LCD显示原理

TR系列培訓教材-T-03----《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組LCD結構及顯示原理Rev.A准備日期﹕May/25/2002TR系列培訓教材-T-03《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組內容﹕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﹕TR系列培訓教材-T-03《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組1.液晶顯示器的優點﹕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(2~5V)﹐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5~10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4~6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)2.液晶顯示器的基本結構﹕TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組以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5~10um,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2~3度。3)Δnd滿足第一極小(0.48um)或第二極小(1.08um)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PIBB’YY’CC’3.LC材料及其物性﹕TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組3.1LC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)3.2LC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。ANN3.3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(Δε)﹕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。Δε=ε(平行)--ε(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有大小。當Δε0時﹐液晶分子沿電場方向取向(p型)﹔當Δε0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ε(平行)可能小于ε(垂直)使介電各向異性0。這一點是雙頻驅動的基礎。TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組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(ne)大于尋常光折射率(no),這表明光在液晶中傳播的速度存在vevo,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∥=ne,n⊥=no,Δn(折射率各向異性)=n∥-n⊥=ne-no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neno﹐光在這種材料中傳播時﹐非常光傳播速度快﹐即vevo﹐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﹕(ne2-no2)/(n2+2)=4/3πρ(ae-ao)極化度變小﹐ne,no,Δn都減小。2)在可見光區﹐no一般在1.52左右。當波長增加時﹐no逐步下降﹐直到紅外線區才趨緩和。3)當溫度上升時﹐no稍有增加﹐比較顯著的增加出現在靠近清亮點時﹐但ne卻下降。溫度超過清亮點時﹐ne=no。Δn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Δn與盒厚d相匹配﹐使之符合Δnd≧λ/2.(λ=光波長)。Δn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λ=550um下﹐當Δnd=0.5,Δnd=1.0和Δnd=1.5時﹐不會出現彩虹。TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組3.3.3液晶的彈性常數(K11/K22/K33)﹕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(K33)﹑扭曲彈性常數(K22)﹑展曲彈性常數(K11)﹐液晶的彈性常數一般在10-11~10-12N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K33/K11增加﹐同時K33/K11隨烷基鏈長的增加而降低﹐K33/K11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K22經常比K33﹐K11小﹐K22/K11一般在0.4~0.8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(a)基態(b)展曲態K11(c)扭曲態K22(d)彎曲態K33TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組3.3.4.液晶的粘滯系數η﹕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η=ηoexp(-E/kT)ηo﹕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(Δε)大的液晶﹐比Δε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﹐Δε越大越好﹐粘滯系數越小越好。但Δε與閾值電壓有關﹐不能一味追求Δε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。TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組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。TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組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no。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光軸方向發生變化。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λ﹐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。偏光方向偏光方向n入射出口光入射口TR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組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(θ)﹕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。θ眼睛評價液晶顯示器的視角特性﹐常采用全視角等對比度曲線。視角示意圖12H103H6H9H6H15109H3H1510555101551512H全視角等對比度曲線光電轉換器光源θTR系列培訓教材-T-03---《LCD顯示原理》Varitronix精電(河源)電子有限公司培訓組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);也即液晶分子扭曲方向開始朝電場方向變化時所加的電壓。閾值電壓(Uth)與P液晶的介電各向異性(Δε)和彈性常數(K11/K22/K33)有關,與盒厚無關。表達式(Uth)=πSqr{(K11+(K33-K22)/4)/ε0/Δε}低于此電壓時﹐器件的電光特性只有微小的變