第3章 液晶显示-2015

信息显示技术第3章液晶显示技术清华大学电子工程系:王健[e-mail]信息显示技术主要内容3.1液晶简介3.2液晶的基本物理特性3.3LCD模式及其特性3.4LCD驱动3.5TFT-LCD的制作工艺信息显示技术3.1液晶简介3.1.1液晶显示的发展过程3.1.2液晶显示的特点信息显示技术3.1.1液晶显示的发展过程•19世纪末，发现液晶现象–某些有机物（胡萝卜胆固醇的衍生物）加热融化不透明浑浊液态透明液态–浑浊液态的有机物具有与晶体相似的性质“液晶”固态加热加热冷却冷却液态液晶清亮点熔点信息显示技术液晶显示的发展过程•液晶显示最早研究与应用–1961，美国无线电公司（RCA）Williams发现动态散射(DSM)液晶–1968，RCA的Heilmeir基于DSM研制出第一个液晶显示器件–1969，RCA公布并出售液晶发明专利Heilmeir信息显示技术液晶显示的发展过程•1960年末，发明宾主效应液晶–液晶与二色性染料混合–工作电压高、功耗大•1970年初，发明扭曲相列液晶（TN-LCD）–电场型，无电化学蜕变，寿命长–工作电压低、功耗小–广泛用于中小尺寸显示屏，如手表、计算器等–行数增加时，对比度变坏，视角变窄信息显示技术液晶显示的发展过程•1984年，发明超扭曲相列液晶（STN-LCD）–电光特性曲线陡，显示行数高（512行）–用于中档液晶产品，如手机屏幕、小型电视机、笔记本电脑等•1990年代，有源矩阵液晶（AM-LCD）开始大规模应用–1970年代首先出现，受限于成品率和制作成本–用于大容量信息显示，如高分辨率显示器、大屏幕电视等信息显示技术液晶显示发展的有趣现象•RCA时期，液晶只能做数字显示，不能做图像显示？RCA出售液晶专利，停止液晶研究。1970s开始，日本开始发展液晶显示，根据个人电子化的需求，将液晶与半导体集成电路技术相结合，挖到液晶“第一桶金”。•1990s，液晶可以做计算机的视频终端，难以做电视显示？2000s，出现中小尺寸液晶电视。•2000s，在大屏幕电视上，PDP相对于液晶更有优势？2010s，液晶在电视显示占主导地位。信息显示技术液晶显示的典型产品小尺寸、低分辨率、黑白大尺寸、高分辨率、彩色信息显示技术液晶显示的发展过程•目前产业现状–日本、韩国、中国三足鼎立，为争夺市场激励竞争•夏普，10代线（2.85m×3.05m，15块42寸），2010年量产，2012年亏损1440亿日元，拟出售。•中国，7条高世代（8.5代）液晶面板生产线相继建设和生产，政府在LCD产业累积投入1000亿，2014年中国LCD电视产量1.4亿台。–京东方，3年盈利1次；2015年4月20日，宣布投资¥400亿（政府、银行融资各45%，京东方出资10%），在合肥建立10.5代LCD面板生产线，用于高尺寸、超高分辨率LCD屏。•韩国，三星、LG，8.5代线。–三星，为保面板第一的位置，拟打造10.6代面板厂。信息显示技术3.1.2液晶显示的特点•被动显示–本身不发光，通过调制外界光达到显示目的•低压、微功耗、长寿命–工作电压2～3V，工作电流微安量级，功率微瓦量级（不包括背光源）–工作电压电流低，几乎不会劣化，寿命受限于显示器的其它部件（如背光源）信息显示技术早期主要缺点及现状早期主要缺点:•分辨率低•显示视角小–不同方向入射光透射率不同视角小（30~40）•响应速度慢–外加电场改变液晶分子排列响应速度慢（100~200ms）•不适合高寒高热地区军用现状:•已实现全高清至4倍高清•水平视角140(CR10)，垂直视角135(CR10)•响应时间降低至ms量级信息显示技术主要内容3.1液晶简介3.2液晶的基本物理特性3.3LCD模式及其特性3.4LCD驱动3.5TFT-LCD的制作工艺信息显示技术3.2液晶的基本物理特性3.2.1液晶的定义与分类3.2.2液晶的连续弹性体理论3.2.3弗里德里克斯转变(FrederickszTransition)3.2.4液晶指向矢分布的数值计算方法3.2.5液晶的单轴光学特性3.2.6液晶光学特性的数值计算方法信息显示技术3.2.1液晶定义和分类•液晶：某些(有机)材料在固体和液体的中间状态–外观，流动的浑浊液体–物理特性，晶体的各向异性•溶致液晶–一种溶质溶于一种溶剂形成液晶态物质，目前尚未用于显示器件。•热致液晶–当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现各向异性的熔体。液晶显示器采用工作于室温的热致液晶。信息显示技术热致液晶——根据液晶分子结构•棒状液晶C5H11CH(a)棒状液晶分子结构举例(b)棒状液晶模型简易图H15C7C7H15C7H15C7H15H15C7H15C7(a)盘状液晶分子结构举例(b)盘状液晶模型简易图棒状分子应用最为广泛•盘状液晶信息显示技术棒状液晶——向列相液晶•由棒状分子组成，能上下、左右、前后滑动，具有液体流动性。•各个分子整体上表现出一定的取向，该方向的单位矢量称为指向矢𝒏。具有单轴晶体的光学特性。•粘度较小，容易转动，在液晶显示器件应用最广泛。向列相液晶瞬时示意图𝒏信息显示技术液晶的有序参量–指向矢相同，液晶分子排列也有所不同。•S=(3cos2-1)/2–表示液晶分子排列的有序程度–：液晶分子长轴相对于指向矢的偏离角–当cos2=1，S=1，完全有序–当cos2=1/3，S=0，完全无序–一般液晶，S[0.3,0.9]液晶分子长轴与取向矢的空间关系信息显示技术有序参数受温度的影响•温度越高，有序参数越小–熔点以下，晶体，S=1–熔点以上，清亮点以下，0S1，随温度上升而降低–清亮点以上，液体，S=0•S越大，液晶的介电常数差和折射率差n越大LCD具有温度依赖性00.51.0温度TcTm有序参数S随温度的变化趋势信息显示技术棒状液晶——胆甾相液晶•指向矢分布具有螺旋结构–大部分是胆甾醇的各种衍生物，以此得名。–液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行，指向矢平行于层平面的分子长轴方向。–相邻两层分子，其指向矢有一轻微的扭曲角。–分子指向矢沿着层的法线方向排列成螺旋状结构。信息显示技术胆甾相、扭曲相列相•相列相液晶，添加旋光物质胆甾相液晶•P（螺距），透射光是沿着螺旋轴旋转的偏振光•透射光偏振方向的改变由分子扭曲角决定扭曲向列相(TN)液晶P胆甾相分子指向矢旋转示意图信息显示技术棒状液晶——近晶相液晶•最接近晶体，有序性最好–层间有序，分子排列成层，不能在层间移动。–层内分子长轴相互平行，其方向可垂直或倾斜于层面，分子可以在层内滑动，但不易转动。近晶相液晶结构示意图信息显示技术近晶相液晶近晶C相：分子指向矢与层法线成一定角度近晶A相：分子指向矢与层法线平行𝒏𝒏信息显示技术近晶C*相•近晶C相，添加旋光物质近晶C*相•分子指向矢不仅与层法线形成一定角度，而且围绕层法线形成圆锥旋转结构。–d：层间距–P：指向矢在圆锥旋转一周时沿层法线方向通过的距离•铁电液晶工作基础Pd近晶C*相分子结构示意图信息显示技术液晶显示的基本原理•基本物理量：亮度L=LsT（R）–L：图像中每个子像素的亮度–Ls：背光源亮度–T（R）：液晶盒每个子像素的透射（反射）–Ls,T（R）原则上是位置(x,y)和时间(t)的函数–Ls很难被控制•基本原理：外加电场液晶分子排列液晶盒的透射(反射)。–T（R），整个液晶盒、而不是单纯液晶材料本身的透射(反射)信息显示技术3.2.2液晶的连续弹性体理论•液晶没有位置有序性，加外力后，液晶分子指向矢𝒏(𝒓)（而不是液晶分子）会发生形变。•𝒏(𝒓)变化的距离L(L1m)分子大小a(a~1nm)。可忽略分子量级的变化，把液晶看做连续介质。•在撤销外力以后，液晶分子通过分子间的相互作用，又会弹性地恢复到原来的取向。液晶形变类似于固体的弹性形变。信息显示技术液晶自由能一、液晶的弹性形变引起的弹性能二、液晶与外场相互作用的自由能•按照自由能最小原理，液晶在外场作用下重新排列，使液晶的总自由能趋向最小，最终达到新的平衡状态。向列相液晶的弹性形变示意图信息显示技术向列相液晶的三种基本形变𝒏展曲扭曲弯曲𝛁·𝒏𝒏·𝛁×𝒏𝒏×𝛁×𝒏假设指向矢𝒏的形变随位置连续而缓慢的变化，可用𝒏(𝒓)的微分表示形变。信息显示技术弹性能密度•向列相液晶–K1、K2、K3分别为展曲、扭曲、弯曲弹性系数–向列相液晶典型值为10-11N，K3K1K2–室温下5CB液晶：K3=1.010-11N，K1=0.6410-11N，K2=0.310-11N222123111()(())(())222fKnKnnKnn弹=展曲扭曲弯曲信息显示技术弹性能密度•胆甾相液晶–q0=2/P•P为胆甾相液晶的螺距•表示胆甾相液晶的螺旋转动方向，+表示右螺旋，表示左螺旋2221203111()(())(())222fKnKnnqKnn弹=螺距相关项信息显示技术液晶在电场中的自由能密度•电场能密度：𝑓电=−12𝐷·𝐸•液晶电位移矢量和电场强度矢量的关系：𝐷=𝜀⊥𝜀0𝐸+𝜀0·𝛥𝜀(𝑛·𝐸)𝑛–：垂直于指向矢方向的介电常数–//：平行于指向矢方向的介电常数–=//-：介电常数差𝑧:𝑛yx𝜀//𝜀⊥𝜀⊥x2/+y2/+z2///=1信息显示技术液晶在电场中的电场能密度•𝑓电=−12𝐷·𝐸=−𝜀⊥𝜀0𝐸22−𝛥𝜀𝜀0𝑛·𝐸22–第一项与外部电场的施加方向无关–0时，内积值越大，电场能越小，指向矢𝑛趋向于平行于电场𝐸的方向；–0时，内积值越大，电场能越大，指向矢𝑛趋向于垂直于电场𝐸的方向；𝐸𝐸信息显示技术平衡态•外加电场液晶分子的取向发生变化。•指向矢或趋向于外加电场方向、或趋于垂直于外加电场方向。•取向原则是使液晶的总自由能达到最小的状态，对应液晶新的平衡状态F=033()[(),,]dnrFfdrfnrrdrdr总总fff总弹电信息显示技术3.2.3弗里德里克斯转变•大部分液晶产品，液晶夹在两个平行（玻璃）基板之间。–与基板平面垂直的方向为z轴。–两个基板位于z=0、z=d。•玻璃内表面处指向矢固定，称为取向层。•液晶盒内指向矢)𝑛(𝑥,𝑦,𝑧，随外场变化，满足总自由能最小。•取向层阻碍电场对液晶的作用，只有当场强大于阈值场时，)𝑛(𝑥,𝑦,𝑧才随外场发生形变，称为弗里德里克斯转变(FrederickszTransition)zxyz=dz=0信息显示技术弗里德里克斯转变——展曲形变•液晶分子的指向矢初始方向平行于x轴•当施加的电场沿z轴方向时，)𝑛(𝑥,𝑦,𝑧趋向于平行电场的方向，即偏离x轴，转向z轴。•上下玻璃表面的指向矢固定，液晶盒内指向矢发生展曲形变和弯曲形变。zxyEEt，信息显示技术弗里德里克斯转变——展曲形变•假定液晶的指向矢始终在xz平面，•为指向矢和x轴夹角•则指向矢表示为：𝑛=𝑛𝑥𝑥+𝑛𝑦𝑦+𝑛𝑧𝑧=cos𝜃(𝑧)𝑥+sin𝜃(𝑧)𝑧–𝑥、𝑦、𝑧分别为x方向、y方向和z方向的单位矢量。zxy•对于展曲形变项，𝛻•𝑛=𝜕𝑛𝑧𝜕𝑧=cos𝜃𝑑𝜃𝑑𝑧•扭曲形变项，𝑛·(𝛻×𝑛)=0•弯曲形变项，𝑛×(𝛻×𝑛)=𝜕𝑛𝑥𝜕𝑧=sin𝜃𝑑𝜃𝑑𝑧信息显示技术弗里德里克斯转变——展曲形变•液晶发生了展曲形变和弯曲形变，弹性能密度为𝑓弹=12[𝐾1𝛻·𝑛2+𝐾2𝑛·(𝛻×𝑛)2+𝐾3𝑛×(𝛻×𝑛)2]=12(𝐾1cos2𝜃+𝐾3sin2𝜃)𝑑𝜃𝑑𝑧2•电场能密度为𝑓电=−12𝜀0𝛥𝜀𝑛·𝐸2=−12𝜀0𝛥𝜀𝐸2sin2𝜃•总自由能密度为𝑓总=𝑓弹+𝑓电