液晶显示技术论文Word文档格式.docx

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无处没有液晶显示技术的身影。

本文围绕液晶显示技术，简要地介绍了扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）和有源矩阵型（AM）液晶显示技术的相关知识，以及液晶显示技术在中国的发展情况和未来显示技术的发展方向。

关键字:

液晶液晶显示技术扭曲向列型（TN）超扭曲向列型（STN）有源矩阵型（AM）

Abstract

Now,theprogressofscienceandtechnologybringstoourlifeverybigchange.Liquidcrystaldisplayequipmentismoreandmore,allkindsofliquidcrystaldisplayproductsintoourlife.Fromcellphonestocomputermonitors,fromPDAtoflatTV.NowhereisnoLCDtechnologyfigure.

ThispaperfocusonLCDtechnology,thispaperbrieflyintroducesadistortedtocolumntype（TN）,supertwistedtype（STN）tocolumntypeandactivematrixliquidcrystaldisplaytechnology（AM）theknowledgeandliquidcrystaldisplaytechnologiesinChina'

sdevelopmentandthefuturedevelopmentdirectionofdisplaytechnology.

Keyword：

LCDLCDdisplaytechnologyDistortedtocolumntype

SuperdistortedtocolumntypeActivematrixtype

第一章绪论

1.1研究背景

在科技飞速发展的今天，“液晶显示”对大家来说已不陌生，由于他具有低压微功耗、平板型结构、不眩光、不刺激眼睛、无电磁辐射和X射线等优点，广泛地运用于计数器、电话机、手机、数码相机、天然气表、笔记本电脑等。

液晶台式PC监视器逐步普及，液晶电视已经出现，可以说液晶显示与我们的生活息息相关，那么液晶究竟是什么物质，他的显示原理及发展情况怎样呢？

由于自身兴趣爱好，在这次论文选题中，我选择了液晶显示技术作为自己的研究，希望自己能从中学到相关知识。

在完成学业任务的同时更能让自己学到这个领域的基础知识及最新进展，对自己将会有很大提高。

1.2研究方向

在本文中，我将对液晶基础知识作出简略的介绍，重点在液晶显示技术的原理分析，着重介绍了现实生活中常用的显示技术，如扭曲列向型显示技术等显示原理的介绍。

最后将对近年该技术在中国的发展作简单的讲述，以及今后该技术的发展方向作一个大概的分析。

第二章液晶基础知识

2.1液晶

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

作为显示技术应用的液晶都是热致液晶

图2.1

低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，称T2为液晶的清亮点。

LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。

2.2热致液晶的分类

近晶相（SmecticLiquidCrystals）液晶分子呈二维有序性，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一平面内，其方向可以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。

近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外界电、磁、温度等的变化不敏感。

向列相（NematicLiquidCrystals）液晶分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感，目前是显示器件的主要材料。

胆甾相（CholestericLiquidCrystals）液晶是由胆甾醇衍生出来的液晶，分子排列成层，层内分子相互平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子的分子长轴方向稍有变化，相邻两层分子，其长轴彼此有一轻微的扭角（约为15分），多层扭转成螺旋形，旋转360º

的层间距离称螺距，螺距大致与可见光波长相当。

胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态，因为胆甾相层内的分子长轴也是彼此平行取向，仅仅是从这一层到另一层时均一择优取向旋转一个固定角度，层层叠起来，就形成螺旋排列的结构，所以在胆甾相中加消旋向列相液晶或将适当比例的左旋、右旋胆甾相混合，可将胆甾相转变为向列相。

一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。

胆甾相易受外力的影响，特别对温度敏感，温度能引起螺距改变，而它的反射光波长与螺距有关，因此，胆甾相液晶随冷热而改变颜色。

图2.2

2.3液晶的光电特性

利用传统的晶体光学理论可以描述光在液晶中的传播。

2.3.1电场中液晶分子的取向

液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n称为指向矢量，设

和

分别为当电场与指向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。

定义介电各向异性△ε：

△ε＞0的液晶称为P型液晶

△ε＜0的液晶称为N型液晶

在外电场作用下——P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向

N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向

目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。

2.3.2线偏振光在向列液晶中的传播

图2.3

随着光线沿着z方向前进，偏振光相继成为椭圆、圆和线偏振光，同时改变了线偏振方向。

最后，这束光将以位相差

所决定的偏振状态，进入空气中。

2.3.3线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播

把液晶盒的两个内表面作沿面排列处理并使盒表面上的向列相液晶分子方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90º

扭曲，即构成扭曲向列液晶，光波波长λ<

<

P（螺距）。

当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；

若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出，当以其它方向的线偏振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的位相差

的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。

图2.4

第三章液晶显示技术

目前，扭曲向列型液晶（TN）即将淘汰，超扭曲向列型（STN）和有源矩阵（TFT）已成熟普及。

本章就以上几种液晶显示技术进行讨论。

3.1LCD液晶结构和显像原理

今天，LCD（LiquidCrystalDisplay）已经渗入各种需要进行图像和数据显示的电子终端，且平板电视的普及风暴已经被引爆，众多的平板显示技术中TFT-LCD占据了绝对主流。

在此，我让大家认识一下TFT-LCD是如何将影像显示出来。

3.1.1液晶显示屏的基本构造

图3.1

1、背光板：

LCD的显像原理是靠液晶阻挡光线的分量达到控制明暗，所以必须要有光源才可能在屏幕上看到图像，所以背光板负责为液晶屏显像提供最基本的光源。

2、下偏光板：

背光板送出来的光线方向性不一致，呈放射状，如果这样的光线通过液晶分子的扭转，我们在屏幕上还是看不到正常的图像，看到的可能是白茫茫的一片，或者是花花绿绿的色块，而不会是我们想看到的图像。

下面的偏光板承担了将光线的方向规范成一致后再送往液晶层的工作。

3、薄膜基板：

液晶分子的扭转角度是由TFT控制。

4、液晶：

这层液晶分子在TFT控制下发生扭转，达到将方向一致的光线通亮进行控制，从而在通往后面像素单元的光线明暗度发生了改变。

5、彩色滤光片：

如果你有幸关于20世纪80年代记忆的话，相信你会记得当时的黑白电视屏幕前经常会有一片彩色的塑料片片，安装上了这片塑料片后，黑白电视机似乎变成了彩色电视机，我们可以看到某些时候人的脸蛋变粉红了、嘴唇变红了、其他的景物都有了颜色，虽然有时候颜色并不符合实际。

其实这片塑料片就是彩色滤色片（这个东西的发明者估计灵感来自液晶显示器）。

液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,液晶屏中每个液晶子像素显示的颜色取决于色彩过滤器，而不是子像素,背光源发出的是白色的光线，白色光线经过各种颜色的滤色片后，我们在滤色片后面可以看到与滤色片对应颜色的光线被传出，所以在液晶显示屏中，彩色滤色片的功能是上色，与CRT显示器的荧光粉功能对应。

液晶子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶,只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制,大多数则采用数字信号控制技术。

大部分数字控制的LCD都采用了8位控制器（也有的数字控制采用10位控制器），可以产生256级灰阶。

每个子像素能够表现256级,那么你就能够得到256×

3种色彩,每个像素能够表现16,777,216种成色，也就是我们常见的所谓1677.7216万色。

因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种24位的色度已经能完全达到理想要求。

工程师们通过脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。

6、上偏光板：

原本方向一致光线经过了液晶层的扭转后又变得方向不一致，所以如果不把呈漫射状的光线再次规整，则在屏幕前看到的依然是白茫茫一片，被液晶扭转过了的光线并没有体现出来，所以必须在此将漫射光进行规整，使用一片与下偏光片偏光方向正交偏光片将经过液晶扭转的光心重新进行偏转，不同角度的光线经过上偏光板的亮度不同，所以我们可以在屏幕上可以看到明暗交替画面，因为被偏转的光线是经过了彩色滤色片的彩色光，所以我们在屏幕前可以看到我们需要的图像。

具体原理如图3.2所示。

图3.2

图3.3无上偏光板 

图3.4有上偏光板与无上偏光板效果对比

图3.5加上偏光板的完整画面

3.1.2LCD的彩色成像原理

LCD的彩色成像原理与CRT一样，还是通过红、绿、蓝三基色组成各种颜色。

不同的是CRT通过高速电子束击打三基色荧光粉产生彩色光，LCD通过规律涂有三基色的滤色片后产生彩色。

通过控制滤色片每个基色下的液晶分子是透过液晶分子的光线亮度发生变化，从而达到有不同亮度的基色模拟自然界的各种色彩。

由于滤色片在上偏光板的下面，所以造成了LCD屏看成像有视角要求，不过这个问题现在已经解决的相当的好了。

三基色组合成各种彩色的示意如图3.6。

图3.6

3.1.3LCD的成像质量关联

如图3.7，我们可以知道彩色滤色片的基色排列有不一样。

根据彩色滤色片基色的位置不一样，其下面对应液晶分子单元控制顺序必须作相应的更改，否则显示出来的图像只能是花屏。

图3.7种的三种彩色滤色片基色排列中条形排列是最为简单的，因为基色排列简单成纵横线，所以控制起来相对简单，但是这种排列顺序的排列得到的图象并不完美，它可能出现显示的线条粗细不均匀，而且图像斜线面的锯齿现象严重。

所以发展了马赛克排列状的绿色片，这种排列可以比较好地解决图像锯齿问题，但是这种排列顺序依然无法解决线条的精细显示问题，这种排列得到的图象线条可能有时正常，但是有时候却会粗细不一，所以戴尔形排列得彩色滤光片产生了，这种排列可以很好地解决锯齿、线条粗细均匀的问题，但是这种排列的液晶分子控制是最复杂的。

图3.7

3.2扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）

3.2.1工作原理

图3.8

TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术，而之后其它种类的液晶显示器也是以TN型为基础来进行改良。

而且，它的运作原理也较其它技术来的简单。

图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。

在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度。

在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。

当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。

液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。

TN型的显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附向膜的细沟槽方向，按序旋转排列。

如果电场未形成，光线就会顺利的从偏光板射入，液晶分子将其行进方向旋转，然后从另一边射出。

如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。

这样得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twistednematicfieldeffect）。

电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。

3.2.2TN-LCD的电光特性

阈值电压Vth——透射率为器件最大透射率的90%（常白型）或10%（常黑型）所对应的电压有效值，Vth是和液晶材料有关的参数，对于TN-LCD，大约在1—2V之间。

饱和电压Vsat——透射率为器件最大透射率的10%（常白型）或90%（常黑型）所对应的电压有效值。

图3.9

LCD的对比度是在恒定环境照明条件下显示部分亮态与暗态的亮度之比，由于偏离显示板法线方向不同角度入射到液晶盒的光，遇到不同的液晶分子排列形态，造成有效光学延迟量的不同；

因此不同视角下对比度就不同，甚至可能出现暗态的透射率超过亮态透射率的情况，即出现对比度反转。

液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：

延迟时间

，定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间；

上升时间

，定义为透光率从10%增加到90%所用的时间；

下降时间

，定义为透光率从90%下降到10%所用的时间。

目前普通TN-LCD的响应时间在80ms左右。

图3.10

3.2.3TN-LCD的驱动

LCD的驱动有如下一些特点：

（1）为防止施加直流电压使液晶材料发生电化学反应从而造成性能不可逆的劣化，缩短使用寿命，必须用交流驱动，同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分；

（2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关；

（3）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。

TN-LCD液晶显示的电极：

段型电极、矩阵型电极

TN-LCD驱动方式：

静态驱动、矩阵寻址驱动

静态驱动——在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止。

静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量不多的段式显示。

矩阵寻址驱动——TN-LCD的矩阵寻址驱动实际上是一种简单矩阵（或无源矩阵）驱动方式，即把TN-LCD的上下基板上的ITO电极做成条状图形，并互相正交，行、列电极交叉点为显示单元，称为像素。

按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，即扫描电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍，就显示出一帧信息，若行电极数为N，每一行选通的时间只有一帧时间的1/N，称1/N为该矩阵寻址的占空比，占空比越小，每行在一帧时间内实际显示的时间所占的比例越小。

图3.11

3.3超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）

图3.12

STN型的显示原理与TN相类似。

不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。

必须在这里指出的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。

而STN液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。

但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（colorfilter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

另外，TN型的液晶显示器显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，亦可以在一定程度上弥补对比度不足的情况。

3.4有源矩阵液晶显示（AM-LCD）

有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料。

有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种：

二端型以MIM（金属-绝缘体-金属）二极管阵列为主

三端型以薄膜晶体管（TFT）为主。

3.4.1二端有源矩阵液晶显示

图3.13

图3.14

3.4.2三端有源矩阵液晶显示

图3.15

3.4.3LCD的背光源

LCD可以在反射、透射或者透反射模式下工作，但为了实现高对比度的全色显示，往往选择在透射模式下工作，这就需要外照光源。

这种光源一般置于液晶盒背后，称为LCD的背光源。

目前采用的背光源主要有三种：

热阴极荧光灯（HCFL），冷阴极荧光灯（CCFL）和电致发光板。

图3.16

第四章我国液晶显示的发展状况

从七十年代末、八十年代初以原电子部七七四厂（即现京东方的前身）七七○厂、上海电子管厂为代表的作坊式TN－LCD实验线开始到现在，中国的LCD产业已经走过了近三十年的历程，经历几次大的投资浪潮之后，中国大陆已经成为全世界最大的TN－LCD生产基地和主要的STN－LCD生产基地，从2003年又开始大手笔涉足TFT－LCD，以京东方电子科技集团收购韩国现代三条TFT－LCD生产线和所有LCD业务以及京东方和上广电又分别投资在大陆建设二条第五代TFT－LCD生产线为标志，中国成为世界LCD产业第四极力量乃至更强的预言正在逐步变成现实。

在全球液晶显示产业发展年表上，中国的起步时间并不算太晚，七十年代末八十年代初，以清华大学、长春物理所为代表的科研院所和以原电子部七七四厂、七七○厂、上海电子管厂为代表的企业都开始涉足LCD技术及产品的研发和样品制做，但一直到84年，无论是自主拼装设备还是从美国引入的设备，都是作坊式小规模的实验线，没有形成批量的生产规模，但这些实验室和实验线却奠定了中国液晶产业的基础，在这些实验线上曾经工作过的一批人，在后来中国LCD产业发展的各个阶段都发挥了积极的作用。

4.1TN-LCD时期

1984年，深圳中航天马公司建成第一条4″规格的TN－LCD生产线，七七○厂建成第一条7″规格设备较先进的LCD规模生产线（主要设备通过香港从日本引入）。

继这之后，深圳的先科集团和新加坡辉开集团合资成立了深圳深辉公司，他们也是一条7″规格的LCD生产线，深圳晶华公司也差不多同时建成一条TN－LCD生产线，在香港LCD产量占据第一位的康力公司生产线也转移到了广东惠州。

随后天马二期、晶蕾、华泰等又相继建成12″以上规格更大规模的TN－LCD生产线。

除上述内资建设的生产线外，以信利为代表的香港很多企业在那个时期也纷纷在大陆兴建TN－LCD生产线。

八十年代末、九十年初这段时期被认为是中国LCD产业的第一个黄金期，这个时期形成了相当的TN－LCD产业规模，深圳天马公司从4″线开始，很快又建了1条7″线，在90年代初又建成1条12″线，在当时规模较大，产品质量较好，聚集了一批高水平的技术人员而奠定了其在业界的影响。

4.2STN-LCD时期

中国大陆涉足STN－LCD是从九十年初开始，国家八五开发项目“640×

200超扭曲液晶显示项目”由七七○厂和清华大学、南京五十五所共同完成。

93年以后，天马三期一天骏项目、河北冀雅、无锡夏普、汕尾信利二期、上海广电液晶、迈尔科特等都先后建成12″×

14″或14″×

14″规格的STN－LCD生产线，生产大中尺寸的STN－LCD产品，而鞍山三特电子（现鞍山亚世光电）、汕头超声等公司建成的STN－LCD生产线，则以生产中小尺寸STN－LCD产品为主，其他技术水平较高的TN－LCD线也在这个时期顺应市场发展需要局部改造兼容生产STN－LCD产品，如深圳晶华、上海海晶等，但以上建成的STN－LCD生产线除无锡夏普能生产彩色STN－LCD外，其他生产线均只能批量生产有色模式和黑白STN－LCD产品。

从九十年代末开始，进入彩色STN－LCD生产线建设热点时期，飞利浦在上海建成二条14″×

16″彩色STN－LCD线，与前期已在上海建成的STN模块生产线一起，力图打造上海飞利浦LCD城，而信利在将单色STN－LCD生产线改造成CSTN－LCD生产线后，又投资建成了一条专门的彩色CSTN－LCD生产线，日资企业日本新电器则在广东东莞建成一条CSTN－LCD生产线。

爱普生和OPTRIX则分别在苏州和张家港成立苏州爱普生和张家港光王电子并建生产线，专门生产中小尺寸的STN和彩色STN－LCD，深圳天马在2003年完成四期天龙工程，以一条14″×

16″的CSTN生产线生产以手机屏、PDA为主的彩色STN－LCD。

韩国三星继STN模块生产线之后又在东莞建成一条彩色STN－LCD生产线，长春的联信在长春建成的彩色STN－LCD生产线已进入大批量生产阶段，深圳比亚迪公司、汕头超声也在进入2004年以后相继建成彩色STN－LCD生产线，已开始试生产和批量生产彩色STN－LCD。

4.3TFT-LCD时期

2000年以前，中国在TFT方面的工作仅限于部分高校和研究所在一些小范围的研究上。

2000年，吉林电子集团从日本购进了一条第一代的TFT—LCD二手线，在生产一些中小尺寸的TFT产品。

2003年2月，京东方电子科技集团用3.8亿美元成功收购韩国现代3条TFT生产线和业务，并在当年全球大尺寸TFT销售额上排名第九，该现并购进入03年中国十大成功并购案之列。

2003年6月，京东方又宣布在北京亦庄经济技术开发区投资12亿美元建设第五代TFT—LCD生产线；

2003年10月，京东方TFT模块生产线落户北京，这个生产线也是京东方TFT事业的一个组成部分。

2003年4月，上海广电集团与日本NEC公司达成协议，共同投资1146亿日元在上海莘庄建设第五代TFT—LCD生产线，这条生产线玻璃尺寸与京东方一样也是1100*1300，目标产品是笔记本电脑、监视器以及电视用显示屏。

在南京，新华日购进了NEC的第一代TFT二手线，投资约在5400万美元，总投资比彩晶小，目标产品也是定位在中小尺寸上。

4.4LCD模块时期

TN－LCD和STN－LCD的模块生产线由于投资小，技术门槛相对较低，在中国大陆的数量比屏的生产线数量要大很高，其布局也比较分散，早期的模块厂以个人或小企业投资为主，规模较小。

但近几年，随着中国大陆手机生产数量的大幅增长，对配套器件本地化的要求，以及模块产值较大和直接面对终端客户的吸引力，使很多拥有屏生产线的厂家和下游整机厂家也都开始兴建自己规模较大的模块厂，其中规模较大的有上海飞利浦、北京三五电子、东莞三星电子、张家