液晶显示器的原理课件
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液晶显示器的原理课件
2021/2/22
1
液晶显示器的原理和制造
2016年2月
2021/2/22
2
(一) 序言
2021/2/22
3
一、对显示器的要求
1.性能好且稳定（高亮度、高对比度、 宽视角、快速响应等）
2.高密度信息量 3.可擦除 4.使用方便、安全、可靠 5.寿命长 6.适宜的价格（低成本）
（2）
（2）式中第一项与取向无关，第二项对取向非常重要
当Δ >0时，若 n//E，则 (n•E)2为最大，W为最小；
即分子倾向沿电场排列
当Δ <0时，若 nE，则 (n •E )20， W为最小；
即分子倾向垂直电场排列
2021/2/22
21
图5
2021/2/22
22
3.电阻率与电极效应
液晶的电阻率ρ的 数量级为 108~1102•c，m近乎半导 体和绝缘体的边界。ρ作为液晶纯度的表征量， ρ小→ 直流分量大 → 电化学分解 → LCD的寿命降低 ρ大 → 质量好，但ρ太大，则难以制备（产率太低）
2021/2/22
4
二、液晶显示的原理
基片的表面处理
液晶分子呈有序排列 加电场 液晶分子排列
有一定的光学状态
发生变化
光学状态发生变化
撤除电场
产生对比度→显示
2021/2/22
5
三、液晶显示的模式
显示模式
电流效应型 电场效应型
动态散射型（DS） 扭曲向列型（TN） 超扭曲向列型（STN）
介电各向异性型 电控双折射型（ECB） 宾主型（GH） 相变型（PC）
铁电来自百度文库（FLC）
反铁电型（AFLC）
胆甾型（CH）
2021/2/22
6
(二) 什么是液晶
2021/2/22
7
一、液晶的发现及命名
1888年奥地利植物学家 F.Reinitzer 在加热胆甾醇 苯甲酸酯结晶试验时发现：
结晶 酯
加热 冷却
乳白色 浑浊液体
加热 冷却
透明 液体
德国物理学家 O.Lehmann 将其称为：Fliessende 英文为：Liquid Crystal 中文即：液晶
重心无序分布（A、C、C*…）或有序分布（B、G、F、 G…）
2021/2/22
13
近晶C相
2021/2/22
近晶A相
图2
向列相
14
•向列相&胆甾相
指向矢
n
螺距
P
通常向列相
向列相 位置无序 胆甾相 位置无序
2021/2/22
指向有序
指向有序 图3
手性向列相
指向矢倾向沿某一方向 指向矢排列呈螺旋状
D E (n • E )n
（1）
定义 //为液晶的介电各向异性。
分子具有与其长轴平行的永久偶极距 > 0 分子具有与其长轴垂直的永久偶极距 < 0
2021/2/22
20
由于介电各向异 性， 导致向E 列2相分子(n 被•E 电)2 场强迫取向：
W D •d E 2 2
2021/2/22
25
液晶屏剖面图
2021/2/22
26
驱动结构图
2021/2/22
27
TFT-LCD阵列基板的整体基本布局
d
c
c
e
h
e
h db
hf
a
g b
h
i
a 像素显示区 b 扫描电极外引线（栅线外引线） c 信
16
(2)指向矢的性质
• n 满足：n n 1 即 n 是一个无量纲的单位矢量
• n= - n
• 多畴 —— 整个液晶层有多个n方向
• 单畴 —— 整个液晶层只有一个 n 方向
• 奇点 —— 空间中某些点或线上 n可以有
多个方向（或 n不确定） 缺陷（向错点、向错线）
2021/2/22
17
向列相液晶分子在不同强度向错线周围排列的情况
15
六、液晶的物理性质
1.指向矢
n
(1)定义
图4
在宏观上把液晶当作连续体来处理的理论中，常引用一个平滑
的矢量场来描述液晶分子的排列状态。更确切地说，即在一个无限
小的体积内将大量分子的长轴方向的平均取向作为一个择优取向， 这个择优取向常常用单位n矢量 来表示,它被称为指向矢
2(0d2i1/r2e/c2t2or)。
s=1/2
s=-1/2
s=+1
s=+1
2021/2/22
s=-1
s=3/2
s=+1
s=+2
18
向列相中向错线的显微照片
2021/2/22
19
2.介电各向异性
在向列相中分别沿与液晶指向矢平行和垂直的方向进
行对测液量晶，沿可某以 一得方到向两加个电不场等E，的相介应电的常电数位 /移/ 和矢量 。D为：
电极效应 直流电 → 电极处发生电化学反应 → 液晶材料发生 分解 → LCD损坏 防止办法：利用低频交变电场驱动
2021/2/22
23
(三) 液晶显示器的结构
2021/2/22
24
第一节 液晶显示器件的基本结构
1
2
21
34 5 6
7
22
20 17
18 16
19
15 14 13 12
4
8 9 10 2
1 11
1.偏振片 2.玻璃基板 3.公共电极 4.取向层 5.封框胶 6.液晶 7.隔垫物 8.保护层 9.ITO像素电极 10.栅绝缘层 11.存贮电容底电极 12.TFT漏电极 13.TFT柵电极 14.有机半导体有源层 15.TFT源电极及引线 16.各向异性导电胶（ACF）17.TCP 18.驱动IC 19.印刷电路板（PCB）20.控制IC 21.黑矩阵（BM）22. 彩膜（CF）
微观
位置短程序
位置短程序、方向序
位置长程序
2021/2/22
11
液晶相
晶体
2021/2/22
向列相液晶
温 图度1
各向同性相
12
五、液晶的分类
1922年法国G.Friedel将液晶分成三大类
向列相 分子沿某一择优方向取向，分子重心无序分布 胆甾相 分子在空间形成连续的螺旋结构，在垂直于螺旋
轴的平面内分子排列类似向列相 近晶相 层状结构，分子垂直或斜交于层平面，层内分子
通常物质有三态：固体 液体 气体 液晶是物质的第四态——介乎于各向同性液体
和晶体之间的中间相（mesophase）
晶体 液晶 （各向同性）液体 具有液晶相的物质都是有机化合物
气体
2021/2/22
10
四、液晶的特点
表1
(各向同性)液体
液晶
晶体
宏观
流动性、各向同性
流动性、各向异性
有一定形状、各向异性
Krystalle(德语)
2021/2/22
8
二、液晶分子的结构
化学家的观点
物理学家的观点
• 形状各向异性, 长度 > 4倍宽度 • 分子长轴有一定刚性 • 分子末端含有极性或可极化的基团
CH3 - (CH2)4
CN
上述分子(5CB) 是 ~2 nm ×0.5 nm
2021/2/22
9
三、液晶的定义
2021/2/22
1
液晶显示器的原理和制造
2016年2月
2021/2/22
2
(一) 序言
2021/2/22
3
一、对显示器的要求
1.性能好且稳定（高亮度、高对比度、 宽视角、快速响应等）
2.高密度信息量 3.可擦除 4.使用方便、安全、可靠 5.寿命长 6.适宜的价格（低成本）
（2）
（2）式中第一项与取向无关，第二项对取向非常重要
当Δ >0时，若 n//E，则 (n•E)2为最大，W为最小；
即分子倾向沿电场排列
当Δ <0时，若 nE，则 (n •E )20， W为最小；
即分子倾向垂直电场排列
2021/2/22
21
图5
2021/2/22
22
3.电阻率与电极效应
液晶的电阻率ρ的 数量级为 108~1102•c，m近乎半导 体和绝缘体的边界。ρ作为液晶纯度的表征量， ρ小→ 直流分量大 → 电化学分解 → LCD的寿命降低 ρ大 → 质量好，但ρ太大，则难以制备（产率太低）
2021/2/22
4
二、液晶显示的原理
基片的表面处理
液晶分子呈有序排列 加电场 液晶分子排列
有一定的光学状态
发生变化
光学状态发生变化
撤除电场
产生对比度→显示
2021/2/22
5
三、液晶显示的模式
显示模式
电流效应型 电场效应型
动态散射型（DS） 扭曲向列型（TN） 超扭曲向列型（STN）
介电各向异性型 电控双折射型（ECB） 宾主型（GH） 相变型（PC）
铁电来自百度文库（FLC）
反铁电型（AFLC）
胆甾型（CH）
2021/2/22
6
(二) 什么是液晶
2021/2/22
7
一、液晶的发现及命名
1888年奥地利植物学家 F.Reinitzer 在加热胆甾醇 苯甲酸酯结晶试验时发现：
结晶 酯
加热 冷却
乳白色 浑浊液体
加热 冷却
透明 液体
德国物理学家 O.Lehmann 将其称为：Fliessende 英文为：Liquid Crystal 中文即：液晶
重心无序分布（A、C、C*…）或有序分布（B、G、F、 G…）
2021/2/22
13
近晶C相
2021/2/22
近晶A相
图2
向列相
14
•向列相&胆甾相
指向矢
n
螺距
P
通常向列相
向列相 位置无序 胆甾相 位置无序
2021/2/22
指向有序
指向有序 图3
手性向列相
指向矢倾向沿某一方向 指向矢排列呈螺旋状
D E (n • E )n
（1）
定义 //为液晶的介电各向异性。
分子具有与其长轴平行的永久偶极距 > 0 分子具有与其长轴垂直的永久偶极距 < 0
2021/2/22
20
由于介电各向异 性， 导致向E 列2相分子(n 被•E 电)2 场强迫取向：
W D •d E 2 2
2021/2/22
25
液晶屏剖面图
2021/2/22
26
驱动结构图
2021/2/22
27
TFT-LCD阵列基板的整体基本布局
d
c
c
e
h
e
h db
hf
a
g b
h
i
a 像素显示区 b 扫描电极外引线（栅线外引线） c 信
16
(2)指向矢的性质
• n 满足：n n 1 即 n 是一个无量纲的单位矢量
• n= - n
• 多畴 —— 整个液晶层有多个n方向
• 单畴 —— 整个液晶层只有一个 n 方向
• 奇点 —— 空间中某些点或线上 n可以有
多个方向（或 n不确定） 缺陷（向错点、向错线）
2021/2/22
17
向列相液晶分子在不同强度向错线周围排列的情况
15
六、液晶的物理性质
1.指向矢
n
(1)定义
图4
在宏观上把液晶当作连续体来处理的理论中，常引用一个平滑
的矢量场来描述液晶分子的排列状态。更确切地说，即在一个无限
小的体积内将大量分子的长轴方向的平均取向作为一个择优取向， 这个择优取向常常用单位n矢量 来表示,它被称为指向矢
2(0d2i1/r2e/c2t2or)。
s=1/2
s=-1/2
s=+1
s=+1
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s=-1
s=3/2
s=+1
s=+2
18
向列相中向错线的显微照片
2021/2/22
19
2.介电各向异性
在向列相中分别沿与液晶指向矢平行和垂直的方向进
行对测液量晶，沿可某以 一得方到向两加个电不场等E，的相介应电的常电数位 /移/ 和矢量 。D为：
电极效应 直流电 → 电极处发生电化学反应 → 液晶材料发生 分解 → LCD损坏 防止办法：利用低频交变电场驱动
2021/2/22
23
(三) 液晶显示器的结构
2021/2/22
24
第一节 液晶显示器件的基本结构
1
2
21
34 5 6
7
22
20 17
18 16
19
15 14 13 12
4
8 9 10 2
1 11
1.偏振片 2.玻璃基板 3.公共电极 4.取向层 5.封框胶 6.液晶 7.隔垫物 8.保护层 9.ITO像素电极 10.栅绝缘层 11.存贮电容底电极 12.TFT漏电极 13.TFT柵电极 14.有机半导体有源层 15.TFT源电极及引线 16.各向异性导电胶（ACF）17.TCP 18.驱动IC 19.印刷电路板（PCB）20.控制IC 21.黑矩阵（BM）22. 彩膜（CF）
微观
位置短程序
位置短程序、方向序
位置长程序
2021/2/22
11
液晶相
晶体
2021/2/22
向列相液晶
温 图度1
各向同性相
12
五、液晶的分类
1922年法国G.Friedel将液晶分成三大类
向列相 分子沿某一择优方向取向，分子重心无序分布 胆甾相 分子在空间形成连续的螺旋结构，在垂直于螺旋
轴的平面内分子排列类似向列相 近晶相 层状结构，分子垂直或斜交于层平面，层内分子
通常物质有三态：固体 液体 气体 液晶是物质的第四态——介乎于各向同性液体
和晶体之间的中间相（mesophase）
晶体 液晶 （各向同性）液体 具有液晶相的物质都是有机化合物
气体
2021/2/22
10
四、液晶的特点
表1
(各向同性)液体
液晶
晶体
宏观
流动性、各向同性
流动性、各向异性
有一定形状、各向异性
Krystalle(德语)
2021/2/22
8
二、液晶分子的结构
化学家的观点
物理学家的观点
• 形状各向异性, 长度 > 4倍宽度 • 分子长轴有一定刚性 • 分子末端含有极性或可极化的基团
CH3 - (CH2)4
CN
上述分子(5CB) 是 ~2 nm ×0.5 nm
2021/2/22
9
三、液晶的定义