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液晶显示基本知识概述

发布来源:www.xyhlcd.com   发布时间:2009-12-16

1、液晶的起源:

1888年奥地利植物学家莱尼茨尔(F.Reintzer)发现液晶,经过科学家们长期地研究,在1968年美国无线电公司(RCA)海麦尔(G.H.Heilmeiler)发现向列相液晶 的透明薄层通电时会出现混浊现象(即电光效应)以后,人们对液晶结构、特性和应用的认识得到了飞跃发展。现在液晶已被广泛地应用到许多新技术领域,成为物理学家、化学家、生物学家、电子学家们新的用武之地

2.什么是液晶

液晶通常是固态,是由于温度上升到清亮点而成为透明的液态。是在某个温度范围内兼有液体的流动性和晶体的双折射性的合二为一的物质。液晶不同于通常的固态、液态和气态。又叫做液晶相或中间相、中介相等。英文是liquid crystals。晶体的双折射性是指光所通过的方向的不同,有不同的折射率。

3.液晶的种类

随着人们对液晶的逐渐了解,发现液晶物质基本上都是有机化合物,现有的有机化合物中每200种 中就有一种具有液晶相。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。由棒状分子形成的液晶,其液晶相共有三大类:近晶相(Smectic liquid crystals指粘土状)、向列相(Nematic liquid crystals指丝状 和胆甾相(Cholesteric liquid crystals指胆固醇)。

4.什么是热致液晶

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。它是由于温度变化而出现的液晶相。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。

5.什么是溶致液晶

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。

6. 近晶相液晶的特点

近晶相液晶是由棒状或条状分子组成,分子排列成层,层内分子长轴相互平行,其方向可以垂直于层面,或与层面成倾斜排列。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,但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动,但不能在上下层间移动。因为它的高度有序性,近晶相经常出现在较低的温度范围内。

7.向列相液晶的特点

向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态,但没有近晶相液晶的层状结构。分子的质心混乱无序,但分子(杆)的指向大体一致,使向列相物质的光学与电学性质,即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。正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常数各向异性,使得用电来控制光学性能,或液晶显示成为了可能。与近晶相相比,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。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。目前液晶显示器,例如TN,STN等所用的液晶材料均属于向列相液晶材料。

8.胆甾相液晶的特点

胆甾醇经脂化或卤素取代后,呈现液晶相,称为胆甾相液晶。这类液晶分子呈扁平形状,排列成层,层内分子相互平行。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结构。当不同的分子长轴排列沿螺旋方向经历360。的变化后,又回到初始取向。胆甾相液晶对温度很敏感,温度发生变化时,胆甾相液晶显现不同的颜色。实用中,液晶温度显示器的原理,就是利用调配好的一系列胆甾相液晶。

9.什么是液晶显示器

先介绍电光效应定义因为液晶分子具有固定的偶极矩,所以施加电场可使液晶分子轴发生移动,于是液晶分子的排列就发生变化。在某种显示模式中,液晶分子可能发生不稳定的流动,这种不稳定的状态依赖于电场的强度而变化。结果将引起液晶盒内部的偏振光的传输功能变化、双折射性变化以及光散射现象等,即液晶盒内的光学性质发生变化,这个现象称为液晶的电光效应。

对于利用液晶的各种电光效应,把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号就可以制成显示器,这就是液晶显示器。

10.液晶显示器已经历了三代

第一代用于计算器、手表;第二代用于电子翻译机、游戏机、家电设备、测试仪器;第三代用于高级信息社会的各种办公室自动化设备、新型信息传递设备,即个人电脑、文字处理机、移动电话、便携式彩色电视机等。

11.液晶显示器的优点

平面型显示,体积小,重量轻,便于携带,功耗低,驱动电压低,例如计算器工作电压是2~5V,功耗为0.01mw左右,一块氧化银电池可以使用两三年;寿命长,一般在5万小时以上;不含有害射线等,故对人体无害,不易引起人眼的疲劳;被动显示,不易被强光冲刷,可以在明亮环境下显示;结构简单,没有复杂的机械部分等。

12.液晶显示器的基本结构

不同的液晶显示器其结构不同,但其基本结构都是在两块玻璃基板间注入液晶,四周用密封材料封住,形成液晶盒,液晶盒的盒厚一般为几个微米(人的头发的直径为几十微米),在上下玻璃外贴上偏振片,在液晶盒中玻璃基板的内侧覆盖一层有机物聚酰亚胺取向薄层,并沿一定方向摩擦。再将连接件、集成电路、控制、驱动电路和PCB线路板、背光源、结构件装配在一起。

13.液晶显示器的显示原理

以TN LCD为例说明液晶显示器的显示原理。当偏振片粘贴在注入液晶的液晶盒的上下玻璃基板上,并上下偏振片光轴正交时(偏振片的特点是只准许通过某一方面的振动的光),不加电压时,注入到液晶盒的液晶分子在界面处分别沿着上、下面玻璃PI(聚酰亚胺膜)的摩擦沟排列,从而在液晶盒上下玻璃基板表面的液晶分子排列成如下图的扭曲90度的状态。由背光源射出的光通过上面偏振片时,只有一个方向振动的光才能通过。然后,经液晶分子扭曲90度到达下面的偏振片,而与下面偏振片轴方向平行通过,为“白”态。当加上电压时,液晶分子不受上面及下面玻璃基板上的PI的细沟的影响,沿电场方向立起来同一方向排列与下面偏振片方向扭曲90度而光不能通过,被遮断光状态,为“黑”态。有没有外加电压,液晶盒内液晶分子排列会改变。若上下偏振片轴方向成90。,只有一个方向振动的光能否通过液晶盒,取决于有没有外加电压,有没有通过决定了“白”“黑”,在LCD上显示出图像。当然“白”“黑”的中间色是由外加电压中间电位来决定的。

14.什么是常白型LCD,常黑型LCD

当上下偏振片轴方向成90。时,无外加电压时照射光能通过,此时是“白”,而有外加电压时,照射光被遮断此时是“黑”,这类的液晶显示器叫常白型LCD。当上下偏振片轴 是同一方向而无外加电压时,照射光被遮断,此时是“黑”,而有外加电压时,照射光能通过,此时是“白”,这类叫常黑型LCD。

薄膜晶体管或二极管等有源元件,之后注入液晶材料的结构,叫做有源矩阵LCD。所以,从是否含有有源元件上分,液晶显示器可以分为两大类,无源矩阵LCD和有源矩阵LCD。无源矩阵LCD和有源矩阵LCD的驱动方式不同,用途也不同。

再按显示机理分:

无源矩阵LCD和有源矩阵LCD又分别可以分为很多种。

利用电光效应制作的常用的液晶显示器大致有以下几种:TN-LCD,STN-LCD,HTN-LCD,FSTN-LCD,TFT-LCD等。

16.TN-LCD的特点及应用

TN-LCD是Twist Nematic Liquid Crystal Display的简称,即扭曲向列相液晶显示器。这种显示模式的特点是液晶分子基本平行于基板排列,但上下液晶分子取向呈扭曲排列,整体扭曲角为90°。TN-LCD是人们发现较早,也是应用范围最广、数量最多、价格最便宜的液晶显示器。日常所见到的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN-LCD。

17.STN-LCD的特点及应用

STN-LCD是Super Twist Nematic

Liquid Crystal Display的简称,即超扭曲向列相液晶显示器。它与TN-LCD的结构相似,不同的是扭曲角不是90°,而是在180°~270°之间。虽然仅仅是扭曲角不同,但它的工作原理与TN-LCD完全不同。STN-LCD是目前LCD生产的中档产品,它具有比TN-LCD显示信息量大等特点,它主要用于各种仪器仪表、汉显机、记事本、笔记本电脑等。

18.HTN-LCD的特点及应用

HTN-LCD是High Twist Nematic Liquid Crystal Display的简称,即高扭曲向列相液晶显示器。它与TN-LCD、STN-LCD的结构相似,只不过扭曲角在100°~120°之间,介于TN-LCD和STN-LCD之间。HTN-LCD目前数量不多,其性能也介于TN-LCD和STN-LCD之间。

19.FSTN-LCD的特点及应用

STN-LCD是Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display的简称,即补偿膜超扭曲向列相液晶显示器。Film是指补偿膜或延迟膜。通过一层特殊处理的补偿膜,能克服STN-LCD的缺点,既克服STN-LCD有背景色成为黑白显示,所以有人称FSTN-LCD是黑白模式的STN-LCD。

20.TFT-LCD的特点及应用

TFT-LCD是Thin Film Transistor Liquid Crystal Display的简称,即薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器,它的每个像素都是由一个(或多个)薄膜晶体管开关来控制。实际上,每个像素就是一个小的TN型液晶显示器。这类显示器所显示的图像清晰、无闪烁、视角宽(0.5),响应速度较快,并且能显示几乎任意灰度,加上滤色膜后可以实现全彩色显示。与STN及铁电液晶等其他显示器相比,在大面积、多显示内容、彩色及灰度等方面最好的仍是TFT-LCD。它的优点是用玻璃等透明基板,能透射式显示,信号传递性能好,能均匀显示半色调,可以大容量显示。在有源矩阵方式中能得到最高质量的图像。它是目前LCD市场中最高档次的产品。它主要用于笔记本电脑、液晶彩电等。TFT-LCD的制造工艺比较复杂,价格比较高。

21.ECB-LCD的特点及应用

ECB-LCD是ElectricallyControlled Birefringence Liquid Crystal Display的简称,即电控双折射液晶显示器,这类显示器在给液晶盒施加电压,因液晶的介电各向异性,液晶分子的排列发生变化,结果使液晶盒中的双折射率发生变化。若将液晶盒置于两枚偏振片之中,此折射率的变化就表现为光透过率的变化。这种电光效应是通过外加电场控制液晶盒的双折射率(ECB: Electrically Controlled Birefringence)而产生的,所以叫做ECB效应。ECB效应作为多色彩色液晶显示元件的工作原理是相当重要的。适用于投影放大的大画面多色显示。

22.铁电液晶显示器的特点及应用

目前正在开发的铁电液晶显示器采用具有铁电性的近晶相液晶,其特点是响应速度极快(微秒级)且有图像存储功能,即将外加电压信号去掉后,原来的显示的图像仍可以保持。

23.液晶显示器件的基本特性

液晶显示的显示性能规定了各种项目,基本特性有LCD的彩色显示、像素数(即分辨率)与画面尺寸、像素间距、显示尺寸(显示范围)、长宽比、亮度、开口率、灰度和色数、对比度、响应速度、常白、常黑、LCD的透射率、LCD玻璃基板尺寸。分别加以介绍。

24.LCD的彩色显示

TFT LCD是利用彩膜通过荧光灯照射着色来实现彩色显示的,当通过阵列基板的光通过彩膜(CF)就会着色。TFT LCD 把一个像素分割成RGB3原色(红、绿、兰),并各自通过对应的RGB彩膜得到着色,它是利用彩膜将RGB光混合得到各种色的加法混合方式。背光源的光被RGB彩膜分成3色,由起光阀作用的LCD,将3色光量进行平衡、调节得到所要的彩色。

25.像素数与画面尺寸

LCD将很多点(显示文字及图像的最小单位)纵横排列显示图像而构成画面。最小单位的点叫像素。在彩色显示中把像素分成红(R)、绿(G)、兰(B),而3色合在一起叫像素,将这个像素分成RBG的1/3点叫亚像素。根据在一个画面上像素的排列的多少,其LCD的名称也不同。

吉林彩晶1期线目前可以生产10.4英寸 VGA 和16.1英寸SXGA两种,10.4英寸 2块/片和16.1英寸1块/片。VGA的像素数约是31万像素(=640×480像素)。在黑白显示LCD中,组成TFT的像素数与像素数相同,大约是31万个晶体管;在彩色显示中大约100万个晶体管(即亚像素数约是100万个=640×480×3),像素数也是31万。 信号线条数是640×3,栅线条数是480。

26.像素间距(Pitch)

像素间距是从一个像素的边缘到相邻的像素相同边缘的距离,由像素数与画面尺寸确定像素间距和一个像素的大小。例如10.4画面的VGA(640×480像素)的像素间距大约是330μm。清晰度越高,像素数越多,像素间距变小,也就是高精细化。

27.显示尺寸(显示范围)

显示尺寸(显示范围)指显示图像的范围,叫有效区域。从整个LCD去除显示范围部分叫做边缘。用TFT LCD显示的个人电脑有将边缘变得越来越小的趋势。只要像素间距及分辨率自动确定,显示尺寸就能确定。如330μm,分辨率640×480像素的VGA,其显示尺寸对角线为10.4英寸时,即对角线是26cm。16.1英寸对角线是44cm。

28.长宽比

    长宽比是显示画面横方向尺寸和纵方向尺寸的比。通常电视画面的长宽比为4:3。

29.亮度

亮度表示在单位面积上画面明亮程度的量。具体的说,通过画面法线方向的光量的密度。单位是[cd/m2]或用尼特表示。(1尼特= cd/m2)。亮度取决于通过液晶盒和彩膜的光量,及背光源的亮度。

30.开口率

开口率是像素(或者亚像素)的光通过部分面积与像素面积(或者亚像素面积)的比值。开口率越大,亮度越高,屏越明亮。在TFT LCD中开口率受阵列基板与彩膜基板对位精度,和阵列基板上TFT的大小及信号总线宽度的制约,提高开口率是制造LCD厂家来说最大的课题。

31.灰度和色数

根据亮度白和黑之间反差分成几个等级。显示亮度不同的反差以灰度表示,或者叫中间色调、反差

32.对比度

对比度是将显示黑的状态下的透射率为基准,与显示白的状态的透射率的比例。也就是黑的亮度与白的亮度的比,这个值越大,显示越清楚,越易读。在彩色显示中对比度越大,色的纯度越高。对比度一般数值要求不小于3~5。在生产上使用的电测机上,对比度是凭肉眼判断的。

33.响应速度

响应速度是指信号由白到黑,由黑到白转换所需要的时间。这个响应速度慢,在画面中移动的物体会留下“图像的拖影”。表现在计算机中,有时滚动图像看不见,有时使用鼠标时看不见光标位置。响应速度取决于液晶的粘度和玻璃转变温度。

上升时间:液晶显示器件加上驱动电压后透光率从10%变化到90%所需要的时间,在一般的扭曲向列相液晶显示器中为100ms左右。

下降时间:液晶显示器件在去掉驱动电压后透光率从90%下降到10%所需要的时间,在一般的扭曲向列相液晶显示器中为200ms左右。

34.LCD的透射率

由背光源到通过液晶盒的光会发生衰减。由背光源发射的光,先在灯周围及导光板上衰减,然后到扩散板等光学补偿膜上衰减。从而由光源发射的光到LCD表面时,就变少了。液晶盒的透射率由TFT像素的开口率(约65%)、偏振片的透射率(约43%)、彩膜的透射率(约34%)、透明导电ITO电极透射率(约95%)、液晶材料的透射率(约100%)决定。10.4寸VGA的透射率约是10%。

LCD的表面亮度与提高LCD的透射率和背光源的输出亮度有关。要提高亮度,应该提高背光源的亮度;提高LCD的亮度即提高TFT的开口率;提高所用部品材

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