液晶显示技术
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A. Takeda, SID’98, p.1077, 1998.
第二代多范畴垂直取向（ 第二代多范畴垂直取向（MVA） ）
锥体物 + 狭缝
K. Okamoto, IDRC’03: 07-01
视角的改善
普通的 MVA CR=10 优化的MVA 优化的 在所有的角度CR>10 在所有的角度
色彩位移的改善
2 个区域 TN
180°
D-1
D-2
270°
Θ = 10° 80 40 20 10 5
20° 30°
40°
50° 90°
Φ = 0°
只改善垂直方向的视角 有旋转位移线 制造成本升高
Yang, IDRC’91, p.68
4个区域 TN 个区域
180o
Storage Capacitor 270o
θ=10 20 30 40 50 80 40 20 10 5
n
pitch
P
胆固醇液晶
R S
Black Paint V = 0; Bragg R ~ 50%(circular) λo= nP; ∆λ=100nm V ~ 15Vrms Focal Conic Scattering V ~ 30Vrms Homeotropic Optically Clear
胆固醇反射带宽
液晶显示器件的显示方式
• 直观式显示方式：直接观看显示面的方式， 钟表、计算器、各种仪表 • 投影式显示：将LCD上写入的光学图像放 大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶 光阀
直观式显示
• 透射型：是把来自背面的面状背光源的光 以显示信息的方式在LCD面板进行时空调 制。光源可以是荧光灯、场致发光板或发 光二极管等 • 反射型： • 透射反射兼用型
液晶晶相
• A相：双分子层结构 • B相：层片内的分子质心排列成面心六角形， 分子垂直于层面 • C相：分子与层面倾斜，在光学上是双轴的 由手性分子组成 近晶相液晶粘度大，分子不易转动，响应速 度慢，不易做显示器件
液晶的物理性质
• 曲率弹性：液晶受扰动时，分子取向有恢 复平行排列的能力，通常很小 向列相和胆甾相： 展曲 扭曲 弯曲 近晶相： 展曲和层面位移引起的混合弹性
响应时间的改善
Conventional MVA Average: 29.3 ms New MVA + overdrive Average: 11.6 ms
三星的专利来自百度文库
Off-State (Black) On-State (White)
VA (∆ε ∆ε<0), High CR; Rubbing free ∆ε Fringing field→ multi-domains → Need biaxial films (diagonals) Disclination lines?
Solid line Dashed lines
胆固醇液晶显示
特点: 特点 双稳态记忆/低功耗 双稳态记忆 低功耗 不需要偏振片) 高亮度(不需要偏振片 不需要偏振片 宽视角 挑战: 挑战 1. 驱动电压高 2. 对比度：颜色纯度 对比度： 3. 全彩色问题 (3-片叠在一起 → 8 颜色 颜色) 片叠在一起
Doane et al, APL 48, 269 (1986)
反射式聚合物液晶显示
Dye-doped(2 wt%) TPDLC LC/monomer= 60/40 Contrast ratio~10:1
LED为背光源
• 以前用在液晶显示的背光源是：冷阴极荧光灯管 （CCFL） • LED背光荧屏采用的是发光二极管 LED做背光源的优点： 1.屏幕可以做的更薄 2.画面效果更好 3.不会发黄变暗 。 4.更加省电 。 5.更加环保 。
手性列向液晶
一般的列向液晶
CN
director
手性列向液晶
CN
液晶显示器的特点
• 低压微功耗：３－５V，几µA/cm2 • 平板型结构 • 被动显示型：本身不发光，靠调制外界光进行显 示 • 显示信息量大：没有CRT阴罩限制，像素可以做 得很小，LCD可以进行投影显示及组合显示 • 易于彩色化 • 无电磁辐射 • 长寿命：可达50000小时
液晶显示技术的发展史
A. Lien, EuroDisplay, p.21, 1993; K.H. Kim et al., Asia Display, p.383, 1998.
平面内开关（ 平面内开关（In-Plane Switch） ）
V=0
演
示
IPS: 视角（View Angle） 视角（ ）
宽视角; 颜色变化? 宽视角 颜色变化
液晶技术的新进展
• • • • • • • • 采用ＴＦＴ型ａｃｔｉｖｅ素子进行驱动 利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑斓的画面 低反射液晶显示技术 先进的连续料界结晶硅液晶显示技术 超宽视角技术 超黑晶技术 超高开口率技术 反光低反射技术
主要任务
1.提高对比度 提高对比度 2.提高亮度：亮的背光源，高的光利用率 提高亮度： 提高亮度 亮的背光源， 3. 降低功耗 4. 提高响应速度 5. 提高视角宽度 6. 开发可折叠的电子报纸
______________________________________________________________________________________
* Desktop Monitors
* Hand-held PC, PDA, ...
透射式显示
反射式显示
T-mode 偏振片 玻璃 LCs
Kent Displays Inc.
可折叠电子报纸
聚合物液晶
IO IO
ne
no np
ne E= 0 no np
→
E
IT
1. 60-70% 液晶 + 30-40% 聚合物单体 相位分离 聚合物单体: 2. 微米量级的液晶球 光散射 微米量级的液晶球: 3. 不需要偏振片 高亮度 不需要偏振片: 4. 制备简单 可折叠基板 制备简单: 5. 对比度取决于接受的角度
R-mode 偏振片 宽带 λ/4 波片
LCs
dT
dR
玻璃 偏振片
dR
LCs 反射镜 玻璃
背光源
T/R LCDs: Comparison
Indoor Outdoor
T
R
R
T
T-LCD: 适合室内 R-LCD: 适合室外
透反射式显示方式
透反射式兼用显示方式
T-mode R-mode Polarizer Broadband λ/4 film
dT
dR
LCs Reflector Passivation layer Glass Broadband λ/4 film Polarizer
Backlight
投影式显示
• • • • 光写入方式 热（激光）写入方式：由相变而来 电写入方式 TFT-LCD型 TFT-LCD
液晶显示器的技术参数
• 对比度：人眼能接受的对比度为２５０： １ • 分辨率： • 外观
IPS: 2D 模拟结果
液晶分子取向分布
VT 曲线
Iso-contrast contour
Response time
Hitachi’s 超（Super） IPS ）
Yellow Blue
LC
E
Color shift at Φ=50o
Aratani et al. JJAP 36, L27 (1997)
• • • • • • • • 动态散射模式： 宾主模式： 1974年，不需要偏振片 扭曲向列模式：ＴＮ模式不适合大容量显示 超扭曲向列模式：１９８４年瑞士的Ｓｃｈｅｆｆｅｒ发 表了关于２７０度的超双折射效应的研究成果 双折射控制模式（ＥＣＢ）： 高分子分散液晶：利用液晶与高分子聚合物的光散射现象 的液晶，不需要偏振片 存储功能突出的相变模式：适用于功耗低、电池驱动的便 携式终端 高速响应性突出的铁电液晶。
Predicting reflection peak λ = 2<n>d = nP Predicting reflection band
∆λ
∆λ = P∆n
λ Wavelength
均匀螺距胆固醇液晶
∆λ = P∆n
螺距连续变化的胆固醇液晶
Plinear = Po ⋅ (1 + 0.458 ⋅ z / d ) Pexp = Po ⋅ e 0.377 ⋅ z / d
液晶晶相
（2）液晶的晶相 向列相：丝状相，由长、径比很大的棒状分子组成。 分子大致平行排列，质心位置杂乱无序。光学上 单轴正性 胆甾相：螺旋相，在向列液晶中加入炫光材料。可 看做是有向列相平面重叠而成的，一个平面内的 分子相互平行，逐次平面的分子方向呈螺旋式， 光学上 单轴负性 近晶相：层状相，脂状相，分子分层排列，层内分 子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或层面 倾斜，层内分子质心可以无序、能自由平移、似 液体；或有序成二维点阵
展曲
E or B
K11
扭曲
E or B
K22
弯曲 E or B
K33
液晶的物理性质
• 液晶是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材 料而定，并与频率有关
液晶的电光效应
• 电光效应：通过点穴方法，产生光变化的现象称 为液晶的电光效应 1）液晶的双折射现象：液晶的重要特征之一。 2）电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶的 排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照 一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折 射现象。 3）动态散射： 4）旋光效应： 5）宾主效应：
90o
φ=0o
宽视角 有旋转位移线 反响摩擦; 反响摩擦 光取向
Chen et al, SID’95, p.865; Nam et al, SID’97, p.933
Fujitsu 4个范畴的垂直取向 个范畴的垂直取向
加电压的情况下，电场是对称的 加电压的情况下，电场是对称的. 补偿膜: 多范畴 + 补偿膜 视角 > ±70o 高对比度; 高对比度 孔径率 ~60%
液晶显示技术
液晶晶相
• 液晶分类 （1）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定的浓 度区间时便会产生液晶。即有机分子溶解在溶剂 中，是溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小， 有机分子的排列有序而获得液晶 （2）热致液晶：把某些有机物加热溶解，由于加热 破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。当 采用降温等方法，将熔融的液体降温到一定程度 后分子的取向变得有序化，从而获得液晶态
透射式和反射式显示
透射式
A LCD P
反射式
A bient m P LCD A Diffuser
+ High contrast + Low power; light weight + Full color + Sunlight readability ? Power consumption ? Brightness @ dark ambient ? Sunlight readability ? Low CR; Parallax
第二代多范畴垂直取向（ 第二代多范畴垂直取向（MVA） ）
锥体物 + 狭缝
K. Okamoto, IDRC’03: 07-01
视角的改善
普通的 MVA CR=10 优化的MVA 优化的 在所有的角度CR>10 在所有的角度
色彩位移的改善
2 个区域 TN
180°
D-1
D-2
270°
Θ = 10° 80 40 20 10 5
20° 30°
40°
50° 90°
Φ = 0°
只改善垂直方向的视角 有旋转位移线 制造成本升高
Yang, IDRC’91, p.68
4个区域 TN 个区域
180o
Storage Capacitor 270o
θ=10 20 30 40 50 80 40 20 10 5
n
pitch
P
胆固醇液晶
R S
Black Paint V = 0; Bragg R ~ 50%(circular) λo= nP; ∆λ=100nm V ~ 15Vrms Focal Conic Scattering V ~ 30Vrms Homeotropic Optically Clear
胆固醇反射带宽
液晶显示器件的显示方式
• 直观式显示方式：直接观看显示面的方式， 钟表、计算器、各种仪表 • 投影式显示：将LCD上写入的光学图像放 大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶 光阀
直观式显示
• 透射型：是把来自背面的面状背光源的光 以显示信息的方式在LCD面板进行时空调 制。光源可以是荧光灯、场致发光板或发 光二极管等 • 反射型： • 透射反射兼用型
液晶晶相
• A相：双分子层结构 • B相：层片内的分子质心排列成面心六角形， 分子垂直于层面 • C相：分子与层面倾斜，在光学上是双轴的 由手性分子组成 近晶相液晶粘度大，分子不易转动，响应速 度慢，不易做显示器件
液晶的物理性质
• 曲率弹性：液晶受扰动时，分子取向有恢 复平行排列的能力，通常很小 向列相和胆甾相： 展曲 扭曲 弯曲 近晶相： 展曲和层面位移引起的混合弹性
响应时间的改善
Conventional MVA Average: 29.3 ms New MVA + overdrive Average: 11.6 ms
三星的专利来自百度文库
Off-State (Black) On-State (White)
VA (∆ε ∆ε<0), High CR; Rubbing free ∆ε Fringing field→ multi-domains → Need biaxial films (diagonals) Disclination lines?
Solid line Dashed lines
胆固醇液晶显示
特点: 特点 双稳态记忆/低功耗 双稳态记忆 低功耗 不需要偏振片) 高亮度(不需要偏振片 不需要偏振片 宽视角 挑战: 挑战 1. 驱动电压高 2. 对比度：颜色纯度 对比度： 3. 全彩色问题 (3-片叠在一起 → 8 颜色 颜色) 片叠在一起
Doane et al, APL 48, 269 (1986)
反射式聚合物液晶显示
Dye-doped(2 wt%) TPDLC LC/monomer= 60/40 Contrast ratio~10:1
LED为背光源
• 以前用在液晶显示的背光源是：冷阴极荧光灯管 （CCFL） • LED背光荧屏采用的是发光二极管 LED做背光源的优点： 1.屏幕可以做的更薄 2.画面效果更好 3.不会发黄变暗 。 4.更加省电 。 5.更加环保 。
手性列向液晶
一般的列向液晶
CN
director
手性列向液晶
CN
液晶显示器的特点
• 低压微功耗：３－５V，几µA/cm2 • 平板型结构 • 被动显示型：本身不发光，靠调制外界光进行显 示 • 显示信息量大：没有CRT阴罩限制，像素可以做 得很小，LCD可以进行投影显示及组合显示 • 易于彩色化 • 无电磁辐射 • 长寿命：可达50000小时
液晶显示技术的发展史
A. Lien, EuroDisplay, p.21, 1993; K.H. Kim et al., Asia Display, p.383, 1998.
平面内开关（ 平面内开关（In-Plane Switch） ）
V=0
演
示
IPS: 视角（View Angle） 视角（ ）
宽视角; 颜色变化? 宽视角 颜色变化
液晶技术的新进展
• • • • • • • • 采用ＴＦＴ型ａｃｔｉｖｅ素子进行驱动 利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑斓的画面 低反射液晶显示技术 先进的连续料界结晶硅液晶显示技术 超宽视角技术 超黑晶技术 超高开口率技术 反光低反射技术
主要任务
1.提高对比度 提高对比度 2.提高亮度：亮的背光源，高的光利用率 提高亮度： 提高亮度 亮的背光源， 3. 降低功耗 4. 提高响应速度 5. 提高视角宽度 6. 开发可折叠的电子报纸
______________________________________________________________________________________
* Desktop Monitors
* Hand-held PC, PDA, ...
透射式显示
反射式显示
T-mode 偏振片 玻璃 LCs
Kent Displays Inc.
可折叠电子报纸
聚合物液晶
IO IO
ne
no np
ne E= 0 no np
→
E
IT
1. 60-70% 液晶 + 30-40% 聚合物单体 相位分离 聚合物单体: 2. 微米量级的液晶球 光散射 微米量级的液晶球: 3. 不需要偏振片 高亮度 不需要偏振片: 4. 制备简单 可折叠基板 制备简单: 5. 对比度取决于接受的角度
R-mode 偏振片 宽带 λ/4 波片
LCs
dT
dR
玻璃 偏振片
dR
LCs 反射镜 玻璃
背光源
T/R LCDs: Comparison
Indoor Outdoor
T
R
R
T
T-LCD: 适合室内 R-LCD: 适合室外
透反射式显示方式
透反射式兼用显示方式
T-mode R-mode Polarizer Broadband λ/4 film
dT
dR
LCs Reflector Passivation layer Glass Broadband λ/4 film Polarizer
Backlight
投影式显示
• • • • 光写入方式 热（激光）写入方式：由相变而来 电写入方式 TFT-LCD型 TFT-LCD
液晶显示器的技术参数
• 对比度：人眼能接受的对比度为２５０： １ • 分辨率： • 外观
IPS: 2D 模拟结果
液晶分子取向分布
VT 曲线
Iso-contrast contour
Response time
Hitachi’s 超（Super） IPS ）
Yellow Blue
LC
E
Color shift at Φ=50o
Aratani et al. JJAP 36, L27 (1997)
• • • • • • • • 动态散射模式： 宾主模式： 1974年，不需要偏振片 扭曲向列模式：ＴＮ模式不适合大容量显示 超扭曲向列模式：１９８４年瑞士的Ｓｃｈｅｆｆｅｒ发 表了关于２７０度的超双折射效应的研究成果 双折射控制模式（ＥＣＢ）： 高分子分散液晶：利用液晶与高分子聚合物的光散射现象 的液晶，不需要偏振片 存储功能突出的相变模式：适用于功耗低、电池驱动的便 携式终端 高速响应性突出的铁电液晶。
Predicting reflection peak λ = 2<n>d = nP Predicting reflection band
∆λ
∆λ = P∆n
λ Wavelength
均匀螺距胆固醇液晶
∆λ = P∆n
螺距连续变化的胆固醇液晶
Plinear = Po ⋅ (1 + 0.458 ⋅ z / d ) Pexp = Po ⋅ e 0.377 ⋅ z / d
液晶晶相
（2）液晶的晶相 向列相：丝状相，由长、径比很大的棒状分子组成。 分子大致平行排列，质心位置杂乱无序。光学上 单轴正性 胆甾相：螺旋相，在向列液晶中加入炫光材料。可 看做是有向列相平面重叠而成的，一个平面内的 分子相互平行，逐次平面的分子方向呈螺旋式， 光学上 单轴负性 近晶相：层状相，脂状相，分子分层排列，层内分 子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或层面 倾斜，层内分子质心可以无序、能自由平移、似 液体；或有序成二维点阵
展曲
E or B
K11
扭曲
E or B
K22
弯曲 E or B
K33
液晶的物理性质
• 液晶是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材 料而定，并与频率有关
液晶的电光效应
• 电光效应：通过点穴方法，产生光变化的现象称 为液晶的电光效应 1）液晶的双折射现象：液晶的重要特征之一。 2）电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶的 排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照 一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折 射现象。 3）动态散射： 4）旋光效应： 5）宾主效应：
90o
φ=0o
宽视角 有旋转位移线 反响摩擦; 反响摩擦 光取向
Chen et al, SID’95, p.865; Nam et al, SID’97, p.933
Fujitsu 4个范畴的垂直取向 个范畴的垂直取向
加电压的情况下，电场是对称的 加电压的情况下，电场是对称的. 补偿膜: 多范畴 + 补偿膜 视角 > ±70o 高对比度; 高对比度 孔径率 ~60%
液晶显示技术
液晶晶相
• 液晶分类 （1）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定的浓 度区间时便会产生液晶。即有机分子溶解在溶剂 中，是溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小， 有机分子的排列有序而获得液晶 （2）热致液晶：把某些有机物加热溶解，由于加热 破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。当 采用降温等方法，将熔融的液体降温到一定程度 后分子的取向变得有序化，从而获得液晶态
透射式和反射式显示
透射式
A LCD P
反射式
A bient m P LCD A Diffuser
+ High contrast + Low power; light weight + Full color + Sunlight readability ? Power consumption ? Brightness @ dark ambient ? Sunlight readability ? Low CR; Parallax