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液晶显示技术

2014-03-06 16:12:51 点击数:

液晶显示技术; `% X/ S; g0 X4 T
    一. 什么是液晶6 ]+ t% U0 A1 X
    1. 物质的第四态——液晶4 \5 C' [* g3 P& e
    普通物质有三态:固态、液态和气态9 s$ r( K" D' l1 g+ ]
    有些有机物质在固态与液态之间存在第四态——液晶态
    液晶这种中间态的物质外观是流动性的混浊液体,同时又有光学各向异性晶体所有的双折射特性。
     液晶态物质既具有液体的流动性和连续性,又保留了晶体的有序排列性, 物理上呈现各向异性。+ w+ q, s! K$ ]' S
    2. 液晶分类. e) z( M: A+ T
    从 成分和出现液晶相的物理条件来看,液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶解,由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶,就是如 前面所说由于温度变化而出现的液晶相。把某些有机物放在一定的溶剂中,由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶,它是由于溶液浓度发生变化而出现的 液晶相,最常见的有肥皂水等。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶,而在生物系统中则存在大量溶致液晶。目前发现的液晶物质已有近万种。构成液晶物 质的分子,大体上呈细长棒状或扁平状,并且在每种液晶相中形成特殊排列。
    热致液晶是当液晶物质加热时,在某一温度范围内呈现出各向异性的液体。用于显示的都是可工作在室温上下的热致液晶。大多数液晶分子长度为几十埃、宽度为几埃。2 _; ?7 L) s) y- G3 L
    液晶分子都是有序排列的,根据排列的不同,热致液晶分为向列相、近晶相和胆甾相三种液晶相。5 }% |( W. S. B7 o
     1)近晶相液晶(Smectic liquid crystals--S型)
    Smectic 由希腊语而来,是肥皂状之意,因为这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中,都显示特有的偏光显微镜像,因而命名为皂相。分子分层排列,有同一方向,比较接近晶 体,故译成近晶相。近晶相液晶由棒状或条状分子组成,分子排列成层状,层内分子长轴互相平行,其方向垂直于层面,或与层面倾斜排列。因分子排列整齐,其规 整性接近晶体,具有二维有序性。分子质心位置在层内无序,可以自由平移,从而有流动性,但层内分子之间作用力大(粘滞系数很大),层间分子作用力小,不能 在上下层之间移动,每层厚度约2~3Å。因为它的高度有序性,近晶相经常出现在较低温的范例内。近晶液晶粘度大,分子不易转动,即响应速度慢,器件一般不 宜作显示。3 b$ v5 t5 J4 U6 U
    2)向列相液晶(Nematic liquid crystals--N型)
    Nematic 也是由希腊语而来,液晶的薄层在偏光显微镜下观察时,呈现丝状型结构,故称之为丝相。他子位置杂乱,但方向大致一致,故译向列相。向列相液晶由长、径比很 大的棒状分子组成,分子质心没有长程有序性,具有类似于普通液体的流动性,分子不能排列成层,能上下、左右、前后滑动,只在分子长轴方向上保持相互平行或 近似平行。  u$ ]  C. ?+ R7 h3 w+ V
    从 宏观上看,向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序,并可在三维范围内移动,可以象液体一样流动,所有分子的长轴大体指向一个方向,使向列液晶具有单轴晶体的 光学特性(折射系数与介电常数,沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同),而在电学上又具有明显的介电各向异性,这样,可以利用外加电场对具有各向异性的 向列相液晶分子进行控制,改变原有分子的有序状态,从而改变液晶的光学性能,实现液晶对外界光的调制,达到显示的目的。向列相液晶已成为现代显示器件中应 用最为广泛的一种液晶材料。
    此 外,与近晶相液晶相比,向列相液晶的粘度小,富于流动性.产生这种流动性的原因,主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动.事实上不上向列 相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍.向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界作用相当敏感,因而应用广泛.9 E/ w% c( e, J
    3)胆甾相液晶(CH)
    由 于这种液晶最早是从胆甾醇类物质中发现的,是胆甾醇在经过脂化或卤素取代后,呈现液晶相,故称之为胆甾相。这是一种分子成扁平状,排列成层状的液晶材料, 层内分子互相平行,分子长轴平行于层平面,不同层的分子长轴方向稍有变化,沿层的法线方向排列成螺旋状结构。当不同的分子和轴排列沿螺方向经历360°的 变化后,又回到了初始取向,这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺矩(p)。
    向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换,在向列相液晶中加入旋光材料,会形成胆甾相,在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料,能将胆甾相转变成向列相。胆甾相液晶在显示技术中很有用,TN、STN、相变(Pc
   )显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的。
    3. 溶致液晶
    溶致液晶是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。溶质液晶广泛" m2 m# {* e) |+ y: A% _- h% V
    存在于自然界、生物体中,与生命息息相关,但在显示中尚无应用。6 w5 k& }: D9 a' @7 r; s/ B
    二. 液晶的物理特性
    1. 有序参数
    向列液晶是圆柱对称的,体系中存在一根轴线,通常称这根轴线为主轴,向列相液晶分子的轴线择优倾向于平行于主轴,但并非完全平行主轴,衡量其平行程度用有序参数S表示。& n5 l3 ]4 I2 m7 r
     S=(3cos2θ-1)/2 ( 2-1) 
    有序参数与液晶材料、温度有关。温度上升,序参数下降,% K6 q% ^1 B1 f7 t/ V* R! V
     S=K(Tc-T)/Tc (2-2)
     Tc: 向列液晶清亮点(℃); W5 V. M1 y1 `* I
     T : 向列液晶的温度(℃)! a; h- _2 [6 M0 l0 S2 Q
     K : 比例常数
     液晶的S=0.3~0.8/ q) z# f! `" z" S5 V* z; s7 U) l
    2. 液晶的各向异性
     1)介电各向异性△ε5 ?- J0 t# C/ S+ w
    ε∥=C∥/C0 ;ε┴=C┴/C0 ; ( Z% {% R) j2 c
    △ε=ε∥-ε┴=(C∥-C┴)/C0 (2-3)' ~/ I$ l% x1 W' a& o3 C
     0 F( Z8 b8 V1 a. K
    C∥: 外加电场与外加磁场平行时测得的液晶电容! J( I6 K: `: N
    C┴ : 外加电场与外加磁场垂直时测得的液晶电容
    C0 : 无液晶时测得的极板间电容
     2)电阻率ρ
    液晶的电阻率表示了液晶的纯度,越大越好,一般为108~1012 
    3)光学折射率各向异性△n0 o* T6 k- i! A" e8 V& S8 m
     △n=n∥- n┴ (2-4) 
     n∥: 平行于分子长轴的折射率7 b, {- i8 c( H
    n┴ : 垂直于分子长轴的折射率: W" c( E3 p* I( ?
    △n一般在0.1~0.3左右
    4)弹性常数 K" g# O7 C9 T1 i. _7 j( Y& `& z6 ?
     一般 K=10-11~10-12N) {/ D" L7 \" M- k
     K分为K11、K22、K33 
     K33 >K11 > K22、 
     5)粘滞系数η+ |7 C1 K; z# @3 k" F2 M& J* L3 B
    η一般为10-2~10-3Pa.s
    三. 液晶的光学特性0 q) R; I* ?
    1. 液晶的双折射和光学性质* ^- Q. K# k! _' I
    液晶的主要特征之一是呈现光学单轴晶体性能。在给定一个波法线方向后,可以有两种折射率不同、振动方向互相垂直的光波,即o光和e 光,他们都是线偏振光。  q* x" H1 U) I
    在向列相液晶及近晶相液晶中
    n0= n┴ ne= n∥
    △ n = ne -n0= n∥- n┴ >0 (3-1)* Q6 S1 L* B2 d* s1 y7 b8 z$ |
      在胆甾相液晶中 
     n0=( (n∥2+n┴2)/2)1/2 ne= n┴ 
    现在仍有n∥> n┴ ne2 -n02=( n┴2-n∥2)/2)<0
    △ n = ne -n0<0 (3-2)6 @4 G3 W6 k3 {/ R! }6 S, w
    由于液晶呈单轴光学各向异性,具有如下特别有用的光学特性:- p8 g. i" o( O" }) u' ~2 W
    1) 能使入射光的前进方向向液晶长轴方向偏转;, ~0 E8 Y0 g: L. F# [- S2 s, j
    2) 能改变入射光的偏振状态(线、圆、椭圆)或偏振方向;0 k% l4 h% b' G7 B& L, d3 z
    3) 能使入射偏振光相应于左旋或右旋光进行反射或透射。
    各种液晶显示器基本上是根据上述三大光学特性而设计制造的。5 h: _9 b# u- M3 S* Y2 t: i) R
    四. 液晶显示器件, O" e+ ]0 q- s* ^; O6 X
    1. 液晶显示器件基本结构/ E' x5 P; g" F3 r/ |) K
    2. 液晶分子的沿面排列; s  w1 \/ S) y* w4 O* F3 m
    无论何种液晶显示器件都是以下述原理为基础的:6 ^1 B9 X1 d- m6 K# \
    在电场、热场等外力的作用下,液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态,随着分子排列的变化,液晶器件的光学特性发生变化,从而变换为视觉变化。所以,均匀、稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础。# A4 v9 y" w  s( f! O
    1) 分子排列的种类    
    2) 液晶分子的排列方法9 H0 k* z7 V6 ~, x3 v- j  o
    (1) 斜蒸氧化硅法  w9 K: V( s8 y5 N+ v4 U
    (2) 垂直取向法% z$ w- G* w3 N* a' a
     采用卵磷脂、硬脂酸涂复在基板表面,加热干燥" h  w: O+ C) X/ W% v
    (3) 平取处向法  F; a! Y8 b) B2 Q
    采用PI涂复在基板上,加热干燥,摩擦成沟槽,液晶分子沿沟槽排列。目前大部分LCD均采用平行取向法。
    3. 液晶显示器的主要性能参数
    1) 电光特性) F) }  U! M. y7 e1 P
    液晶在电场作用下透光强度将发生变化,透光强度与外加电压的关系曲线称为电光曲线,如图所示
     在 TN液晶显示器中,两面偏振片振动方向正交时,不加电压时,透光强度最大,电压小于一定数值时,透光强度不发生变化,加到某一电压时,透光强度开始变化, 随着电压的增加,透光强度减弱,当电压升到一定值后透光强度不再随外加电压变化了(图3-23b)。当两面偏振片振动方向平行时,电光曲线正好相反(图 3-23a)。
    (1)阈值电压Vth :透光强度变化10%时的电压,TN的Vth一般为1~3V
    (2)饱和电压VS :透光强度变化90%时的电压,饱和电压越低,越易获得好的显示效果,功耗也可以降低. `1 F* A* Y" T9 I. i
    (3)对比度: 对比度定义为
     Tmax/Tmin" x8 Y9 x, G+ \1 \
    TN、STN对比度一般为5:1~20:1 
    TFT对比度可达到250:1~300:1
    (4)陡度β和Δ
    β=VS/VTH (4-1)
    Δ= VTH/ (VS-VTH)=1/(1-β) (4-2)% d5 U, a3 O3 T  R2 N3 v
     VS越接近VTH,电光曲线越陡,β趋于1,扫描线数可以越多,一般TN=1.4~1.6,只能实现8~16路驱动,STN=1.02~1.2,可以实现128~240路驱动。
    (5)电光响应曲线    1 O6 P, \% w  s; O! x4 q
    对TN等液晶器件:
    下降时间 τr=ηid2(ε0ΔεV2-kiiπ2)-1
    上升时间 τd=ηid/kiiπ2! k2 f, g4 u+ A8 L) c' k9 Y6 o+ o
     对相变(PC)等液晶器件:4 r7 G2 R. O! h# t! U
    τr=ηid2(ε0ΔεV2-kiiπ2/ P02)-1
    τd=ηiP02/kiiπ2
     (6)对比度与视角
     如图所示,液晶的对比度随视角变化很厉害,当Cr=2时,图象勉强可辨, Cr=5时, 图象就很清晰了。
    2)温度特性 ' w$ I2 d; o+ ^# L4 Y8 |% E
     液晶的阈值电压Vth及响应时间随温度而变化,温度越高,Vth越低,响应时间越快。
    3)频率特性
    实用液晶显示器件都是电场效应器件,以TN为例,电阻率高达/ h  [9 v* S3 }/ ^- k
    1010Ω/cm2, 而电容只有几个pF/cm2,所以工作电流不到1µA/cm2,是典型的微功耗器件。TN器件基本上是容抗性的,因此,交流驱动时,频率对驱动电流影响很 大,如驱动频率由32Hz提高到200Hz时,驱动电流会增加5~10倍,所以一般驱动频率都控制在不发生闪烁的最低临界值上。  X% O) @- R, _  {6 X* Q
    五. 常见的液晶显示器件. r! B8 I9 `, V
    1. 液晶显示的三种方式( [; ^7 s* a6 E0 I9 _
    1) 反射式' S, q9 ?" [% {9 \( ^8 W
    2)透射式    
    3)投影式
     2. 动态散射型液晶显示器(DS-LCD)1 t% p: I- u1 v4 v( c$ h5 d
    世界上第一个液晶显示器就是动态散射型的,它是将离子型有机导电材料掺入液晶材料中,并将液晶分子沿面排列,制成液晶盒。不通电时,液晶盒透明,通电电压大于10V后液晶变成乳白色,不透光,由于其电流大,液晶易于分解,寿命短,显示质量差,很快就被淘汰了。
    3. 扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)3 v. I4 f1 e- m  b8 g
    液 晶分子沿面排列,分子长轴在上下基板之间连续扭曲90º,夹入两电极基板之间,制成液晶盒,自然光经起偏器变成直线偏振光,入射到液晶盒内,被扭曲 90º,并通过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器,透光;当两电极之间加上一定的电压时,液晶分子转动,最终成与基板成垂直排列,入射到液晶盒内的偏 振光,未被扭曲,不能通过检偏器,不透光。6 S$ `% O0 [' Y' X# e; m
     2 b; Q: g& k! \3 y6 p! w+ ^2 C6 h1 T
     
    TN-LCD 是目前最普通的一种液晶显示器,结构简单,工艺成熟,性能、寿命极其稳定,价格非常便宜。但由于它的不陡的电光特性,在点阵显示方式下交叉效应严重,一般 只实用于静态或四路以下的动态段式显示中,目前最好的TN液晶器件也只能实现8~16路驱动显示。此外,响应速度慢、视角窄也是它的主要缺点。9 U6 n7 y8 ?% h! G! j! R6 U
    由于以上缺点,TN-LCD一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。) W, e1 u& `& V. L; j7 L
    4. 电控双折射液晶显示器(ECB-LCD)
    可利用电压的变化来改变显示颜色,人们曾希望用其实现彩色显示。0 O* V, T. b1 P: f: b
    1) 垂直排列相畸变(DAP)方式2 S$ U/ a" n  Z& w/ ?/ G
     7 {( H+ U( `+ i0 n% q* ?
     Nn(△ε<0)向列液晶,垂直排列,制成的液晶盒。6 Z5 V  r1 b8 v* c& C2 V
    DAP-LCD的色调随温度及视角变化大,不宜用于单色及彩色显示。' ^0 \% k1 ^) n% M, J8 Z' E2 F! A
    2) 沿面排列方式
     Np(△ε>0)向列液晶,平行排列,制成液晶盒。此方式干涉色与垂直排列相反,阈值低(1~2V),色均匀性较好,但视角窄。
    3) 混合排列(HAN)方式
    工作原理于图所示     $ ^, L  ?$ Z- d$ h
    采用Np向列液晶,一面垂直排列,一面平行排列。HAN-LCD的优点是:彩色峰值分的较开,透光较DAP好,工作电压低,彩色较均匀,但无明显的阈值,不能用无源驱动。

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