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第 3 章 液晶显示器件（ LCD ）. §3 液晶显示器件（ LCD ）. 什么是液晶？. 液晶的发现. 液晶的发现可追溯到 19 世纪末， 1888 年奥地利的植物学家 F·Reinitzer 在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。
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§3 液晶显示器件（LCD） • 什么是液晶？
液晶的发现 • 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ • 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 • 于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。
液晶态是物质的一种形态 • 液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。 • 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。 • 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。
3.1、液晶基本知识 • 1. 互变相变（可逆相变） • 2. 单变相变
液晶分类（按热致液晶分子排列状态） • 向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜下的图
向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。
近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 隧道显微镜下的近晶相层状液晶
胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 • 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。 • 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。
3.2、液晶的光电特性 • （1）液晶的各向异性 • P型液晶 （Δε>0）正介电各向异性液晶 • N型液晶（Δε<0）负介电各向异性液晶
液晶短轴方向ε∥ 液晶短轴方向ε⊥
外场作用下的取向 • 在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。 • 目前液晶显示器主要应用P型液晶。 • 使液晶分子排列发生变化的临界电场强度为
式中 为弹性常数，d为液晶盒的厚度。当液晶分子沿液晶合玻璃表面排列时， ；当液晶分子垂直于玻璃表面时， ；而当液晶分子扭曲排列时， 。 • 换算为电压 • 即阈值电压
（2）液晶的双折射 • 以P型为例，长轴为光轴 • 向列液晶有 ，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 • 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：
液晶器件所基于的三种光学特性 由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性： • 1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； • 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； • 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。
（3）液晶的电光效应 • 液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。 • 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。
3.3、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件（1968年～1972年）3.3、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件（1968年～1972年）
在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。 • 当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰动，并对光产生强烈的散射。 • DS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大，一般在背面衬以黑色衬底。.
3.4、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年～1984年）3.4、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年～1984年）
属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。 • 将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3-SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约为数微米。
玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。 • 由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90°扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。
当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。 • 在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。
这种黑色的显示称正显示。同样如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。扭曲效应的阈值电压为 式中， 为弯曲弹性常数； 为扭曲弹性常数； 为展面弹性常为； 为上下玻璃基板平行处理后的扭曲角。由式可知 越大， 越小，有几种 很大的液晶，可使 下降到1.0V左右。
1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器,日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产，从而成为主流产品。在1979 年～1984年间，其产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年增长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次于CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。 • TN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显示及低路数（16线以下）驱动的简单字符显示。
3.5、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（1985～1990年）3.5、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（1985～1990年） • 第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲”即扭曲角大于90°。 • TN型液晶显示器件缺点： 电光响应前沿不够陡峭， 反应速度慢， 阈值效应不明显。 使得大量显示和视频显示等受到了限制。
80年代初，人们经过理论分析和实验发现，只要将分子的扭曲角增加到180°~270°时，就可大大提高电光特性的响应速度。80年代初，人们经过理论分析和实验发现，只要将分子的扭曲角增加到180°~270°时，就可大大提高电光特性的响应速度。 • 随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当扭角达到270°时，斜率达到无究大。 • 曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可获得敏锐的锐度和宽的视角。
图3.6 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系
1985年～1990年,LCD销售额年均增长率达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它从发明到批量生产仅用了五年时间。1985年～1990年,LCD销售额年均增长率达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它从发明到批量生产仅用了五年时间。 • 由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、对比度好等特点 ,很快在大信息容量显示的膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文打字机、图形处理机、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）中获得广泛应用,并成为该时代的主流产品。 • 1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的83%。
3.6、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD） • 属于第4代液晶显示器。 • 普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求。 • 有所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，必产生串扰。当一个像素被先通时，相邻行，列像素将处于半选通状态。
人们在第一个像素上设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以被独立驱动，克服了“交叉效应”。 图3.3 MIM液晶显示器件的电极排布
有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种。 • 二端型以MIM（金属-绝缘体-金属）二极管阵列为主； • 三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。
（1）MIM • 在两种导电膜之间夹一层氧化物绝缘层，其结构为Ta-Ta2O3-Cr，通电后两导电膜之间电压-电流必呈非线性，二端有源器件相当于一个双向性二极管，正、反向都具有开关特性。 • 由于MIM面积相对于液晶单元面积小得多，故其等效电容CMIM<<CLC。其等效电阻RMIM是非线性的。 图3.4 MIM液晶显示器件等效电路
当扫描电压和信号电压同时作用于像素单元时，MIM器件处于断态，RMIM很大，且CMIM<<CLC，电压主要降在CMIM上；当扫描电压和信号电压同时作用于像素单元时，MIM器件处于断态，RMIM很大，且CMIM<<CLC，电压主要降在CMIM上； • 当此电压大于MIM器件的阈值电压时，MIM进入导通状态，RMIM迅速减小，通态电流对CLC充电； • 当充电电压均方值Vrms达到液晶的阈值电压Vth时，液晶单元显示。
当扫描移到下一行时，原单元上的外加电压消失，MIM转为开路，CLC通过RLC缓慢放电，以致于可以在一帧时间内维持Vrms≥Vth，于是该单元不仅在寻址期内，而且在一帧时间之内保持显示状态，解决了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降其对比度亦下降的弊病。当扫描移到下一行时，原单元上的外加电压消失，MIM转为开路，CLC通过RLC缓慢放电，以致于可以在一帧时间内维持Vrms≥Vth，于是该单元不仅在寻址期内，而且在一帧时间之内保持显示状态，解决了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降其对比度亦下降的弊病。
（2）α-SiTFT • 属于非晶硅-薄膜晶体管类型的三端有源矩阵液晶显示器件。 • 它工艺简单， 玻璃基板成本低， 导通比大， 可靠性高， 容易大面积化。
图3.5 TFT有源矩阵驱动LCD的基本结构 1-显示电极；2-玻璃基板；3-透明电极；4-液晶层； 5-MOSFET阵列；6-基板；7-信号存储电容器；8-FET
同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入普通TN型液晶，同一般液晶显示器类似，两片玻璃板之间封入普通TN型液晶， • 不同的是在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。上玻璃板是一共用电极，如果是彩色显示，则还要在上面用微细加工方式（染色法，或印刷法）制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤色膜。TFT的栅极G接扫描电压主，漏极D接信号电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联，液晶像素可以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的并联。
图3.6 TFT有源矩阵显示器件像素等效电路及驱动波形 CGP-分布电容；CST-补偿电容；RON-导通电阻；ROFF-截止电阻
当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电到信号电压。当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电到信号电压。 • 当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电； • 由这样的“存储效应”使一个帧周期内Vrms≥Vth，即显示占空比为1:1。 • 由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，开关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。
1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及a-SiTFT液晶显示技术的突破，LCD技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及a-SiTFT液晶显示技术的突破，LCD技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。
3.7、背照灯 • 液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，往往工作在透光模式下。 • 因此，为了了获得高对比度与全色显示，需要采用背照明光源。 • 由于背照光源的功率是整个器件的90%以上，因此体积和功率是首先要考此的因素。 图3.7 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。 照明方式又分为边光式与背光式背光式两种。
