LCD结构和显示原理

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1、 內容內容 1. 1. 液晶顯示器的優點液晶顯示器的優點 2. 2. 液晶顯示器的基本結構液晶顯示器的基本結構 3. 3. LCLC材料及其物性材料及其物性 4. 4. 液晶的光學基礎液晶的光學基礎 5. 5. 液晶顯示器件的電光特性液晶顯示器件的電光特性 6. 6. LCDLCD顯示原理顯示原理 7. 7. 思考題思考題 自1888年奧地利植物學家萊尼茨爾(F.Reinitzer)發現LC以來已有100多年歷史但LCD真正形成產業是在上世紀70年代末期并至今得到了迅猛的發展大有取代CRT霸主地位之勢。 其優點如下 A) 平面型顯示體積小重量輕便于攜帶. B) 低電壓(25V)微功耗,工作電流

2、几個微安。 C) 壽命長一般 在5萬小時以上或510年以工作電流大于原來的2倍為准。 D) 被動顯示不怕光沖刷外界光越強顯示的內容越清晰。 E) 易驅動可和大規模集成電路結合。 F) 無輻射對人體無害不易使眼睛疲勞。(CRT輻射相當嚴重。據醫學表明每天用電腦 46小時三年后得癌症的几率比其它人提高26%。) G) 易于實現彩色法。(濾色法和干涉法) 1. 液晶顯示器的優點液晶顯示器的優點 2. 液晶顯示器的基本結構液晶顯示器的基本結構以TN型液晶顯示器為例。上偏光片玻璃電極導電材料玻璃下偏光片LC層電極封框膠結合精電實際情況談談几種主要生產物料(如玻璃偏光片PI及導電料等)的組成及技朮參數。設

3、計要點 1) 盒厚510um,盒內充入正介電常數P型向列相LC. 2) 扭曲角度90度入傾角23度。 3) nd滿足第一極小(0.48um)或第二極小(1.08um) 4) 偏光片偏光軸平行(常黑型)或垂直(常白型)且入射基板上偏光片偏光軸相對于入射基板的摩擦方向平行或垂直。反射層PI 3. LCLC材料及其物性材料及其物性 3.1 LC分類 1) 熱致液晶-因溫度變化而破壞其晶格而形成的液晶。(向列相/近晶相/膽甾相) 2) 熔致液晶-因加入某種溶劑引起濃度變化而破壞晶格所形成的液晶。(肥皂水) 3.2 LC的基本結構 Y,Y為未端基團有R-(烷基)RO-(烷氧基)-CN(氰基)-CF3等,

4、 是構成液晶不可缺少的部分。 A為連接基團有-CH2CH2-, -COO-, -C=C-等; BB為環體系。如苯環及 等 。 C/C為側向基團在顯示用液晶材料中很少見。 NN 3.3 液晶的應用物理特性液晶的應用物理特性(以向列相液晶為例以向列相液晶為例) 3.3.1 液晶的介電各向異性( )液晶材料的最基本電參數。決定液晶分子在電場中的行為. 因液晶分子是極性分子沿長軸和短軸方向表現不同的空間各向異性。 = (平行)-(垂直) 可正可負。取決于液晶分子永久偶極矩和分子長軸間夾角的大小。當 0時液晶分子沿電場方向取向(p型)當 0時液晶分子垂直電場方向取向(n型)在LCD驅動中決定閾值電壓(V

5、th)和響應速度。在低頻電場中混合液晶介電各向異性具有加和性。但在高頻電場中由于永久偶極矩的變化跟不上電場的變化所以(平行)可能小于(垂直)使介電各向異性0。這一點是雙頻驅動的基礎。 3.3.2 液晶的雙折射性 液晶是一種各向異性物質在光學是類似于單軸晶體其光軸沿著液晶的指向矢方向所以光在液晶中傳播時會發生雙折射(birefringence),但當入射光方向與分子軸方向平行時則不產生非常光。我們把不產生雙折射的方向軸稱為光軸。對于向列相液晶當光在液晶中傳播時若非常光折射率(ne)大于尋常光折射率(no),這表明光在液晶中傳播的速度存在ve vo,即尋常光的傳播速度快這種液晶在光學上稱為正光性材

6、料。如果液晶的光軸用指向矢描述時 有n= ne, n= no, n(折射率各向異性)= n- n= ne- no 而膽甾相液晶的光軸同螺旋軸平行而與分子軸垂直非常光的折射性小。即ne vo所以膽甾相液晶及大部分溶致液晶是負光學材料。 液晶的折射率大小與分子結構(其中與分子極化度的影響很大)波長及溫度有關。 1) 折射率與分子極化度的關系 (ne2- no2 )/ (n2+2)=4/3(ae- ao) 極化度變小 ne, no, n都減小 。 2) 在可見光區 no一般在1.52左右。當波長增加時 no 逐步下降直到紅外線區才趨緩和。 3) 當溫度上升時 no稍有增加比較顯著的增加出現在靠近清亮

7、點時但ne卻下降。溫度超過清亮點時 ne= no。 n的大小對液晶顯示器的影響很大為得到較寬的視角液晶材料的光學各向異性 n與盒厚d相匹配使之符合 nd /2. (=光波長)。 n小則液晶顯示器的視角大但要求采用厚的液晶盒否則會出現采虹。但增大盒厚則器件的響應速度變慢。經計算可知在人視角響應峰值波長=550um下 當 nd=0.5, nd=1.0和 nd=1.5時不會出現彩虹。 3.3.3 液晶的彈性常數(K11/K22/K33) 液晶的彈性常數是描述液晶分子彈性形變的物理量,與液晶器件的占空比閾值電壓響應時間密切相關。通常有三個彈性常數即彎曲彈性常數(K33)扭曲彈性常數(K22)展曲彈性常

8、數(K11) 液晶的彈性常數一般在10-11 10-12 N之間比一般的彈性體小很多。因此液晶分子排列很容易受電場磁場和應力等外場的影響使原有的基態發生畸變。 液晶的彈性常數取決于分子結構形狀和溫度。 溫度上升彈性常數迅速降低。 液晶分子結構形狀對彈性常數有重大影響。如用苯環取代彎曲的丁基可使K33/K11增加同時K33/K11隨烷基鏈長的增加而降低 K33/K11越小則該液晶材料的電光銳度曲線更陡峭多路驅動能力增加。許多液晶材料其K22經常比K33K11小 K22/K11一般在0.40.8的范圍之內。 彈性常數大閾值電壓也大不過響應速度加快。彈性形變示意圖 3.3.4. 液晶的粘滯系數 向列

9、相液晶的粘滯系數相當復雜通常廠家只用體積粘滯系數來表征液晶的粘滯特性。經實驗可知液晶粘滯系數與活化能溫度有關。 關系式為= oexp(-E/ kT ) o比例常數 E: 活化能 T: 溫度 k: 玻耳茲曼常數 在相同溫度下低活化能的液晶材料具有低的粘滯系數。從經驗得出 1) 由多環或長鏈分子組成的液晶其粘滯系數相對增大。 2) 一般介電常數各向異性()大的液晶比小的粘滯系數大。 3) 官能團在分子中的位置會影響液晶的粘滯系數。 從液晶顯示的角度來講 越大越好粘滯系數越小越好。但與閾值電壓有關不能一味追求大的材料。 溫度對液晶的粘滯系數影響最大一般來講溫度每升高10,粘滯系數就減小一倍。因此在低

10、溫環境下液晶的粘滯系數增大導致響應速度變慢這嚴重限制了LCD的工作溫度范圍。 4. 液晶的光學基礎液晶的光學基礎4.1 偏振光 定義 光波的電振動相對于傳播方向具有不對稱性的光。 偏振狀態光波在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量E有各種各樣的狀態這種狀態稱為光的偏振狀態。 常見的分為如下五種 1) 自然光 2)直線偏振光 3)部分偏振光 4)圓偏振光 5) 橢圓偏振光 下面簡要介紹一下自然光直線偏振光圓偏振光橢圓偏振光。4.1.1 自然光 以光的傳播方向為對稱軸電振動對傳播方向具有對稱性的光波。用檢偏器檢驗時隨著檢偏器透射軸方向的轉動透射 光的強度保持不變。4.1.2 直線偏振光光在傳播過程中其

11、電矢量E的振動始終保持在一確定的平面內且電矢量E在與傳播方向垂直的平面上的投影是一條直線。用檢偏器檢驗時檢偏器透射軸方向每轉動90度透射光的強度出現一次極大和一次消光。4.1.3 圓偏振光光在傳播過程中其電矢量E在波面內運動的特點是其瞬時值的大小不變方向以角速度w勻速轉動即電矢量的端點在垂直于傳播方向的平面內的軌跡為一個圓。4.1.4 橢圓偏振光光在傳播過程中其電矢量E在波面內運動的特點是其瞬時值的大小作 有規律的變化方向以角速度w勻速轉動即電矢量的端點在垂直于傳播方向的平面內的軌跡為一個橢圓。用檢偏器檢驗時檢偏器透射軸方向轉動90度透射光的強度從一次極大變為一次極小再轉動90度則從極小又變為

12、極大沒有消光位置。 4.2 雙折射當自然光射在各向異性介質上時除反射光線外一般還存在兩條折射 光線尋常光(o光)和非尋常光(e光)。對于向列相液晶這種單軸晶體而言e光的折射率隨光的傳播方向與光軸間的夾角有關當傳播方向與光軸重合時e光的折射率與o光的折射率相等為no。 所以一般來說一個入射光既可產生尋常光又可產生非尋常光這種現象就是雙折射。但當入射光和分子軸的方向一致時則不產生非常光。 4.3 旋光性 直線偏振光沿晶體光軸方向傳播時其振動面發生旋轉的性質。 4.4 光在液晶中的傳播 因液晶的光學各向異性光在液晶中的傳播有如下特點 1) 入射光沿分子偶極矩n的方向發生偏轉。由于n n,因此入射光中

13、平行n方向的速度大于垂直于n方向的光速。 2) 入射的偏光狀態及偏振光方向發生變化。 3) 入射的左旋或右旋偏光產生對應的透過或反射。 對于扭曲向列液晶液晶分子扭曲排列的螺矩P遠遠大于 入射光波長光以平行于分子軸的偏振方向入射則并以平行于 出口處的分子軸的偏振方向射出。光以垂直于分子軸的偏振方向入 射則并以垂直于出口處的分子軸的偏振方向射出。 當以其他線偏 振光方向入射時則根據平行分量和垂直分量的位相差 wd(n - n)/c的值,以橢圓圓或直線偏振狀態射出。 5. 液晶顯示器件的電光特性液晶顯示器件的電光特性 5.1 電光響應特性 液晶顯示器的相對透光率隨外加信號電壓變化的特性。 5.2 對

14、比度(Cr)在恆定的照明條件下液晶顯示器件顯示部分的亮態與暗態亮度之比,也即 顯示狀態與非顯示狀態的相對透光率之比值或在亮態與暗態下光電轉換器的輸出電壓 比。 表達式為 Cr=Te/Td=Ue/Ud 對比度Cr代表顯示圖像的清晰程度一般當Cr=5時便可清楚的顯示圖像。 對比度隨著視角的變化而變化。 5.3 視角() 在保持一定的對比度條件下觀察方向與液晶顯示器件法線所成的夾角。 評價液晶顯示器的視角特性常采用全視角等對比度曲線。眼睛全視角等對比度曲線 5.4 閾值電壓和飽和電壓 5.4.1 閾值電壓(Uth)液晶顯示器顯示部分亮度(光透過率或反射率)的變化達到最大變化量的10%時所施加的驅動電

15、壓有效值(Uth)。 閾值電壓(Uth)與P液晶的介電各向異性( )和彈性常數(K11/K22/K33)有關,與盒厚無關。 表達式(Uth)=Sqr(K11+(K33-K22)/4)/0 / 低于此電壓時器件的電光特性只有微小的變化高于此值時透光率顯著變化。 5.4.2 飽和電壓(Usat):液晶顯示器顯示部分亮度(光透過率或反射率)的變化達到最大變化量的90%時所施加的驅動電壓有效值(Usat); 其電光曲線見下圖 5.4.3 陡度因子()衡量電光曲線變化的陡峭程度。它是液晶顯示器用于大信息量的一個重要參數陡度因子()越大顯示信息量越大。( =U90/U10) 5.5 液晶器件響應時間 5.

16、5.1 人眼對變化圖像的反應時間是几十毫秒故顯示圖像的變化對外加信號電壓變化的響 應不可低于此速度。在液晶顯示方面常用三個參數來表征響應時間延遲時間 td上升時間tr下降時間tf. 對TN液晶而言 決定響應時間的因素主要是液晶的粘滯系數盒厚液晶的彈性常數和介電常數等。 降低液晶的粘滯參數和盒厚能顯著提高響應速度。在STN中必須加入手性劑但手 性劑的加入可引起液晶粘滯系數的增大所以慎重考慮手性劑的加入量。 響應特性電壓驅動信號變化時液晶顯示單元作相應轉變所需的時間。 5.5 液晶器件響應時間 開啟滯后時間(td):開始輸入驅動脈沖至電光信號達到穩定值的10%時的時間。上升時間(tr): 電光信號

17、從穩定值的10%達到90%時的時間.開啟時間(ton): 開啟滯后時間和上升時間之和。斷開滯后時間(ts): 輸入驅動脈沖信號終止至電光信號回到穩定值的90%時的時間下降時間(tf): 電光信號從穩定值的90%變化到10%時的時間斷開時間(toff): 斷開滯后時間和下降時間之和。 5.6: 驅動方面上几個概念幀將所有掃描行電極施加一個掃描電壓的時間。占空比(Duty)將掃描行電極選通時間與幀周期之比。一般占空比等于掃描電極數的倒數 (1/N).偏壓比(Bias):選通像素與非選通像素上的電壓之比也等于選擇點電壓與非選擇點電壓比。平均電壓法是動態驅動的最基本方法其原理是把半選擇點的電壓和非選擇

18、點的電壓平均化用適度提高非選擇點的電壓來抵消半選擇點的電壓從而擴大選擇點與半選擇點的電壓差距提高顯示對比度。 最佳偏壓法當掃描行數確定以后如何選擇最合適的偏壓技朮? 設N為掃描行數a為偏壓比Von/Voff分別為選通像素與非選通像素的驅動電壓有效值。則依平均電壓法原理有左邊公式 當有效電壓比Von/Voff最大時偏壓比必須滿足a=Sqr(N)+1,不過盡管最佳偏壓法時動態驅動設計中的最基本法則但在實際中有時它僅作為判斷最高驅動路數及確認閾值陡度要求的依據。 6. LCD顯示原理顯示原理 6.1 扭曲向列相液晶(TN型)顯示原理 在了解TN顯示原理之前簡要談談偏光片的結構及扭曲角的確定。 6.1

19、.1 偏光片常分為多鹵素和染料系偏光片其類型有透射型反射型和半透半反射型几 種下面以反射型偏光片為例來說明其結構(見下圖) 單側涂布EVA層(乙烯醋酸乙烯共聚物)的PE(聚乙烯)膜涂有一層壓敏膠高度取向的高聚物膜(如PVA聚乙烯醇)膜。強度高光向上各向異性透光率高的高聚物(如TAC三醋酸纖維素脂)膜。單側蒸鋁的PET(對苯二甲酸乙二醇膜) (也可鍍金鍍銀或鐳射膜) 6.1.2 扭曲角的確定( 以左旋240度6Oclock視向 超扭曲為例)240度6Oclock視向 可簡單地記為以左旋或右旋定則從底玻璃的摩擦箭頭方向指向面玻璃的摩擦箭頭末端方向所形成的夾角。注當然在實際中光通過TN液晶盒的傳播過

20、程要比上圖要復雜得多 6.3 扭曲向列相液晶(TN型)顯示原理(旋光效應原理) 在光刻有透明電極的兩片玻璃之間夾有几微米的LC通過對上下兩基片上PI磨擦成90度夾角由于界面對液晶分子的錨定作用使液晶分子沿基片上磨擦紋方向進行排列從而使液晶分子長軸在上下兩片玻璃之間連續扭曲90度。當自然光經偏光片后只剩下光振動方向與偏振軸方向平行的線偏振光通過LC層由于TN型液晶盒其扭曲的螺距P(液晶分子扭曲360度所需的厚度)與液晶的折射 率各向異性的乘積遠大于可見光波長(即 P* n , 注盒厚d大致等于螺距P的1/4),則入射光的偏振面會沿著液晶分子的扭曲方向進行旋轉液晶分子長軸90度扭曲導致90度的旋光

21、。在末加驅動電壓之前如果上下兩個偏光片的偏振軸正交設置偏振光將隨著液晶分子的扭曲結構旋轉90度振動方向變成與下偏光片的偏振軸一致因此偏振光可順利通過偏光片這時顯示器呈透明狀態。當把驅動信號電壓(U2Uth)加到需要顯示的電極時該部分液晶分子(因液晶為P型)長軸方向開始變為與電場平行的方向排列扭曲結構消失喪失了旋光能力。由于光偏振方向與底偏光片透光軸垂直偏振光無法透過偏光片被反射或吸收。這樣該顯示電極部分變得不透明呈黑色處于顯示狀態。 在驅動電壓撤除后由于液晶分子受到取向層表面錨定作用而恢復原來的扭曲排列顯示器又變得透明。 對常黑(負性)顯示工作原理也一樣。 6.4 超扭曲向列相液晶(STN型)

22、顯示原理(雙折射光干涉原理) STN液晶顯示器結構與TN相似但其工作原理與TN完全不同它通過加大扭曲角度使其電致畸變曲線變得十分陡峭多路尋址能力得到大大加強。在STN模式中液晶的扭曲角度為180270度。而要維持這種高扭曲角度必須在向列相液晶中加入一定含量的旋光材料使向列相液晶具有本征的扭曲結構即手性向列相。為提高對比度必須使分了具有一定的預傾角(56度)同時由于界面層的液晶分子取向與入射偏振光振動方向不一致所以入射的偏振光被分解成正常光和異常光這兩種光在液晶中的傳播速度不同,二者將發生光干涉。此干涉條件既使分子取向發生微小變化也會隨之發生較大變化。因此STN的閾值特性比TN更加陡峭。 在ST

23、N中要尋求 nd與偏光片方位角的最佳值使電壓作用引起的分子取向突變和光學的雙折射巧妙的結合起來。這問題比較復雜在此不作討論。 6.4.1 STN電致畸變曲線的影響因素 1) 扭曲角扭曲角越大電致畸變曲線越陡峭(90度360度)。 2) 預傾角增加預傾角電致畸變曲線向更低電壓偏移斜率略增 3) 厚度和螺距比(d/p): 減小d/p電致畸變曲線向更低電壓偏移曲線更陡峭。 4) 彎曲/展曲彈性常數比(K33/K11)增大K33/K11將使電致畸變曲線越陡峭。 5) 扭曲/展曲彈性常數比(K22/K11)減小K22/K11電致畸變曲線的上部將向更低電壓偏 移曲線更陡峭。 6) 介電常數()減小 ,電致畸變曲線向更低電壓偏移曲線更陡峭這和TN相同. 7. 思考題思考題. 1)簡述TN及STN的顯示原理及其異同? 2) 用划線的方式正確連接液晶物理參數與顯示特性的關系 7. 思考題思考題. 1)簡述TN及STN的顯示原理及其異同? 2) 用划線的方式正確連接液晶物理參數與顯示特性的關系 介電各向異性多路驅動能力響應速度驅動電壓對比度視角工作溫度區間彈性常數粘度螺距折射率各向異性相變溫度范圍液晶材料物性液晶材料物性- - - - - - - - - - - - - - - - -The End - - - - - - - - - - - - - - - - -