2.85m3.05m，15块42寸），2
4、010年量产，2012年亏损1440亿日元，拟出售。中国，7条高世代（8.5代）液晶面板生产线相继建设和生产，政府在LCD产业累积投入1000亿，2014年中国LCD电视产量1.4亿台。京东方，3年盈利1次；2015年4月20日，宣布投资400亿（政府、银行融资各45%，京东方出资10%），在合肥建立10.5代LCD面板生产线，用于高尺寸、超高分辨率LCD屏。韩国，三星、LG，8.5代线。三星，为保面板第一的位置，拟打造10.6代面板厂。10LCD 液晶显示器2014 年至 2016 年，全球液晶显示面板市场份额变化11LCD 液晶显示器 被动显示 本身不发光，通过调制外界光达到显示目的 低压
5、、微功耗、长寿命 工作电压23V，工作电流微安量级，功率微 瓦量级（不包括背光源）工作电压电流低，几乎不会劣化，寿命受限于显示器的其它部件（如背光源）12LCD 液晶显示器 早期主要缺点:分辨率低 显示视角小 不同方向入射光透射率不同 视角小（3040）响应速度慢 外加电场改变液晶分子排列响应速度慢（100200ms）不适合高寒高热地区军用 现状:已实现全高清至4倍高清 水平视角140，垂直视角135 响应时间降低至ms量级13LCD 液晶显示器 3.2.1 液晶的定义与分类 3.2.2 液晶的连续弹性体理论 3.2.3 弗里德里克斯转变(Fredericksz Transition)3.2.
6、4 液晶指向矢分布的数值计算方法 3.2.5 液晶的单轴光学特性 3.2.6 液晶光学特性的数值计算方法14LCD 液晶显示器 液晶：某些(有机)材料在固体和液体的中间状态 外观，流动的浑浊液体 物理特性，晶体的各向异性 溶致液晶 一种溶质溶于一种溶剂形成液晶态物质，目前尚未用于显示器件。热致液晶 当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现各向异性的熔体。液晶显示器采用工作于室温的热致液晶。15LCD 液晶显示器 棒状液晶 盘状液晶棒状分子应用最为广泛棒状分子应用最为广泛16LCD 液晶显示器 向列相液晶瞬时示意图向列相液晶瞬时示意图17LCD 液晶显示器 指向矢相同，液晶分子排列也有所不同。S=
7、(3-1)/2 表示液晶分子排列的有序程度 ：液晶分子长轴相对于指向矢的偏离角 S=1，完全有序 S=0，完全无序 一般液晶，S0.3,0.9液晶分子长轴与取向矢的空间关系液晶分子长轴与取向矢的空间关系18LCD 液晶显示器 温度越高，有序参数越小 熔点以下，晶体，S=1 熔点以上，清亮点以下，0S1，随温度上升而降低 清亮点以上，液体，S=0 S越大，液晶的介电常数差和折射率差n越大LCD具有温度依赖性有序参数有序参数S随温度的变化趋势随温度的变化趋势19LCD 液晶显示器 指向矢分布具有螺旋结构 大部分是胆甾醇的各种衍生物，以此得名。液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行，指向矢平
8、行于层平面的分子长轴方向。相邻两层分子，其指向矢有一轻微的扭曲角。分子指向矢沿着层的法线方向排列成螺旋状结构。20LCD 液晶显示器 相列相液晶，添加旋光物质胆甾相液晶 VW10V，产生周期性液晶分子环流，呈现出与液晶盒厚度相同间隔的周期性静态条纹图案（威廉斯畴）再加大电压，液晶分子紊流，使光变成强烈地向前散射，称为动态散射(DS)效应液晶乳白色，对光不透明。动态散射液晶显示基本原理动态散射液晶显示基本原理49LCD 液晶显示器 优点：无需偏振片 缺点：采用低电阻液晶材料，电流较大 掺入有机电解质，液晶工作寿命不够高 对比度差 光散射的紊流使图像边缘不够清晰 液晶盒较厚（6m）第一个实用化液晶
9、显示器件，目前已不再使用。50LCD 液晶显示器 偏振片：只通过固定偏振方向的入射光 偏振片和入射光的偏振方向的夹角，决定透射光的亮度 偏振方向相互平行，完全通过 偏振方向相互垂直，完全不通过 入射光透射率cos2 51LCD 液晶显示器 二色性染料 某些有机染料在分子长、短轴方向对光有不同的吸收染料分子光轴平行于电矢量染料分子光轴平行于电矢量强吸收强吸收染料分子光轴垂直于电矢量染料分子光轴垂直于电矢量弱吸收弱吸收52LCD 液晶显示器 将少量二色性染料溶于形状和大小相似的液晶分子中，液晶分子为“主”，染料分子为“宾”，染料分子倾向于与液晶分子平行。未加电压：未加电压：液晶分子长轴平行于入射光
10、偏振方向液晶分子长轴平行于入射光偏振方向染料分子长轴平行于入射光偏振方向染料分子长轴平行于入射光偏振方向入射白光中的某些色光被强烈吸收，入射白光中的某些色光被强烈吸收，透射光着色透射光着色施加电压（施加电压（VVth）：）：液晶分子长轴垂直入射光偏振方向液晶分子长轴垂直入射光偏振方向染料分子长轴垂直入射光偏振方向染料分子长轴垂直入射光偏振方向入射白光不被吸收，透射光不着色入射白光不被吸收，透射光不着色53LCD 液晶显示器 优点：从任何角度都能观察到相近的显示效果 原则上可实现广视角LCD 缺点：响应速度慢 对比度低 入射光不能被完全吸收，黑色较淡 至今仍未商用54LCD 液晶显示器 55LC
11、D 液晶显示器 加电压，分子长轴与入射偏振光的偏振方向构成一定角度 入射光将被分解成o光（偏振垂直分子长轴）和e光（偏振沿分子长轴），对应折射率分别为no,ne 经过液晶盒后产生光程差nd，偏振状态发生改变 出现平行检偏器的分量，透光56LCD 液晶显示器 可获得的彩色范围较窄 色调变化由两偏振光光程差决定，光程差受诸多外界环境影响 I=I0sin22sin2(dnsin2(V)/)I0：入射光强度，：入射光偏振方向与液晶盒O光偏振方向的夹角，d：液晶盒厚度，n：液晶折射率的各向异性，(V)：液晶分子夹角，：入射光波长 温度变化，液晶盒厚度变化，颜色改变 厚度不均匀，液晶盒呈现很多彩色斑 颜色
12、与观察视角有很强的依赖关系 尽管早期人们研究投入很大，但并未成功57LCD 液晶显示器 胆甾相液晶 螺距P：指向矢在空间旋转2沿螺旋轴移动的距离。分为左旋和右旋（根据指向矢旋转方向）透射光是沿着螺旋轴旋转的偏振光 其偏振方向的改变由分子扭曲角决定 TN液晶工作基础 在入射光为直线偏振光的情况下，出射光的线偏振光的偏振方向相对于入射光线的偏振方向旋转了一定角度 电矢量旋转方向和螺旋轴旋转方向相同，反射。电矢量旋转方向和螺旋轴旋转方向相反，透射。58LCD 液晶显示器 电场决定上、下二个基片液晶分子扭曲角 未加电场时，使上、下二个基片液晶分子扭曲角9059 加电场，垂直玻璃基板，液晶分子向电场方向
13、倾斜，扭曲角变小。大电场，液晶分子垂直基板，不发生扭曲。LCD 液晶显示器60LCD 液晶显示器 阈值电压Uth 液晶分子上下沿面排列，外加垂直电压UUth时，分子指向矢向平行电场方向转动。饱和电压US，液晶工作获得最大对比度所需的最高电压。实际应用中，取透射率曲线的某些点表示阈值电压和饱和电压 白底黑字：Uth=U90，透光率下降到90%处的电压；US=U10，透光率下降到10%处的电压。TN-LCD常白模式透光率常白模式透光率61LCD 液晶显示器 62LCD 液晶显示器 微能耗（尤其是反射式TN）制作成本低 被广泛应用于手表、计算器等液晶中的低档产品63LCD 液晶显示器 提高液晶材料响
14、应速度 过驱动技术 相位补偿膜 IPS、MVA 无源，增加电光特性陡度，STN 有源，TFT-TN矩阵1.响应速度慢响应速度慢 100ms量级量级2.视角特性差视角特性差 45 3.分辨率低分辨率低 几十路几十路64LCD 液晶显示器液晶驱动技术的特点液晶驱动技术的特点基本为电压驱动 除最早期的动态散射(DS)液晶以外必须采用交流驱动 液晶在直流电压下会分解交流成分中的直流分量不大于几十毫伏液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关 依靠液晶作为弹性连续体的弹性形变，响应时间长(ms)，交变驱动电压的作用效果不取决于峰值液晶单元是容性负载 电阻极大，无极性，在正压和负压的作用效果一样65LCD
15、液晶显示器 无源驱动 驱动电压直接加在像素电极上，使液晶显示直接对应于所加驱动 电压信号 静态驱动，像素前后电极上一直施加电压信号 适用于像素较少的情况，段式电极连接，如电子表、计算器等 动态驱动，像素前后电极上顺序加电压信号（扫描）适用于像素较大的情况，常用点阵方式工作，低档液晶（TN,STN）有源驱动 每像素连接一非线性有源器件，电压信号有源器件液晶像素 在点阵方式工作的基础上，适用于像素极大的情况，高档液晶显示器（TFT-TN）66LCD 液晶显示器 静态驱动 显示像素为一长棒，也称为笔段式 最常见：7段显示 每个数码7段，加一个小数点，共8个电极引出线 背电极相互连接，用一根电极引线
16、要显示n位数，需要8n+1根电极引线 工作时背电极和笔段持续加占空比为1/2、幅度相等V0、频率相同的连续方波 要显示笔段与背电极相位相反，电压2V0Vth 不显示笔段与背电极相位相同，电压为0 用于显示数字，如电子表，计算器静态驱动方式的七段静态驱动方式的七段的电极引线排布的电极引线排布67LCD 液晶显示器 点阵形 上玻璃基片内侧光刻出X方向引线电极 下玻璃基片内侧光刻出Y方向引线电极 X,Y电极条每个交叉处的电信号控制一个像素。行扫描工作方式 X方向，行电极（扫描电极），按时间顺序加选通扫描信号 Xi(i=1,n)Y方向，列电极（信号电极），同时加亮度信号Yj(j=1,m)像素nm个，引
17、线m+n根 占空比，每行选通时间与帧周期之比称为，1/n68LCD 液晶显示器 驱动信号直接加在像素电极上。Uij=Yj-Xi（理想状态）Yj0,Uth (j=1,m)选通行 Xi(i=1,n)=-Uth|Uij|Uth,2Uth 未选通行 Xi(i=1,n)=0（理想情况）|Uij|0,Uth 结构简单，制作成本低 各像素电压相互干扰，交叉效应69LCD 液晶显示器 Crosstalk，原来指多路通信中两条互不相干线路之间的“串音”现象 液晶交叉效应，在多路驱动的情况下，当选中的一个像素上施加电压时，附近未被选中的像素也会有一定 电压。当所施加的电压大于Vth较多，而液晶显示器的电光特性曲线
18、由不够陡峭时，附近未被选中的像素也会呈现显示状态。原因：液晶是容性高电阻率材料，夹在X,Y电极群之间的每个液晶像素可等效为一个高电阻和一个小电容的并联的阻抗，各像素之间有电耦合（相互干扰）的途径。70LCD 液晶显示器 理想情况，P11电压2Uth，其它为0 实际情况，P11电压2Uth，P12,P22,P21为2Uth/371LCD 液晶显示器 全选点，与电源两端连接，Pij 电压：2Uth 半选点，只和电源一端连接，另外一端断路；Pik(k=1,m,k j)Plj(l=1,n,k j)电压：14Uth/15 非选点，两端都断路 电压：2Uth/1572LCD 液晶显示器 理想状态：左明右暗
19、 全选点：2Uth 半选点、非选点85%，彩色偏振片要求偏光度80%透光度和透射光谱 入射光为自然光时，理想透光率50%，实际略低 要求整个可见光范围内的透光率均匀，否则会偏色 颜色 普通偏振片位灰色，包括中灰色和蓝灰色 目前已经开发出多种颜色的偏振片（红、蓝、黄、紫等）81LCD 液晶显示器 基片 采用聚乙烯醇(PVA)膜 PVA，线性高分子聚合物，在很长的分子键上均匀的挂着许多强极性的-OH基团 PVA基片，光学上各向同性 浸液 PVA膜浸入含碘的化合物进行反应，形成碘链 碘链具有二向色性，能吸收振动方向平行于碘链的光，基板不吸收振动方向垂直于碘链的光 拉伸 对基片机械拉伸，使所有大分子按
20、拉伸力作用方向伸展。这样碘链沿拉伸方向整齐排列。偏振片能强烈吸收沿拉伸方向振动的光，而基本不吸收垂直拉伸方向振动的光 胶合保护膜，防止水汽等对PVA膜性能的影响 粘附外保护膜82LCD 液晶显示器 冷阴极荧光灯 依靠冷阴极放电，激发荧光粉发光（高亮度日光灯）光致荧光粉品种齐全，转化效率高 曾有寿命问题，已大大改善 目前5万小时 目前应用最为广泛 发光二极管 依靠半导体载流子复合发光 长寿命(10万小时)，易实现薄型化 发光效率有待进一步提高83LCD 液晶显示器 正后方型 光源位于液晶面板正后方，直接照亮液晶屏 可设置多个光源，很容易实现高亮度 很难做薄 侧灯型 光源位于液晶面板侧面，通过导光
21、板射出的散射光照亮液晶屏幕 将导光板做得很薄，很容易实现背光源的薄型化 光源设计空间受限，很难实现高亮度和大型化84853.5 3.5 液晶显示器件液晶显示器件3.5.1 液晶显示器件的构造液晶显示器件的构造86 LCD是非发光型的。其特点是视感舒适，而且是很紧凑的平板型。LCD的驱动由于模式的不同而多少有点区别，但都有以下特点：是具有电学双向性的高电阻、电容性器件，其驱动电压是交流的。在没有频率相依性的区域，对于施加电压的有效值响应（铁电液晶除外）。是低电压、低功耗工作型，CMOS驱动也是可以的。器件特性以及液晶物理性质常数的温度系数比较大，响应速度在低温下较慢。873.5.2 液晶显示器件
22、的显像原理液晶显示器件的显像原理 1.液晶的基本显示原理液晶的基本显示原理 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。88（1）单色液晶显示器的原理）单色液晶显示器的原理 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成90）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫
23、进入一种90扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。89LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住，如图3.8所示。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。90LCD 液晶显示器91LCD 液晶显示器92LCD 液
24、晶显示器93（2）彩色）彩色LCD显示器工作原理显示器工作原理对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器以及需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。94 LCD与与CRT的优缺点比较的优缺点比较 液晶显示器（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势。显示质量高 没有电磁辐射 可视面积大 应用范围广 画面效果好 数字式接口 体积小 功耗小95（3）液晶显示
25、器件的显示方式）液晶显示器件的显示方式LCD的显示方式可分为两种：一种是LCD面板本身为显示面的直观式；另一种则是将LCD面板的图像放大投影到投影屏，以供观看的投影式。1）直观式显示方式）直观式显示方式：这是直接观看显示面的方式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。透射型 反射型 透射反射兼用型96 2）投影式显示方式）投影式显示方式 投影式是将LCD上写入的光学图像放大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶光阀（LV）。图像的放大率和亮度可以通过加大投影用光源的光强来提高。将光信息写入LCD的激励方式中有光写入方式、热（激光）写入方式和电写入（矩阵驱动）方式。97a光写入方式光写入方式：液
26、晶和光导电体双层结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。98 b热（激光）写入方式热（激光）写入方式:将液晶加热到相变温度以上，然后急剧冷却，那么该部分由透明组织变成排列紊乱的不透明组织。利用红外激光束的偏转，在LCD面板上进行扫描加热，就可在LCD上写入高分辨率的图像。写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大投影。在层列液晶中有两种常温下的层列相用于显示，即透明以及各向同性相紊乱排列的不透明组织，这种方式一般都有存储功能。写入所用的是数毫瓦到500mW的半导体激光器，擦除是通过对液晶层施加高电场（数十千伏/厘米）或在向列相温度以上的冷却
27、中施加低电场而进行。99 c电写入（矩阵驱动）方式：电写入（矩阵驱动）方式：简单矩阵型有STN模式、胆甾类液晶的相变模式等。实际应用的是有源矩阵型，其中有非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）驱动LCD、多晶硅薄膜晶体管（P-Si TFT）驱动LCD、单晶硅MOS晶体管（LCOS）驱动LCD。液晶主要采用TN模式。最常用的是TFT-LCD型投影液晶面板。dTFT-LCD型：一个彩色LCD的单板式；将一个黑白型LCD和三原色双色镜组合起来的单板式；将3个黑白型LCD和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学系统组合起来的三板式100投影方式中有从屏前面投影的前面投影方式和从屏后面投影的背面投影方式。背面投
28、影方式在屏前的侧表面上做了减轻外光反射的处理，在比较在比较亮的场所使用也亮的场所使用也对对比度影响不对对比度影响不大大，这是其优点。1013.5.3液晶显示器的分类液晶显示器的分类根据液晶驱动方式分类，可将目前LCD产品分为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶体管（TFT）型3大类。1）扭曲向列型（）扭曲向列型（TN型）型）扭曲向列（TN）型液晶显示器的基本构造为上下两片导电玻璃基板，其间注入向列型的液晶，上下基板外侧各加上一片偏光板，另外在导电膜上涂布一层、摩擦后具有极细沟纹的配向膜。由于液晶分子拥有液体的流动特性，很容易顺着沟纹方向排列，当液晶填入上下基板沟纹方向，以90垂直
29、配置的内部，接近基板沟纹的束缚力较大，液晶分子会沿着上下基板沟纹方向排列，中间部分的液晶分子束缚力较小，会形成扭转排列，因为使用的液晶是向列型的液晶，且液晶分子扭转90，故称为TN型。1022）超扭曲向列型（超扭曲向列型（STN型型）STN显示组件，其基本工作原理和TN型大致相同，不同的是液晶分子的配向处理和扭曲角度。STN显示组件必须预做配向处理，使液晶分子与基板表面的初期倾斜角增加，此外，STN显示组件所使用的液晶中加入微量胆石醇液晶使向列型液晶可以旋转角度为80270，为TN的23倍，故称为STN型。区分项目区分项目TNSTN扭曲角扭曲角90180270倾斜角倾斜角1247厚厚 度度51
30、0 m38 m间隙误差间隙误差0.5 m0.1 m103STN型液晶由于应答速度较快，且可加上滤光片等方式使显示器除了明暗变化以外，亦有颜色变化，形成彩色显示器，其应用如早期笔记簿计算机或现在的PDA及电子辞典等。1043）薄膜晶体管型薄膜晶体管型薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）型液晶显示器也采用了两夹层间填充液晶分子的设计。一边夹层的电极是场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET），另一边夹层的电极是共通电极。TFT的显示采用“背透式”照射方式。在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。TN没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。105偏光片偏光片玻璃基板玻璃基板CF透明电极透明电极液晶液晶信号电极信号电极走线电极走线电极薄膜晶体管薄膜晶体管玻璃基板玻璃基板透明电极透明电极偏光片偏光片
