LCD的原理及构造 (2)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,中国新型显示技术分析及发展,史文剑,LCD显示器简介,LCD,显示器的全称为Liquid Crystal Display液晶显示器，它还可以分,TN-LCD、STN-LCD、DSTN-LCD、TFT-LCD,等多种。,TN-LCD,称为,扭曲向列型,(Twisted Nematic)液晶显示器，,STN-LCD,称为,超扭曲向列型,(Super TN)液晶显示器，,DSTN-LCD,称为,双扫描超扭曲向列型,(Dual Scan Twisted Nematic)液晶显示器，,TFT-LCD,称为,薄膜晶体管,型(Thin Film Transistor)液晶显示器。前三种多用于电脑显示器，后一种主要用于大屏幕电视机图像显示器。,新型显示器的发展概况,目前在国际上，继CRT显示器之后已经开发成功的新型显示器一共有十多种，其中有：,LCD,、,PDP,、,DLP,、,LCOS,、,OLED,、,SED,、,TDEL,、,FED,、,ELD,、,LD,等，这些显示器大多数属于平板数字显示器。现在已经商品化的大约只有5、6种，其中,LCD,和,PDP,仍是目前新型数字显示器的主流，LCD和PDP显示器分别约占新显示器市场中的70%和10%，其余20%为其它平板数字显示器。,LCD的原理及构造,液晶显示器的工作原理,要了解液晶显示器的工作原理，我们首先要了解光。,光是一种电磁波，即电磁场以波动形式传播。通常光是沿直线传播的，光波的振动方向垂直于光的传播方向。对自然光（如太阳光）来说，在垂直光传播方向的平面内，光波的振动方向是随机均匀分布的。如果光波振动方向是沿一个方向，这样的光称为线偏振光，这个振动方向称为偏振方向。偏振方向与光波的传播方向形成的平面称为偏振面。,当自然光通过液晶盒的入射偏光片后，只剩下振动方向跟入射偏光片偏光轴相同的光，即面为线偏振光，偏振光经过液晶盒后再由偏光片射出。这样，光是否能通过偏光片，通过量的多少取决于线偏振光经过液晶盒后的偏状态。液晶显示器就是通过控制光通过液晶盒后的偏振状态，从而控制最后透过偏听偏光片的光、状态来实现显示的。,具体来说，TN型液晶盒内液晶分子能形成一种扭曲结构主要是因为扭曲的螺距P（液晶分子扭曲360，所需的液晶层厚度）与液晶的折射率各向异性（nc-no=n）的乘积远大于可见光的波长2，即满足：P*n2,LCD的原理及构造,液晶显示器的工作原理,则入射光的偏振面将顺着液晶分子扭曲方向旋转。液晶分子长轴90的旋光。当对两块玻璃片上的电极施加一定大小的电压后，液晶分子就转变为垂直于上下玻璃片排列，扭曲结构消失，导致旋光作用消失，这种电光效应就称为扭曲电场效应。,对于白底黑字的液晶显示器，上下偏光片相互垂直，入射的自然光经入射偏光片后变成平面偏振光。液晶盒未加电压时，偏振光顺着分子的扭曲结构扭转90，振动方向变成和偏光片的偏光轴一致，因此可顺利通过偏光片。这时显示器呈透明状态，处于非显示状态。而当驱动电路将驱动的信号电压加至需要显示的相关电极时，该部分液晶分子扭曲结构消失，丧失了旋光功能。从入射偏光片出射人偏光偏振方向未经改变就到达偏光片。由于其偏振方向与偏光片光轴方向垂直，偏振光将无法透过偏光片。这样，该显示电极部分就变得不透明，呈现黑色，处于显示状态。,当电压信号撤除以后，液晶分子受到定向层表面锚定的作用而恢复扭曲排列，显示器又变得透明。,对于黑底白字的液晶显示器，上下偏光片的偏光轴方向相互平行，这样，在未加电压信号时显示器处于不透光的“暗”状态，加电压后为透明的“亮”状态。,LCD的种类,在介绍液晶示器制造过程之前，我们先来了解一下液晶显示器的结构以及它的显示原理。,1、定义：,通常，我们在数字式电子表与手提电脑上所看到的显示数字之玻璃薄片即称之为液晶显示器（Liquid Crystal Display，简称LCD）。,2、优点：,平板型显示，体积小，重量轻，寿命长，结构简单，功耗低，驱动电压低，可用大规模集成电路直接驱动，可以在明亮的状态下显示，不含有害射线等。,3、种类：,按显示方式,可分为透射型（全透和半透）、反射型两大类。,按显示机理，可分为如下五种：,TN（Twist Nematic）扭曲向列型,HTN（High Twist Nematic）高扭曲向列型,STN（Super Twist Nematic）超扭曲向列型,FSTN（Film Super Twist Nematic）薄膜超扭曲向列型,TFT（Thin-film Transistor）薄膜晶体管,LCD的原理及构造,LCD的原理及构造,LCD的基本构造,4、TN型、HTN型、STN型的优缺点及其实用范围,LCD的原理及构造,LCD的基本构造,液晶显示器件从结构上说，属于平板显示器件。其基本结构，呈平板形。典型液晶显示器件基本结构如图1-1所示。它主要由前后偏振片、前后玻璃片、封接边及液晶等几大部件组成。,当然，不同类型的液晶显示器件其部分部件可能会有不同，如：相变型、PDLC、多稳态型液晶显示器件没有偏振片，有源矩阵型液晶显示器件在基板上制作有有源矩阵电路等，但是所有液晶显示器件都可以认为是由两片光刻有透明导电电极的基扳，夹持一个液晶层，封接成一个偏平盒，有时在外表面还可能贴装上偏振片等构成。,下面以典型的扭曲向列型液晶显示器件（TN）为例，进行介绍，见图1-1。将两片光刻好透明导电极图形的平板玻璃相对放置在一起，使其间相距为67um。四周用环氧胶密封，但在一侧封接边上留有一个开口，该开口称为液晶注入口。液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。注入后，用树脂将开口封堵好，再在此液晶盒前后表面呈正交地贴上前后偏振片即完成了一个完整的液晶显示器件。当然，作为扭曲向列型液晶显示器件，在液晶盒内表面还应制作上一层定向层。该定向层经定向处理后，可使液晶分子在液晶盒内，在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列，而在前后玻璃基板之间液晶分子又呈90度扭曲排列。从而使其具有特有的光学和电光学特性。,现将构成液晶显示器件的三大基本部件和特点介绍如下：,1.玻璃基板,这是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片。表面蒸镀有一层In2O3或SnO2透明导电层，即ITO膜层。经光刻加工制成透明导电图形。这些图形由像素图形和外引线图形组成。因此，外引线不能进行传统的锡焊，只能通过导电橡胶条或导电胶带等进行连接。如果划伤、割断或腐蚀，则会造成器件报废。,LCD的原理及构造,LCD的基本构造,2液晶,液晶材料是液晶显示器件的主体。不同器件所用液晶材料不同，液晶材料大都是由几种乃至十几种单体液晶材料混合而成。每种液晶材料都有自己固定的清亮点TL和结晶点Ts。因此也要求每种液晶显示器件必须使用和保存在TsTL之间的一定温度范围内，如果使用或保存温度过低，结晶会破坏液晶显示器件的定向层；而温度过高，液晶会失去液晶态，也就失去了液晶显示器件的功能。,3偏振片,偏振片又称偏光片，由塑料膜材料制成。涂有一层光学压敏胶，可以贴在液晶盒的表面。前偏振片表面还有一保护膜，使用时应揭去，偏振片怕高温、高湿，在高温高湿条件下会使其退偏振或起泡。,LCD的原理及构造,LCD的基本构造,LCD的原理及构造,LCD的驱动方式,液晶的显示是由于在显示像素上施加了电场的缘故，而这个电场则由显示像素前后两电极上的电位信号合成产生，在显示像素上建立直流电场是非常容易的事，但直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶的显示寿命，因此必须建立交流驱动电场，并且要求这个交流电场中的直流分量越小越好，通常要求直流分量小于50mV。在实际应用中，由于采用了数字电路驱动，所以这种交流电场是通过脉冲电压信号来建立的。,显示像素上交流电场的强弱用交流电压的有效值表示，当有效值大于液晶的阈值电压时，像素呈显示态；当有效值小于阈值电压时，像素不产生电光效应；当有效值在阈值电压附近时，液晶将呈现较弱的电光效应，此时将会影响液晶显示器件的对比度。,液晶显示的驱动就是用来调整施加在液晶显示器件电极上的电位信号的相位、峰值、频率等，建立驱动电场，以实现液晶显示器件的显示效果。液晶显示的驱动方式有许多种，常用的驱动方法有：静态驱动法和动态驱动法。对于TN及STN-LCD一般采用静态驱动或多路驱动方式。这两种方式相比较各有优缺点。静态驱动响应速度快、耗电少、驱动电压低，但驱动电极度数必须与显示笔段数相同，因而用途不如多路驱动广。,1.静态驱动法,静态驱动法是获得最佳显示质量的最基本的方法。它适用于笔段型液晶显示器件的驱动。表一示出此类液晶显示器件的电极结构，当多位数字组合时，各位的背电极BP是连接在一起的。振荡器的脉冲信号经分频后直接施加在液晶显示器件的背电极BP上，而段电极的脉冲信号是由显示选择信号A与时序脉冲通过逻辑异或合成产生，当某位显示像素被显示选择时，A1，该显示像素上两电极的脉冲电压相位相差180。，在显示像素上产生2V的电压脉冲序列，使该显示像素呈现显示特性；当某位显示像素为非显示选择时，A0，该显示像素上两电极的脉冲电压相位相同，在显示像素上合成电压脉冲为0V，从而实现不显示的效果。这就是静态驱动法。为了提高显示的对比度，适当地调整脉冲的电压即可。,LCD的原理及构造,LCD的驱动方式,2.动态驱动法,当液晶显示器件上显示像素众多时，如点阵型液晶显示器件，为了节省庞大的硬件驱动电路，在液晶显示器件电极的制作与排列上作了加工，实施了矩阵型的结构，即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出，称之为行电极，把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出，称之为列电极。在液晶显示器上每一个显示像素都由其所在的列与行的位置唯一确定。在驱动方式上相应地采用了类同于CRT的光栅扫描方法。液晶显示的动态驱动法是循环地给行电极施加选择脉冲，同时所有为显示数据的列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲，从而实现某行所有显示像素的显示功能，这种行扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现出稳定的图象。我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法。,液晶的分子排列,LCD显示的原理1,LCD显示的原理2,TN,和,STN,在结构上的主要不同为液晶分子的扭曲角，,TN,的,扭曲角为90,，,STN,的,扭曲角为90270,。随 着扭曲角及偏光片角度的不同,STN,可以有黄绿模式、蓝模式、灰模式等。,TN,有,正性,和,负性,等。,STN,比,TN,具有更高路数的驱动能力和优异的电光性能。,DSTN,在本质上与,STN,没有区别，只是显示器的扫描方式不同，,DSTN,显示器把图像分成上下两部份，同时进行扫描。,FSTN,在,STN,的基础上加上补偿膜，可以补偿掉,STN,的干涉颜色，实现真正的黑白显示。补偿膜角度不同可以有正性（白底黑字）和负性（黑底白字）的显示。,TN与STN、DSTN、FSTN的区别,LCD产品结构示意图,LCD的主要工艺流程,光刻：,在ITO表面形成要求形状的电极,LCD生产工艺,LCD生产工艺,定向层涂覆：,在玻璃表面均匀涂覆一层定向层,丝印成盒：,将上下两片玻璃用丝印胶黏结在一起，形成一个空盒,LCD的生产工艺,各种矩阵LCD的比较,LCD的背光结构,CCFL,(冷阴极荧光灯)特性：高亮度，3000-4000 cd/m2，长寿命(约 20,000 小时)，低发热量，亮白色光。,CCFL背光结构,LED,(发光二极管)特性：,光亮度均匀，寿命长(约 100,000 小时),，,低电压(支流)驱动，不需要逆变器,，,颜色丰富。,LED背光结构,LCD亮度低的原因,LCD,显示器已经有30多年的历史，不过它的技术一直在进步，技术性能一直在提高，特别是最近几年，由于,TFT-LCD,的性能价格比大幅提高，使它在大屏幕电视显示器中的地位快速提升，目前，它在大屏幕电视显示器中已经稳坐第一把交椅。,TFT-LCD,的性能价格比大幅提高的主要原因，是因为十几年前LCD显示屏的生产技术突然由日本转移到