第 2 章液晶显示器件

第2章液晶显示器件 • 2.1 液晶显示器件的分类 • 2.2 液晶显示器件的基本结构 • 2.3 液晶显示器件的主要性能参量 • 2.4 常见的液晶显示器件

2.1.0液晶的电光效应 • 电光效应: ——在电的作用下，使液晶分子的初始排列改变为其他的排列形式，从而使液晶盒的光学性质发生变化。 ——用“电”通过液晶对“光”进行了调制。 • 已发现的电光（热光）效应： ——电场效应、电流效应、电热写入效应、热光效应。

2.1.1液晶显示器件的分类——根据电光（热光）效应2.1.1液晶显示器件的分类——根据电光（热光）效应

2.1.2液晶显示器件的分类——根据工作模式分类2.1.2液晶显示器件的分类——根据工作模式分类

2.1.3液晶显示器件的分类——根据彩色化方法分类2.1.3液晶显示器件的分类——根据彩色化方法分类

2.2.1液晶显示器件的基本构造 基本结构，呈平板型典型的TN型液晶显示器件的结构示意图

说明 ●不同类型的液晶显示器件其部分部件可能会有不同。 ●所有液晶显示器件都可以看作是由两片光刻有透明导电电极的基板，中间夹有一个液晶层，封接成一个扁平盒构成。 ●如果需要偏振片，则将偏振片贴在导电玻璃的外表面上。

液晶显示器件构成 ●两片光刻透明导电极图形的平板玻璃相对放置在一起，间相距为6～7μm。 ●四周用环氧胶密封（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。注入液晶后，用树脂将开口封堵好）。 ●在此液晶盒前后表面呈正交地贴上前后偏振片。完成了一个完整的液晶显示器件。 ●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°扭曲排列）。

说明1 玻璃基板 一种表面极其平整的浮法生产的薄玻璃片： • 在表面蒸镀有一层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。 • 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。

说明2 液晶 • 液晶材料是液晶显示器件的主体，不同器件使用的液晶材料不同； • 液晶材料大都是由几种乃至几十种单体液晶材料混合而成； • 每种材料都有自己固定的清亮点TL和结晶点TS；要求：液晶显示器件必须使用和保存在TS～TL之间一定的温度范围内。如果使用和保存的温度过低，结晶会破坏液晶显示器件的定向层；而温度过高，液晶就会失去液晶态，也就失去了液晶显示器件的功能；

说明3 偏振片 • 偏振片又称为偏光片，由塑料薄膜材料制成；上面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层保护模，使用时应该揭去；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。

液晶显示器件的基础原理 • 在电场、热等外场的作用下，使液晶分子从特定的初始排列状后态转变为其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶元件的光学特性发生变化，从而变换为视觉变化。所以，均匀、稳定的液晶分子排列是液晶显示元器件的工作基础。

2.2.2液晶分子的沿面排列 液晶分子排列分类

液晶分子排列简介 • （1）垂直分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作垂直排列； • （2）沿面分子排列：所有的液晶分子相对两侧的基片面作平行的，并且按同一方向排列； • （3）倾斜分子排列：所有的液晶分子相对两侧的基片面以一定角度倾斜，并且沿同一方向排列； • （4）混合分子排列：液晶分子相对一侧的基片面作垂直排列，而在另一侧基片面则沿同一方向作平行排列。即液晶分子的排列在两块基片之间连续弯曲90°； • （5）扭曲分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作平行排列，但两块基片面上的排列方向互成90°。即液晶分子的排列方向在两块基片之间连续地扭转90°； • （6）沿面螺旋分子排列：液晶分子排列的螺旋轴与两侧的基板表面呈垂直的排列； • （7）焦锥分子排列：液晶的螺旋轴相对于两侧的基片面呈平行状态的分子排列。但是其螺旋轴的方向是不确定的。

基本分子取向 • （1）垂直取向处理：是指使液晶分子长轴能够对基片表面作垂直（⊥）取向那样的基片表面处理； • （2）平行取向处理：是指使液晶分子长轴能够对基片表面作平行（∥）取向那样的基片表面处理； • （3）倾斜取向处理：是指使液晶分子长轴能够对基片表面构成一定角度的倾斜取向那样的基片表面处理。

液晶分子排列的方法——基片表面的具体处理方法 （1）基片表面直接取向处理法 • 本方法的特点是用具有垂直取向能力或平行取向能力的取向剂对基片表面进行直接处理，在取向剂与液晶分子间产生的范德华力、偶极子之间的引力和氢键等物理化学的相互作用力是液晶分子的主要作用力。（2）基片表面间接取向处理法 • 本方法的特点是将取向剂（如卵磷脂、二元脂肪酸等）溶解在液晶中，注入到液晶盒中后，取向剂从液晶中析出而吸附在基片表面上。此法的优点是取向工艺大为简化。但在液晶中加入了相当量的取向剂，会使液晶性能劣化，而其取向效果的可靠性和持久性一般比基片表面直接取向处理法差。（3）基片表面变形取向处理法 • 本方法是将原来光滑的基片表面变成不光滑表面，通过不光滑面与液晶的弹性的相互作用，使液晶分子成一定的排列方向而固定下来。本方法的主要作用是可以使液晶分子的平行排列和倾斜排列方向固定下来，这是前述两种方法所不能实现的。最简单而常用的方法是用棉花顺着一定方向轻轻摩擦基片表面或经过平行取向剂处理过的基片表面，称为摩擦法。另外比较常用的方法是倾斜蒸镀法。倾斜蒸镀法基本上是把取向剂，如氧化硅等蒸镀到基片上，镀层厚为101～102nm。用倾斜蒸镀法所以能实现特定的分子排列，是因为经过倾斜蒸镀以后，在基片表面上形成的波纹表面与液晶分子相互作用的结果。

2.2.3液晶显示器件的电极连接 • 液晶显示器件的电极图形虽然是看不见的透明导电图形，但它却决定了今后使用的时候所采用的控制与驱动方式。 • 液晶显示器件在显示像素上可分为段形（Segmant）和点矩阵（Matrix）两大类。 • 段形显示的像素是指显示像素为一长棒形，或称为笔段形。点矩阵的像素是指显示像素为一矩形或正方形的点。 • 点矩阵又可以分为普通矩阵和有源矩阵。它们之间的电极排布不同，所需要的驱动电路也不一样。

电极排布1 静态驱动段形 • 电极排布与普通7段段式数码管基本一致。其段电极的每个笔段都有一个引出线，而对应的背电极则只有一个引线。

电极排布2 动态驱动段形 • 电极排布的规则是：前后对应电极必须按不同的组合连接，以使在任何前后一对对应电极通电时，只有一个像素电极被选通。 • 假设显示的是7段数字式像素，背电极可以连接成一路、二路、三路、四路四种方式。此时，前面的段电极则必须按背电极不同的方式连接引出。

（a）2路动态驱动液晶显示器件电极排布 （b）2路动态驱动液晶显示器件电极排布（d）3路动态驱动液晶显示器件电极排布（c）3路动态驱动液晶显示器件电极排布（e）3路动态驱动液晶显示器件电极排布（f）3路动态驱动液晶显示器件电极排布（g）4路动态驱动液晶显示器件电极排布 2～4路动态驱动液晶显示器件电极排布

不同的段形显示设计和显示字符示意图

电极排布3 普通点矩阵 • 普通点矩阵的电极实际上就是X方向和Y方向的两组平行直线电极分布于前后玻璃基板上。 • 只显示字符的液晶显示器件，其电极为每隔若干条电极有一间隔。 • 图形式点矩阵的前后X、Y电极条，无论多少都无间隔。以便使像素可以不间断的组成一幅图形。

字符点阵型液晶显示器件电极排布

图形点阵型液晶显示器件电极排布 （a）标准矩阵排布（b）交叉列电极排布（c）双屏分割矩阵排布（d）行同步列分割电极排布（e）双重矩阵电极排布为了不同的需要，点矩阵的外引线可以是单侧引出，也可以是双侧，三侧或四侧引出。

多重矩阵及双屏矩阵等排布——扩展普通点矩阵的驱动能力多重矩阵及双屏矩阵等排布——扩展普通点矩阵的驱动能力多重矩阵方式中的二重矩阵电极排布双屏矩阵方式电极排布

电极排布4 有源矩阵 • 矩阵电极和有源器件均在同一侧玻璃基板上，另一片玻璃基板上只是一个公共电极 TFT有源矩阵的电极排布有源矩阵电极与普通液晶显示器件电极不同

2.3.1液晶显示器件的主要性能参量——电光特性、电气特性、温度特性2.3.1液晶显示器件的主要性能参量——电光特性、电气特性、温度特性 TN型LCD典型性能参数液晶的寿命参数很长，一般不予标明，但是只要按照规定使用，没有机械损伤，使用十年以上是没有问题的。在特殊要求条件下，可以以工作电流增加一倍为寿命终了为标志。以此为标准，其寿命也在5～8年或10万小时以上

基本测试系统——国标规定的透射式测试系统示意图基本测试系统——国标规定的透射式测试系统示意图该系统是在规定标准、恒定的照明条件和一个恒定温度条件下进行测定的。

基本测试系统——国标规定的反射式测试系统示意图基本测试系统——国标规定的反射式测试系统示意图为了与实际使用情况尽量一致，在反射式测试系统中，应将光源的入射光与液晶显示器件表面法线呈45°角，而接收系统则应置于该法线相对的另一侧，与法线呈13°角。

2.3.2基本特性1 电光特性 • （1）阈值电压不明显 • 电光响应的陡度不够大，因此，不适应多路驱动，容易产生交叉串扰，产生半亮度显示。所以，TN型液晶显示一般多使用在静态驱动或四路以下动态驱动的段形显示中。目前TN型最好的器件也仅可以实现8～16路驱动。 • （2）电光响应速度慢 • TN型液晶显示的响应速度只有50～100ms。这个速度显示静止的画面可以胜任，但若要显示活动的、视频变换的画面就难了。 B：辉度 T：时间 TN型液晶显示器件典型电光曲线

2.3.2基本特性1 电光特性（续） • （3）光透过和光关闭都不彻底 • 由于液晶分子排列有序参数不可能达到1。而偏振片的平行透光率与垂直遮光率也不可能达到100％。所以使液晶显示在视觉感受上不可能实现白纸黑字的效果。仅能实现灰纸黑字的显示效果。同理，使用TN型液晶显示作光阀，其光阀的开启不可能100％透光，光阀的关闭也不可能100％的关断。 • （4）电光响应与工作电压有关 • 工作电压升高，响应前沿会加快，而余辉部分的下沿就会延缓，故简单的提高工作电压并不能提高光电响应的速度。 S:时间 U:电压

2.3.2基本特性2 电气特性 TN型液晶显示器件的V-A特性液晶显示器件驱动频率与工作电流的关系曲线

说明 • TN型液晶显示器件是一种电场效应器件。其内阻很大，电阻率达1010Ω/cm2以上，而电容仅为几个pF/cm2，因此只要施加很小的电压即可在液晶层两侧之间建立起一个电场。故它的工作电压很低，电流也很小。尚不到1.0μA/cm2，所以在有些使用条件下可以忽略不计。 • TN型液晶显示器件可以基本上认为是容抗型器件。因此，在交流驱动时，驱动频率对驱动电流影响较大。如果驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加5～10倍。 • 所以，一般液晶显示器件的驱动频率都尽量选在不发生闪变的最低临界值上。

2.3.2基本特性3 温度特性 • 液晶显示器件的使用温度范围比较窄，温度效应也比较严重，这是液晶显示器件主要缺点。 • 当温度过高，即高于清亮点TC时，液晶态会消失，不能显示。而温度过低时，响应速度会明显变慢，直至结晶使液晶显示器件损坏。这都是由液晶材料的特性所决定。 • 目前，商品化液晶显示器件从使用温度上可分为普通型和宽温型两类。普通型的静态驱动型使用温度为0～40℃；普通型的动态驱动型使用温度为5～40℃。 • 对于宽温型的器件，可以使工作温度在高低端各扩展10～20℃。

2.4.0液晶显示器件复述 • （a）电场效应：利用介电常数的各向异性。属于这一类的有扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）、宾主效应型（GH）、相变型（PC）、电控双折射型（ECB）、铁电效应型（FLC）、聚合物分散型（PDLC）； • （b）电流效应：利用介电常数各向异性与电导率各向异性。属于这一类的只有动态散射型（DS）一种； • （c）热光效应写入型：分激光写入型和胆甾热变色型。利用激光加热液晶工作； • （d）电热效应：利用电极加热使液晶状态发生变化，有存储性。 • 虽然液晶显示器件的种类很多，但常见的液晶显示器件并不多。本节介绍液晶显示的三种方式，分类介绍动态散射液晶显示器件、扭曲向列液晶显示器件、电控双折射液晶显示器件、宾主效应液晶显示器件的电光效应原理。

2.4.1液晶显示的方式1 反射式 反射式可以利用外光，节省功率，TN液晶器件一般工作在反射式

说明 • 入射光先穿过液晶盒，然后被反射器所反射。反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附底玻璃外表面上。 • 当上下两个偏振片正交的时候，当没有加电时，光通过上偏振片，变成线偏振光，经过液晶层时，偏振方向旋转90°，刚好可通过下偏振片到达反射器，反射回来的光偏振性没有改变，又再次穿过液晶盒和上偏振片到达人眼。当加上足够高的电压后，液晶分子将与电场平行，光的偏振面不再发生旋转，所以光不能穿过液晶盒到达反射面。

2.4.1液晶显示的方式2 透射式 TN型液晶也可以工作于透射式（a）未施加电压时（V=0V）（b）施加电压时（V>Vth）

说明 • 液晶盒上方的偏振片为线性起偏器，下方的偏振片为线性检偏器。它们的偏光轴互相垂直，并都与相应基片内表面处的液晶分子取向一致。 • 当未加外电场时，入射光经过液晶盒时发生旋转，到达盒的底部时，光的偏振面将与检偏器的偏光轴平行，能从检偏器穿过，液晶盒仿佛是透明的。 • 加外电场后，入射光经过液晶盒时不发生旋转，到达盒的底部时，光的偏振面将与检偏器的偏光轴垂直，光线被检偏器挡住了，从背面看过去液晶盒不透明。 • 所以透射式液晶是将光源放在显示器之后，显示器调制入射光。

2.4.1液晶显示的方式3 投影式 • 液晶显示器起投影仪中幻灯片的作用，对投射光源起调制作用，所以称为液晶光阈（a）单片式LCD投影系统灯、反射器、聚光器、消偏器、分光镜、色复合立方块、投射透镜（c）分色镜LCD投影系统（b）二向色棱镜式三片LCD投影系统

2.4.2扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）之结构原理2.4.2扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）之结构原理 • 常见的手表、数字仪表、电子钟及大部分计算器所用的液晶显示器件都是TN型器件。一般，只要是笔段式数字显示所用的液晶显示器大都是TN型器件。 TN型液晶显示器件的结构原理： • 将涂有ITO（氧化铟锡）透明导电层的玻璃光刻上一定的透明电极图形，将这种带有透明导电电极图形的前后两片玻璃基板夹持上一层具有正介电各向异性的向列相液晶材料，四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。由于在玻璃内表面涂有一层定向层膜，并进行了定向处理，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显示器件名称的由来。

2.4.2扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）之工作原理2.4.2扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）之工作原理

说明 • 由于TN型液晶显示器件中液晶分子在盒中的扭曲螺矩远比可见光波长大得多，所以当沿一侧玻璃表面的液晶分子排列方向一致或正交的直线偏振光射入后，其偏光方向在通过整个液晶层后会被扭曲90°由另一侧射出，因此这个液晶盒具有了在平行偏振片间可以遮光，而在正交偏振片间可以透光的作用和功能。 • 如果这时在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将开始沿电场方向倾斜，当电压达到约2倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列。这时，90°旋光的功能消失，在正交偏振片间失去旋光作用，使器件不能透光。而在平行偏振片之间由于失去了旋光作用，使器件也不再能遮光。

说明（续） • 如果我们将液晶盒放置在正交或平行偏振片之间，即可用给液晶盒通电的办法使光改变其透过、遮住状态，从而实现显示。 • 平时我们看见液晶显示器件时隐时现的黑字，不是液晶在变色，而是液晶显示器件使光透过或被吸收所致。 • TN型液晶显示器件的工作阈值电压Vth可根据公式1-4、1-5、1-6导出，用介电常数Δε和弹性常数K11、K22、K33表示为： • （2-1） • 从式2-1可以看出： • （a）Vth与液晶盒厚度无关； • （b）选择大Δε和小弹性常数可使Vth变小。实际使用中TN型液晶盒的Vth约为2～3V，有时在1V以下。

2.4.2扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）之缺点 • （a）TN液晶的电光特性不陡，所以工作在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只适用于静态驱动或四路以下的动态驱动的段形显示中。目前TN型最好的器件也只可能实现8～16路驱动； • （b）电光响应速度慢。TN型液晶显示的响应速度为100ms左右，所以只适于显示静止或变化比较慢的画面。视频显示是TN型液晶所不能胜任的； • （c）光透过和关闭都不彻底。只能做到灰纸黑字的效果，而达不到白底黑字的效果，所以显示画面时对比度不理想。以上这些缺点决定了TN液晶虽然广泛地被使用，但只限于液晶中的低档产品。我国已是TN液晶显示器件的生产大国。 TN液晶显示特点有典型性，对它的工作原理了解充分，也有利于对其他液晶显示器件工作原理的了解。

2.4.3动态散射液晶显示器件（DS-LCD）之结构与工作原理2.4.3动态散射液晶显示器件（DS-LCD）之结构与工作原理 • DS液晶显示器件也是由两片带透明导电电极图形的玻璃基板构成一个液晶盒为主体结构的，只不过液晶盒中的液晶材料中掺入了一定比例的离子型有机电解质材料。因此，在不通电的情况下，液晶盒呈透明态，而通过一定频率交流电时，会随着电压的升高，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴”。如果电压继续提高，最终会使液晶层内形成紊流和搅动。 • 这种紊流、搅动使液晶层对光产生强烈的光散射作用，我们称这种现象为动态散射 • DS型液晶显示器件不用偏振片，但电流较大。使用时，一般在背面衬以黑色衬底，并制作一黑色遮光板。动态散射（DS）型液晶显示器件实际是一种已经过时、被淘汰的液晶显示器件。但由于它是唯一电流型器件，而且是第一个实用化的液晶显示器件，所以我们还应对它有所了解。

2.4.3动态散射液晶显示器件（DS-LCD）之缺点 • （a）工作电流较大； • （b）对比度差； • （c）出现光散射的紊流使图像边缘不很清晰； • （d）由于掺入电介质添加剂，液晶材料质量变差，工作寿命不够高。

2.4.4电控双折射液晶显示器件（ECB-LCD） 说明 • 电控双折射液晶显示器件是一种可以由电压控制显示多种颜色的彩色液晶显示器件，根据液晶盒分子沿面排列方式不同，电控双折射（ECB）效应可以分为垂直排列相畸变（DAP）方式、沿面排列方式和混合排列（HAN）三种方式。 • 电控双折射液晶显示器件最大的特点是可利用外加电压来控制其出射光的颜色，由于光的颜色受温度等影响大，重现的色域小，所以不适于实现彩色显示，一般多用于实现多色显示。

2.4.4电控双折射液晶显示器件（ECB-LCD） 1 垂直排列相畸变（DAP）方式（a）不施加电压（V＝0）（b）施加电压（V>Vth）

说明 • 将Δε<0的Nn向列液晶注入两块透明导电玻璃基板之间，并使液晶分子长轴沿上、下基板都为垂直排列，这就是垂直排列相畸变（DAP）液晶盒，如图2-22（a）所示。 • 把DAP排列方式液晶盒置于相互垂直的两块偏振片之间，当无外电场时，对于垂直入射到液晶盒上的光线，由于入射偏振光的方向与分子长轴，即液晶盒主光轴平行，将不发生双折射，光线不能通过第二块偏振片，因此液晶盒不透明。 • 当液晶盒上的外电压高于阈值电压Vth时，除基片附近的液晶分子外，由于Δε<0，其余液晶分子长轴将力图向垂直于电场方向倾斜。这个偏离电场方向的倾角φ将随电压增加而变大。这时入射偏振光的方向与液晶分子光轴不一致，使人射线偏振光发生双折射而变为圆偏振光，从而使一部分光线能够通过第二块偏振片，而着色。

第 2 章液晶显示器件