三大显示技术——液晶、等离子、OLED要点

三大显示技术——液晶、等离子、OLED

第一章液晶显示——独霸一方

1、简介

液晶显示器件（LCD）是利用液态晶体的光学各向异性特性，在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。

液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环境的光。它显示图案或字符只需很小能量。正因为低功耗和小型化使LCD成为较佳的显示方式。

液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。

2、基本知识

液晶的定义

液晶是液态晶体的简称。液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射的的晶态。液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水中或有机溶剂中才显示出液晶状态，而后者则要在一定的温度范围内呈现出液晶状态。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。

显示用的液晶都是一些有机化合物，液晶分子的形状呈棒状很像“雪茄烟”。宽约十分之几纳米，长约数纳米，长度约为宽度的４～８倍，液晶分子有较强的电偶极矩和容易极化的化学团，由于液晶分子间作用力比固体弱，液晶分子容易呈现各种状态，微小的外部能量一—电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从面引起它的光、电、磁的物理性质发生变化，液晶材料用于显示器件就是利用它的光学性质变化，一般情况下单一液晶材料，即单质液晶满足不了实用显示器件的性能要求，显示器件实际使用的液晶材料都是多种单质液晶的混合体。

液晶的分类

热致液晶可分为近晶相、向列相和胆甾相三种类型，如图所示。

近晶相（Smectic Liquid Crystals）液晶分于呈二维有序性，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（Nematic Liquid Crystals）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（Cholesteric Liquid Crystals）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角分），多层扭转成螺旋形，旋转3600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，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。

热致液晶仅在一定的温度范围内才呈现液晶特性，此时为浑浊不透明状态，其稠度随不同的化合物而有所不同，从糊状到自由流动的液体都有，即粘度不同，如图7－15所示，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就变成清澈诱明各向同性的液态，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。

下图为热致液晶的形成

液晶的光电特性

如果不考虑由干热而引起液晶分子有序排列的起伏，则利用传统的晶体光学理论完全可以描述光在液晶中的传播，在外电场的作用下，液晶的分子排列极易发生变化，液晶显示器件就是利用液晶的这一特性设计的。

（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ε∥和ε⊥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Δε：Δε＝ε∥－ε⊥，将Δε›０的液晶称为Ｐ型液晶，它具有正的介电各向异性，Δε‹０的液晶称为Ｎ型液晶，它具有负的介电各向异性。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）线偏振光在向列液晶中的传播

沿着Ｐ型向列液晶长轴方向振动的光波有一个最大的折射率n∥，而对于垂直这个方向振动的光波有一个最小的折射率n⊥，按照晶体光学理论，这种液晶

为单轴的，分子的长轴方向就是光轴，寻常光折射率no＝n⊥，非寻常光折射率ne＝n∥，其折射率的各向异性Δn为：

Δn=n∥－n⊥=ne－no

下图为线偏振光在向列液晶中的传播

如图所示，在0≤z≤zo 的区域内，液晶沿着指向矢n的方向排列，偏振光振动方向与n成θ角，入射光在x、y方向上电矢量强度可用下式表示：

两光场位相差记为δ：

则合成光场矢端方程为：

当θ＝0（或π/2时），Ey=0(或Ex=0),即偏振光的振动方向和状态没有改变，仍以线偏振光和原方向前进。当θ＝π/4时

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δ所决定的偏振状态，进入空气中。如图7－17所示，把液晶盒的两个内表面做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900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，当以其他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δ的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。下图为线偏振光在扭曲向列液晶中的传播（两图一样）

3、特点

液晶显示器主要有以下特点：

1）低压、微功耗。极低的工作电压（2V~3V）即可工作，而工作电流仅几个微安即每个显示字符只有几个微安。一个小小的钮扣电池也可以用1~2年，这是其他任何显示器件无法比拟的。在工作电压和功耗上液晶显示正好与大规模的集成电路的发展相适应。如电子手表、计算器、便携仪表、手提电脑和GPS电子地图等的实现都成为可能。

2）低压驱动。一般扭曲向列型（TN）器件阀值电压仅1.5~2V，可以直接与大规模集成电路直接相配。

3）平板型结构。液晶显示器件的基本结构是由两片玻璃基板制成的薄形盒。这种结构最利于用作显示窗口，而且它可以在有限的面积上容纳最大量的显示内容，显示内容的利用率最高。此外，这种结构不仅可以做得很小，还可以做得很大。这种结构还便于大批量、自动化生产。

4）被动型显示。①示器件本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的。被动型显示更适合于人眼视觉，不易感到疲劳。这个优点在大信息量，高密度快速变换。②被动型显示不怕光冲刷。所谓光冲刷，就是指当环境光较亮时，被显示的内容信息被光冲淡，从而显示不清晰，而被动型显示，由于它是靠反射外部光达到显示目的，所以外部光越强，反射的光也越强，显示的内容也就越清晰。③液晶显示不仅可以在室外也可以在室内显示，对于在室内黑暗中显示可以配备背光源就可以克服不能看的缺点。