LCD的原理及构造.ppt

中国新型显示技术分析及发展 史文剑2010 12 18 LCD显示器简介LCD显示器的全称为LiquidCrystalDisplay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 TwistedNematic 液晶显示器 STN LCD称为超扭曲向列型 SuperTN 液晶显示器 DSTN LCD称为双扫描超扭曲向列型 DualScanTwistedNematic 液晶显示器 TFT LCD称为薄膜晶体管型 ThinFilmTransistor 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 n 2 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 LiquidCrystalDisplay 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 TwistNematic 扭曲向列型HTN HighTwistNematic 高扭曲向列型STN SuperTwistNematic 超扭曲向列型FSTN FilmSuperTwistNematic 薄膜超扭曲向列型TFT Thin filmTransistor 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6 7um 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Ts TL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 A 1 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 A 0 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90 270 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 4000cd 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台湾人手中 特别是2000年以后 大陆突然放松对进口电子产品的限制 使大陆对LCD显示屏需求的大幅增加 同时也刺激了台湾LCD产业链的快速建立和生产效率的膨胀 LCD的生产规模 几年来一直沿着每年新增一代生产线的直线速度增长 目前台湾的七家LCD显示屏生产企业 友达光电 奇美电子 中华映管 广辉电子 元太科技 联友光电 康宁 的产量已经占去世界的半边江山 LCD显示器的现状 前几年中国已经开始大量引进LCD显示屏的生产技术 其中有京东方 上广电 还有深圳聚龙光电等 这些企业投资巨大 但经济效益都不好 并且这些年来一直出现大规模亏损 根据媒体报道 上广电去年亏损18亿人民币 已经接近倒闭的边缘 主要原因是平板显示屏的产量增长太快 市场很容易出现饱和 加上自己没有关键技术 全部靠技术引进 生产成本比别人的高 不过 就全世界的平板显示器生产企业而言 也没有几家赚钱的 因为自2000年以来 全世界在平板显示器生产线方面的投资已经超过3000多亿美金 按目前的需求和价格 就平均而言 世界上没有一家企业是可以赚钱的 例如 今年一季度 台湾TFT LCD面板主要生产商 友达和奇美各亏损6亿多美元 LCD显示器发展的困境 PDP是PlasmaDisplayPanel的简写 也称等离子体显示器 PDP显示器的出现要比LCD显示器晚很多 但作为大屏幕显示器PDP却比TFT LCD大屏幕显示器早好几年 本来PDP显示器也是一种很有发展前途的大屏幕显示器 但由于生产技术大部分垄断在日本人手中 技术扩散比较慢 产业链建立很慢 跟随PDP发展的中国企业很少 所以它一直都发展不起来 PDP显示器的优点是对比度比LCD高 特别适用于做大屏幕电视 目前世界上生产PDP等离子显示屏的厂家主要在日本和南韩 国内只有长虹一家 因此 PDP显示屏的主要市场基本在国外 国内市场相对来说比较小 远远不如TFT LCD显示屏 PDP显示器简介 PDP显示器的工作原理 PDP显示器的构造 SED Surface conductionElectron emitterDisplay 显示屏是东芝公司的技术 SED显示图像的质量水平 目前大家都公认是最好的 它采用表面传导电子发射显示技术 属于场发射显示 是一种主动发光的显示技术 SED电视前玻璃基板上涂有红 绿 蓝三色荧光粉 并作为阳极相对后玻璃基板加有几千伏的高压 通过丝网印刷法在后玻璃基板上制作对应每个像素的金属电极 并用喷墨印刷的方法在金属电极间制作氧化钯薄膜电子发射阴极 生成了氧化钯膜的金属电极间距只有4 6纳米 当金属电极间加上十几伏的电压后 极间将形成超高电场 氧化钯膜中的电子会被牵引出来 形成电子发射 SED平板显示的图像质量相对来说比较好 但由于只有东芝一家单独经营现在很难普及 另外 工作电压需要几千伏 故障率相对比较高 SED显示器简介 SED显示器的构造 DLP DigtalLightProcession 是一种数字光处理技术 也称数字电子微镜DMD DigitalMicromirrorDevice 与前面介绍的平板显示器技术不一样 它是把每个像素点都做成一个反光镜 这个反光镜的角度可以通过电场力的作用可调 正负15度 以此来调节光的强度 这种技术主要用于背投电视 或正投电视 是TI公司的独家技术 国内很少人使用 DLP背投显示器简介 LCOS LiquidCrystalonSilicon 称硅基液晶 或硅晶光反射式microLCD投影技术 它的工作原理与DLP很接近 即 把每个像素点都做成一个反光镜 不过它这个反光镜用来调节光的强度不是靠反射角 而是靠液晶 这种技术主要用于背投电视 或正投电视 现在国内生产背投电视的厂家很少 LCOS背投显示器简介 TDEL Thick filmDialectricElectroluminescentTechnology厚膜电致发光技术 显示器的原理是利用一整片的蓝色磷光为基础 激发其上的红色和绿色颜料 混合成三色的RGB影像 由于不须要像等离子电视一样复杂的组件 也不须要LCD的背光 37 的TDEL电视样品厚仅2cm 重量则甚至不到一公斤 从技术性能以及性能价格比方面进行比较 TDEL显示器要比PDP和LCD显示器好 应该说是一项比较有发展前途的平板显示器 这项技术是一个加拿大籍中国人发明的 技术由加拿大iFire公司拥有 但由于没有人跟风 一直普及不起来 TDEL显示器简介 TDEL显示器的构造 OLED显示器简介 OLED其实是英文OrganicLightEmittingDisplay 有机发光显示器 的简称 它的发光原理是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下 通过载流子注入和复合导致发光的现象 通过搭配不同的有机材料 发出不同颜色的光 来达成全彩显示器的需求 也有人把OLED拼写为OrganicLightEmittingDiode 有机发光二极管 两个种写法意思基本一样 OLED因为是自发光器件 每个像素自己都会发光 因此 与时下液晶电视都采用的LCD面板相比 其亮度与对比度都比LCD更胜一筹 图像更加鲜艳 目前OLED显示屏现在还存在很多技术问题 最大的问题是有机薄膜管芯容易氧化使用寿命短 因为构成PN结的两块不同性质的导电膜是靠机械接触组合在一起的 OLED显示器的构造 OLED显示器的构造 主动矩阵OLED AM OLED OLED制造方法简介 OLED生产过程中最重要的一环是将有机层敷涂到基层上 完成这一工作 有三种方法 1 真空沉积或真空热蒸发 VTE 在真空腔体内对有机物进行加热使其蒸发 然后让这些分子以薄膜的形式凝聚在温度较低的基层上 这一方法效率较低 成本很高 2 有机气相沉积 OVPD 在一个低压热壁反应腔内 载气将蒸发的有机物分子运送到低温基层上 然后有机物分子会凝聚成薄膜状 使用载气能提高效率 并降低OLED的造价 3 喷墨打印 利用喷墨技术可将OLED喷洒到基层上 就像打印时墨水被喷洒到纸张上那样 喷墨技术大大降低了OLED的生产成本 还能将OLED打印到表面积非常大的薄膜上 用以生产大型显示器 OLED的优势 OLED的发光层比较轻 因此它的基层可使用富于柔韧性的材料 而不会使用刚性材料 OLED基层为塑料材质 而LED和LCD则使用玻璃基层 OLED比LED更亮 因为 OLED有机层要比LED与之对应的无机晶体层薄很多 因而OLED的导电层和发射层可以采用多层结构 此外 LED和LCD需要用玻璃作为支撑物 而玻璃会吸收一部分光线 OLED不需背光系统 所以它们的耗电量小于LCD OLED制造起来更加容易 还可制成较大的尺寸 OLED为塑胶材质 因此可以将其制作成大面积薄片状 OLED的视野范围很广 可达170度左右 而LCD工作时要阻挡光线 因而在某些角度上存在天然的观测障碍 OLED自身能够发光 所以视域范围很宽 OLED的缺点是寿命短 尽管红色和绿色的OLED薄膜寿命较长 10000 40000小时 但根据目前的技术水准 蓝色有机物的寿命要短很多 仅有约1000小时 因为蓝色有机物发光效率比较低 提高亮度必然会增加损耗 造成OLED元件寿命衰退的原因 一个是OLED薄膜不容易散热 温度升高很容易使OLED损坏 另一个是水气和氧气对OLED元件的渗透 会在OLED元件内部引起阴极氧化 脱膜 以及有机层结晶等等效应 致使元件老化 甚至损毁 存在色彩纯度不够的问题 不容易显示出鲜艳 浓郁的色彩 OLED的不足 FED和ELD显示器 FED FieldEmissionDisplay 场致发光显示器 场致发光技术是利用介质材料的分子在电场产生极化充 放电而发光或透光率改变的性质来进行图像显示 ELD ElectronluminescentDisplay 电致发光显示器 电致发光技术是利用物体在强电场下会进行电子发射 然后电子撞击其它物体而发光的性质来进行图像显示 严格来说 FED和ELD并没有本质上的区别 都是在电场的作用下 才会产生相应的结果 只不过前者相当于对一个电容充电 后者相当于对一个电阻加电 并且在大多数情况下 两种形式都同时存在 目前 用于图像显示的FED和ELD显示器在市场上还很少出现 而用于符号显示的FED和ELD显示器比较多 但由于有些FED和ELD显示器工作电压可以很低 功率损耗也非常低 估计将来在电子书方面会大量使用 LEDD和LD显示器 LEDD LightEmittingDiodeDisplay 发光二极管显示器 这种显示器一般用3个 红 蓝 绿 或4个 红 红 蓝 绿 分立发光二极管组成一个像素 并配以相应的驱动电路组装而成 这种LEDD显示器 亮度很高 但点阵很粗糙 成本非常高 LEDD显示器多用于户外作为广告显示器 LD LaserDisplay 激光显示器 这种显示器是把经过调制的激光打到一个旋转的反射镜上进行扫描显示 LD显示器亮度非常高 一般只能作为投影显示 多用于广告牌 很难进入家庭