液晶显示技术

液晶显示技术
一． 什么是液晶
1． 物质的第四态——液晶
普通物质有三态：固态、液态和气态
有些有机物质在固态与液态之间存在第四态——液晶态
液晶这种中间态的物质外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所有的双折射特性。
液晶态物质既具有液体的流动性和连续性，又保留了晶体的有序排列性， 物理上呈现各向异性。
2． 液晶分类
从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶，就是如前面所说由于温度变化而出现的液晶相。把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶，而在生物系统中则存在大量溶致液晶。目前发现的液晶物质已有近万种。构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平状，并且在每种液晶相中形成特殊排列。
热致液晶是当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的液体。用于显示的都是可工作在室温上下的热致液晶。大多数液晶分子长度为几十埃、宽度为几埃。
液晶分子都是有序排列的，根据排列的不同，热致液晶分为向列相、近晶相和胆甾相三种液晶相。
1）近晶相液晶（Smectic liquid crystals--S型）
Smectic由希腊语而来,是肥皂状之意,因为这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中,都显示特有的偏光显微镜像,因而命名为皂相。分子分层排列,有同一方向,比较接近晶体,故译成近晶相。近晶相液晶由棒状或条状分子组成，分子排列成层状，层内分子长轴互相平行，其方向垂直于层面，或与层面倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但层内分子之间作用力大（粘滞系数很大），层间分子作用力小，不能在上下层之间移动，每层厚度约2～3Å。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温的范例内。近晶液晶粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。
2）向列相液晶（Nematic liquid crystals--N型）
Nematic也是由希腊语而来,液晶的薄层在偏光显微镜下观察时,呈现丝状型结构,故称之为丝相。他子位置杂乱,但方向大致一致,故译向列相。向列相液晶由长、径比很大的棒状分子组成，分子质心没有长程有序性，具有类似于普通液体的流动性，分子不能排列成层，能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近似平行。
从宏观上看，向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序，并可在三维范围内移动，可以象液体一样流动，所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特性(折射系数与介电常数,沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同)，而在电学上又具有明显的介电各向异性，这样，可以利用外加电场对具有各向异性的向列相液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示的目的。向列相液晶已成为现代显示器件中应用最为广泛的一种液晶材料。
此外,与近晶相液晶相比,向列相液晶的粘度小,富于流动性.产生这种流动性的原因,主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动.事实上不上向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍.向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界作用相当敏感,因而应用广泛.
3）胆甾相液晶（CH）
由于这种液晶最早是从胆甾醇类物质中发现的,是胆甾醇在经过脂化或卤素取代后,呈现液晶相,故称之为胆甾相。这是一种分子成扁平状,排列成层状的液晶材料，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。当不同的分子和轴排列沿螺方向经历360°的变化后,又回到了初始取向,这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺矩(p)。
向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。
胆甾相液晶在显示技术中很有用，TN、STN、相变(Pc)显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的。
3． 溶致液晶
溶致液晶是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。溶质液晶广泛
存在于自然界、生物体中，与生命息息相关，但在显示中尚无应用。
二． 液晶的物理特性
1． 有序参数
向列液晶是圆柱对称的，体系中存在一根轴线，通常称这根轴线为主轴，向列相液晶分子的轴线择优倾向于平行于主轴，但并非完全平行主轴，衡量其平行程度用有序参数S表示。
S＝(3cos2θ-1)/2 ( 2-1)
有序参数与液晶材料、温度有关。温度上升，序参数下降，
S＝K(Tc-T)/Tc (2-2)
Tc： 向列液晶清亮点（℃）
T ： 向列液晶的温度（℃）
K ： 比例常数
液晶的S=0.3~0.8
2． 液晶的各向异性
1）介电各向异性△ε
ε∥＝C∥/C0 ；ε┴＝C┴/C0 ；
△ε＝ε∥－ε┴＝(C∥－C┴)/C0 (2-3)

C∥： 外加电场与外加磁场平行时测得的液晶电容
C┴ ： 外加电场与外加磁场垂直时测得的液晶电容
C0 ： 无液晶时测得的极板间电容
2）电阻率ρ
液晶的电阻率表示了液晶的纯度，越大越好，一般为108～1012
3）光学折射率各向异性△n
△n=n∥- n┴ (2-4)
n∥: 平行于分子长轴的折射率
n┴ ： 垂直于分子长轴的折射率
△n一般在0.1～0.3左右
4）弹性常数 K
一般 K＝10－11～10－12N
K分为K11、K22、K33
K33 >K11 > K22、
5）粘滞系数η
η一般为10－2～10－3Pa.s
三． 液晶的光学特性
1． 液晶的双折射和光学性质
液晶的主要特征之一是呈现光学单轴晶体性能。在给定一个波法线方向后，可以有两种折射率不同、振动方向互相垂直的光波，即o光和e 光，他们都是线偏振光。
在向列相液晶及近晶相液晶中
n0= n┴ ne= n∥
△ n = ne -n0= n∥- n┴ >0 (3-1)
在胆甾相液晶中
n0=( (n∥2＋n┴2)/2)1/2 ne= n┴
现在仍有n∥> n┴ ne2 -n02=( n┴2-n∥2)/2)<0
△ n = ne -n0<0 (3-2)
由于液晶呈单轴光学各向异性，具有如下特别有用的光学特性：
1） 能使入射光的前进方向向液晶长轴方向偏转；
2） 能改变入射光的偏振状态（线、圆、椭圆）或偏振方向；
3） 能使入射偏振光相应于左旋或右旋光进行反射或透射。
各种液晶显示器基本上是根据上述三大光学特性而设计制造的。
四． 液晶显示器件
1． 液晶显示器件基本结构
2． 液晶分子的沿面排列
无论何种液晶显示器件都是以下述原理为基础的：
在电场、热场等外力的作用下，液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶器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器件的工作基础。
1） 分子排列的种类
2） 液晶分子的排列方法
（1） 斜蒸氧化硅法
（2） 垂直取向法
采用卵磷脂、硬脂酸涂复在基板表面，加热干燥
（3） 平取处向法
采用PI涂复在基板上，加热干燥，摩擦成沟槽，液晶分子沿沟槽排列。目前大部分LCD均采用平行取向法。
3． 液晶显示器的主要性能参数
1） 电光特性
液晶在电场作用下透光强度将发生变化，透光强度与外加电压的关系曲线称为电光曲线，如图所示
在TN液晶显示器中，两面偏振片振动方向正交时，不加电压时，透光强度最大，电压小于一定数值时，透光强度不发生变化，加到某一电压时，透光强度开始变化，随着电压的增加，透光强度减弱，当电压升到一定值后透光强度不再随外加电压变化了（图3－23b）。当两面偏振片振动方向平行时，电光曲线正好相反（图3－23a）。
（1）阈值电压Vth ：透光强度变化10％时的电压，TN的Vth一般为1～3V
（2）饱和电压VS ：透光强度变化90％时的电压，饱和电压越低，越易获得好的显示效果，功耗也可以降低
（3）对比度： 对比度定义为
Tmax/Tmin
TN、STN对比度一般为5：1～20：1
TFT对比度可达到250：1～300：1
（4）陡度β和Δ
β＝VS/VTH (4-1)
Δ= VTH/ (VS-VTH)=1/(1-β) (4-2)
VS越接近VTH，电光曲线越陡，β趋于1，扫描线数可以越多，一般TN＝1.4～1.6，只能实现8～16路驱动，STN＝1.02～1.2，可以实现128～240路驱动。
（5）电光响应曲线
对TN等液晶器件：
下降时间 τr=ηid2(ε0ΔεV2-kiiπ2)-1
上升时间 τd=ηid/kiiπ2
对相变（PC）等液晶器件：
τr=ηid2(ε0ΔεV2-kiiπ2/ P02)-1
τd=ηiP02/kiiπ2
（6）对比度与视角
如图所示,液晶的对比度随视角变化很厉害,当Cr=2时,图象勉强可辨, Cr=5时, 图象就很清晰了。
2）温度特性
液晶的阈值电压Vth及响应时间随温度而变化，温度越高，Vth越低，响应时间越快。
3）频率特性
实用液晶显示器件都是电场效应器件，以TN为例，电阻率高达
1010Ω/cm2,而电容只有几个pF/cm2，所以工作电流不到1&micro;A/cm2,是典型的微功耗器件。TN器件基本上是容抗性的，因此，交流驱动时，频率对驱动电流影响很大，如驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加5～10倍，所以一般驱动频率都控制在不发生闪烁的最低临界值上。
五． 常见的液晶显示器件
1． 液晶显示的三种方式
1） 反射式
2）透射式
3）投影式
2． 动态散射型液晶显示器（DS-LCD）
世界上第一个液晶显示器就是动态散射型的，它是将离子型有机导电材料掺入液晶材料中，并将液晶分子沿面排列，制成液晶盒。不通电时，液晶盒透明，通电电压大于10V后液晶变成乳白色，不透光，由于其电流大，液晶易于分解，寿命短，显示质量差，很快就被淘汰了。
3． 扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)
液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲90&ordm;，夹入两电极基板之间，制成液晶盒，自然光经起偏器变成直线偏振光，入射到液晶盒内，被扭曲90&ordm;，并通过下基板外的偏光轴与起偏器垂直的检偏器，透光；当两电极之间加上一定的电压时，液晶分子转动，最终成与基板成垂直排列，入射到液晶盒内的偏振光，未被扭曲，不能通过检偏器，不透光。


TN－LCD是目前最普通的一种液晶显示器，结构简单，工艺成熟，性能、寿命极其稳定，价格非常便宜。但由于它的不陡的电光特性，在点阵显示方式下交叉效应严重，一般只实用于静态或四路以下的动态段式显示中，目前最好的TN液晶器件也只能实现8～16路驱动显示。此外，响应速度慢、视角窄也是它的主要缺点。
由于以上缺点，TN－LCD一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。
4． 电控双折射液晶显示器（ECB－LCD）
可利用电压的变化来改变显示颜色，人们曾希望用其实现彩色显示。
1） 垂直排列相畸变（DAP）方式

Nn(△ε<0)向列液晶，垂直排列，制成的液晶盒。
DAP－LCD的色调随温度及视角变化大，不宜用于单色及彩色显示。
2） 沿面排列方式
Np(△ε>0)向列液晶，平行排列，制成液晶盒。此方式干涉色与垂直排列相反，阈值低（1～2V），色均匀性较好，但视角窄。
3） 混合排列（HAN）方式
工作原理于图所示
采用Np向列液晶，一面垂直排列，一面平行排列。HAN－LCD的优点是：彩色峰值分的较开，透光较DAP好，工作电压低，彩色较均匀，但无明显的阈值，不能用无源驱动。
5． 宾主效应液晶显示器件(GH－LCD)
在向列相液晶中加入二色性染料，做成的液晶显示器件。染料分子随液晶分子的转动而转动，其对偏振光的吸收随其光轴与偏振光的夹角而变化，正性二色性染料分子轴与偏振光振动方向一致时，吸收最大。
宾主液晶最主要的参数是有序参数S ，一般二色性染料的有序参数为0.7左右。
下图为平面型宾主液晶显示器件
平面型宾主液晶显示器有电光特性差、对比度低、响应速度慢、工作电压高等缺点，将盒内上下基板间分子排列成90&ordm;扭曲，将改善电光特性的陡度；双盒结构宾主液晶可以提高对比度…下图是一种胆甾－向列相变GH－LCD。
6． 相变液晶显示器件（PC－LCD）
胆甾相――向列相可以互相转换。优点是不用偏振片，显示亮度高、视角宽。缺点是只有透过、白浊两种状态；无法实现灰度，对温度敏感，驱动麻烦。
7． 超扭曲向列液晶显示器件（STN－LCD）
在向列相液晶中加入百分之几的手性旋光材料，使液晶盒内的液晶分子扭曲180&ordm;～270&ordm;就可以制成超扭曲液晶显示器件。
超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大提高了它的多路驱动能力，当扭曲角β＝270&ordm;时，曲线的陡度趋于无限大，理论上可以驱动无数路，实际上工作于1/480占空比下没有问题。STN－LCD这种优良的特性大大扩展了液晶显示器件的应用领域，自1984年发明这种显示器件以来，STN－LCD在初期的笔记本电脑、文字处理机、复印机、高档仪表及其他需要汉字、图形显示的领域被广泛的采用。目前应用领域最大的是手机和PDA等通信产品，大部分手机都采用了单色或彩色STN－LCD。
STN－LCD工作原理见下图 　　　　　　　
STN与TN工作原理不同：
1）TN盒液晶分子扭曲90&ordm;，STN扭曲180&ordm;～270&ordm;；
2）TN盒中，起偏器的偏光轴与上基板表面液晶分子长轴平行，检偏器的偏光轴与下基板表面液晶分子长轴平行；STN盒中，上下偏光轴与上下基板液晶分子长轴都不互相平行，而是成一个夹角，一般为30&ordm;；
3） TN盒是利用液晶分子的旋光性而工作的，STN盒是由于经起偏器的入射线偏振光与液晶分子成角度，使入射光被分解成正常光和异常光，通过液晶盒，产生光程差，在通过检偏器时发生干涉，所以STN盒是利用液晶的双折射特性工作的；
4） TN盒工作于黑白模式，STN盒工作于0.8&micro;m光程差（dΔn）下，干涉色为黄色，为消除这种干涉色，可以采用左右旋双盒结构或相位补偿膜的方法，使其成为黑白模式。
STN盒厚要求非常严格，盒厚公差要小于0.05&micro;m，由于电光曲线陡峭，灰度调制也很困难，另外，STN的响应速度很慢，不易实现动画显示。
8． 铁电液晶显示器件（FLCD）
铁电液晶是近晶相液晶的一种，手性液晶分子构成的近晶C相为铁电液晶，如下图所示
铁电液晶的最大优点是响应速度快，可达微秒级，因此有许多人一直在研究如何用它实现动画显示，最近，有人在研究将铁电液晶用于LCOS投影显示。
铁电液晶最大的困难是如何实现稳定的分子取向技术。最近，人们研究出了表面稳定的双稳态铁电、反铁电液晶显示器件，使取向技术得到了很好的改善。
9． 其他液晶显示器件
1）弧线排列向列型（NCAP）
2) 聚合物分散型（PDLC）
3) 多稳态液晶显示（MLCD）
六． 液晶材料
七． 液晶驱动技术
1． 静态驱动
七段式液晶驱动器
2．动态驱动
无源矩阵显示都需要采用时分割动态驱动法，驱动波形如下图所示
其选通点电压 Von2=V02(b2+N-1)/Nb2
非选通点电压 Voff2= V02（(b-2)2+N-1）/Nb2
最佳偏置比 b=N1/2+1
工作电压范围裕度 α＝αmax=（(N1/2+1)/ (N1/2-1)）1/2 　　　　　　　
八． 有源矩阵液晶显示器（AM－LCD）
无源驱动的致命缺点是：
1） α随N的增加而迅速下降，如下图所示
当N＝400、500、600时，αmax＝1.053、1.046、1.042,即显示与非显示电压之差只有4～6％，这在工艺、驱动电源、液晶温度特性上都是无法保证的，易于产生交叉效应。
2）当N上升时，占空比1/N也随之下降，这一方面要提高驱动电压，同时要求更亮的背光源。
为克服这些问题人们发明了有源驱动液晶显示器件。有源驱动器件分为
二端式和三端式两种，二端式主要有二极管式及MIM式，三端式主要有TFT及单晶硅（MOSFET）,下面重点介绍一下TFT技术
TFT是准静态驱动，无交叉效应，响应速度快，易实现灰度调制，可实现高质量的动态图象显示。
TFT阵列制造工艺
1） 先制作ITO电极
2） 蒸Cr并光刻出栅极G
3） 沉积绝缘层Si3N4
4） 沉积有源层a-Si:H，刻蚀出FET有源区
5） 沉积n+a-Si:H，刻蚀成源、漏极底层即
6） 在Si3N4刻出接触窗口A，在下道工序使ITO与漏极相连
7） 蒸镀铝层，光刻出源、漏极
上述工艺需要6次光刻，现已减少到5次～3次
TFT最重要的工艺参数是开关比一般需要达到105以上，即每一个液晶象素的开关电阻之比：
Roff/Ron=1010Ω/105Ω=105
九． 液晶显示器件的主要材料
1． 玻璃基板
1）钠钙玻璃：用于TN、STN，要求尽可能含钠少，表面平整（STN用要精密研磨）、无缺陷或小于10nm
2）硼硅玻璃：用于TFT基板，主要型号有7059、1733、1724等膨胀系数小、加工性能好等玻璃
2． 透明导电玻璃
TN、STN等采用价格低廉的钠钙玻璃，为阻止钠离子向液晶盒内扩散，需在ITO与玻璃基板间涂复一层SiO2，对于某些高档产品，还要在ITO表面再涂一层SiO2，以增加横向绝缘性能。
用于液晶显示器的导电玻璃必须符合一定要求，具体指标如下：
1）透光率好，一般要求 >85％；另一方面要求光干涉颜色均匀，不均匀性 <10％；
2）方块电阻小，
R ＝ρ/d
方块电阻与方块大小无关，只决定于膜厚和膜的电阻率。目前ITO膜的电阻率 ρ＝5×10－4Ω˙cm ,最好可达5×10－5Ω˙cm
TN型 ITO: R ＝100～300Ω/
膜厚200～300&Aring;
STN型ITO：R <10Ω/
膜厚1000～2000 &Aring;
3）平整度好
TN型玻璃： 1.1mm厚度玻璃 平整度小于0.15&micro;m/20mm
0.7mm厚度玻璃 平整度小于0.2&micro;m/mm
STN型玻璃：平整度小于0.075～0.05&micro;m/mm，需要抛光
3．偏光片
偏光片的主要光学指标有：
1） 颜色，一般为灰色（中灰和蓝灰），也有各种彩色的；
2） 偏光度，
目前，最好的偏光度可达99％以上，
3） 透光率和透射光谱
透光率一般略低于50％，
要求在整个可见光范围内透光率是均匀的，才能实现理想的黑白显示。
3． 其他材料
1） 取向材料 PI，用于分子排列
2） 环氧树脂粘结剂，用于边框封接
3） 紫外固化胶，用于封口
4） 衬垫料，用于维持均匀盒厚
十． 液晶显示器的主要工艺
1． ITO图形光刻
涂胶——前烘——曝光——显影——坚膜——刻蚀——去膜
2． 取向排列
清洗——涂PI——予烘——固化——摩擦取向
3． 边框胶及导电胶丝印――喷粉――对板――封盒
4． 液晶灌注――封口――贴偏光片
十一．液晶显示器的连接
1．导电胶条连接
2．金属插脚连接
3．热压胶片连接 　
4．各向异性导电胶连接方式（TAB） ACF导电膜
5． COG（chip on glass）
十二．背光源
1．LED
2．无机EL
3．冷阴极荧光灯（CCFL）
目前，中小尺寸LCD采用EL和LED，高亮度的彩色LCD毫无例外的采用CCFL。
背光源决定了显示屏的亮度，TN、STN屏的透过率为15～20％，彩色屏只有3％，当屏的亮度要求为100cd/m2时，背光源表面亮度要求达到104cd/m2，背光源的功耗占LCD总功耗的2/3以上，因此开发高效率的背光源是降低液晶显示器和液晶电视、笔记本电脑功耗的有效途径。
十三．彩色滤色膜（CF）
彩色滤色膜在整个彩色LCD器件的成本中，占有很高的比例，如，在彩色TFT模块中占10％～13％，彩色S TN模块中占30％以上。
1．对彩膜的要求
1）R、G、B三基色有高饱和度、高透明度、白色平衡好、各色光谱尖锐；
2）高对比度；
4） 高平整度，起伏<0.1&micro;m；
5） 高热稳定性、高光学稳定性、高化学稳定性；
2．彩膜制造工艺
彩色TFT－LCD的构造如下图：
彩色滤色片的构造如下图：
彩色滤色膜的制造工艺有四种：
1） 颜料分散法
它是将颜料分散在感光胶中，通过涂复、曝光、显影、烧结等工序制成。此方法工艺简单，光敏性好，是目前用的最多的一种方法。颜料分散法的热稳定性好，化学稳定性好，耐湿、耐磨，但颜料在介质中有强烈的凝聚倾向，会降低CF的寿命。此外，颜料原子团的双折射和散射对线性偏振光有去偏振效应，会降低对比度。
2） 染色法
它是将可染色的光敏性聚合物涂在基板上，曝光。显影、染色而成。其优点是对比度高、清晰度好、色彩艳丽、尺寸准确，缺点是热稳定性和化学稳定性差、抗老化性能差、制造成本较高。只用于部分TFT－LCD。
3）印刷法
有四种方法，见下图：
印刷法生产设备简单，成本低廉，但分辨率低，质量差。
3） 电镀法
在基板上先镀上ITO，再镀上光刻胶，光刻成图形，与象素排列方式完全一样，同种颜色的电极图形连接在一起，然后去电镀。电镀液是色料和树脂颗粒所形成的分散体系。分三次镀上三基色。
电镀法由于工艺参数可以精确控制，易获得相当均匀的大尺寸表面，工艺时间短，对彩膜颜色易于控制，但它要求ITO有很好的均匀性，且不能制作镶嵌式或三角形彩膜图案。
以上四种方法制作的彩膜性能见下表：
3．黑矩阵制作
为防止光泄漏，要在相邻彩膜缝隙处事先制作黑色矩阵，黑矩阵材料一般采用Cr或碳黑。