1、液晶顯示器（液晶顯示器（LCD）廣東工業大學廣東工業大學王王 衢衢顯示技術顯示技術一、發展歷程與特點一、發展歷程與特點某些有機物熔化后會經歷一個不透明渾濁的液態階段會經歷一個不透明渾濁的液態階段，在該階該階段物體還兼具有晶體的性質段物體還兼具有晶體的性質，繼續加熱才成為各項同性的液態這就是世界上第一次發現的熱致液晶熱致液晶膽甾醇苯甲酸酯膽甾醇苯甲酸酯1961年，美國無線電公司（RCA）的電子學專家G. H. Heilmeier把電子學應用于有機化學，發現在液晶兩端加上電壓，會出現各種各樣的電光效應，由此想到把液晶應用到顯示領域1968年RCA公布液晶發明1969年，日本開始把大規模集成電路與液

2、晶相結合日本人從液晶手表、計算器等低檔產品起步，直到開發出多晶硅有源矩陣高分辨率彩色液晶顯示器1888年奧地利植物學家Reinitge首次觀察液晶現象1. 發展歷程發展歷程2. 主要特點主要特點n低功耗： 23v 工作電流幾個微安n平板結構兩片導電玻璃，中間夾著液晶高開口率、面積可做大做小、便于大規模生產、器件很薄n被動顯示液晶本身不發光，靠調節外光而達到顯示目的。被動顯示更適合人類的視覺特性，不易引起眼部疲勞。n顯示信息量大像素之間沒有隔離，同樣顯示窗口可容納更多像素n易于彩色化液晶通常無色，可加濾色膜實現彩色n長壽、無輻射、污染3. 主要缺點主要缺點n 顯示視角小 液晶顯示利用了液晶的各向

3、異性，不同方向光的反射率不同。隨視角變大，對比度下降n響應速度慢電場作用下，液晶排列發生變化。響應速度收粘滯度影響很大零下幾十度就不能個工作，溫度過高液晶也會受到影響動態特性較差n暗時看不清4 液晶的分類液晶的分類液晶又被稱為物質的第四態既具有液態的流動性，又具有晶體的各向異性，具有雙折射特性各向異性，具有雙折射特性晶體之所以有各向異性，是因為晶體分子是按一定規則排列的n熱致液晶當液晶物質受熱時，在某溫度內呈現各向異性的。用于顯示的都是可在室溫下工作的熱致液晶。多呈細棒狀細棒狀（1）近晶相液晶（層狀、S型）分子排成層，層內分子長軸互相平行，可能垂直于層面，或傾斜排列排列規整，接近晶體，二維有序

4、。有16種，SA，SB，SC等等T1熔點熔點T2 清亮點清亮點中介相態中介相態（2）向列相液晶（絲狀、S型）SASCSA分子長軸垂直層面SC每層分子長軸均勻傾斜一個角度。每層傾斜方位角可以任意，也可以沿層法線方向呈螺旋分布粘度大、不易轉動，響應速度慢。一般不適宜做顯示器件。用于顯示，厚度要小于24微米，工藝要求較高由長徑比大的棒狀分子構成。分子不排成層，可上下、左右、前后滑動。所有液晶長軸大體指向一個方向。流動性強，粘度小，相互作用力小，易于控制。是顯示器件中最常使用的液晶材料是顯示器件中最常使用的液晶材料（3）膽甾相液晶（螺旋狀，CH型）液晶分子呈扁平狀，排列成層。層內分子互相平行。分子長軸

5、平行于層平面。不同層分子稍有變化，沿層的法線方向列成螺旋狀。長軸指向沿螺旋方向經歷360度變化后，又回到原來的取向。這個周期的層間距離稱為膽甾相液晶的螺距螺距P P螺距螺距P P這里顯示了半個周期這里顯示了半個周期螺距通常螺距通常300nm，與可見光波，與可見光波長同量級長同量級方向可以是左旋或右旋n溶致致液晶將溶質溶于溶劑而形成的液晶態物質。顯示技術上尚無應用二、二、 晶體光學簡介晶體光學簡介1 雙折射現象雙折射現象冰冰洲洲石石光在晶體里變成了兩束，折射程度不同。與普通玻璃的單折射完全不同垂直入射到冰洲石上的光被折射為兩束。偏離的那一束明顯違反折射定律，而另一條遵守折射定律晶體內的兩條折射光

6、線，一條總是遵守折射定律，稱為尋常光尋常光（o光光），另一條經常經常違反折射定律，稱為非尋常光非尋常光（e光光）2 晶體光軸晶體光軸冰洲石中存在一個特殊方向，光沿這個方向傳播時o、e光不分開。這個特殊方向叫做晶體的光軸（與幾何光學與幾何光學中的光軸不是一個概念中的光軸不是一個概念）AB兩個頂點的連線方向就是光軸方向光軸是方向，不是某條特定直線。與光軸是方向，不是某條特定直線。與光軸方向平行的所有直線都叫光軸光軸方向平行的所有直線都叫光軸把AB兩個頂點磨平，并使磨平表面與光軸方向垂直，再讓光垂直入射到該平面上。折射光線不會分開折射光線不會分開冰洲石天然晶體冰洲石天然晶體入射面入射面：入射光線與入

7、射表面的法線構成的平面，根據折射定律，折射光（尋常光）和入射光都在這個入射面內。主截面主截面：光軸與入射表面的法線構成的平面。當入射光線在當入射光線在主截面內時，兩個折射光線都在主截面內主截面內時，兩個折射光線都在主截面內o、e光都是線偏振光，并且偏振方向垂直光都是線偏振光，并且偏振方向垂直3 雙折射的成因雙折射的成因晶體的物理性質是各向異性各向異性的，在不同方向上，物理量的值不相同。冰晶石只有一個光軸方向，稱為單軸晶體單軸晶體（還包括紅寶石、石英）。還有一些晶體有兩個光軸方向，稱為雙軸晶體雙軸晶體（云母、橄欖石、藍寶石等等）。我們只研究單軸晶體，用于顯示的液晶基用于顯示的液晶基本都是單軸的本

8、都是單軸的各向同性均勻介質中，一個點光源發出的光波速度是相同的光波速度是相同的cvnc 真空光速，n 折射率折射率顯然與方向無關在單軸晶體中，o光規律與各向同性介質中完全相同，沿光規律與各向同性介質中完全相同，沿各方向傳播速度相同。各方向傳播速度相同。oocvnovo光光速ono光折射率e光在光軸方向傳播速度與o光一樣，為 。但是在垂直光軸方向是另一個值evoveecvno光波面球面旋轉橢球面在光軸方向，兩個波面相切eonneonn,eon n晶體的主折射率晶體的主折射率主平面：主平面：晶體內的光線與光軸構成的平面 o光的偏振方向垂直于主平面光的偏振方向垂直于主平面 e光的偏振方向在主平面內光

9、的偏振方向在主平面內負負晶晶體體eovv正正晶晶體體eovv由于由于e光不遵循折射定律，如何判斷其在晶體中的傳播方光不遵循折射定律，如何判斷其在晶體中的傳播方向成為一個問題！向成為一個問題！4 使用惠更斯作圖法判定使用惠更斯作圖法判定e光的傳播方向光的傳播方向使用同樣方法也可確定e光的傳播方向紙面就是主截面，兩束折射光線肯定都在紙面內。顯然，主平面與紙面也是重合的。 o光偏振方向垂直紙面 e光偏振方向在紙面內在學習物理光學時，我們已經知道在各向同性介質中如何通過惠更斯作圖法判定折射方向，并推出折射定律。單單軸軸晶晶體體幾個最常見的實例A 光軸垂直于晶體表面入射光垂直入射利用惠更斯左圖法很容易發

10、現o光e光不會分離，并且傳播速度也相同B 光軸平行于晶體表面，入射光垂直入射利用惠更斯左圖法很容易發現o光e光也不會分離，但是傳播速度有差異。出射后o光和e光出現位相差C 光軸平行于晶體表面，入射光斜入射，且垂直于光軸o光、e光分離，但兩種光都遵循折射定律，折射率分別為,oen n5 晶體中介電常數的各向異性晶體中介電常數的各向異性折射率的各向異性與介電常數的各向異性有密切的聯系。介電介電常數反映了電場下介質的極化程度常數反映了電場下介質的極化程度000001reeDEEEEEEP 各向同性介質中D、E方向相同在各項異性晶體中，介電常數是一個張量111213212223313233通過坐標變換

11、，在晶體中，我們總能找到三個主軸，使這個張量對角化。000000 xyz假如 ，則晶體為雙軸晶體xyz假如 ，則晶體為單軸晶體，光軸就在則晶體為單軸晶體，光軸就在z軸上軸上xyz000000 xxxyyyzzzDEDEDE顯然 和 方向不一定相同DE6 折射率橢球折射率橢球2221xyzxyznnn折射率橢球具有如下性質：可以用來表示晶體折射率在晶體空間各個 （電位移矢量）振振動方向的取值分布動方向的取值分布。D折射率和介電常數滿足如下關系n現在設xxnyynzzn就是矢量 在三個主軸方向的折射率D,xyzn n n在此基礎，引入折射率橢球的概念n從橢球中心出發任意矢徑 ，其方向表示光波 矢量

12、的方向。矢徑長度就是矢量矢徑長度就是矢量 在該方向振動（偏振方向）在該方向振動（偏振方向）的光波的折射率的光波的折射率。rDD0kn過橢球中心作垂直于某方向 的平面，截面是一個橢圓。橢圓長短軸方向就是光波沿 方向傳播時，兩種可能的偏振方向，長短軸一半的長度就是兩種偏振方向對應的折射率。0k單軸晶體的折射率橢球（以單軸晶體的折射率橢球（以z軸為光軸）軸為光軸）對于單軸正晶體，這是個旋轉長橢球面這是個旋轉長橢球面kk0DeDoz光軸2221oexyznneonnn 假如光波在k0方向上傳播，與之垂直的平面與橢球的截面是一個圓。由于無長短軸之分，這說明沿k0方向上傳播的光波的偏振方向垂直于z軸，但無

13、特定指向，折射率為半徑 ，無雙折射現象onn當光波沿k方向傳播，與之垂直的平面與橢球的截面是一個橢圓。長短軸的方向就是光波可能的偏振方向。其中短軸的半長度是固定的，就是 ，因此短軸就是o光的偏振方向。而長軸就是e光振動方向，其半長度就是折射率。onn如果光波沿垂直于光軸（z軸）方向傳播，與之垂直的平面與橢球的截面是也是個橢圓，其中長軸與光軸重合，半長度為 。短軸半長度為 ，方向垂直于光軸。這意味著，沿光軸垂直方向傳播的光波，存在兩個可能偏振方向。一個偏振方向與光軸平行，折射率為 ，這就是e光。另一個偏振方向與z軸垂直，折射率為 。這就是o光。enonenon單軸正晶體的折射率橢球中，橢圓截面的

14、長軸方向是橢圓截面的長軸方向是e光偏振光偏振方向，短軸方向是方向，短軸方向是o光偏振方向，短軸長度固定，半長為光偏振方向，短軸長度固定，半長為no結論結論三、三、 液晶的物理特性液晶的物理特性1. 有序參量有序參量向列相液晶具有各向異性的形態。液晶體系存在著一個主軸方向存在著一個主軸方向，棒狀液晶分子的長軸都傾向于平行這個主軸方向。平行于這個主軸，向列相的各種物理量為一套數值，垂直于該軸線方向，則又有另外一套值z光軸kk0單軸負晶體n 假如光波在k0方向上傳播，結論與單軸正晶體相同n另兩種情況與正晶體也類似，只不過這時截面橢圓的長軸方向是o光偏振方向，短軸是e光偏振方向 就是液晶體系的主軸方向

15、上的單位矢量（分子長軸的擇優方向），叫做指向矢指向矢na個別液晶分子的長軸方向。有序參量有序參量S：用來衡量分子體系有序性的重要參數如果分子沒有擇優取向S=0對應各向同性液體S=1對應各向異性晶體分子有嚴格指向擇優方向液晶有序參量 S=0.30.8液晶的有序性介于晶體和液體之間，且與溫度有密切關系ccTTSKTTc 清亮點溫度；K 比例系數2. 液晶的各向異性液晶的各向異性一般稱平行于液晶分子長軸方向稱為平行方向平行方向（ ），垂直與液晶分子長軸方向為垂直方向垂直方向（ ）n介電常數的各向異性介電常數的各向異性平行于液晶分子長軸方向的介電常數垂直于液晶分子長軸方向的介電常數我們把 定義為液晶介

16、電常數的各向異性介電常數的各向異性 0 正性液晶（Np） 1020液晶分子的感生電偶極矩方向平行平行于分子長軸方向0 負性液晶（Nn） -1-2液晶分子的感生電偶極矩方向垂直垂直于分子長軸方向NP和和Nn液晶分子在電場作用下的分子行為液晶分子在電場作用下的分子行為正性液晶正性液晶Np負性液晶負性液晶Nnn電阻率電阻率 和電導率和電導率電阻率接近于絕緣體與半導體之間，也具有各項異性電阻率越小，雜質離子越多，通電場后，液晶分子結構會被破壞。n光學折射率各項異性光學折射率各項異性向列相液晶的指向矢方向就是光軸方向向列相液晶的指向矢方向就是光軸方向，也就是大部分液晶分子的長軸方向。n平行于分子長軸（指

17、向矢）的折射率n垂直于分子長軸（指向矢）的折射率nnn 液晶折射率的各向異性液晶折射率的各向異性n與偏振、旋光、折射、干涉等電光效應有密切關系0n 正性液晶0n 負性液晶nnnnn彈性系數彈性系數k由以上可以看出，在電場作用下，液晶會發生形變。描述形變，需要引入彈性系數和粘滯系數。液晶的彈性系數也是各向異性的。 xyzkkk（Z為分子長軸方向）n粘滯系數粘滯系數描述了液晶的粘稠性。n自由能自由能當液晶處于平衡狀態時，自由能處于極小值當液晶處于平衡狀態時，自由能處于極小值。在外場作用下，液晶的自由能會增加，增加的部分就是使液晶形變所需的能量對于正性液晶（ ） 對其施加電場作用（ ）0 cEE要使

18、自由能最小，分子長軸會發生與電場平行的再排列對于負性液晶（ ） 對其施加電場作用（ ）0 cEE要使自由能最小，分子長軸會發生與電場垂直的再排列xckEd臨界電場強度xckV臨界電壓對于正性液晶，未施加電場時，假如沿玻璃基板面排列，且長軸沿x軸。通z方向電場后將沿電場平行排列，所需要的臨界電場強度和臨界電壓為：在電場作用下膽甾型液晶可與向列相轉換，臨界電場強度、臨界電壓為：202yckEdP202yckVP膽甾相液晶螺距未加電場時螺距 0P四、四、 液晶的光學特性液晶的光學特性絕大多數液晶器件都使用線偏振光工作絕大多數液晶器件都使用線偏振光工作n在向列相和近晶相液晶中分子長軸方向就是光軸方向分

19、子長軸方向就是光軸方向主折射率 代表振動方向與光軸垂直的o光的折射率，所以ononn主折射率 代表振動方向與光軸平行的e光的折射率，所以enenneonnnnn 正性液晶在光學上性質類似單軸正晶體負性液晶在光學上性質類似單軸負晶體nnnn即eonneonn即向列相液晶和近晶相液晶主要為正性液晶向列相液晶和近晶相液晶主要為正性液晶0n 類似單軸正晶體類似單軸正晶體n在膽甾相液晶中，光軸是螺旋軸光軸是螺旋軸，與分子長軸取向垂直與分子長軸取向垂直我們有如下的關系enn2212onnn在這里，仍然有nn222212eonnnneonn這意味著膽甾相液晶類似于單軸負晶體膽甾相液晶類似于單軸負晶體幾種最有

20、用的液晶光學特性幾種最有用的液晶光學特性n 特性一特性一：如果入射光以如下方式正入射到向列相液晶上時，入入射光有向光軸方向傾斜的趨勢射光有向光軸方向傾斜的趨勢偏振方向偏振方向垂直紙面垂直紙面偏振方向平偏振方向平行紙面行紙面可以使用惠更斯定理畫圖證明入射光o光e光界面e光包絡面光軸方向o光波面夾角不同的時候偏振狀態的變化入射光為線偏振光， 為偏振方向與x軸的夾角x軸為光軸方向 n特性二特性二：當入射光以如下方式射入液晶時，偏振狀態會發生變化此時o光與e光不會分開，但傳播速度可能不相同，由此產生相位差2oennz不同z處位相差不同，導致偏振狀態也發生變化n特性三特性三：當入射光（線偏振光）以如下方

21、式正入射到指向矢扭曲的向列相液晶時，偏振方向會發生變化這里的向列相液晶的指向矢由上到下做螺旋式轉動，很象膽甾相液晶，但注意這里P 螺距重要條件重要條件現象一現象一如果線偏振光的偏振方向與入射面處液晶的指向矢一致，偏振方向將會隨著指向矢的旋轉而旋轉。在出射處其偏振方向與液晶指向矢方向一致【扭曲向列相（扭曲向列相（TN）液晶）液晶】現象二現象二如果線偏振光的偏振方向與入射面處液晶的指向矢有夾角，可把偏振方向分解為垂直于指向矢的分量和平行于指向矢的分量，分別研究。出射光將會因光程差不同，出現不同的偏振態（線偏振、圓偏振、橢圓偏振）n特性四特性四：膽甾相液晶是一種旋光物質旋光物質旋光物質：某些光軸垂直

22、于表面切取的晶體，當垂直入射的線偏振光在光軸上傳播時，偏振方向會隨距離而轉動偏振方向會隨距離而轉動。這種現象叫旋旋光現象光現象。這類物質叫旋光物質（石英）旋光物質（石英）。對于一般的單軸晶體，是不應出現旋光現象的。如左圖所示。入射后，無e光、o光差異，偏振狀態也不應有任何變化。l旋轉角度在晶體中的傳播距離旋光系數旋光系數 ：與波長平方接近反比，換句話說，不同波長的光旋轉角度不同，這叫做旋光色散旋光色散 對著光傳播方向觀察，順（逆）時針轉動右（左）旋右（左）旋菲涅耳對旋光現象的解釋：菲涅耳對旋光現象的解釋：在晶體光軸方向上傳播的線偏振光可以分解為兩個頻率相同兩個頻率相同，傳播速度不同的左旋和右旋

23、的圓偏振光傳播速度不同的左旋和右旋的圓偏振光。位相差2右左l nn 合成之后的線偏振光轉過的角度為2右左l nn 石英的旋光系數：10度/毫米50度/毫米（可見光波段）膽甾相液晶的旋光特性：強旋光物質：20000度/毫米膽甾相液晶的特有現象膽甾相液晶的特有現象：如果入射圓偏振光的旋轉方向與膽甾相液晶的旋光方向相同，并且波長滿足如下關系，將被反射。cosnp被反射光的頻帶： np nnn螺距與溫度有關，改變溫度，膽甾相液晶就會反射不同的顏色。其他波長成分的光，或者偏振旋轉方向與液晶相反的光都將透射2nnnp螺距 入射光線與螺旋軸（光軸）的夾角五、五、 液晶的沿面排列方式液晶的沿面排列方式在外場作

24、用下，液晶分子從初始的排列方式轉為其他排列方式，光學特性也發生變化。因此均勻穩定的液晶分子排列是液晶顯示器件的工作基礎第三行表格反映了在上下兩層玻璃基板處液晶指向矢與基板的位置關系。要形成以上的排列，就需要對上下的導電玻璃基板做分子取向預處理n垂直取向處理n平行取向處理n傾斜取向處理六、六、 液晶顯示器主要性能參量液晶顯示器主要性能參量1 電光特性電光特性液晶在電場作用下，透射光強會發生變化透射光強與外加電壓的關系就是電光特性曲線負負電電光光特特性性曲曲線線正正電電光光特特性性曲曲線線thV閾值電壓閾值電壓該值越小，則顯示器所需的工作電壓越低。sV飽和電壓飽和電壓該值較小表明比較容易比較容易達

25、到良好的對比效果對比度對比度maxminTT對比度最大透過強度最小透過強度陡度陡度sthVV 越陡越趨近于1，反之越大比陡度比陡度thsthVVV 越陡該值越大在無源矩陣驅動液晶顯示中，陡度越小，能驅動的路數（行數）越大。電光響應曲線電光響應曲線如果電光曲線是正型的r 上升時間施加電壓之后，液晶響應所需時間在各種顯示技術中，液晶液晶的響應時間比較長的響應時間比較長d 下降時間撤去電壓之后，液晶響應所需時間合稱響應時間響應時間 響應時間與液晶盒厚、粘滯系數接近正比對液晶施加右圖電壓產生對液晶施加右圖電壓產生右下的電光響應曲線右下的電光響應曲線扭曲向列相 TN賓主 GH電控雙折射 ECB動態散射D

26、S相變PC常見液晶顯示器件的響應時間常見液晶顯示器件的響應時間等對比度曲線CrCr=2 圖像勉強可辨Cr=5 圖像相當好對比度和視角對比度和視角TN液晶的視角和對比度液晶的視角和對比度2 溫度特性溫度特性使用溫度范圍狹窄，溫度效應嚴重。溫度高于清亮點，液晶態消失溫度過低，響應速度變慢，直至結晶3 伏安特性伏安特性普通型（靜態驅動）： 040攝氏度 （動態驅動）： 540攝氏度 寬溫型：兩端各擴展1020攝氏度電阻率高 1010歐姆/平方厘米液晶器件可以看成是容抗型負載七、七、 常見的液晶顯示器件常見的液晶顯示器件1 液晶器件的典型結構液晶器件的典型結構TN型液晶型液晶前后玻璃都會做定向處理，是

27、液晶分子按一定方式排列2 液晶器件顯示依賴的物液晶器件顯示依賴的物理效應理效應n電場效應：利用介電常數的各向異性扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）、賓主型（GH）、相變型（PC）、電控雙折射型（ECB）、鐵電效應型、聚合物分散型（PDLC）n電流效應：利用介電常數和電導率各向異性動態散射型（DS）幾大部件構成示意幾大部件構成示意3 液晶器件顯示的三種方式液晶器件顯示的三種方式n反射式n透射式n投影式利用外光，節省功率需用背光源4 動態散射液晶器件（動態散射液晶器件（DS-LCD）有機電介質（導體）被摻入到液晶中wVV閾值電壓液晶分子沿面排列方式。液晶盒透明。wVV液晶分子環流狀排列。液

28、晶盒出現周期性條紋（威威廉斯籌廉斯籌）實現條件：實現條件：n液晶盒比較厚（6微米）n電阻值低n介電各向異性為負缺陷缺陷u電流大u對比度小u邊緣輪廓不清晰u液晶質量差，工作壽命低DS-LCD是世界上第一個實用化的液晶顯示器件，也是唯一的電流型器件。1968年被G.Heilmeier發明。現已不再使用。wVV出現紊流狀分子排列。光被強烈動態散射。液晶盒呈乳白狀不透明繼續增大電壓5 扭曲向列相液晶器件（扭曲向列相液晶器件（TN-LCD）導電玻璃基片間充入Np液晶，但分子長軸方向在上下基板間連續扭曲90度，形成扭曲（TN）排列不通電時，在液晶內，偏振方向隨分子長軸旋轉而旋轉。通電后，不再扭曲正性顯正性

29、顯示示意示示意圖圖正性顯示時，上下偏振片的偏振方向正交。若為負性顯示，兩者平行實現條件：P 螺距此時偏正方向的扭曲與光波波長無關扭曲與光波波長無關液晶盒的厚度正好為P/4閾值電壓閾值電壓113322024thkkkV 0 介電常數各向異性23v電光效應原理圖（正性顯示）電光效應原理圖（正性顯示）低檔液晶顯示器件中的只要是筆段式顯示，基本都使用TN-LCD 液晶手表、計算器、數字儀器TN-LCD主要參量主要參量TN-LCD的缺點的缺點n 電光特性曲線不陡（電光特性曲線不陡（1.41.6），如果使用無源點陣驅動會出現嚴重交叉效應。驅動行數（路數）越多，交叉效應越大。最多驅動最多驅動816路路。n

30、電光響應速度慢，僅適用靜止或緩變畫面n光透過或關閉不徹底。只能顯示灰紙黑字，對比度不理想6 電控雙折射液晶顯示器件（電控雙折射液晶顯示器件（ECB-LCD）偏振方向垂直紙面的線偏振光正入射到液晶上，在液晶中只有o光偏振方向平行紙面的線偏振光正入射到液晶上，在液晶中只有e光e光折射方向向光軸（液晶分子長軸）方向靠攏注意注意：這里使用的是正性向列相（Np）液晶（ ）0 如果使用負性向列相（Nn）液晶 ，e光折射方向將偏離光軸（液晶分子長軸）方向0 n 垂直排列方式垂直排列方式 （DAP-ECB-LCD）前后偏振片偏振方向正交無電壓時，分子垂直基片排列這里使用的負性向列相負性向列相液晶（液晶（Nn）

31、出射光的光強是波長的函數，因此該液晶顯示可用于彩顯該液晶顯示可用于彩顯無電場時，沒有雙折射。線偏振光無法透過后面的偏振片。液晶盒不透光有電場時，液晶分子長軸趨于垂直電場方向液晶分子長軸趨于垂直電場方向。出現雙折射。由于位相差，使出射光變為橢圓偏振光，能夠透過偏振片。缺陷：缺陷：n可獲得的彩色范圍很窄可獲得的彩色范圍很窄n不穩定，受溫度影響很不穩定，受溫度影響很大大n顯示的彩色強烈依賴觀顯示的彩色強烈依賴觀察視角察視角時時間間延延遲遲入射光入射光為白光為白光時，不時，不同電壓同電壓下，出下，出射光的射光的色調變色調變化化電壓電壓n 沿面排列方式沿面排列方式 此時使用正性向列相液晶（Np）無電壓時

32、，分子沿基片面排列特點：特點：色調顯示順序與垂直方式相反，閾值電壓較低，色純度較好原理與垂直排列方式完全類似。原原理理示示意意7 賓主效應液晶顯示器件（賓主效應液晶顯示器件（GH-LCD）有些有機染料具有光吸收的各向異性。它們對振動電矢量方向與其分子長軸平行（垂直）的某種彩色光的吸收要大于振動電矢量方向與其分子長軸垂直（平行）的彩色光的吸收。這類染料分子叫做正性（負性）二色染料分子正性（負性）二色染料分子把這樣的染料分子摻雜到液晶分子中，其分子長軸將傾向于與液晶分子長軸平行。液晶為主，液晶為主，染料為賓染料為賓。客隨主便，在電場作用下，染料分子會隨液晶分子一起轉動，故稱為賓主型液晶器賓主型液晶

33、器件件正性二色染料分子的光吸收特性正性二色染料分子的光吸收特性根據被摻雜液晶的種類和排列方式，賓主液晶顯示器件又分為很多種類型平面型賓平面型賓主液晶顯主液晶顯示器件示器件被摻雜液晶是正性向列相液晶（Np）。染料分子為正性。無電壓時，液晶分子和染料分子長軸沿面排列。染料分子與偏振方向平行。大部分線偏振光被吸收，只有一個很窄波段的光透射，透射光帶深彩色。色調與染料種類有關工作原理：工作原理：0V 平面型賓主液晶顯示器件原理圖平面型賓主液晶顯示器件原理圖thVV帶電壓時，液晶分子和染料分子垂直基片排列，染料分子與偏振方向垂直。對線偏振光不再吸收，透射光為無色。缺陷：缺陷：n電光特性差，隨電壓上升，電

34、光曲線變化緩慢。n工作電壓高 1015vn加偏振片，亮度大幅度降低，不加偏振片，對比度很低n響應時間比較長。一百多毫秒一直未被廣泛使用，多用于雙色顯示場合。8 相變液晶顯示器件（相變液晶顯示器件（PC-LCD）把向列相液晶和膽甾相液晶適當混合可以構成一種具有相變效應的膽甾相液晶。這種液晶螺距很長，在電場作用下會變成垂直排列或沿面排列的向列相液晶。這種混合型液晶分為：正型（Chp）0 負型（Chn）0 使用Chp型膽甾相液晶無電壓時，液晶螺旋軸平行于基片面，呈焦錐狀排列。入射光通過會被強烈散射。液晶盒呈乳白色加電壓后，液晶螺距松弛伸長，液晶分子趨于平行電場方向，電壓超過閾值電壓，則膽甾相液晶完全

35、變為向列相液晶，液晶長軸平行于電場。光完全透過，液晶盒透明。去掉電場，液晶分子恢復原狀工作原理工作原理1：0V thVVn只有透過、渾濁兩種狀態，無灰度n對溫度敏感工作原理工作原理2：無電壓時：螺旋軸垂直于基片，透射光為圓偏振光，液晶盒透明加3伏電壓：螺旋軸被打亂，入射光強烈散射，液晶盒不透明加十幾伏電壓：液晶分子方向與電場一致，變為向列相液晶。液晶盒再變透明。此時突然切斷電壓，液晶將會變成焦錐狀排列（螺旋軸平行于基片面），液晶盒呈渾濁狀。PC液晶盒具有雙穩態，即具有存儲功能雙穩態，即具有存儲功能9 超扭曲向列液晶顯示器件（超扭曲向列液晶顯示器件（STN-LCD）以上的液晶顯示器件電光特性曲線

36、陡度不夠陡度不夠。使用無源矩陣驅動，容易產生交叉效應，驅動行數（路數）必須小于100線。將傳統將傳統TN液晶顯示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡液晶顯示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡度。扭曲角大于度。扭曲角大于90度，一般在度，一般在180360度的液晶器件稱度的液晶器件稱為超扭曲向列（為超扭曲向列（STN）液晶器件。）液晶器件。液晶材料：液晶材料：在普通的向列相液晶中摻入一些旋光材料之后，向列相液晶將具有天生的扭曲結構，從而維持大于90度的扭曲角。這樣的向列相液晶叫做手性向列手性向列相液晶。相液晶。手性向列相液晶的螺距與摻雜濃度成正比。不同扭曲角的液晶盒中央部分液晶分不同扭曲角的液晶盒中央

37、部分液晶分子長軸傾斜角隨外加電壓的變化曲線子長軸傾斜角隨外加電壓的變化曲線扭曲角270度時，曲線陡度接近無窮大。此時無源矩陣驅動的STN液晶顯示器可以驅動可以驅動480路（行）以上路（行）以上STN-LCD和和TN-LCD的工作原理的工作原理區別區別n TN 液晶盒扭曲角90度，STN液晶盒扭曲角270度n TN液晶盒起偏鏡偏光軸與上基片表面液晶分子長軸平行，檢偏鏡偏光軸與下基片表面液晶分子長軸平行，STN液晶盒中，液晶盒中，上下偏光軸與上下表面上下偏光軸與上下表面液晶分子長軸都不平行，液晶分子長軸都不平行，而是成而是成30度角度角n TN液晶盒利用分子旋光特性工作液晶盒利用分子旋光特性工作。

38、由于STN液晶盒經起偏鏡的光偏振方向與上表面分子長軸成夾角，可以分解為o光（偏振方向與分子長軸垂直）和e光（偏振方向與分子長軸平行）。通過液晶盒，兩者產生位相差，在檢偏鏡上產生干涉。因此STN-LCD是利用雙折射性質工作的是利用雙折射性質工作的n TN液晶盒工作于黑白模式液晶盒工作于黑白模式。STN液晶盒在無電壓時，出射光一般呈黃色。當 ，白光從液晶中通過，但在檢偏鏡處減弱，變為黑色。因此STN-LCD是黑黃模式是黑黃模式。thVVSTN-LCD是高檔無源矩陣液晶顯示器件最有用的材料，高檔無源矩陣液晶顯示器件最有用的材料，但成本比較高10 鐵電液晶顯示器件（鐵電液晶顯示器件（FLCD）與以上介

39、紹的液晶器件相比，鐵電液晶顯示器件具有很高的響鐵電液晶顯示器件具有很高的響應速度。應速度。鐵電體鐵電體：在沒有電場作用時，介質正負電荷重心不重合而呈現電偶極矩的現象稱為電解質的自發極化。呈現自發極化并且自發極化的方向因外施加電場而改變的物質叫做鐵電體。鐵電液晶鐵電液晶：是一種呈現鐵電性的近晶近晶C相相液晶（Sc），這種液晶是由某些手性液晶分子手性液晶分子構成分子排列成層，每一層分子長軸彼此平行，但是與層表面的法線有傾角 ，另一個方位角 任意 近晶近晶C相液晶的分子排列相液晶的分子排列手性液晶分子：手性液晶分子：分子具有手性，指分子的鏡像分子無法通過平移和面內旋轉與原來的分子本身重合。就像左右手

40、如果不翻轉，就不能重合一樣。鐵電液晶的特點：鐵電液晶的特點：n具有與分子指向矢垂直的固定偶極矩（圖上箭頭所標方向）n分子的長軸指向矢具有螺旋結構n每層分子排列如同Sc相n每層分子的傾角 不變，但旋轉角 每層轉過一個角度，因此偶極矩也做螺旋轉動 鐵鐵電電液液晶晶分分子子的的排排列列結結構構n對于向列相液晶，外電場對液晶分子的作用是外電場與外電場引起的分子感生偶極矩之間的作用，為弱作用；弱作用；對于鐵電液晶，外電場對分子的作用是外電場與分子固有偶極矩之間的作用，為強作用強作用，因此鐵電液晶顯示的響應速度為微秒量級響應速度為微秒量級單穩態鐵電液晶顯示的工作原理單穩態鐵電液晶顯示的工作原理 1：雙折射

41、模式：雙折射模式每一層都有一個固有的電偶極矩，即自極化方向，以層法線為軸做螺旋轉動注意注意：上下基片與紙面平行，上下基片間距遠大于液晶螺距（ ），上下基片都做了平行取向處理dp無電場時鐵電液晶排列無電場時鐵電液晶排列基片間通直流電場，使自極化方向趨于與電場一致，螺距拉長。一旦超過臨界電場，則液晶分子排列如圖所示如果電場反向，則自極化方向也轉向把液晶盒夾在兩塊偏光軸方向正交的偏光片之間。上偏振片偏光軸與 時光軸方向一致。此時在液晶中只有e光通過，不會發生雙折射，最后光被下偏振片擋住，故為暗態暗態cEE cEE 暗態暗態cEE亮態亮態偏振片的偏偏振片的偏光軸方向光軸方向當 光軸轉動 ，此時液晶中既

42、有e光，又有o光，兩者干涉，形成圓偏振光，有光透過下偏振片，構成亮亮態態cEE2 單穩態鐵電液晶顯示的工作原理單穩態鐵電液晶顯示的工作原理 2：賓主模式：賓主模式只使用一個上偏振片只使用一個上偏振片，偏光軸方向與 時光軸一致，液晶中摻入正性二色染料分子。此時入射偏振光的振動方向與染料分子長軸一致，被選擇吸收。出射光為某種彩色。cEE cEE當 時，光軸旋轉 。染料分子長軸也轉動了 。染料吸收能力減小，光接近無色2 2 總結：總結：雙折射模式雙折射模式cEE亮態亮態cEE 暗態暗態賓主模式賓主模式cEE帶色態帶色態cEE 無色態無色態可用于快速光開關表面穩定鐵電液晶顯示的工作原理表面穩定鐵電液晶

43、顯示的工作原理把單穩態鐵電液晶盒厚度變薄，使 。由于上下基片附近強烈的界面效應，即使在即使在E=0，螺旋結構都消失了。，螺旋結構都消失了。dp在 和 時，會產生與單穩態一樣的效果。區別是：電場撤去之后，狀態將保持不變。這意味著這種液晶盒具有這種液晶盒具有雙穩態存儲功能雙穩態存儲功能。cEEcEE 11 固態液晶膜液晶顯示器（固態液晶膜液晶顯示器（LPLCD）將液晶做成微米量級的微囊。微囊壁是水溶性固體膜，薄膜內包著液晶顆粒。液晶為Np向列相液晶這些微囊與環氧樹脂混合，夾在聚酯塑料膜之間。塑料膜上面鍍著控制電極。工作原理工作原理無電壓時，液晶分子隨機排列，膠囊折射率不等于樹脂折射率，光入射后產生

44、散射，LCD呈乳白狀施加電壓，液晶分子隨電場方向分布。此時液晶o光折射率與樹脂折射率相等，光將直接透過。LCD變透明可撓曲，響應速度快，1ms，厚度薄 0.5mm 成本低 利用光散射原理不用偏振片，透射率高，耐振動，但分辨率不高另外還可以把液晶和樹脂直接混合在一起，從而進一步簡化制作工藝用于分辨率要求不高的大面積顯示器，如公共場所廣告、標識12 液晶聚合物顯示器（液晶聚合物顯示器（PNLCD）使用的是高分子液晶聚合物，不同于前面的小分子液晶。高分子液晶被夾在鍍有電極的塑料膜之間。工作方式工作方式1：無電壓無電壓：液晶分子無序排列，光射入后被散射，顯示器呈暗白色施加電壓施加電壓：液晶分子按電場方

45、向排列，對入射光不散射，顯示器呈透明工作方式工作方式2（具有存儲性）：（具有存儲性）：首先把液晶加熱到清亮點以上，變為各向同性，然后逐漸冷卻，同時施加電壓，在電場作用下，液晶分子按電場方向排列。然后，突然撤去電場，這種狀態就被“凍結”。此時用光照射，呈透明狀施加電壓施加電壓無電壓無電壓初始狀態（透明）初始狀態（透明）激光寫入激光寫入信息再現信息再現分辨率：線寬5微米 寫入速度：5s/cm激光寫入：用激光束照射某一部分，該部分溫度超過清亮點，液晶分子無序排列，立即停止照射，迅速冷卻，這種狀態被“凍結”。再用光照射，原來被激光照射出不再透明。信息實現記錄。13 多穩態液晶顯示器（多穩態液晶顯示器（

46、MLCD）液晶在外電場作用下，其分子會重新排列，當電場撤去后，又會恢復成原來的排列方式。所謂多穩態液晶指的是電場所謂多穩態液晶指的是電場撤去后，液晶的排列保持不變。所加電場強度不同，液晶撤去后，液晶的排列保持不變。所加電場強度不同，液晶排列不同，如果撤去電場后液晶狀態能夠保持下來，這就排列不同，如果撤去電場后液晶狀態能夠保持下來，這就意味著液晶具有無限多個穩態意味著液晶具有無限多個穩態。多穩態液晶使用的材料多穩態液晶使用的材料：膽甾相液晶晶疇的集合圖中黑線表示晶疇中膽甾相液晶的螺旋對稱軸，在集合中，對稱軸的分布可以大體一致，也可以完全無序。如果整個系統的能量在對稱軸如果整個系統的能量在對稱軸有

47、序和對稱軸完全無序時，都大致有序和對稱軸完全無序時，都大致一樣，那么無論對稱軸處于什么狀一樣，那么無論對稱軸處于什么狀態，系統都會處于穩定態態，系統都會處于穩定態加上強電場加上強電場，液晶分子將與電場方向一致，即垂直于基片，此時螺旋軸大致為無序狀態，此時入射光方向大致與分子長軸一致（類似向列相液晶），全被黑涂層吸收，顯示器為暗態暗態上下基片事先做了沿面處理，因此在無電場無電場時，大部分晶疇的螺旋軸基本垂直于基片。由于膽甾相液晶為旋光物體，只有滿足關系 并且旋光方向與液晶旋光方向一致的光被反射，其余光被黑涂層吸收。此時為亮態亮態Pn 工作原理：工作原理：強電場強電場無電場無電場弱電場弱電場 n電

48、壓不管加多長時間，撤去電壓，顯示器恢復為無電場時的狀態不同電壓下的狀態：thVVthV閾值電壓thcVVVcV相變電壓n加上一段時間電壓后，撤去電壓，狀態被保留下來。顯示器變黑的程度取決于所加電壓的多少。cVVn加上一段時間電壓后，撤去，顯示器迅速跳回為亮態。優點：優點：n在無電場，每個像素可以長期穩定在不同的狀態，加不同的電壓脈沖，就可實現不同穩態之間的轉換。不用耗電，就可長期保持顯示內容n不用偏振片、背光源，屬于純反射型。陽光下反射光更強n不用濾光片，只用改變液晶配方，利用干涉色就可實現彩色n響應速度快，灰度容易實現八、液晶顯示器件的驅動技術八、液晶顯示器件的驅動技術液晶顯示驅動需要注意三

49、個特點：n液晶在直流作用下會發生分解作用，必須用交流驅動必須用交流驅動，直流分量不能大于幾十毫伏n液晶在電場作用下響應的時間通常比較長，交流電壓作用的效果不取決于峰值不取決于峰值，而是有效值而是有效值n液晶單元是容性負載，液晶電阻可忽略不計。加正壓和負壓，作用效果一樣1 液晶顯示器件驅動的分類液晶顯示器件驅動的分類根據顯示像素的不同段型顯示無源矩陣驅動有源矩陣驅動點陣尋址方式不同動態驅動靜態驅動顯示像素為長棒型行電極稱為掃描電極掃描電極列電極稱為尋址（信尋址（信號）電極號）電極電壓直接加到像素上，也稱直接驅動法直接驅動法筆段式驅動筆段式驅動無源矩陣驅動無源矩陣驅動有源矩陣驅動有源矩陣驅動每一個

50、像素與一個有源器件（二極管、三極管、場效應管）連接2 段型和無源矩陣液晶器件的靜態驅動技術段型和無源矩陣液晶器件的靜態驅動技術靜態驅動靜態驅動：像素前后電極上施加電壓信號時呈現顯示狀態，不施加時，呈非顯示狀態。多用于電極引線比較少的情況每個像素都有一個背背電極（電極（BP）和一個段段電極（電極（SEG），所有像素的背電極是連在一起的，又被稱為公公共電極共電極像素連接方式像素連接方式：在不要求顯示的筆段的段電極上施加一個與背電極同位相、幅值相等、頻率相同的方波脈沖，總效果就是兩電極間電壓恒為零在需要顯示的筆段的段電極上施加一個與背電極波形相反、幅值相等、頻率相同的方波脈沖，總效果為一個幅值為兩倍

51、的方波脈沖電壓工作原理工作原理A=1 顯示A=0 不顯示控制電路控制電路異或門異或門方波發生器方波發生器3 無源矩陣液晶器件的動態驅動技術無源矩陣液晶器件的動態驅動技術水平電極（X電極）按時間順序施加一串掃描脈沖電壓。垂直電極（Y電極、尋址電極）輸入選通電壓波形和非選通電壓波形（波形類似靜態驅動）。兩者將在交點像素上構成一個驅動波形。所有行被掃描一遍，所有被選通的像素構成一幅畫面。這個畫面上不同行上的像素是在不同時段被選通的這個畫面上不同行上的像素是在不同時段被選通的工作原理：工作原理：動態驅動技術：m+n條引線如果矩陣由m行n列構成靜態驅動技術：mn+1條引線引線數大大減少，減小外圍驅動電路

52、的成本占空比占空比：每行掃描時間/幀周期，即掃描電極數N的倒數交叉效應交叉效應如果被掃描選通的像素上施加的電壓遠遠超過vth，而且電光曲線又不夠陡峭時，附近未被掃描或選通的像素也呈現出顯示狀態。這是無源矩陣驅動固有的現象。交叉效應來自于像素和像素之間的耦合干擾交叉效應來自于像素和像素之間的耦合干擾。隨著掃描電極數（N）增加，交叉效應會變得越來越嚴重，甚至一些未選擇點的電壓跟被選擇點的電壓近似相等。交叉效應會使圖像對比度降低、色彩不均勻如果提高液晶電光曲線的陡度，可以減緩交叉效應的影響，提如果提高液晶電光曲線的陡度，可以減緩交叉效應的影響，提高最大驅動路數（即掃描電極數高最大驅動路數（即掃描電極數N）max22211N 電光曲線陡度TN液晶 1.21.5 38路STN液晶 1.05 最大256路如果把顯示屏分割為兩塊，還可進一步提高驅動路數九九 有源矩