LCD液晶显示器课件.ppt
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- LCD 液晶显示器 课件
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1、1第3章 液晶显示技术及设备 3.1 液晶简介 3.2 液晶的基本物理特性 3.3 LCD模式及其特性 3.4 LCD驱动 3.5 LCD显示器23.1 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33.1.1 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”4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 196
2、9,RCA公布并出售液晶发明专利5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6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
3、器、大屏幕电视等7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。8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9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(2.85m3.05
4、m,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。102014 年至 2016 年,全球液晶显示面板市场份额变化113.1.2 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
5、示目的 低压、微功耗、长寿命 工作电压23V,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)12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(3040)响应速度慢 外加电场改变液晶分子排列响应速度慢(100200ms)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,垂直视角135 响应时间降低至ms量级133.2 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(Fredericksz Trans
6、ition)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143.2.1 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。15热致液晶根据液晶分子结构 棒状液晶 盘状液晶棒状分子应用最为广泛棒状分子应用最为广泛16棒状液晶向列相液晶 向列相液晶瞬时示意图向列相液晶瞬时示意图17液晶的有序参量 指向矢相同
7、,液晶分子排列也有所不同。S=(3-1)/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 S=1,完全有序 S=0,完全无序 一般液晶,S0.3,0.9液晶分子长轴与取向矢的空间关系液晶分子长轴与取向矢的空间关系18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具有温度依赖性有序参数有序参数S随温度的变化趋势随温度的变化趋势19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
8、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。20胆甾相、扭曲相列相 相列相液晶,添加旋光物质胆甾相液晶 VW10V,产生周期性液晶分子环流,呈现出与液晶盒厚度相同间隔的周期性静态条纹图案(威廉斯畴)再加大电压,液晶分子紊流,使光变成强烈地向前散射,称为动态散射(DS)效应液晶乳白色,对光不透明。动态散射液晶显示基本原理动态散射液晶显示基本原理49动态散射液晶特点 优点:无需偏振片 缺点:采用低电阻液晶材料,电流较大 掺入有机电解质,液晶工作寿命不够高 对比度差 光散射的紊流使图像边缘不够清晰 液晶
9、盒较厚(6m)第一个实用化液晶显示器件,目前已不再使用。50偏振片的工作原理 偏振片:只通过固定偏振方向的入射光 偏振片和入射光的偏振方向的夹角,决定透射光的亮度 偏振方向相互平行,完全通过 偏振方向相互垂直,完全不通过 入射光透射率cos2 51吸收二色性 二色性染料 某些有机染料在分子长、短轴方向对光有不同的吸收染料分子光轴平行于电矢量染料分子光轴平行于电矢量强吸收强吸收染料分子光轴垂直于电矢量染料分子光轴垂直于电矢量弱吸收弱吸收52宾主效应液晶显示 将少量二色性染料溶于形状和大小相似的液晶分子中,液晶分子为“主”,染料分子为“宾”,染料分子倾向于与液晶分子平行。未加电压:未加电压:液晶分
10、子长轴平行于入射光偏振方向液晶分子长轴平行于入射光偏振方向染料分子长轴平行于入射光偏振方向染料分子长轴平行于入射光偏振方向入射白光中的某些色光被强烈吸收,入射白光中的某些色光被强烈吸收,透射光着色透射光着色施加电压(施加电压(VVth):):液晶分子长轴垂直入射光偏振方向液晶分子长轴垂直入射光偏振方向染料分子长轴垂直入射光偏振方向染料分子长轴垂直入射光偏振方向入射白光不被吸收,透射光不着色入射白光不被吸收,透射光不着色53宾主效应液晶显示特点 优点:从任何角度都能观察到相近的显示效果 原则上可实现广视角LCD 缺点:响应速度慢 对比度低 入射光不能被完全吸收,黑色较淡 至今仍未商用54电控双折
11、射(ECB)55 加电压,分子长轴与入射偏振光的偏振方向构成一定角度 入射光将被分解成o光(偏振垂直分子长轴)和e光(偏振沿分子长轴),对应折射率分别为no,ne 经过液晶盒后产生光程差nd,偏振状态发生改变 出现平行检偏器的分量,透光56电控双折射显示特点 可获得的彩色范围较窄 色调变化由两偏振光光程差决定,光程差受诸多外界环境影响 I=I0sin22sin2(dnsin2(V)/)I0:入射光强度,:入射光偏振方向与液晶盒O光偏振方向的夹角,d:液晶盒厚度,n:液晶折射率的各向异性,(V):液晶分子夹角,:入射光波长 温度变化,液晶盒厚度变化,颜色改变 厚度不均匀,液晶盒呈现很多彩色斑 颜
12、色与观察视角有很强的依赖关系 尽管早期人们研究投入很大,但并未成功57旋光特性 胆甾相液晶 螺距P:指向矢在空间旋转2沿螺旋轴移动的距离。分为左旋和右旋(根据指向矢旋转方向)透射光是沿着螺旋轴旋转的偏振光 其偏振方向的改变由分子扭曲角决定 TN液晶工作基础 在入射光为直线偏振光的情况下,出射光的线偏振光的偏振方向相对于入射光线的偏振方向旋转了一定角度 电矢量旋转方向和螺旋轴旋转方向相同,反射。电矢量旋转方向和螺旋轴旋转方向相反,透射。58扭曲向列(TN)液晶显示原理 电场决定上、下二个基片液晶分子扭曲角 未加电场时,使上、下二个基片液晶分子扭曲角9059 加电场,垂直玻璃基板,液晶分子向电场方
13、向倾斜,扭曲角变小。大电场,液晶分子垂直基板,不发生扭曲。60TN液晶的技术参量 阈值电压Uth 液晶分子上下沿面排列,外加垂直电压UUth时,分子指向矢向平行电场方向转动。饱和电压US,液晶工作获得最大对比度所需的最高电压。实际应用中,取透射率曲线的某些点表示阈值电压和饱和电压 白底黑字:Uth=U90,透光率下降到90%处的电压;US=U10,透光率下降到10%处的电压。TN-LCD常白模式透光率常白模式透光率61陡度P和比陡度 62TN LCD的优点 微能耗(尤其是反射式TN)制作成本低 被广泛应用于手表、计算器等液晶中的低档产品63TN液晶的主要问题和解决方案 提高液晶材料响应速度 过
14、驱动技术 相位补偿膜 IPS、MVA 无源,增加电光特性陡度,STN 有源,TFT-TN矩阵1.响应速度慢响应速度慢 100ms量级量级2.视角特性差视角特性差 45 3.分辨率低分辨率低 几十路几十路643.4 LCD驱动液晶驱动技术的特点液晶驱动技术的特点基本为电压驱动 除最早期的动态散射(DS)液晶以外必须采用交流驱动 液晶在直流电压下会分解交流成分中的直流分量不大于几十毫伏液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关 依靠液晶作为弹性连续体的弹性形变,响应时间长(ms),交变驱动电压的作用效果不取决于峰值液晶单元是容性负载 电阻极大,无极性,在正压和负压的作用效果一样65液晶驱动分类 无源
15、驱动 驱动电压直接加在像素电极上,使液晶显示直接对应于所加驱动 电压信号 静态驱动,像素前后电极上一直施加电压信号 适用于像素较少的情况,段式电极连接,如电子表、计算器等 动态驱动,像素前后电极上顺序加电压信号(扫描)适用于像素较大的情况,常用点阵方式工作,低档液晶(TN,STN)有源驱动 每像素连接一非线性有源器件,电压信号有源器件液晶像素 在点阵方式工作的基础上,适用于像素极大的情况,高档液晶显示器(TFT-TN)661.液晶显示器件的电极连接 静态驱动 显示像素为一长棒,也称为笔段式 最常见:7段显示 每个数码7段,加一个小数点,共8个电极引出线 背电极相互连接,用一根电极引线 要显示n
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