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液晶显示器结构设计毕业论文
摘要
液晶显示器以其图像清晰细腻，不闪烁，不伤眼，无辐射，体积小，更轻薄等众多优点而取代了传统的CRT（阴极射线管）显示器，备受广大消费者青睐。
目前较多应用于电子表，手机，MP3/4，PDA，掌上游戏机，GPS导航仪，数码照相机，数码摄影机，电脑显示器，电视机等。
在汽车，医疗，军事各领域均有应用。
其中较好的结构设计和构装技术可以在日常应用中更好的保护液晶显示器免受外界环境的影响和破坏，为产品的寿命延长起到非常积极地作用，为产品积累更多的信誉和口碑。
本文介绍了LCD显示器的原理，设计过程，及其生产工艺流程。
借助于AutoCAD和PRO/E软件设计了一款3.2英寸LCD彩色显示器。
该款为480*RGB*800高分辨率显示器，适用于高端手机和PDA。
关键词：
液晶显示器，原理；触摸功能
Abstract
LCDliquidcrystaldisplaywithitscrispandclearimages,noflicker,noeyeinjury,radiation,smallsize,light,andsomanymoreadvantagesthatreplacethetraditionalCRT（cathoderaytube）monitors,whichissatisfyingmoreandmoreconsumers.Moreusedinthecurrentelectronicform,phone,MP3/4,PDA,handheldgameconsoles,GPSnavigationsystems,digitalcameras,digitalcameras,computermonitors,televisions,billboards,andothergiantscreen.Itisusedinvariousfieldsliketheautomotive,medical,militaryapplications.Onegoodstructuredesignandpackagingtechnologyindailyapplicationcanbeabetterprotectionoftheliquidcrystaldisplaysfromoutsidetheinfluenceoftheenvironmentanddestruction,forproductlifeextensionplayaveryactiverolefortheproduct,makethemostofthecreditandreputation.
ThisarticledescribestheprincipleofLCDmonitors,thedesignprocess,Ansysmechanicalanalysisandproductionprocess.WithAutoCADandPRO/Esoftwaredesignfeaturesa3.2inchLCDcolordisplaywithtouch.Whichis480*RGB*800high-resolutiondisplaysforhigh-endmobilephonesandPDA.
Keywords：
LCD；principle；touchpanel
第一章液晶显示器介绍及其结构解析
1.1液晶显示器介绍
1.1.1液晶显示器的历史
液晶的发现
早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。
在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。
从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。
利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。
今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特象棉花棒。
与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。
由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。
目前液晶显示器所用液晶的分子几乎都是棒状的，这是液晶分子的典型结构。
它是直径约0.4nm，长约2nm的有机体。
这种液晶分子由四部分组成：
作为骨架的刚硬部分（联苯），柔软的尾部（戊基），二者间的连接部分（烷叉基）和极性基（氰基）组成。
其中，刚硬的骨架部分保证液晶分子按一定的规则排列。
，柔软部分有利于液晶分子的运动，极性基则提供电场作用下的转矩。
当这种液晶材料被夹于两个电极之间时，在两电极所施加电场的作用下，液晶分子纵向排列；无电压时，液晶分子横向排列。
它在显示时的作用可以类比成窗帘。
当电压处于ON状态时，窗帘打开，光线可以通过；当电压处于OFF时，窗帘封闭。
在液晶显示器中，液晶材料的使用量是非常少的。
12英寸的液晶显示器，大约需要230mg，每一滴眼药按50mg计，仅仅是5滴眼药水的份量。
液晶材料用量是如此至少，却有着不可替代的作用。
足以看出液晶对于液晶显示器的作用。
1.1.2液晶显示器的发明与发展
1930-1960年期间是液晶研究的空白期。
究其原因，是由于当时没有发现液晶的实际应用。
但是，在此期间，半导体电子工学却得到长足进展。
为使液晶能在显示器中应用。
透明电极的图形化以及半导体电路一体化的细微加工技术必不可缺。
随着半导体工学的进步，这些技术早已不在话下。
20世纪40年代，开发出硅半导体，利用传导电子的n半导体和传导空穴的p半导体构成pn结，发明了二极管和三极管。
在此之前，在电路中为了实现从交流到直流的整流功能，要采用真空二极管，要实现放大功能，要采用真空三极管。
这些大而笨重的器件完全可以由半导体二极管和三极管替代，不需要向真空中发射电子，仅在固体，特别是极薄的膜层中，即可实现整流放大功能，从而使电子回路实现了小型化。
接着，光加工技术实现了包括二极管，三极管在内的电子回路图形的薄膜化，超细微化。
这种技术简称为光刻。
20世纪60年代，随着半导体集成电路（IC）技术的进展，电子设备实现了进一步小型化。
上述技术进步，对于在液晶显示装置中的应用是必不可少的。
随着材料科学和材料加工技术的进一步发展，以及新型显示模式和驱动技术的开发，液晶显示器获得飞速发展。
1971年5月美国Optel公司，1972年Microma公司先后采用DS（DynamicScatering，动态散射）现显示模式液晶显示的数字式电子手表推向市场。
但是，两家公司推出的产品在液晶质量和寿命方面都存在问题，不能长时间使用，而且还存在驱动电压高，相应速度慢等问题。
与之相对的是，日本精工集团为了解决上述问题，不是采用DS模式，而是采用TN（TwistedNematic），扭曲向列）模式，成功地实现了实用化。
TN模式是没有电流通过的显示模式。
因此耐久性显著提高，电能消耗也小，即使不更换电池也能使用1.5-2年。
但是，当时液晶显示器的工作温度范围窄，在0-70°C，实现冰点以下的显示仍然是有待解决的课题。
1.1.3液晶显示器的分类
晶产品其实早存在于我们的生活之中。
如电子表、计算器、掌上游戏机等。
按照分子结构排列的不同可分为三种：
类似粘土状的Smestic液晶、类似棉花棒的Nematic液晶、类似胆固醇状的Choleseic液晶，这三种液晶的物理特性不尽相同，用于液晶显示器的是第二种液晶。
采用此种液晶制造的显示器称为LCD。
常见的液晶显示器分为TN—LCD、STN—LCD、DSTN—LCD和TFT—LCD四种，其中前三种基本的显示原理都相同，只是分子排列顺序不同而已；而TFT—LCD采用的是与TN系列LCD截然不同的工作原理。
目前电脑上采用的都是这种液晶显示器。
其工作原理是采用两夹层，中间填充液晶分子，夹层上部为FET晶体管。
夹层下部为共同电板，在光源设计上要用“背透式”照射方式，在液晶的背部设置类似日光灯的光管。
光源照射时由下而上透出借助液晶分子传导光线，透过FET晶体管层，晶体分子会扭转排列方向产生透光现象，影像透过光线显示到屏幕上，到下一次产生通电之后分子的排列顺序又会改变，再显示出不同影像。
1.1.4液晶显示器的和传统显示器的比较
虽然产品购造和显示原理都不尽相同，液晶显示器（LCD）和传统显示器（CRT）的共同目的都是达到优良的显示效果，现在我们对CRT和TFT液晶显示器作一比较。
结构和产品体积：
传统的CRT型显示器必须通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管就不能太短，当屏幕增大时也必须加大体积，TFT则通过显示器上的电子板来改变分子状态，以达到显示目的，即使屏幕加大，它只需将水平面积增大即可，而体积却不会有很大增加，而且要比CRT显示器轻很多，同时TFT由于功耗只用于电板和驱动IC上，因而耗电量较小。
辐射和电磁干扰：
传统的显示器由于采用电子枪发射电子束打到屏幕产生辐射源。
虽然现在有一些先进的技术可将辐射降到最小，但仍然不能完全根除。
TFT液晶显示器则不必担心这一点。
至于电磁波的干扰，TFT液晶显示器只有来自驱动电路的少量电磁波，只要将外壳严格密封就可使电磁波不外泄，而CRT显示器为了散热不得不在机体上打出散热孔，所以必定会产生电磁干扰。
屏幕平坦度和分辩率：
TFT液晶一开始就采用纯平面的玻璃板，所以平坦度要比大多数CRT显示器好得多，当然现在有了纯平面的CRT彩显。
在分辨率上，TFT却远不如CRT显示器，虽然从理论上讲它可提供更高的分辩率，但事实却不是这样。
显示效果：
传统CRT显示器是通过电子枪打击荧光粉因而显示的亮度比液晶的透光式显示要好得多，在可视角度上CRT也要比TFT好一些，在显示反映速度上，CRT与TFT相差无几。
1.1.5液晶显示器近期发展趋势
由于液晶显示器有着许多传统CRT不可比拟的优点，所以它会越来越多地用于桌面台式显示器上，液晶显示器是通过数字信号来显示影像的，和阴极射线管采用模拟信号不太相同，不过为了符合市场要求，目前液晶显示器的信号种类是模拟与数字两种均有。
采用模拟信号的好处是可以和目前绝大多数显卡兼容，但是这样做在液晶显示器内部还得加装一个APC，将传输进来的模拟信号再转换成数字信号，这样可能会影响显示品质。
目前一些供应商正在制定PC机与LCD之间的专用标准接口，其目的是提供在主流机型已存在的端口上直接兼容数字信号，不过目前的显卡很少有支持数字传输界面的，而且数字界面的管脚也尚未统一，这是近期内要解决的问题之一。
此外，液晶显示器的色彩调校。
一直不尽如人意，这是因为LCD的色彩调校要考虑到环境光源和液晶显示器的属性，再加上液晶显示器的可视角度狭窄，要同时调整出一个最佳的观看角度和色彩正确性就非常不容易。
目前市面上还没有专为桌面型液晶显示器所设计的色彩调校软件，不过相信未来，将会有更多的厂商重视液晶显示器的色彩调校。
1.1.6液晶显示器所涉及的学科体系
开发液晶显示器需要研究的课题
涉及的学科体系
理解液晶的定义
物理化学
了解分子形状和大小，以及结构和排列方式
原子，分子结构，化学键理论，有机化学，结晶化学
偏光和颜色（光射入液晶会发生什么现象？
）
液晶光学，电磁波理论，色度学
电压作用于液晶会发生什么现象
电化学和物理化学，电场理论
如何理解ITO既透明又导电的特性
陶瓷材料结构，固体电子论
关于液晶显示器的无源驱动和有源驱动
电子学及电路控制
TFT的原理及制作
微电子学，大规模集成电路制作工艺
如何提高TFTLCD的显示性能
各种专门知识和技能的综合运用
液晶显示器显示性能的评价
测试方法及视觉理论
液晶显示器的关键材料及部件
有机材料科学，无机材料科学
TFTLCD显示屏的制作，显示器模块的组装
液晶屏制作工艺，电子封装工艺
1.2液晶显示器显示原理
1.2.1液晶分子
任何物质中，分子或原子之间都存在使其聚集在一起的力，我们可以称之为“凝聚力”；另一方面，分子或原子也存在激烈运动，并且，温度越高，运动越激烈。
物质处于何种状态，气态，固态，还是液态，决定于凝聚力的大小与原子，分子运动强弱二者之间的关系。
1888年，奥地利植物学家瑞尼泽尔在液体和固态晶体之间还存在一类处于中间状态的物质-安息香酸胆甾醇脂，将这种状态命名为“液态晶体”，简称“液晶”。
瑞尼泽尔测定了这种物质的熔点。
加热观察其状态的变化。
在从固态变为液态的过程中，发现融化状态经历两个阶段。
在145.5°C时，从晶体变为乳白色浑浊液体，且具有一定的粘滞性。
当温度继续升高，在178.5°C时，变为透明清澈的普通液体。
而且，在上述浑浊状态下，可以看到珍珠样的彩虹色。
大多数固体，如金属，陶瓷，矿物等，都呈现晶体形态。
但是也有像玻璃，无定形碳，非晶态硅（amorphoussilicon，a-Si）等不呈晶态，而呈非晶态的物质。
所以应该将液晶理解为处于液态与晶态之间的状态，而非液态与固态之间的状态。
1.2.2通过改变液晶分子的排列状态实现液晶显示
液晶显示器的工作原理可以用几句话概括：
“当光入射时，液晶分子调制光使光通透遮断，以进行文字和头像的显示。
”尽管粗略，却也言中本质。
因此，使液晶分子规则排列，进一步使液晶分子发生规则性变化就是必不可少的。
并非已经发现的所有液晶物质都能用于显示。
只有满足如下条件，才能作为显示器用液晶材料的候选：
（1）.具有优良的规则排列特性；
（2）.在外加电压作用下，其排列方向能极快的发生变化；
（3）.这些动作可在室温范围内进行。
一般来说，使有机分子排列的原动力是分子间作用力，即范德华力，该力以引力的形式存在于分子之间。
相对于构成凝聚态物质的很强的一次建（共价键，离子键，金属键）力而言，属于二次键力的范德华力尽管很弱，但对于实现液晶分子的排列来说，却起着关键作用。
实际上，通过对范德华力进行控制，就可以制成用于液晶显示器的液晶材料。
首先，需要了解到为什么向列型，层列型，胆甾相型的液晶分子是由于范德华力按照一定规则排列的。
其次，范德华力有多种，但对于液晶分子来说，范德华力源于电子偏移而引起的永久偶极子之间的作用力。
需要强调的是，范德华力的大小取决于分子大小和形状，如果存在环状的双键，则范德华力会增强。
若存在苯基，则范德华力大大增强。
通过对分子结构（苯基与直链的组合）的控制，就能对液晶分子的排列进行控制。
特别是，通过苯基与直链碳氢原子团上的极性基最佳组合，可制作出满足显示性能要求的液晶。
另外一个问题，如何对液晶分子工作温度进行改良。
如果液晶显示器在寒冷地区变为固体，在炎热地区变为液体，将给使用者造成极大麻烦。
所以，液晶的工作区域温度不仅要涵盖室温，而且其范围越宽越好，无论在寒冷的北极，还是在炎热的赤道，特别是作为汽车导航仪使用的情况下，要求能在-10~100摄氏度宽广的范围内工作。
所谓液晶，是液体和晶体的中间状态。
液晶稳定存在的温度，大致在其熔点附近，因此，首先要液晶的熔点，努力使其接近室温。
有机物质的熔点与碳的数目相关。
碳的数目增多，相对分子质量增大，熔点也上升。
最初发现的胆甾醇安息香酸酯仅在145~178摄氏度呈现液晶特性，显然，相对分子质量太大了。
5CB曾是实用液晶的一种，该分子中碳原子数目为18，稳定存在的温度是22.5~35摄氏度，采用这种液晶不必附带加热器。
但是，单一的液晶物质处于液晶状态的温度非常窄，为了用于实际的液晶显示器，需要掺入各种各样的液晶物质，以扩大混合液晶材料稳定工作的温度范围。
液晶分子若能在室温下使用，范德华力过强或者过弱都难以胜任这样的工作。
也就是说，若室温时以固态的形式存在，则范德华力过强；而以液态形式存在，则范德华力过弱。
因此，需要具有理想范德华力的液晶分子。
原子团的组合可以有效控制范德华力。
苯环难以变形，刚硬性强。
而且，由于具有双键，范德华力强。
苯基越多越容易变为固体。
即使处于液晶状态，在电场作用下的运动状态也不理想。
相比之下，烷基由单键构成，范德华力弱，柔软性好，容易变形。
液晶分子除了苯基以外，还有像尾巴一样的烷基，通过对苯基和烷基的合理组合，可以有效调节范德华力。
液晶分子由苯基等刚硬部分，烷基等柔软部分，在电场作用下决定液晶分子排列方向的极性基，以及连接刚硬部分和柔软部分且富有弹性的连接部分等四大部分组成。
苯环己烷系，苯双环己烷系等都属于液晶分子。
这些是以液晶分子刚硬部分的特征来命名的，前者并列两个碳还，后者并列三个碳环，由于这些液晶分子构成的液晶材料粘滞性小，对电压响应速度快，热，光作用下的稳定性好。
即时两个苯环并列的联苯并列的联苯系物质也显示液晶性，但相比之下，由一个苯环和一个环己烷连结而成的液晶具有粘滞性小的优点。
液晶分子的旋光性，利用螺旋排列的液晶，使直线偏振光的偏振面发生旋转的现象。
利用液晶分子的这种性质可以达到对入射光进行控制，让入射光通过还是遮断的目的，达到显示的效果（如图1.2.1）。
图1.2.1液晶分子对入射光的偏转作用
为了显示文字和图形，微细加工技术是至关重要的。
对于黑白画面的液晶显示器来说，要想利用它显示文字和图形，只需要在有字的地方遮蔽光，无字的地方遮蔽光即可。
当遮蔽光时，只要在光的通路上设置某种障碍物，使光不能透过就可以了。
但是，在画面上显示文字和图形，而且能随时间而变，必须将画面精细地分割，对于一个个微小的像素能全面布置且随时放入，取出极小的障碍物。
要想制造出这样的装置着实不易。
例如，240*320像素的显示屏，需要76800个这样微小的障碍物，这样的装置几乎不可以完成。
着眼于构成物质的基本单元-分子，如果对其旋转实施有效控制，则可以实现精细动画显示。
要想做到这一点，需要用微细加工的透明电极，将上物质夹于其间。
施加电压时，仅使与电极相接触的极细部分的物质（分子）发生旋转，从而达到与放出，取出障碍物同等的效果。
其中，画面上的所有像素，必须以像素为单位独立地施加电压。
也就是说，用来施加电压的电极必须按像素各自独立，而且要做到十分精细。
几十年前，半导体集成电路制程中的光刻技术已达到微米，亚微米水平，由此来制作画面为数十万个像素的电极，并用于液晶显示器，已经没有太大困难。
上世纪七十年代，像素数达到100个左右，世纪末达到数百万个。
如果要将液晶用于显示器，离不开透明电极。
如果画面上的电极是非透明的。
则将看不到画面，更谈不上显示了。
为了解决这一难题，开发出对于可见光透明，而且导电的物质。
现在，作为显示器用电极，一般采用氧化铟中添加5%~10%的透明导电陶瓷（氧化物固溶体）材料。
这种物质称为铟锡氧化物（indiumtinoxide），取英文首字母，简称ITO。
ITO是以两种氧化物的固溶体结构存在，并以薄膜的形式沉积在玻璃基板上，做成透明电极而使用。
1.2.3ITO膜的两种典型制作方法
（1）.真空蒸镀法（共沉积法）：
在真空中使氧化铟和氧化锡同时蒸发，在温度相对较低的基板上，二者同时凝聚，固溶，附着，形成ITO膜，一般称为真空蒸镀法。
由于是两种成分同时蒸发和凝聚，又称其为共沉积法。
（2）.溅射镀膜法（溅镀法）：
在由氧化铟，氧化锡粉末压制烧结而成的ITO靶上施加电压，形成氩气体放电的等离子体，氩离子在电压作用下高速碰撞靶，发生溅射作用，使靶成分的原子碰出和气化，并沉积在基板上，称这种方法为溅射镀膜法（简称溅镀法）。
1.2.4解释液晶显示器的构造
图1.2.2LCD层列结构
如上图，主要组成部件包括：
1.照明光源（LED），为显示器提供光源；
2．反射膜；
3.导光板；
4.扩散片；
5.上下增光膜；
6.上下偏光片；
7.液晶盒（包括玻璃基板，透明电极，取向膜，液晶层，隔离子等构成）。
其中，反光膜，导光板和扩散片以及增光膜所起的作用是将点光源（LED）发出的光均匀的分布到整个画面。
下偏光片起到的是起偏片的作用：
产生仅沿特定方向振动的光（偏振光）。
上偏光片起检偏片的作用：
或对偏振光遮挡，或使偏振光透过。
液晶盒由两块玻璃基板封接而成，中间仅保持5um左右的缝隙，其中封入液晶。
玻璃基板表面按要求预先形成透明电极，以便对液晶施加电压。
在上述布置下，可以使液晶分子的方向发生变化，进而利用液晶分子取向的不同，使偏振光透过或者遮断，从而达到画面显示的目的。
液晶显示器的制作流程图示：
图1.2.3液晶显示器制作流程图
1．玻璃基板彻底洗净。
清洗有机物，一般采用三氯乙烯（因环
保要求而限制使用）和异丙醇等；出去金属和金属锈蚀以及灰尘等等，一般采用过氧化氢的氢氧化钠溶液以及过氧化氢的盐酸溶液等。
2．利用真空蒸镀法和溅射镀膜法等，在洗净的玻璃基板上全面
沉降ITO透明导电膜。
3．利用光刻法制作电极图形（pattern）。
4．在基板内表面涂覆取向膜（聚酰亚胺膜），利用外带长纤维
的辊子等对对取向膜进行摩擦，使取向膜表面留下按特定方向排列的伤痕，则液晶分子会沿着表面伤痕定向排列。
当然，也有需要使液晶分子垂直表面并排的场合，对此可采用特殊蒸镀沉积等取向方式。
5．在前后两块玻璃基板之间，散布隔离子（早期为陶瓷颗粒，
目前多用有机颗粒或印刷浆料成型），以保持两块玻璃基板的间隙为5um左右。
两块玻璃基板由框胶固定贴合（封接），并预留液晶注入口。
需要特别注意的是，两块玻璃基板的间隙要均匀，否则画面显示易出现色斑。
6．排除间隙中的空气，使之保持真空状态。
7.在对液晶少许加热，使之具有流动性之后，向间隙中注入液
晶，充满之后，堵塞注入口。
8.贴附上下偏光片。
9.安装背光模块。
1.2.5液晶显示器的驱动与显示
1.笔段式显示和静态驱动
在液晶显示器中，必须对用来显示文字的微小区域，而且要对多个微小区域，进行电压ON/OFF的切换。
为进行这种切换，如何布置电极，又如何设置开关呢？
最简单的方法是采用静态驱动的笔段式显示（比如电子手表）。
在最早实现实用化的液晶手表中，采用的就是TN型笔段式显示。
正如数字盘8笔段计算器和数字式手表中所见到的。
电极由8个笔段按“8”来布置。
这里所说恩恩笔段（segment），有“区段”，“部分”等含义，是电极随电压ON/OFF发生黑白变化的基本单元。
在上玻璃基板的内侧形成笔段电极，每一个笔段都连有布线和端子，与设于外部的开关相连接。
开关不设置在画面上。
与上玻璃基板相配合，下玻璃基板的内侧形成共用电极。
当所有电极都处于ON时，显示为黑色。
在这种情况下，每一个笔段构成一个像素。
像素越多，显示的图像月清晰。
对于静态驱动来说，存在下列关系：
笔段数=笔段电极数=开关数
为了增加像素数，必须同时增加电极数及开关数，这实现起来比较困难。
正因为如此，这种方法只能显示数字，字母等简单符号，多用于计算器，手表，家用电器等。
2.矩阵式显示和动态驱动
为了实现更精细的显示，需要在像素分得更小的前提下，电极数目却不增加。
为此，利用细长的电极，在上玻璃内侧的ITO薄膜上布置纵向条状电极，在下玻璃布置横向条状电极。
在这种情况下，有
像素数=横向电极数*纵向电极数
图1.2.4矩阵式显示
横向布置的电极（行电极）又称为“扫描电极”。
纵向布置的电极（列电极）又称为“显示电极”。
由横向电极自上而下反复ON/OFF反复扫描。
如下图显示画面中的“33”：
如图2.2.3，为了显示“33”这一数字，第1行扫描电极ON时，列电极从左数，第2，3，6，7列的电极处于ON。
下一瞬间，
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