LCD发展简史

液晶及液晶显示器的发展简史

热致液晶的发现

1888年奥地利植物学家Friedrich Reinitzer在加热苯酸脂晶体时发现：当温度升到145.5°C时晶体融化成为乳白色粘稠的液体。再继续加热到178.5°C时乳白粘稠的液体变成完全透明的液体。后经德国卡尔斯吕爱大学教授Otto Lehmann 研究，这种乳白粘稠的液体具有光学各向异性，因而建议称之为液体晶体（Liquid Crgstal）。

液晶的合成和分类

二十世纪二十年代，德国Heidelberg大学的Ludwig Gattermann首先合Halle大学的Daniel Vorlander则先后合成了300多种液晶，并指出液晶分子是棒状的分子。在此基础上，法国的George Friedel及F.Grand-jean等对液晶的结构及光学性能作了详细的研究，并于1922年完成了液晶分类的工作，将液晶划分为：近晶相、向列相和胆甾相。

液晶的物理性能研究

转变）。这一发现为液晶显示器的制作提供了依据。

液晶在液晶显示器方向的应用研究

1968年美国Heilmeir等人还提出了宾主效应（GH）模式。

1969年Xerox公司提出Ch-N相变存储模式。

1986年Nagata提出用双层盒（DSTN）实现黑白显示技术；之后又有用拉伸高分子膜实现黑白显示的技术（FSTN）。

1996年以后，又提出采用单个偏光片的反射式TN（RTN）及反射式STN（RSTN）模式。

液晶显示器产业的形成、发展及布局

自1968年Heilmeir制成第一个DSM-LCD开始, 美、日等国即开始了LCD的应用和生产研究。70年代初期，美国Rockwell公司开始生产DSM-LCD的计算机。Optel公司则生产DSM-LCD手表。日本Sharp、Epson等公司此类产品及工艺的成熟度都非常完满。但DSM-LCD应用电流、电压效应，耗电较多，很快被TN-LCD取代。

1972年S.Kobayashi等人制成TN-LCD，并迅速工业化，被广泛应用于计算器、手表、测试设备及汽车显示等，取得了巨大成功。并促使LCD向大容量、大面积彩色化方向发展。

大容量、大面积的一个方向是TN显示模式与半导体结合，采用有源矩阵(Active Matrix)的方式。该方式最早于1972年由P.Brody提出。经10多年的研究，到80年代中后期，日本已开始大批量生产以TFT为代表的AM-LCD。目前它是手提电脑的首选显示屏。

大容量的另一个方向是采用STN模式。虽然STN模式1983年才提出来，但由于它与TN生产技术有很大程度的工艺相似性，投资规模小，因而到80年代末90年代初已开始产业化，加之FSTN技术的发展，STN-LCD成为中高档、中小尺寸显示的主导。

全彩色化方案首先有

1995年以后，ECB彩色化方案也见之于报导。它利用电压控制显示颜色，工艺简单，但色彩有限。一般只能实现3～4色。

目前，反射式显示模式（RTN，RSTN）正是许多工厂竞相开发的产品方向。日本Sharp、Epson公司已经生产此类产品，主要应用于手机显示屏上。

就全球产业布局来说，日本TFT生产占全球80-90%的市场份额，台湾和韩国生产部分中小尺寸屏。TN、STN生产90%以上在中国大陆、香港、台湾及东南亚地区。

LCD结构

TN、HTN、STN的结构：

FSTN、ECB-Multi-color STN的结构：

DSTN的结构：

Color STN的结构：

LCD的显示原理

TN型

扭曲向列相（TN）显示

最常见的如用于电子表和计算器上的显示方式就是扭

曲向列相（TN）显示，这种显示器件由两片基板玻璃中

间注入向列相液晶材料构成，通过特殊的表面处理使

分子在顶层与X方向平行，而在底层与X方向垂直，这

种结构使液晶层形成了一个90°扭曲，从而得名，图

1.即为扭曲结构。

这种结构类似于胆甾相结构，所以有时加入一点螺旋

添加剂以保证扭曲方向一致。TN显示的最基本原理是

一个偏振光原理，当光入射TN盒时，其偏振面顺着液

晶方向而扭曲。例如，偏振光平行于样品顶层方向，

当穿过液晶盒时，其偏振方向会随着分子旋转，从底

面出射时，其偏振面旋转了90°。右图为一个TN盒的

示意图，黑线代表分别贴在显示器上、下表面呈交叉状态的偏振片。

当光射入液晶盒，其偏振面随分子旋转。当光达到液晶盒底部，偏振矢量面已旋转了90°，接着穿过第二层偏光片。对于一个反射TN型液晶显示器，相当于在底部装有一面镜子，它将透射光反射回来。右图为光进入液晶盒后随着扭曲的路线。

从液晶盒中出来的光呈现银灰色。当液晶盒受到一个强度足够大的电场的作用时，晶分子将经历一个弗利德兹转换。右图为一个发生转变的扭曲向列相液晶盒。

必须注意的是在这种状态下，扭曲受到破坏，液晶层的分子取向与电场平行。当偏振光射入这种液晶盒时，偏振面不随分子旋转，因而无法透过第二层偏光片。这样在亮态的背景下施加电场的区域呈现为暗态。

电光效应：

依靠电场强度的作用扭曲向列相实现了亮态和暗态之间变化。这种显示类型最主要的一个特点就是分子对外加压的响应，右边的曲线图（电光曲线）是一个曲型的向列相液晶盒在电压作用下的响应曲线，即分子与玻璃面倾斜度随外加电压变化的关系。

对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透

过率。右图显示了透过率与电场作用关系图。考虑到

偏光片的作用使反射型TN显示屏的最大透过率只有

50%。垂直线代表液晶盒的开或关状态时的电压。

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STN型

超扭曲向列型显示

具有很多行和列的显示，其开、关状态时的电压差别很小，由于这个原因，TN显示器不适合多路寻址大信息量显示的要求。这个问题在1980年中期，由于超扭曲向列型（STN）显示器的出现而得到解决。在这种显示器中，相对于TN液晶盒90°角，它的液晶分子旋转了270°左右。扭曲角的作用可从右图电光效应曲线中可以看出。

随着扭曲角的增大，分子倾角随外加电压的变化很陡峭。从右图的响应参数

可以看出其开态和关态的电压非常接近。

虽然一般都希望得到一条陡峭的电光曲线，但也要考虑到中间灰度的问题，考虑到这个原因，很多供应商所用的STN显示器采用了210°扭曲角，这样在允许快速寻址的同时又能满足灰度显示的要求。早期的210°扭曲显示模式通过器件的光谱变化也无法得到理想的颜色：在点亮状态，象素显示倾向于黄颜色，而在关闭状态为蓝紫色。因此，STN除了不受消费者的普遍欢迎外，通过滤色片实现全色显示的STN也只能得到黑、白两种颜色。这个问题通过增加一个扭曲角正好相反的液晶盒而得到解决，这种器件就是双层超扭曲向列型显示