LCD结构和显示原理-PPT

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,*,內容,1.,液晶顯示器的優點,2.,液晶顯示器的基本結構,3.,LC材料及其物性,4.,液晶的光學基礎,5.,液晶顯示器件的電光特性,6.,LCD,顯示原理,7.,思考題,1,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(25,V),微功耗,工作電流几個微安。,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,2,2.,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。,設計要點,1),盒厚,510,um,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(0.48,um),或第二極小(1.08,um)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,3,3.,LC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,是構成液晶不可缺少的部分,。,A,為連接基團,有,-CH2CH2-,-COO-,-C=C-,等,;B,B,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。,N,N,3.3,液晶的應用物理特性,(,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(,Vth),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。,4,3.3.2,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,(,n,e),大于尋常光折射率,(,n,o),這表明光在液晶中傳播的速度存在,v,e,v,o,即尋常光的傳播速度快,這種液晶在光學上稱為正光性材料。如果液晶的光軸用指向矢描述時,有,n,=,n,e,n,=,n,o,n(,折射率各向異性,),=,n,-,n,=,n,e-,n,o,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,n,e,v,o,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,(,n,e,2,-,n,o,2,)/(,n,2,+2)=4/3,(,a,e-,a,o),極化度變小,n,e,n,o,n,都減小,。,2),在可見光區,n,o,一般在,1.52,左右。當波長增加時,n,o,逐步下降,直到紅外線區才趨緩和。,3),當溫度上升時,n,o,稍有增加,比較顯著的增加出現在靠近清亮點時,但,n,e,卻下降。溫度超過清亮點時,n,e=,n,o,。,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,n,d,/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,n,d=0.5,n,d=1.0,和,n,d=1.5,時不會出現彩虹。,5,3.3.3,液晶的彈性常數,(,K,11,/K,22,/K,33,),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,(,K,33,),扭曲彈性常數,(,K,22,),展曲彈性常數,(,K,11,),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,K,33,/K,11,增加,同時,K,33,/K,11,隨烷基鏈長的增加而降低,K,33,/K,11,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,K,22,經常比,K,33,K,11,小,K,22,/K,11,一般在,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,6,3.3.4.,液晶的粘滯系數,向列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,=,o,exp,(,-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。,7,4.,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,度則從極小又變為極大,沒有消光位置。,8,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,9,4.2,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,n,o,。,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。,10,5.,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,11,5.4,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,(,K,11,/K,22,/K,33,),有關,與盒厚無關。表達式,(,Uth)=,Sqr,(,K,11,+(K,33,-K,22,)/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。,(,=U,90,/U,10,),12,5.5,液晶器件響應時間,5.5.1,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