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LCD基础知识

 

 

 

目 录

1．液晶

1-1 什么是液晶

1-3 液晶的由来

1-3 液晶的种类

2．液晶显示器

2-1 何谓液晶显示器

2-2 液晶显示器的优缺点

3．LCD 的分类

4．LCD 的结构、工作原理及主要技术指标

4-1 LCD 的结构

4-2 LCD 工作原理

4-3 LCD 的主要技术指标

4-3-1 电光响应特性

4-3-2 对比度

4-3-3 视角

4-3-4 响应时间

4-3-5 功耗

4-3-6 温度特性

5．制造LCD 使用的原物料和LCD 生产工艺

5-1 制造LCD 使用的原物料

5-2 制造LCD 的工艺介绍

6．LCD 制造的环境要求

7．安全生产

8．LCD 发展前景

 

一．什么是液晶

 

1．液晶

 

1-1 什么是液晶

众所周知，物质有三态：固态、液态和气态。这三种状态也可称为固相、液相、气相。在自然界中大多的物质随温度的变化而呈现固态、液态和气态。象水、盐以及由元素周期表中每一种元素组成的物质。其组成单元，如水分子或硅原子等，基本上象一个个小球。随着温度的降低或温度的升高，组成单元的排列由后来的无序排列转变成整整齐齐的的有序排列。即从液相转为气相或固相。在晶体中，组成单元的有序排列，表示每个组成单元都处在一定的位置，不易流动而且有规律的排列，只要人们知道它的排列规则，就可以从一个组成单元出发，按照规律找到另一单元，即严格的空间有序。

除了我们知道的固态、液态和固态，有些物质、它们在从固态转变成液态的过程中，不是直接从固态变为液态，而是给一种中间状态。处于中间状态的物质外观上看似浑浊的液体。但是它的光学性质和某此电学性质又和晶体相似。

是各项异性，如有双折射特性等。如温度升高时，各种浑浊的物质随着温度的升高会变成澄清、同性的液体。反过来这类物质从液体转变成固体时，也要经过中间状态。各种能在一定的温度范围内兼有液体和晶体，二者特性的物质叫做液晶（Liquid Crystal） 也叫做液晶相、中间相或中介相等，又称为物质的第

四态。

 

1-2 液晶的由来

液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）于1888 年发现的。它在测定某些物质的溶点时，发现某些物质（脂甾醇的苯甲酸脂和酯酸脂）溶化后会经过一个不透明呈白色浑浊液体状态并发出多彩而美丽的光泽，只要继续加热才会变成清亮的液体。1889 年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）用由他设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行观察。他发现这类白色浑浊物质外观上虽然象液体。但呈各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将它命名为“液态晶体”。这就是液晶的由来。

 

1-3 液晶的种类：

随着科学的发展，人们认识的提高，发现液晶物质基本上都是有机化合物。

现有的有机化合物中每200 种中就有一种呈液晶相。从成分和出现液晶相物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类。在某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成液晶称为热致液晶，就是前面几个说的由于加热有些物质出现液晶相。同样把某些有机物质放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称之为溶质液晶。它是由于溶液浓度的变化而呈现的液晶相。最常见的有肥皂水等。目前用于显示材料基本上都属于热致液晶。至今，已发现的液晶已有两万多种。

在众多的液晶中，被研究最多的在显示技术中，应用最广液的是由简单的杆形有机分子组成的单元液晶，各类分子通常具有结构：该分子的刚性的核心是由两个苯环以及中间的一个官能团构成的，在核心的两头比较柔软的烷基或其它比较柔软的有机分子链.如图(1)中一个熔链中有一个环氧树脂结构,使分子变为手性分子。

根据液晶分子的不同排列方式，可分为三大类：即向列液晶、胆甾相液晶和层列相液晶三大类。

 

1-3-1 向列液晶：

向列液晶的分子种类的重心混乱无序，使它象普通液体一样可以流

动，但分子杆的指向矢大体一致.

 

1-3-2 胆甾相液晶：

在胆甾相液晶中，分子的重心排列是无序的，但分子的指向矢在一 个平面内大致指向一个方向。在垂直于这个平面上的方向上。分子的指向矢会旋转形成螺旋结构.

 

1-3-3 层列相液晶：

在层列相液晶中，分子形成一层一层的结构。分子层的厚度大约是

一个分子的长度。分子垂直于分子层平面排列，分子的重心在分子层中是无序的，形成一层层的二维流体。

综上所述，液晶大致可分为以上三大类，各种类型的液晶因其有着不同的结构，其各物性也有所不同，由于热致液晶各项异性的液晶物质的特殊稳定的温度范围在室温以上。只有这类液晶才能做为显示器材料。由以上可知液晶分子的排列并不象晶体结构那样牢固，所以容易受到电场，磁场、温度应力以及吸附杂质等外部影响。

因而容易使 其各项光学特性发生变化。液晶的这种作用力微弱的分子排列正是液晶有今日之广阔市场的关键条件。

 

2．液晶显示器

液晶具有固定的偶极矩，所以施加电场可使 液晶分子轴发生移动，于是液晶分子的排列发生改变。从而改变其光学性质来达到其显示的效果。这是液晶做为显示器的基本原理。

 

2-1 何谓液晶显示器：

利用液晶的各项电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等分界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号制成的显示器，就是液晶显示器。液晶显示器的英文为Liquid Crystal Display 通常用LCD 来代表液晶显示器，液晶最早在1968 年5 月美国RCA 公司用于显示器的制造，到目前广泛的应用于钟表、计算器、仪表仪器、笔记本电脑、移动电话、寻呼机、电子宠物、袖珍彩电、大型平板显示器、投影电视等家用、工业用和军事用显示领域。

 

2-2 液晶显示器的优、缺点：

 

2-2-1 信息显示技术随着信息社会化的发展显得越来越重要，液晶显示器与其他显示器相比其有很多优点。

 

2-2-1-1 平面型显示、体积小、重量轻、便于携带；

 

2-2-1-2 功耗低、驱动电压低；

 

2-2-1-3 寿命长，一般在5 万小时以上；

 

2-2-1-4 不含有害射线，对人体无害；

 

2-2-1-5 被动显示，不易被强光冲刷；

 

2-2-1-6 易于驱动，可用大规模集成电路直接驱动；

 

2-2-1-7 结构简单，没有复杂的机械部分；

 

2-2-1-8 造价成本低。

 

2-2-2 随着液晶显示器的广泛应用，人们也可以发现其有些缺点：

 

2-2-2-1 由于它是被动元件，本身不发光，在暗处需借助其它的光源才具有可视性；

 

2-2-2-2 有视角之限；

 

2-2-2-3 应答速度（30ms-120ms）与其他元件相比尚嫌差些；

 

2-2-2-4 寿命尚未能成为半永久性元件。

 

3．LCD 分类

 

3-1 液晶显示器的种类很多，按显示方式可分为透射、反射的直视和投影型显示器。

 

3-1-1 透射型LCD 北面装有荧光灯，电致发光极等光源。因而在昏暗的环境光下也能使用。

 

3-1-2 反射型就是一种将铝箔光反射片贴在LCD 背面玻璃基板的外面，使其反射LCD 的入射光，用于显示。在TN 和STN 模式中，背面玻璃基板上贴有偏光片和表面有皱纹状的反射片，这种反射型充分发挥了非发光型LCD 耗电少的特点。

 

3-2 利用光电效应制作的LCD 大致分为以下几种TN-LCD 和STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD.

 

3-2-1 TN-LCD 就是扭曲向列液晶显示器。我们都知道液晶分子基本平行于基板排列，但上下液晶分子取向呈扭曲排列、整体扭曲900，TN-LCD 是

人们发现最早，也是应用最广，数量最多，价格最便宜的显示器。TN-LCD的制造工艺已基本上成熟、目前最主要在新加坡、台湾、中国大陆等地区生产。现中国是TN-LCD 最主要的生产基地。我们通常所见到的电子

表，计算器、游戏机等LCD 大都是TN-LCD.

 

3-2-2 STN-LCD 是Super Twist Liquid Crystal Display 的简称。即超扭曲向列型LCD. 它与TN-LCD 的结构相似，不同的是它的扭曲角不是900，而是在180~270 之间，虽然仅仅是扭曲角不，它的工作原理同TN-LCD 完全不同。STN-LCD 是目前LCD 生产的中档产品。它是有比TN-LCD 显示信息量大等特点，它主要用于多种仪器仪表、汉显机、记事本、笔记本电脑等。STN-LCD 的制造工艺基本成熟，但主要技术掌握在日本、韩国等少数国家手中，国内现有十多家STN-LCD 制造公司。

 

3-2-3 HTN-LCD 是Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。即高扭曲向列型液晶显示器。HTN-LCD 与TN-LCD 和STN-LCD 结构相似。只不过HTN-LCD的扭曲角在1000~1200之间，介于TN-LCD和STN-LCD之间。HTN-LCD 目前数量并不多，其性能也介于TN-LCD 和STN-LCD之间。

 

3-2-4 FSTN-LCD 是Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display 的简称。

这是Film 是指补偿膜或延迟膜，所以FSTN-LCD 称补偿膜超扭曲向列型液晶显示器。通过一层特殊处理的补偿膜，能够克服STN-LCD 的缺点。

 

3-2-5 TFT-LCD 即薄膜晶体管的有源矩阵LCD，它是目前LCD 市场中最高档次的产品。它主要用于笔记本电脑，液晶彩电等。TFT-LCD 的制造工艺比较复杂，价格比较高。目前日本、韩国是世界上生产TFT-LCD 较成熟国家。我国仅有吉林省计划投资TFT-LCD 生产线。