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1、6.2 液晶显示器（LCD） 6.2.1 液晶的基本知识6.2.2 扭曲向列型液晶显示（TN-LCD） 6.2.3 超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）6.2.4 有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）6.2.5 LCD照明方式和光源6.2.6 液晶显示器件性能指标6.2.1 液晶的基本知识1、什么是液晶？液晶的发现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 溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态 的粘稠液体。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
2、什么呢？ 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。 于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称 为“LC Liquid Crystal”。在这以后用它制成的液晶显 示器件被称为LCD Liquid Crystal Display。液 晶 放 到 偏 光 显 微 镜 下 观 察2、液晶的分类1.按照液晶的形成条件分类2.按照分子排列的形式和有序性分类按照液晶的形成条件分类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。 它是由于温度发生变化而 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
3、 溶致液晶，它是由于溶液 浓度发生变化而出现的液 晶相。 熔致液晶熔致液晶热致液晶热致液晶作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。热致液晶由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔 点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，称 T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本 上由T1和T2确定。 热致液晶按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类： 近晶相液晶（Smectic liquid crystals） 向列相液晶（Nematic liquid crystals） 胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals
4、）热致液晶分类近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 隧道显微镜下的近晶相 层状液晶液晶分类- 近晶相液晶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。液晶分类- 近晶相液晶液晶分类-向列相液晶向列相液晶（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
5、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 。液晶分类-向列相液晶胆甾相液晶（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
6、，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。 液晶分类- 胆甾相液晶由于液晶分子的结构为异向性(Anisotropic)，所以引 起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，也就是 液晶分子的介电系数及折射系数等光电特性都具有异 向性，因而可以利用这些性质来改变入射光的强度， 以便形成灰度级，应用于显示器组件上。3、液晶的光电特性3、液晶的光电特性P型液晶 （0）正介电各向异性液晶 N型液晶（no，即
7、向 列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学 性质。 液晶的折射系数 光折射率与介电系数有以下关系：正单轴晶体外场作用下液晶分子的取向在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分 子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂 直于外电场方向。 使液晶分子排列发生变化的阈值电压为式中 Kii 为弹性常数P型N型电极电极液晶Field OFFField ON液晶材料在施加电场时，其光学性质会发生变化，这种 效应称为液晶的电光效应。这是液晶分子在电场作用下 改变其分子排列的结果。液晶的电光效应液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 在向列型液晶中，棒状 分
8、子的排列是彼此平行 的当把液晶放在两个 玻璃板之间，玻璃基板 表面做了平行取向处理 ，如果上下两玻璃板定 向是彼此垂直的，液晶 分子将采取逐渐过渡的 方式被扭转成螺旋状。 液晶分子在两片玻璃之 间呈90扭曲。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 当线偏振光垂直入射时，若偏振 方向与上表面分子取向相同，则 线偏振光偏振方向将随着分子轴 旋转，并以平行于出口处分子轴 的偏振方向射出；若入射偏振光 的偏振方向与上表面分子取向垂 直，则以垂直于出口处分子轴的 偏振方向射出，当以其它方向的 线偏振光入射时，则根据平行分 量和垂直分量的位相差的值，以 椭圆、圆或直线等某种偏振光形 式射出。 6.2.2 扭曲向
9、列型液晶显示（TN-LCD） 6.2.3 超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）6.2.4 有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD） 液晶显示器(LCD)的基本原理Liquid Crystal Display扭曲向列型液晶显示器(Twisted Nematic Liquid Crystal Display TN-LCD) 属第二代液晶显示器件。它是最常 见的一种液晶显示器件。1971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
10、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。6.2.2 扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）1、扭曲向列型液晶显示器结构在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由 两片大玻璃基板，内夹着电极和配向膜，上下夹层中填充 了多层液晶分子(液晶厚度不到5m)，外面再包裹着两片偏 光板，最后再封装成一个液晶盒，并与驱动、控制电路板 相连接。液晶显示器结构液晶盒中玻璃片内侧覆盖着一层配向层。配向层的作用是使液 晶分子按特定的方向排列，这个配向层通常是一薄层高分子有 机物，用
11、摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。也可以 通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。由于内表面涂有配向层膜，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。 靠近玻璃表面的液晶分子 并不完全平行于玻璃表面 ，而是与其成一定的角度 ，这个角度称为预倾角， 一般为12 TN 型 LCD显示原理Twist 90液晶分子Field OFFField ON利用液晶的旋光特性 調变穿透光线液晶的旋光特性消失2、液晶显示器的基本原理当入射光通过偏振片后成为线 偏振光，在不加电场时，由于 向列液晶的旋光特性，线偏振 光在
12、出射处，旋转了90，可 以通过，因此呈透光态。当给液晶盒施加大于阈值的场 强时，液晶盒内液晶分子长轴 都将沿电场方向排列，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。可见，当给需要显示的字段或像素的电 极加上适当的驱动电压，该字段或像素就被点亮。TN-LCD工作原理正显示：白底黑字的显示。用TN-LCD制作的常用液晶显示器件白底黑字显示正显示 TN 型 LCD显示原理Field OFFField ON黑底白字显示负显示如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。黑底白字显示负显示3、 TN-LCD的驱动LCD的驱动要求和特点： （1）由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下
13、将发 生电化学反应，从而导致液晶材料的老化及失效。因此， 施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应抵 消掉或降到最低限度。研究表明，长期应用条件下，电信 号的直流分量应小于50mV。 （2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围 内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形 无关；（3）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。 TN-LCD液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。TN-LCD驱动方式：静态驱动、矩阵寻址动态驱动。 静态驱动在需要显示的时间里分别同时给所需显 示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为 止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较 多，因此
14、只用于电极数量不多的段式显示。 字段型电极液晶显示静态驱动法字段型电极液晶显示器结构示意图(a)段型电极液晶显示静态驱动法各像素的段电极是分立 引出的，见图a。 各液晶像素的背电极 com是连在一起引出的 ，如图b。(b)段型电极液晶显示静态驱动法由于液晶驱动要求交流驱动，当驱动波形如图所示时，就 实现f像素的显示，e不显示。5V 0V5V 0V5V 0Vfcome当我们在被电极com上加入一个正电压，如5V，在所要显 示的像素段电极（如f）上加0V，使得该像素电极间电压 为5V，呈显示状态。而在不显示像素段电极(如e)上加入 5V，使得该像素电极间电压为0V，呈不显示状态。行电极列电极当液晶
15、显示器显示的像素众多时，为了节省庞大的硬件驱 动电路，液晶显示器电极的制作实施了矩阵式结构：即TN 液晶盒上下玻璃基板的内表面沉积许多平行的条状透明电 极，而且上下电极条互相垂直，交叉处形成显示像素。TN-LCD矩阵显示像素 显示器上每个像素都由其所在行列位唯一确定。 液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲 ，并在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通 的驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。 这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶屏 上呈现出稳定的图像。TN-LCD寻址驱动（动态驱动）行电极列电极像素Address action 寻址示意Address act
16、ion 寻址示意Address action 寻址示意Address action 寻址示意Address action 寻址示意Address action 寻址示意Address action 寻址示意Address action 寻址示意将所有扫描行电极各施加一次扫描电压的时间称为一帧。 按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，选到某一行时 各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一 遍，就显示出一帧信息，在一帧中每行的选择时间是相等 的。假设一帧的扫描行数为N，那么一行所占有选择时间 为一帧时间的1/N。 扫描行电极寻址列电极矩阵式液晶显示动态驱动原理段型电极液晶显示动态驱动法矩阵式液晶显示电路原理图4、 TN-LCD的电光特性 阈值电压Vth透射率为器件最大透射率的10%（常黑 型）所对应的电压有效值。Vth是和液晶材料有关的参数 ，对于TN-LCD，大约在12V之间。饱和电压Vsat
