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液晶显示器论文
摘要
从液晶显示的实用化开始已经过去40年了。
从台式计算机的字段式显示开始的实用化液晶面板，以及后来的类似于主动型素子驱动方法的开发，使大型、漂亮画面的显示成为可能，之后显示性能在不断地进行改善。
现如今，液晶显示技术飞速发展,液晶显示器以其轻薄短小、低耗电量、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,在价格不断下跌的吸引下,我们身边几乎所有的场所都在使用液晶显示器，从个人电脑和移动领域使用到最近的电视，液晶电视已经开始逐渐取代CRT，已被公认为是多媒体时代的关键电子器件。
目前正朝着更大尺寸方向发展,分辨率越来越高。
本文研究了液晶显示器件的组成、工作原理、驱动电路原理、电光特性，并完成了液晶显示器件电光特性实验研究。
关键词：
液晶属性;显示原理;驱动电路;电光特性
Abstract
Ithasbeenfortyyearsfromthebeginningofthepracticalliquidcrystaldisplay.Fromthedesktopcomputerfield-typeliquidcrystaldisplaypanelbeganpractical,andlater,similartothedevelopoftheactive-typesub-prime-drivenapproach,whatmakeslargeandbeautifulscreendisplayaspossible,continuestoimprovethedisplayperformance.
Today,liquidcrystaldisplaysareusingalmostalltheplacesaroundus.FromusingpersonalcomputersandmobiletothenearestTV,LCDtelevisionhasbeguntoreplacetheCRT,andithasbeenrecognizedasthekeytotheeraofmultimediaelectronicdevices.
Thispaperstudiesthecompositionoftheliquidcrystaldisplaydevice,theworkingprinciple,drivecircuittheory,electro-opticalproperties,andcompletedtheelectro-opticalpropertiesoftheliquidcrystaldisplaydevicesstudiedexperimentally.
Keywords:
liquidcrystalproperties;displayprinciples;drivecircuit;electro-opticalproperties
前言
液晶是以20世纪70年代的TN型液晶和80年代的STN液晶为基础的，它们各自相对应的产品也确实扩大了市场。
90年代，以PC用途为基础，使用a-SiTFT液晶，使液晶市场快速得以成长起来。
那个时代，液晶主要以TN模式为主，现在可以应用IPS、MV、OCB模式等形形色色的技术来进行动画显示，在电视显示方面的使用已经开始，在其他各领域的用途也逐步广泛起来，人们期待着其更加飞跃的发展。
LCD能有今天的发展，这与它所具有的一系列优点密不可分，与人们熟知的CRT相比较，其突出的特点主要是：
1.低工作电压与低功耗
LCD特别是反射式LCD是目前所有各类显示器产单位面积功耗最低的器件。
对角线53cm（21in）的TFT—LCD功耗还不到15W，而同样尺寸的CRT功耗则为69w，至于普通反射式LCD因为无背照光源，仅借助外界光进行显示其功耗就更微不足道了。
与此同时LCD有很低的工作电压，这使得它能够用CMOS驱动。
因此，在许多情况下LCD可用电池供电，甚至长时间工作，这为LCD的厂泛应用创造了良好条件。
2．轻薄、平板化
LCD的这一特点使它非常适于制造衣袋式、便携式产品，并成为平板显示最重要的技术之一。
从大至20几英寸的壁挂电视到小至BP机显示器，许多产品将LCD的这一特点展现得淋漓尽致。
3．显示方式灵活
LCD显示方式多样化。
尺寸从小至电子表，大至壁挂电视直至投影电视，其方式可显示文字、图形以至图像，色彩可为单色、多色或全色，可笔划型、固定型或矩阵型，如此众多的显示方式，使它不仅能适应CRT已有的许多应用，而且拥有许多CRT不能满足的显示用途。
4．无闪烁和X射线辐射
在办公自动化进程中，显示器的人机工学设计十分重要，LCD由于无闪烁、抖动、无X射线辐射与静电等作用，因而是最好的选锋对象。
5.采用矩阵选址有利于数字技术应用
除此之外，LCD还具有结构简单、紧凑、无故障时间长等特点。
LCD的这些特点为它的迅速发展与广泛应用创造了十分良好的条件。
LCD也存在一些缺点，尽管它向CRT提出了全面挑战，但是就满足高品质、大容量显示与获得更广泛应用的要求来说，它的视角、对比度、响应速度以及低温工作特性等都还需作进一步改进。
近年LCD的应用得到十分迅速的发展，与CRT显示不同．LCD的多种显示方式相互并成，从低档的TN到中档的STN，以及技术难度最大的FLCD、AM—LCD的各类产品同时在不同的应用场合发挥其作用。
TN型LCD主要用于电子表、计算器，各种低级的小型矩阵显示等，目前投入研究力量不多，其生产大部转移到亚州特别是中国，年产值由90年代初占有的40%逐年下降，随着通信产品与家电市场增长，其销售份额稳定在5%左右。
STN型LCD广泛用于文字处理机、传真机、游戏机、电子辞典、寻呼机、移动电话等，前几年曾看好便携式计算机市场，但随着TFT—LCD性能、价格的改进已逐年退出。
它主要占据中、小尺寸单色矩阵显示市场。
其研究主要是发展低成本多色的各种STN模式，如DSTN、单层膜或双层膜补偿STN、负性STN以及多色STN等。
FLCD目前作为商品应用还不多，仍然处于继续开发阶段。
TFT—LCD是AM—ICD的典型代表，其研究最活跃、发展最快，应用增长也最迅速。
这些年它除像质与显示容量得到进一步提高外，更多的主要得益于生产成本的降低与成品率的提高。
可以说它在便携式计算机、摄像机与数字僚机监视器等方面应用独领风骚，随着GPS技术的发展，它在地理信息系统以及飞机座舱、测量仪器，便揖式VCD、DVD等方面都得到很好应用。
今后的液晶显示器的发展面向画面大型化、立体化，注重环保等方面。
进入21世纪的今天，以大型电视、手机为中心，移动领域等的市场不断扩大，液晶显示正在向着更大产业化飞跃。
第1章液晶的概念与显示器件分类
1.1液晶的基本概念
液晶是液态晶体的简称。
1888年奥地利植物学家莱尼采尔（F.Reinitzer）在合成许多胆甾醇酯中，观察到这些物质在加热焙熔过程中，刚熔时呈不透明状，具有流动性，又有像晶体那样的各向异性，进一步加热后浑浊完全消失，成为各向同性液体。
1889年德国物理学家菜曼（O.Lehmann）也观察到同样的现象，他认为这是—种具有流动性的晶体，顾名思义，这种在机械上具有液体的流动性，在光学上具有晶体性质的物质形态被命名为流动晶体——液晶（LiquidCrystal）。
液晶分为两大类：
溶致液晶和热致液晶。
前者要溶解在水中或有机溶剂户才显示出液晶状态，而后者则要在一定的温度范围内呈现出液晶状态。
作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。
液晶处于因相和各向同性液相之间，具有液体的流动性和晶体的各向异性特征。
为了加深对液晶属性的认识，可从分子序角度考虑。
在气体中，分子是完全无序的，理想晶体中分子排列具有三维远程有序。
液体介于上述两种情况之间，具有近程有序。
晶体分子高度有序的特性，使晶体的光学、电学、磁学、力学等性质呈现出较高的各向异性；与此相反，普通液体中，因分子远程有序的完全破坏，各个方向上的物理参数不再有变化，即各向同性特征。
在固相与液相之间的相——中间相（mesophase），除了液晶，还有塑晶和构像无序晶体。
晶体具有高度有序特征，包括三个方面：
位置有序、取向有序和构像有序。
在晶体有序基础上,代位置有序以位置无序的中间相，就是液晶。
因此液晶也可称为取向有序的流体。
假如保留位置有序，取向有序被破坏，称该种相为塑晶；而构像无序晶体，保留了大部分完全有序晶体的位置有序和取向有序，但失去了构像有序，如聚乙烯、聚四氟乙烯等柔性高分子物质。
对液晶和塑晶，其行为差异的根本原因在于分子形状上的不同。
大多数塑晶是由球形分子所组成，如N2、CH4、CF4等筒单分子的物质，转动的势垒与点阵能量相比甚小，因此当温度升至某一临界值之后，分子的能量足以克服转动的势垒，但并不足以破坏晶体的点阵，这就出现一种平动位置有序，转动取向无序的晶体。
与塑晶不同，液晶的分子常有不对称的棒状或盘状结构，它们在某些方向发生转向的活化能很高。
因此在液晶中尽管品体点阵结构完全梢失了，但分子仍然保留一定程度的取向有序。
在某些情况下，分子也保留一定程度的平动有序。
从以上讨论可知，液晶分子结构的各向异性决定了液晶物性的各向异性特征。
综上所述，液晶可定义为各向同性液体与完全有序晶体之间的一种中间态，既有液体的流动性，又有晶体的各向异性特征，是一种取向有序的流体。
构成液晶的分子结构具有棒状或盘状（如盘状液晶：
Discotic）不对称性特征。
1.2液晶显示器件分类
常见的液晶显示器按物理结构分为四种：
（1）扭曲向列型（TN-TwistedNematic）；
（2）超扭曲向列型（STN-SuperTN）；
（3）双层超扭曲向列型（DSTN-DualScanTortuosityNomograph）；
（4）薄膜晶体管型（TFT-ThinFilmTransistor）。
其中TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD三种基本的显示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。
STN-LCD的液晶分子扭曲角度为180度甚至270度。
而TFT-LCD则采用与TN系列LCD截然不同的显示方式。
TN由于无法显示细腻的字符，通常应用在电子表、计算器上。
作为显示器TN系列的液晶显示器已基本被淘汰，STN由于扭转角度较大，字符显示比TN细腻，同时也支持基本的彩色显示，多用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机等。
而随后的DSTN和TFT则被广泛制作成液晶显示设备，DSTN液晶显示屏多用于早期的笔记本电脑，由于支持的彩色数有限，所以也称为伪彩显。
TFT则既应用在笔记本电脑上，又逐步进入主流台式显示器市场。
TFT液晶显示器与TN系列液晶显示器的原理大不相同，但在构造上和TN液晶仍有相似之处，如玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等，它也同样采用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。
在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式，即假想的光源路径不是像TN液晶那样的从上至下，而是从下向上，这样的作法是在液晶的背部设置类似日光灯的光管。
光源照射时先通过下偏光板向上透出，它也借助液晶分子来传导光线，由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极。
在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。
第2章液晶显示器件基本工作原理
2.1液晶显示器件组成
TN模式的液晶显示器件和工作原理如图2-1所示。
在涂有透明电极的两块玻璃板之间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，液晶厚度约数微米，电极表面作平行取向处理,为使液晶分子成90°扭曲排列，上、下基扳的取向方向为正交设置，同时，为防止液晶层出现畴区等缺陷，在取向上要设置l°～2°的预倾角，并在液晶中掺入能形成单一右旋或左旋的手性材料。
盒子外侧的两片偏扳片有两种设置方法：
一种是起偏器光铀和检偏器光铀分别平行（或垂直）于入射侧和出射侧分子取向方向，呈正交状态，称之为常白方式。
另一种是起偏器光轴平行（或垂直）于入射侧分子取向，而检偏器的光铀垂直（或平行）于出射侧分子取向方向，两偏振片光轴呈平行状态,称之为常黑方式。
图2-1
通常的a-SiTFT主要由玻璃基板、栅电极、栅绝缘层、半导体活性层a-Si,欧姆接触层n+a-Si、源漏电极及保护膜等组成，其中栅绝缘层和保护膜一般采用SiN。
a-SiTFT的结构（图2-2）可分为四种典型结构：
源、漏、栅三电极位于半导体活性层a-Si同一侧的平面结构，其中源、漏、栅三电极位于a-Si层上侧的称正栅平面结构，源、漏、栅三电极位于a-Si层下侧的称倒栅平面结构；源、漏、电极与栅电极位于a-Si层两侧的交错结构，其中栅电极在a-Si层上侧，源、漏电极在a-Si层下侧的称正栅交错结构或顶栅结构，栅极在a-Si下侧，源、漏电极在a-Si层上侧的称倒栅交错结构或底栅结构。
从制造工艺上看，交错结构的SiN，a-Si和n+a-Si三层（或其中二层）可以连续淀积，适合流水作业，又可减少交叉污染。
现在，交错结构已成为主流，它不仅对a-Si，SiN。
n+a-Si可连续作业，而且倒栅还可以作遮光层（不需另设遮光层），这对a-SiTFT是重要的，因为a-Si对光敏感，一旦有光流入引起漏电流增加，将会导致像质恶化。
图2-2
2.2液晶显示器件工作原理
TN—LCD的工作原理如图2-3所示。
未加电压（断开）情况下，来自光源的自然光经过起偏振片后只剩下平行于光轴方向的线偏振光射入液晶层。
由于线偏振光的偏振方向平行（或垂直）于入射侧分子取向方向，如果满足在上节介绍的λ／np0<<△n／2n条件的话，则线偏振光将以波导方式在液晶层传播，即该光在传播中，其偏振方向伴随分子扭曲结构同步旋转。
光到达输出侧时，其偏振面旋转90°。
如果两偏振片的光轴是正交设置，则有光输出，故称为常白方式；如果两者光轴平行设置，则无光输出，故称之常黑方式。
在施加足够电压（导通态）情况下，由于正性介电各向异性△ε和电场的相互作用，液晶层分子变成垂面取向，扭曲结构解体，线偏振光的偏振方向在盒中传播时不再旋转，保持原来偏振方向到达输出侧。
如果两偏振片的光轴正交设置，则输出侧光的偏振方向垂直于检偏振片的光铀，无光输出，呈黑态；相反，若两偏振片的光轴平行设置，则输出侧有光输出，呈明态。
因此．两偏振片的光袖采用常白方式设置时，可实现在白色背景上显示黑色图案，而采用常黑方式设置时．则在黑色背景上显示白色图案。
图2-3
图2-4示出STN液晶盒的结构和传统的TN液晶盒一样。
在两个偏振片之间夹着—个扭曲取向的液晶盒子。
STN系各显示模式的结构差异是液晶分子的扭角，延迟△nd值，预倾角。
和两偏振片方位角Pf，Pr的不同。
为使向列相液晶具有权角大于90°的称之为手性向列相的本征结构，需在寻常的向列液晶中掺入百分之几的旋光材料，赋与整个液晶层的左旋性或右旋性的宏观扭曲排列。
扭曲量由螺距长度p表示。
它与掺杂浓度成反比，可通过掺杂浓度来调节螺距使之适合不同厚度的液晶盒。
当手性向列相液晶填入盒中时，紧挨上下基板液晶分子指向矢将沿取向处理方向固定，从而使螺距长度比本征值仲长或缩短，只有满足层厚与螺距比d／p＝φt／2π时，液晶的本征螺距恰好等于由零须倾角液晶盒的厚度和取向方向所确定的螺距。
STN系列显示器件利用双折射现象来进行光调制。
因此，在输出光中不可免地出现各种干涉色。
利用何种颜色可获得最大视角对比度，对STN器件非常重要。
基于此，在STN系器件中常采用两种模式。
一种为“黄模式”，即在非选择态显示色呈黄色（背景为黄色）。
而在选择态时呈黑色。
另一种被称为“蓝模式”，即在非选择态时显示色呈藏青色（背景为藏青色），而在选择态时几乎成无色（白色）。
两种模式是通过偏振片方位角的不同选择来实现的。
这是因为变更偏板片的方位角即改变产生双折射的条件，使干涉色发生变化。
通过此即可得到所需的干涉色。
例如，在SBE方式下，两偏板片的方位角（β，γ）取值约为（30°，60°）时，即可得到黄色背景。
由于这时两偏振片的光轴有较大的夹角，因此，在导通态时呈现黑色。
由此实现了在黄色背景上显示黑色图形，即‘黄模式”。
当（β，γ）取值为（一30°，30°）时，即可得到藏青色背景。
这种设置的两偏振片光轴的夹角较小，因此，在导通态几乎呈白色，于是实现了在藏青色背景上显示“白色”图形，即为“蓝模式”。
图2-4
1偏振片2上玻板3LC层4下玻板5检偏片
图中P1，P2分别为两偏振片光轴；R1．R2分别为上下基摄取向方向；γ，β为两偏振片光轴与相应基板取向之夹角。
三端有源矩阵液晶显示的结构和等效电路如图2-5所示，每个像素上都串人一个薄膜晶体管（TFT）。
它的栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接IT0像素电圾，与液晶像素串联。
液晶像素可以等效为一个电阻RLC一个电容CLC的并联。
当扫描脉冲加到G上时，使D-S导通，器件导通电阻很小，信号电压产生大的通态电流IOD并对CLC充电，很快充到信号电压数值，一旦CLC的充电电压均方根值Vrms值大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素产生显示。
当扫描电压移到下一行时，单元L的栅压消失．D-S断开，器件断态电阻很大．CLC的电压只能通过RLC缓慢放电。
只要选择电阻率很高的液晶材料，可维持此后的一帧时间内CLC上的电压始终大干Vth，使该单几像素在—帧时间内都在显示，这就是所谓的存储效应。
存储效应使TFT-LCD的占比为1：
1，不管扫描行数增加多少，部可以得到对比度很高的显示质量。
图2-5
2.3液晶显示器件驱动电路原理
液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础。
而液晶分子排列的改变可通过电、磁、热等外场的作用来实现。
我们把这种通过外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。
液晶显示器常用的驱动方式分为如表2-2所示的几种类型。
静态驱动方式
直接矩阵驱动方式
电驱动方式动态驱动方式
LCD的驱动方式有源矩阵驱动方式
光寻址驱动方式
热寻址驱动方式
（1）静态驱动法
静态驱动法是获得最佳显示质量的恳基本的方法。
它适用于笔段型液晶显示器件的驱动。
图2-6示出此类液晶显示器件的电极结构，当多位数字组合时，各位的背电极BP是连接在一起的。
静态驱动法的电路实现见图2-7。
振荡器的脉冲信号经分频后直接施加在液晶显示器件的背电极BP上，而段电极的脉冲信号是由显示选择信号A与时序脉冲通过逻辑导或合成产生，异或逻辑的真值表如表2-1所示。
当某位显示像素被显示选择时A=1，该显示像素上两电极的脉冲电压相位相差180°，在显示像素上产生2V的电压脉冲序列，使该显示像素呈现显示特性，当某位显示像素为非显示选择时，A=0，该显示像素上两电极的脉冲电压相位相等，在显示像素上合成电压脉冲为0V，从而实现显示的效果。
这就是静态驱动法，驱动波形图见图2-8。
为了提高显示的对比度，适当地调整脉冲的电压即可。
表2-1
BP
A
SEG
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
图2-6静态驱动LCD电极结构
图2-7静态驱动电路原理
图2-8静态驱动波形
（2）动态驱动方式
所谓动态驱动（图2-9）就是将位电极X按1／12时间分割依次驱动。
与此同步，按各个位电极应该显示的数字，选择驱动相应的笔段电极y。
当依次驱动到最后一位之后又返回到Xl，重复上述过程。
如果重复周期tf小于视觉暂留时间（即重复频等于通常的帧频），则人的视觉将感觉不到显示亮度的时间变化。
具有正常显示效果。
而对每个位显示来说，每隔tf时间段驱动—次，每次驱动tf／N时间（八为位电极数，此例中N＝12）。
图2-9
第3章液晶显示器件电光特性实验研究
3.1实验原理
液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场（电流），随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）、电控双折射（ECB）等。
其中应用较广的有：
TFT型───主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品；STN型──主要用于手机屏幕等中档产品；TN型──主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件显示原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。
本仪器所使用的液晶样品即为TN型。
扭曲向列型电光效应，无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距，当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90o，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图3-1中不通电部分，其中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出）；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子轴；当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列（见图3-1中通电部分），TN型液晶盒90o旋光性随之消失。
若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。
不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90o，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图3-2；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。
最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压（Uth），标志了液晶电光效应有可观察反应的开始（或称起辉），阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。
最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压（Ur），标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，Ur小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。
对比度Dr=Imax/Imin，其中Imax为最大观察（接收）亮度（照度），Imin为最小亮度。
陡度β=Ur/Uth即饱和电压与阈值电压之比。
图3-1
图3-2
3.2实验方法
1、液晶扭曲角和对比度的测量
1）按照激光器、起偏器、光功率计探头的顺序，在导轨摆好光路。
连接各个导线。
2）打开激光器，仔细调整各个光学元件的高度和激光器的方向，尽量使激光从光学元件的中心穿过，进入光功率计探头。
3）旋转起偏器，使通过起偏器的激光最强（因半导体激光器的输出光为部分偏振光）。
4）将检偏器放置在起偏器、光功率计探头之间，调节检偏器的方向，使光功率计输出信号最小（这时起偏器与检偏器的偏振方向垂直），记下此时检偏器的位置（角度1）。
5）将液晶盒放置在起偏器和检偏器之间，旋转检偏器，找到输出功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度2）。
6）液晶对偏振光的扭曲角＝|1－2|
2、测量液晶驱动电压与透射光的功率关系曲线
1）起偏器、液晶盒、检偏器、光功率计探头的位置按实验1中设置不变，打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续状态，液晶驱动电压从最低零逐渐升高到12V，在逐渐升高驱动电压的同时，记录功
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