液晶显示器件LCD

西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 Liquid Crystal Display第 3章 液 晶 显 示 器 件 (LCD)LCD是 FPD中 应 用 最 广 泛 的 ；具 有 低 耗 电 、 无 幅 射 、 无 污 染 、 省 空 间 的 优 点 ；没 有 画 面 闪 烁 问 题 ， 不 会 干 扰 其 它 电 子 装 置 ；可 为 用 户 显 出 清 晰 、 犀 利 的 画 面 ， 同 时 具 有 明 亮 、 鲜 艳 的色 彩 。日 本 、 美 国 等 因 LCD有 与 CRT相 抗 衡 的 优 势 提 出 “ 90年代 将 开 始 平 板 显 示 时 代 ” 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 LCD Most mature flat panel technologyMajor share of FPD marketPoor intrinsic viewing angleRequires backlightInefficientSlowEffected by Temperature and sunlight 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 Advantages of LCD The sharpness of a LCD display is at maximum tweekness(干 扰 ). Zero geometric distortion at the native resolution of the panel. High peak intensity produces very bright images. Best for brightly lit environments. Screens are perfectly flat. Thin, with a small footprint. Consume little electricity and produce little heat The LCD display unit is very light and can be put anywhere or moved anywhere in the house. Lack of flicker and low glare reduce eyestrain. 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 目 前 液 晶 显 示 器 件 的 特 点 : 1) 低 功 耗 ( 数 十 W cm2)。 用 干 电 池 长 时 间 驱 动 、 节 能 。 2) 工 作 电 压 低 ( 10V)。 与 大 规 模 集 成 LSI电 路 驱 动 电 路 相适 应 ， 能 直 接 用 IC驱 动 、 驱 动 电 路 小 型 化 、 简 单 化 、 实 用性 好 。 3) 平 板 器 件 薄 型 结 构 ， 无 电 磁 辐 射 ， 寿 命 长 。 4) 显 示 面 积 可 以 从 数 mm2 108吋 。 5) 图 像 无 闪 烁 、 无 失 真 、 可 视 界 面 大 6) 是 受 光 型 显 示 器 件 ， 即 使 在 明 亮 的 场 所 也 能 显 示 清 晰 。 7) 便 于 彩 色 化 ， 可 扩 大 显 示 功 能 和 实 现 多 样 化 显 示 。 8) 能 投 影 放 大 显 示 ， 容 易 实 现 大 画 面 显 示 (数 m 2)。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 具 有 CRT无 法 比 拟 的 优 点 ： 图 像 清 晰 度 高 ， 一 般 来 说 都 能 达 到 1024 758像 素 ， 完全 符 合 未 来 高 清 数 字 电 视 要 求 。 机 身 轻 薄 ， 厚 度 在 4厘 米 以 内 ， 仅 有 等 离 子 电 视 的 二 分之 一 ， 是 普 通 C R T电 视 厚 度 的 十 分 之 一 左 右 。 使 用 寿 命 长 ， 一 般 达 到 50000小 时 以 上 ， 按 一 天 使 用 8小 时 计 算 ， 可 使 用 17年 ， 比 普 通 CRT彩 电 使 用 寿 命 还 长 。 环 保 节 能 ， 液 晶 电 视 采 用 逐 行 扫 描 与 点 阵 成 像 ， 图 像无 闪 烁 ， 不 会 对 人 眼 造 成 伤 害 。 21英 寸 液 晶 电 视 功 率 为40瓦 ， 30英 寸 为 120瓦 ， 比 普 通 CRT彩 电 省 电 。 具 有 防 爆 性 能 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.1 液 晶 的 基 本 知 识3.2 液 晶 的 各 种 物 理 性 质3.3 液 晶 的 显 示 方 式3.4 各 种 液 晶 材 料3.5 液 晶 显 示 器 件 的 结 构 和 制 作3.6 LCD的 显 示 形 式 和 驱 动 方 法3.7 LCD应 用 3.8新 型 LCD 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 一 、 定 义 ： 液 晶 是 一 种 介 于 液 体 和 晶 体 (固 态 )之 间 的 中 间 态 物 质 。 -是 具 有 规 则 性 分 子 排 列 的 有 机 化 合 物 ， 是 液 态 晶 体 的总 称 。 -把 既 有 液 体 的 流 动 性 特 性 ， 又 有 类 似 晶 体 结 构 的 有 序性 即 晶 体 光 学 各 项 异 性 的 晶 体 命 名 为 流 体 晶 体 “ 液 晶 ” 。 物 理 性 质 ： 在 一 定 温 度 范 围 内 有 液 体 的 流 动 性 、 粘 度 、 形变 等 力 学 性 质 ， 又 有 晶 体 的 热 、 光 、 电 、 磁 等 。 几 乎 都 是 有 机 物 ， 分 子 结 构 呈 棒 状 或 近 似 棒 状 的 细 长 形 状 。如 20-47 室 温 下 ， 液 晶 MBBA(甲 氧 基 亚 苄 基 4-n丁基 苯 胺 )分 子 长 度 约 为 数 nm， 宽 仅 有 0.1nm左 右 。3.1 液 晶 的 基 本 知 识 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 二 、 发 展 早 期 ： 1888年 奥 地 利 的 植 物 学 家 莱 尼 茨 尔 （ F Reinitzer） )发 现 了胆 甾 醇 的 苯 甲 酸 酯 和 醋 酸 酯 的 液 晶 性 。 在 160土 15 下 呈 乳 白 粘 稠 状液 体 ， 并 有 美 丽 的 珍 珠 光 泽 。 1889年 德 国 物 理 学 家 莱 曼 (O Lehmann)在 偏 光 显 微 镜 下 ， 观 察 到 乳白 液 体 的 双 折 射 现 象 ， 认 为 是 一 种 具 有 流 动 性 的 晶 体 。 定 义 为 “ 液晶 ” 。 1963年 美 国 无 线 电 （ RCA)的 威 廉 斯 (R williams)发 现 在 向 列 型 液 晶层 上 施 加 电 压 会 使 其 变 混 浊 。 据 先 驱 者 海 麦 尔 (G H HeiImeier)发现 的 液 晶 光 学 的 特 异 性 质 制 成 了 液 晶 平 板 显 示 器 件 。 1968年 由 Heilmeier等 人 发 表 的 动 态 散 射 型 (DS)和 宾 主 型 (GH型 )LCD， 我 国 1970年 后 ， 对 液 晶 基 础 理 论 及 相 关 连 的 真 空 技 术 、 玻 璃 材 料 、电 子 学 等 的 发 展 均 打 下 了 基 础 。 液 晶 器 件 应 用 产 品 有 ： 全 电 子 手 表 、 微 型 计 算 机 、 数 字 屏 幕 游 戏 机 等 1984年 ： 深 圳 中 航 天 马 公 司 建 成 第 一 条 4in规 格 的 TN LCD生 产 线 . 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 近 年 来 ， 有 超 扭 曲 向 列 型 (sTN-LCD， 扭 曲 角 180-240 )单 色 ，蓝 、 黄 模 式 ， 黑 、 白 模 式 。 有 源 矩 阵 (AM-LCD)， TFT-LCD型 。 1990年 6月 日 本 NEC出 售 PC计 算 机 彩 色 TFTLCD（ 像 素640 400个 、 20MHz的 CPU、 40M字 节 的 硬 磁 盘 、 外 形 尺 寸仅 12 36.4 46cm3、 重 10.4kg） 1999年 4代 线 LCD用 玻 璃 基 板 的 尺 寸 680 mm 880mm发 展 到2006年 8代 线 的 2 200 mm 2 400 mm。 厚 度 为 2.88mm的 12英 寸 TFT液 晶 面 板 ,对 比 度 为 2 000 1,响 应 时 间 为 8 ms,像 素 为1 280 800,背 光 采 用 LED,向 OLED挑 战 ;并 准 备 建 10代 生 产 线 ,目 标 是 40英 寸 。 日 本 夏 普 公 司 LCD技 术 处 于 领 先 ， 开 发 的 4 096 2 160像 素 的64英 寸 LCD对 比 度 为 2 000 1， 确 立 了 LCD超 高 分 辨 率 的 制 高点 ; 采 用 改 进 MVA技 术 ， 已 经 实 现 视 角 改 善 ， 光 利 用 率 大 幅 提 高 。为 改 善 运 动 图 像 边 缘 模 糊 问 题 ， 提 高 液 晶 响 应 速 度 和 扫 描 频 率 ，引 入 了 背 光 扫 描 等 措 施 ， 并 据 显 示 图 像 控 制 CCFL、 LED背 光 源 和 曲 线 实 现 了 显 示 屏 的 高 对 比 度 。 108英 寸 LCDTV向 PDP挑 战 ; 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 三 、 液 晶 种 类 ：1、 据 液 晶 的 形 成 方 式 分 为 ： 热 致 液 晶 (Thermotropic Liquid Crystals)和 溶 致 液 晶 (Lyotropic Liquid Crystals )两 大 类 。 热 致 液 晶 -当 液 晶 物 质 加 热 时 ， 在 某 温 度 范 围 内 呈 现 出各 向 异 性 的 熔 体 ； 此 类 液 晶 与 显 示 器 件 关 系 密 切 ， 所 用 的 大 多 是 热 致 液晶 物 质 溶 致 液 晶 -是 溶 解 于 水 或 有 机 溶 剂 ， 具 有 和 液 体 一 样 可以 流 动 ， 又 类 似 于 晶 体 各 向 异 性 性 质 的 有 机 物 质 。 此 类 液 晶 在 生 物 体 中 具 有 特 殊 意 义 ， 其 组 成 和 性 质 正受 到 重 视 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 热 致 液 晶 的 形 成 ： 既 能 从 固 相 加 热 ， 也 能 从 液 相 冷 却 而 得 到 ，称 之 为 相 变 。 相 变 有 两 种 情 况 ： 一 种 称 为 互 变 相 变 型 。 当 相 变 温 度 为 T1和T2时 ， 会 产 生 有 可 逆 相 变 。 即 另 一 种 称 为 单 变 相 变 型 。 在 相 变 中 只 有 液 体 冷 却 时 才 能 形 成液 晶 相 。 另 外 ， 有 一 种 液 晶 物 质 能 够 呈 现 出 两 种 以 上 不 同 类型 的 液 晶 相 ， 或 若 干 近 晶 相 。 即 目 前 己 发 现 的 液 晶 有 近 万 种 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 各 向 同 性 的 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 2、 热 致 液 晶 thermotropic liquid crystals据 分 子 排 列方 式 分 为 （ 在 偏 光 镜 下 观 察 到 的 光 学 图 案 ） ： 近晶 型 、 向 列 型 、 胆 甾 型 三 类 的 分 子 排 列 。共 同 点 ： 具 有 细 长 棒 状 分 子 结 构 ， 沿 着 分 子 轴 方 向相 互 平 行 排 列 (取 向 有 序 )。 向 列 相 近 晶 相 胆 甾 相 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 （ 1） 近 晶 型 液 晶 (smectic)又 称 层 状 液 晶 - 分 子 呈 棒 状 ，长 轴 方 向 基 本 一 致 ， 分 层 排 列 。 每 个 分 子 都 垂 直 于 层 面 或 与 层 面 成 一 定 角 度 排 列 ， 其 分 子层 内 结 合 力 强 、 层 间 结 合 比 较 弱 ， 容 易 相 互 滑 动 ， 具 有 二维 流 体 性 质 。 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 与 普 通 液 晶 相 比 ， 具 有 高 粘 度 的 特 性 ， 在 光 学 上 显 示 正 的双 折 射 性 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 近 晶 型 A层 内 分 子 的 位 置 没 有 规 则 ，指 向 矢 垂 直 于 层 面 ，近 晶 型 C的 指 向 矢 稍 有 倾 斜 。近 晶 型 B层 内 分 子 的 位 置 也 是 有 序的 。随 着 温 度 的 升 高 ， 近 晶 型 呈 现 这 些相 按 BCA的 顺 序 相 继 出 现 。大 量 分 子 宏 观 性 排 列 方 向 的 单 位 矢 称 指 向 矢 -液 晶 分 子 的 长 轴 方 向 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 近 晶 相 液 晶 （ Smectic） 隧 道 显 微 镜 下 的 近 晶 相 层 状 液 晶 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 在 偏 光 显 微 镜 下 的 图 象 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 （ 2） 向 列 型 液 晶 (Nematic)又 称 丝 状 液 晶 棒 状 分 子 相 互 平 行 向 一 个 方 向 排 列 ， 但 不 分 层 ， 重 心 自 由在 空 间 随 机 分 布 ， 分 子 轴 向 着 同 一 方 向 (取 向 有 序 )， 且 各个 分 子 沿 着 分 子 轴 的 方 向 能 够 自 由 地 移 动 。 富 于 流 动 性 强 、 粘 度 小 。 显 示 正 的 双 折 射 性 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 向 列 相 液 晶 （ Nematic） 向 列 液 晶 在 偏 光 显 微 镜 下 的 图 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 （ 3） 胆 甾 型 液 晶 (cholesteric)又 称 螺 旋 状 分 子 不 一 定 是 棒 状 的 ， 排 列 具 有 近 晶 型 液 晶 的 层 状 结 构 。 同 一 薄 层 内 ， 所 有 分 子 相 互 平 行 排 列 ， 有 一 个 固 定 的 取 向 。 不 同 薄 层 中 分 子 的 取 向 不 相 同 ， 相 邻 两 层 的 分 子 取 向 相 差15 ， 各 层 之 间 的 取 向 渐 变 可 以 连 成 一 条 空 间 扭 转 的 螺 旋 线 。 这 种 特 殊 的 螺 旋 结 构 使 液 晶 具 有 了 旋 光 性 、 选 择 性 光 散 射和 偏 振 光 二 色 性 等 光 学 性 质 。 与 近 晶 型 和 向 列 型 液 晶 不 同 ， 具 有 负 的 双 折 射 性 质 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 胆 甾 型 液 晶 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 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 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 另 外 ： （ 4） 特 异 型 ： a、 盘 型 ： 以 苯 环 为 核 心 的 盘 型 酯 类 分 子 ， 有 负 的 光 轴 性质 ， 无 旋 光 性 ， 状 如 硬 币 ， 可 形 成 柱 状 堆 积 ， 密 堆 一 层 层相 同 的 排 列 堆 叠 。 B、 重 入 型 ： 降 温 过 程 中 ， 在 近 晶 相 两 端 都 出 现 的 向 列 相 ，即 一 种 奇 妙 的 相 变 过 程 中 ， 再 次 出 现 相 同 液 晶 的 现 象 称 -。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.2 液 晶 的 各 种 物 理 性 质3.2.1 物 理 性 质 的 各 向 异 性 分 子 的 轴 向 和 垂 直 于 分 子 长 轴 的 方 向 有 不 同 的 物 理 性 质 ： 即 折 射 率 n： n n ， 介 电 常 数 ： 、 磁 化 率 ： 电 导 率 ： ， 粘 度 系 数 ： 液 晶 长 轴 液 晶 短 轴 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 1、 介 电 常 数 各 向 异 性 ： 有 两 种 情 况 ： = - 0或 0 当 o时 （ 为 10 20） 为 P型 液 晶 -正 介 电 各 向 异性 液 晶 o时 （ 为 -1 2） 为 N型 液 晶 -负 介 电 各 向 异 性液 晶 另 外 ， 介 电 各 向 异 性 与 液 晶 分 子 的 极 化 度 有 关 ， 在 可 见光 范 围 内 液 晶 常 常 是 。 S)cos1( 2KTFNF4 22/ 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 有 序 参 数 S： 液 晶 分 子 沿 一 定 方 向 的 平 行 排 列 虽 有 序 ， 有 序 排 列 的 程 度 的 定 量 描 述即 S： 图 若 一 个 液 晶 分 子 的 长 轴 方 向 与 分 子 群长 轴 方 向 指 向 矢 有 一 定 夹 角 时 取 向 有 序 参 数 用 角 的 平 均 值 (cos)表 示 ， 故 有 序 参 数 S定 义 为 ： 对 各 向 同 性 液 体 ， 分 子 长 轴 的 取 向 完 全 紊 乱 时 ， S 0。 当 液 晶 分 子 群 处 于 完 全 平 行 取 向 的 理 想 状 态 时 ， S 1。 S l 的 液 晶 分 子 排 列 时 温 度 条 件 必 须 是 0K。 一 般 向 列 型 液 晶 在 NI相 变 点 附 近 的 S=0.3， 在 非 常 低 的 温 度 时 S0.8。 S值 一 般 不 受 强 电 场 或 强 磁 场 的 影 响 。)13COS(21S 2 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 2、 电 导 各 向 异 性 ： 用 表 示 ： 向 列 型 的 （ 离 子 沿 分 子 轴 相 较 容 易 ）大 于 1， 近 晶 型 的 （ 离 子 在 层 间 隙 易 移 动 ）小 于 1。 温 度 增 加 ， 电 导 增 加 。3、 粘 度 ： 会 影 响 器 件 的 响 应 时 间 r和 下 降 时间 f， 它 越 大 两 个 时 间 延 长 ， 且 温 度 增 加 ,下 降 。 分 子 链 越 长 ， 越 大 ； 极 性 越 强 越 大 。4、 磁 各 向 异 性 ：5、 弹 性 常 数 各 向 异 性 ： 弯 曲 （ bend） 、 扭 曲twisted、 展 曲 splay 折 射 率 的 定 义 ： 光 在 其 它 介 质 中 的 传 播 速 度 与 光 在 真 空 中 的 速 度 （ c）的 比 值 。 n=C/V得 V=C/n 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 6、 双 折 射 ： 光 在 液 晶 中 传 播 时 会 发 生 双 折 射 ； 折 射 率 的 各 向 异 性 ， 显 示 出 双 折 射 性 。 似 单 轴 晶 体 有 两 个不 同 的 主 折 射 率 n0和 ne。 no-光 电 矢 量 振 动 方 向 与 晶 体 光 轴 相 垂 直 的 寻 常 光 ne-光 电 矢 量 振 动 方 向 与 晶 体 光 轴 相 平 行 的 非 寻 常 光 。 extraordinary ray 通 常 非 寻 常 光 的 折 射 率 ne大 于 寻 常 光 的 折 射 率 n0， 传 播 速 度 veUth时 ， 由 于 胆 甾 型 液 晶 相 的 螺 旋 结 构 松 弛 ， 分 子 长 轴将 顺 着 电 场 方 向 重 新 排 列 ， 螺 旋 结 构 解 体 ， 向 螺 旋 矩 无 限大 的 垂 直 排 列 的 向 列 型 液 晶 相 转 移 , 液 晶 盒 呈 现 透 明 状 态 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 a. 无 外 加 电 压 U=0 b.有 外 加 电 压 U Uth PC型 电 光 效 应 的 原 理 图 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 -是 温 度 变 化 使 液 晶 的 光 学 性 质 发 生 变 化 的 现 象 。 把 经 过 垂 面 排 列 处 理 的 近 晶 型 A(SA)液 晶 镶 入 透 明 电 极 液 晶 盒中 ， 加 热 液 晶 成 为 各 向 同 性 液 体 。 若 急 剧 冷 却 ， 分 子 混 乱 形 成 紊 乱 的 焦 锥 排 列 ， 将 变 成 白 色 混 浊状 态 ； 若 缓 慢 冷 却 ， 液 晶 排 列 成 整 齐 垂 面 排 列 ， 将 变 成 透 明 状 态 。 加 热 或 冷 却 使 液 晶 温 度 变 化 ， 改 变 了 液 晶 分 子 的 排 列 状 态 。 显 示 状 态 变 化 。 已 被 广 泛 用 于 激 光 束 照 射 的 热 写 式 大 容 量 显 示 中 。 若 在 液 晶 盒 一 侧 透 明 电 极 基 板 上 装 置 一 个 加 热 电 极 ， 另 一 侧 基板 上 安 装 一 个 信 号 电 极 ， 加 热 的 同 时 施 加 电 场 ， 则 成 为 存 储 型显 示 方 式 。3.3.6 热 光 效 应 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.3.7 How does it work one or more cells make up one pixel. Electric leads around the edge of the LCD create an electric field that twists the crystal molecule, which lines the light up with the second polarizing filter and allows it to pass through it. 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 Transmissive 包 括 背 光 模 组 、 偏 光 片 、冷 阴 极 灯 管 (CCFL)等 厂 商 中 游 ： 集 合 各 种 材 料 制 造 LCD面 板 ， 供 下 游 使 用 。 下 游 ： TF L- L CD 后 工 序 模 块 ( LC M )、 应 用 产 品 从各 式 家 电 、 消 费 电 子 、 信 息 、 通 信 及 工 业 产 品 ， 凡 是 需 要显 示 的 装 置 ， 都 可 应 用 LCD产 品 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 1、 透 明 导 电 玻 璃 基 板 ： -是 带 氧 化 铟 或 氧 化 锡 膜 的 玻 璃 基 板 ， 一 般 透 光 率 90 ，表 面 电 阻 为 数 十 数 百 / 。 玻 璃 基 板 的 表 面 平 整 度 要 高 ， 用 熔 融 法 制 造 专 用 无 碱 玻 璃（ 如 硼 玻 璃 )。 对 有 源 矩 阵 用 玻 璃 基 板 要 求 更 高 ； 因 玻 璃 基 板 四 周 边 缘 极 易 破 损 ， 为 防 破 角 裂 纹 等 损 伤 应 进行 端 面 研 磨 、 倒 角 处 理 ； 若 用 含 碱 玻 璃 ， 必 须 对 表 面 防 碱 处 理 ， 常 在 基 板 内 侧 面 涂敷 一 层 SiO 2等 无 机 膜 ， 防 止 液 晶 中 有 害 钠 离 子 析 出 。 一 般 防 碱 处 理 是 在 挥 发 性 高 的 IPA(异 丙 醇 )等 溶 剂 中 混 入含 有 少 量 SiO2的 溶 液 ， 将 玻 璃 基 板 浸 入 ， 利 用 溶 液 的 表 面张 力 和 气 化 作 用 在 玻 璃 的 两 面 覆 盖 上 SiO2， 在 400 左 右温 度 下 烧 成 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 透 明 导 电 材 料 ： 可 用 氧 化 铟 (IO膜 )、 氧 化 锡 (NEDA膜 ) 或 在 氧 化 铟 中 掺 入 氧 化 锡 (ITO膜 )等 -通 常 称 ITO膜 。 SnO2 N型 导 电 膜 一 般 采 用 熏 雾 和 喷 雾 两 种 方 法 ， 与 玻 璃基 板 结 合 牢 固 ， 但 电 阻 率 较 ITO膜 高 ， 可 采 用 溅 射 法 、 蒸 镀 法 ， 制 备 性 能 良 好 的 In2O3-SnO2透 明导 电 膜 。 透 射 率 高 ( 90 )， 表 面 电 阻 小 、 电 阻 率 分 布 均 匀 ， 便 于刻 蚀 等 ， 有 利 于 制 作 高 精 度 显 示 面 板 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 2、 电 极 图 形 对 整 块 透 明 电 极 基 板 进 行 光 刻 腐 蚀 或 等 离 子刻 蚀 技 术 。 简 单 的 图 形 可 用 图 形 掩 模 覆 盖 后 ， 用 溅 射 法 、 蒸 镀 法 制 膜同 时 形 成 一 定 图 形 的 透 明 电 极 。 3、 密 封 材 料 有 ： 无 机 材 料 （ 如 玻 璃 封 料 ） 和 有 机 材 料（ 如 热 塑 性 的 环 氧 系 粘 接 剂 、 尼 龙 、 聚 酯 树 脂 等 ） 。 玻 璃 材 料 ： 因 封 接 温 度 较 高 ， 只 适 于 分 子 配 向 层 为 倾 斜 蒸镀 SiO等 ； 树 脂 型 封 接 剂 ： 用 有 机 物 分 子 配 向 层 时 ， 常 用 在 热 塑 性 的环 氧 树 酯 上 接 技 丙 烯 酸 系 或 桂 系 橡 胶 等 单 液 型 固 化 剂 密 封材 料 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 4、 衬 垫 用 来 控 制 两 块 基 板 间 的 间 隙 、 保 持 最 佳 液 晶 层 厚 度 。 一 般 使 用 颗 粒 状 或 纤 维 状 的 玻 璃 衬 垫 材 料 ， 对 于 液 晶 层 厚 度 严 格 要 求 的 STN型 液 晶 屏 用 弹 性 塑 料 粒子 作 衬 垫 。 弹 性 塑 料 粒 子 衬 垫 特 点 ： 耐 热 性 和 化 学 稳 定 性 好 ， 在 较宽 温 度 范 围 内 粒 子 直 径 偏 差 小 ， 适 应 衬 垫 的 任 意 尺 寸 的要 求 ， 热 膨 胀 系 数 接 近 液 晶 ， 高 温 下 液 晶 膨 胀 时 可 防 止衬 垫 的 移 动 ， 在 低 温 下 防 止 空 洞 产 生 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 5、 偏 振 片 ： 要 求 有 很 强 的 偏 振 功 能 、 优 良 的 外 观 特 性 和 使 用 寿 命 。 应有 易 加 工 、 使 用 方 便 等 优 点 。 为 适 应 大 面 积 的 偏 振 片 主 要 是 ： 多 卤 素 偏 振 片 和 染 料 偏 振片 。 这 两 种 偏 振 片 透 射 轴 方 向 的 机 械 强 度 较 差 ， 因 热 、 遇 水 而收 缩 ， 功 能 下 降 ， 不 能 实 用 ； 将 其 重 叠 在 乙 酰 纤 维 素 薄 膜 的 双 层 支 撑 片 间 、 用 粘 接 剂 固定 。 其 透 射 率 约 为 40 50 ， 偏 振 度 为 90 左 右 ， 且 常 把光 反 射 片 与 偏 振 片 作 成 一 体 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 6、 滤 色 膜 ： 有 ： 用 来 遮 断 紫 外 线 的 滤 色 膜 彩 色 显 示 用 的 有 色 胶 片 滤 色 膜 。 7、 接 插 件 与 驱 动 电 路 相 连 的 有 ： 引 线 接 插 件 、 弹 性 接 插 件 、软 管 按 插 件 等 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 8、 安 装 技 术 -将 屏 的 电 极 与 驱 动 大 规 模 集 成 电 路 LSIC连 接 的 技 术 。 大 体 可 分 为 三 种 连 接 方 式 ： a) 将 驱 动 用 LSIC装 在 印 制 电 路 板 上 ， 借 柔 性 薄 膜 和 液 晶屏 的 电 极 连 接 ； b) 将 驱 动 用 LSIC装 在 柔 性 基 板 上 ， 再 与 液 晶 屏 连 接 称 之为 COF(chip on film)方 式 ； c) 直 接 将 LSIC装 在 液 晶 屏 上 的 COG(Chip on GLass)方式 。 可 据 用 途 选 用 。 适 应 像 素 微 小 化 ， 大 幅 度 削 减 材 料 ， 具 有结 构 紧 凑 ， 使 用 简 便 、 工 艺 简 单 等 优 点 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 9、 背 光 源 ： -为 使 显 示 不 受 环 境 光 亮 度 影 响 ， 从 背 面 均匀 照 射 显 示 面 。 按 显 示 面 与 光 源 的 相 对 位 置 ， 背 光 源 可 分 ： 边 缘 式 和 直 下式 两 种 。 边 缘 式 -在 显 示 面 的 侧 面 装 配 荧 光 灯 式 的 线 光 源 、 或 带 有曲 率 的 反 射 体 和 漫 散 射 板 ， 设 计 成 透 明 度 良 好 的 导 光 体 的反 射 曲 面 ， 使 显 示 面 亮 度 均 匀 。 直 下 式 -是 在 显 示 面 的 正 下 方 装 配 一 支 或 几 支 光 源 。 常 用 白 炽 灯 球 、 白 卤 素 灯 等 点 光 源 ， 荧 光 灯 (热 阴 极 、冷 阴 极 )等 线 光 源 ， 电 致 发 光 屏 (EL灯 )、 点 阵 式 发 光 二 极管 (LED)组 成 的 面 光 源 ， 面 光 源 基 本 上 可 以 直 接 成 为 背 光源 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 图 边 光 式 背 光 源 结 构 图 目 前 采 用 的 背 照 光 源 主 要 有 ： 1） 热 电 致 发 光 板 EL 2） 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 两 种 ： 边 光 式 与 背 光 式 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.5.3 液 晶 分 子 排 列 和 分 子 取 向 技 巧1、 分 子 排 列 的 种 类 ：有 代 表 性 的 分 子 排 列 如 下 ： 1) 垂 直 取 向 排 列 所 有 的 液 晶 分 子 垂 直 于 上 下 两 基 板 的 内 侧 面 。 2) 沿 面 平 行 排 列 所 有 的 液 晶 分 子 平 行 于 上 下 两 基 板 的 内 侧 面 。 3) 倾 斜 排 列 所 有 的 液 晶 分 子 相 对 两 基 板 内 侧 面 倾 斜 一 定 角 度 。 4) 混 合 排 列 液 晶 分 子 与 一 基 板 面 垂 直 排 列 ， 与 另 一 基 板 面 沿同 一 方 向 作 平 行 排 列 。 整 个 液 晶 分 子 排 列 在 两 基 板 间 连 续 弯 曲90。 5) 扭 曲 排 列 所 有 的 液 晶 分 子 平 行 两 板 面 排 列 ， 排 列 方 向 在 两基 板 面 上 错 开 90， 分 子 的 排 列 方 向 在 两 基 板 间 连 续 扭 转 90。 6) 平 面 排 列 胆 甾 型 液 晶 的 螺 旋 轴 相 对 两 基 板 面 成 垂 直 状 分 子 排 列 。 7) 焦 锥 织 构 分 子 排 列 胆 甾 型 液 晶 的 螺 旋 轴 相 对 两 基 板 面 成 平行 或 近 于 平 行 状 态 的 分 子 排 列 ， 但 是 螺 旋 轴 方 向 不 确 定 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 2、 液 晶 分 子 的 取 向 处 理 技 巧 必 须 在 基 板 内 壁 -设 置 分 子 取 向 层 。 使 用 两 枚 取 向 处 理 基 板 的 各 种组 合 能 够 形 成 各 种 排 列 状 态 。 分 子 的 取 向 (配 向 )技 术 包 括 ： 如 摩 擦 处理 、 形 成 配 向 膜 三 种 基 本 分 子 取 向 处 理 方 法 ： a. 直 接 取 向 处 理 法 ： 把 取 向 剂 溶 液 用 滚 涂 法 、 丝 网 印 制 法 涂 敷 在 基板 上 ， 再 加 热 干 燥 等 除 去 溶 剂 ， 形 成 配 向 剂 薄 层 。 蒸 镀 方 法 ， 即 把 取向 剂 如 氧 化 硅 (SiO)等 氧 化 物 或 金 (Au)、 铂 (Pt)等 金 属 ， 从 对 基 板 面 倾斜 的 方 向 蒸 镀 到 基 板 面 上 。 当 蒸 镀 角 很 小 (5 20)时 液 晶 分 子 会 倾 斜取 向 排 列 ， 当 蒸 镀 角 较 大 (20-45)时 可 得 到 平 行 取 向 排 列 。 b. 间 接 取 向 处 理 法 ： 将 取 向 剂 溶 解 在 液 晶 里 ， 再 注 入 液 晶 盒 中 ， 取向 剂 从 液 晶 中 析 出 而 吸 附 在 基 板 上 形 成 配 向 层 。 c. 变 形 取 向 处 理 ： 常 用 棉 布 按 一 定 方 向 轻 轻 研 磨 基 板 面 的 摩 擦 法 。 一 般 先 用 平 行 取 向 剂 对 基 板 面 进 行 直 接 取 向 处 理 ， 再 进 行 摩 擦 处 理 ；能 使 液 晶 分 子 平 行 于 摩 擦 方 向 固 定 排 列 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.5.4 LCD的制 作 的 基 本 工艺 流 程 玻 璃 基 板、预 清 洗 涂 敷 防 碱 膜涂 敷 透 明 导 电 膜（ ）光 刻 电 极 涂 胶 -显 影 -刻 蚀 -清 洗 取 向 剂形 成 取 向 层 、摩 擦 处 理 清 洗密 封 胶 印 刷 共 用 电 极 转 印 导 电 胶密 封 胶 脱 泡 -干 燥 -基 板 贴 合、 、加 热 加 压 固 化 -抽 真空 注 入 液 晶 液 晶 材 料、封 口 胶 封 口 液 晶 盒 封 断检 测 外 观 及 显 示 功 能、贴 偏 振 片 反 射 片液 晶 显 示 器 件 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 笔 划 型 LCD或 简 单 矩 阵 型 LCD的 制 作 工 艺 流 程 如 图 中 ： 液 晶 盒 电 极 间 隙 常 为 10m左 右 ， 电 极 间 封 装 材 料 上 附 有 衬 垫 材 料 ， 注 入 液 晶 时 要 在 减 压 的 钟 罩 下 进 行 ， 经 过 外 观 检 查 ， 显 示 功 能 、 可 靠 性 、 机 械 强 度 等 例 行 试 验后 才 成 为 合 格 产 品 。 半 自 动 化 生 产 线 -由 设 在 中 央 控 制 室 的 监 视 器 对 各 生 产现 场 进 行 管 理 ， 并 对 材 料 流 向 、 其 它 生 产 资 源 的 供 给 、 生产 线 各 工 序 的 环 境 （ 温 度 、 湿 度 、 洁 净 度 ） 的 要 求 等 进 行远 距 离 监 控 和 统 一 指 挥 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 STN-LCD的液 晶 胞 製 程及 其 技 術 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 * 利 用 真 空 加 壓 方 式將 液 晶 材 料 注 入 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.6.1 显 示 形 式 和 电 极 结 构 的 分 类 所 显 示 的 信 息 有 ： 固 定 的 图 形 或 符 号 (如 指 示 牌 等 )、数 字 及 字 母 (英 文 、 希 腊 文 字 等 )； 日 文 中 假 名 及 汉 字 显 示 、图 像 显 示 等 。 信 息 量 ： 与 显 示 的 位 数 和 文 字 数 量 的 多 少 有 关 。 数 字 位 数 多 、 文 字 数 量 大 的 信 息 量 就 大 。 如 钟 表 显 示 的 4-6位 数 字 、 计 算 器 显 示 的 多 位 数 字 、 计 算机 能 显 示 位 数 更 多 的 数 字 和 文 字 ， 显 示 信 息 量 就 更 大 。 有 必 要 适 当 选 择 适 合 于 显 示 情 报 性 质 、 内 容 以 及 信 息 量 的显 示 屏 的 结 构 。 显 示 屏 的 电 极 结 构 - 由 画 面 结 构 决 定 。3.6 LCD的 显 示 形 式 和 驱 动 方 法 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 根 据 不 同 的 驱 动 方 法 、 显 示 形 式 和 电 极 结 构 分 类 有 ： 1) 固 定 图 形 显 示 -用 来 显 示 某 一 固 定 图 形 、 简 单 符 号 (指 示 标 志牌 )等 。 其 电 极 是 由 整 个 图 形 或 简 单 符 号 构 成 的 。 2) 段 显 示 -是 把 图 形 分 成 若 干 部 分 ， 如 7段 显 示 ， 由 面 基 板 上 的 1个 段 电 极 和 背 基 板 上 的 1个 共 用 电 极 组 成 。 选 择 不 同 的 段 电 极 施 加 电 压 后 就 能 够 显 示 出 从 0-9的 任 意 个 数字 来 。 用 于 数 字 显 示 、 数 字 手 表 、 数 字 式 仪 表 面 板 等 。 3) 矩 阵 显 示 -是 把 液 晶 置 于 互 相 垂 直 的 条 状 电 极 间 、 以 条 状 电 极空 间 交 叉 点 的 组 合 来 显 示 。 像 素 点 仅 只 是 用 电 极 所 构 成 的 简 单 矩 阵 、 各 像 素 由 独 立 的 驱 动元 件 或 开 关 元 件 来 驱 动 ， 且 驱 动 元 件 都 配 置 在 显 示 基 板 上 ， 称有 源 矩 阵 驱 动 (AM-LCD)。 矩 阵 显 示 屏 适 用 于 各 位 数 的 数 字 、 字 母 、 日 文 中 假 名 和 汉 字 及图 形 、 图 像 等 显 示 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 3.6.2 LCD的 驱 动 方 式 根 据 电 极 的 构 成 不 同 ， 驱 动 方 式 也 不 同 。 驱 动 方 式 分 类 如 下 ： 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 一 、 静 态 驱 动-是 把 所 有 段 电 极 逐 个 分 别 或 同时 驱 动 的 方 式 。-每 个 段 电 极 有 独 立 的 驱 动 电 路元 件-所 有 段 电 极 和 公 共 电 极 间 只 是在 需 要 显 示 时 间 内 才 施 加 电 压 。-段 电 极 和 公 共 电 极 的 驱 动 是 同极 性 的 方 波 脉 冲 ， 在 显 示 (ON)状态 时 相 位 差 为 ，-液 晶 上 实 际 所 加 的 电 压 成 为 交流 波 形 (液 晶 是 无 极 性 的 )， 防 止由 于 直 流 电 压 引 起 液 晶 的 老 化 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 图 静 态 驱 动 电 路 结 构 驱 动 波 形 实 例8段 8位 数 字 显 示 时 需 要 驱 动 器 64个 ， 引 出 线 为 65条 ，再 加 上 连 接 各 段 的 接 插 件 ， 所 用 元 件 数 、 接 插 件 数 相 当 多 。 只 能 实 现 几 位 数 字 、 符 号 显 示 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 二 、 多 路 寻 址 驱 动 方 式 -也 叫 做 分 时 操 作 驱 动 方 式 ， 或 动 态驱 动 方 式 。-是 用 以 显 示 多 位 数 的 一 种 驱 动 方 式 ，-适 用 于 比 较 多 的 段 电 极 和 矩 阵 电 极 结 构 的 驱 动 。图 为 动 态 驱 动 的 电 极 连 结 方 法 ：三 个 公 用 电 极 、 三 个 段 电 极显 示 时 ， 电 位 差 大 于 阈 值 即 可 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 图 数 字 屏 多 路 驱 动 的 电 极 连 结 方 法 ， 各 位 数 字 的 同 位 笔 划 相 连 ， 构 成 8根 段 引 出 线 L1、 L2、 L7、 L8点 。 每 一 位 有 一 根 单 独 的 背 电 极 引 出 线 (称 为 位 电 极 )， 如 有 8位 数 字 ， 即 Tl、 T2、T8， 8根 位 电 极 ， 这 种 多 路 驱 动 是 一 种 8 8的 矩 阵 显 示 。 具 有 交 叉 效 应 ， 会 严 重 影 响 对 比 度 。 则 8位 数 字 需 要 的 驱 动 元 件 和 连 接 用 的 接 插 件 各 为 l6个 ， 大 大 减 少 了 元 件 数 。 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 液 晶 材 料 的 电 阻 率 为 1010-1011cm， 把 液 晶 夹 在 x、 Y电 极 群中 ， 全 部 矩 阵 单 元 成 为 立 体 电 路 。 设 x方 向 有 i条 电 极 、 Y方 向 有 j条 电 极 ， 则 x、 y电 极 间 的 等 效 电路 如 图 。 图 中 R1=R(N-1)-2， R2=R(N-1)-1， C1=(N-1)2C， C2=(N-1)C交叉 点 的 电 容 和 电 阻 的 计 算 如 下 ： 式 中 ， C和 R分 别 为 单 元 像 素 的 电 容 和 电 阻 ， N为 x、 y的 电 极数 目 。 CNNC ji 12 2RNNR ji 2 12 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 显 然 ， 在 xi和 Yj电 极 上 施 加 电 压 后 ， 各 像 素 点 依 电 压 分 布 可 分 为 三 类 ： 电 极 xi和 Yj的 交 叉 点 (xi,Yj)为 选 址 点 ， 电 压 为 U； 在 电 极 xi和 Yj上 除 选 址 点 外 的 其 余 像 素 点 为 半 选 址 点 ， 电 压为 ； 不 处 在 xi和 Yj电 极 上 的 所 有 像 素 点 称 为 非 选 址 点 ， 电 压为 。 若 N 8时 选 址 点 电 压 U， 半 选 址 点 的 电 压 近 似 等 于 1/2U。 由 于 液 晶 的 阈 值 电 压 不 明 显 ， 因 此 在 半 选 址 点 和 非 选 址 点 上 也 会 发 亮 ，只 是 没 有 选 址 点 亮 。 应 该 研 制 阈 值 电 压 明 显 、 电 光 曲 线 斜 率 陡 峭 的 液 晶 材 料 。 还 应 在 工 艺上 改 进 如 用 两 次 倾 斜 蒸 发 SiO法 ， 使 用 411联 苯 液 晶 显 示 等 。UNN 12 1 UN 12 1 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 为 克 服 多 路 驱 动 中 交 叉 效 应 ， 采 用 电 压 平 均 法 和 双 频 驱 动 法 等 消 除 。 1、 电 压 平 均 法 在 x、 y电 极 上 施 加 不 同 波 形 的 电 压 ， 加 在 液 晶 层 上 的 电 压 则 为 二 电 极上 电 压 的 合 成 电 压 。 若 X方 向 上 施 加 电 压 幅 值 为 (1-1/h)U0， 在 y方 向 上 为 (-1/h) U0， 则 选 址 点 a的 合 成 电 压 为 U0， 液 晶 呈 现 较 强 的 电 光 效 应 。 图 中 b和 c为 半 选 址 点 ， d状 态 为 非 选 址 点 。 系 数 h为 偏 压 因 子 (可 为 2、 3和 4)。 a.电 压 波 形 西 北 大 学 信 息 科 学 与 技 术 学 院 现 代 显 示 技 术 2009.8.5 图 .