液晶显示器基本理论与生产管理技术.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途液晶显示器基本理论与生产管理技术(显示技术有限公司员工培训教材)目录 编写人一 液晶显示器基本理论师少恒二 扭曲向列型液晶显示器(TNLCD)生产技术师少恒三 前工序(玻璃输入至热压成盒)废品成因及对策师少恒四 中后工序(切割至包装入库)废品成因及对策师少恒五 液晶显示器产品的品质控制师少恒六 液晶显示器生产条件(设备、动力与环境)的要求与维护 师少恒七 液晶显示器的生产图纸绘制师少恒八 公司质量管理体系(ISO9002)师少恒一 液晶显示器基本理论1.1 液晶显示器(LCD)用液晶1.1.1 什么是液晶 最早报告发现液晶的是奥地利植物学家F.Reinitzer,他在
2、研究胆甾醇酯类化合,观察到胆甾醇苯甲酸酯在加热到145.5C时,晶体熔化了,但得到的不是透明的各向同性液体,而是一种浑浊粘稠的液体,具有流动性,同时又象晶体那样表现出各向异性的特征。继续加热,温度升到178。5C时,这种浑浊粘稠的液体变得透明了,各向异性的特征也消失。另外,在加热和冷却过程中还观察到有颜色的变化,液态的胆甾醇苯甲酸酯冷却时,最初呈现浅绿色,随着温度的降低,依次呈现深绿包、深藏青色、黄绿色、黄色、橙红色和鲜红色,凝固后成为无色固体。1888年,他把所观察到的现象和自已的观点写成论文发表在化学杂志上。因此,国际上把发现液晶的时间定为1888年。1988年在北京召开了庆祝液晶发现10
3、0周年国际会议。我们把这种既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性特征的物质状态,称为液态晶体或简称液晶.液晶可分为二大类:溶致液晶和热致液晶.前者要加入一定的溶剂,例如水,才呈现液晶性,后者要在一定的温度范围内,才呈现液晶性.在人体内就存在溶致液晶,生物医学工作者对它感兴趣。作为显示应用的主要的热致液晶。显示用的液晶都是一些有机化合物,其分子为棒状,象“香烟一样.分子的长度约为直径的48倍,分子量一般在200500范围内。棒状分子的基本结构如图11所示。图中X为连接两个苯环的基团,位于分子的中心,称为中央基团;Y、Y位于分子的两端,称为末端基团,其特点是具有极性或容易变成极性基团.例如,西佛
4、碱(schiffbase)类液晶的中央基团X为-CH=N-(苯叉基),酯基(ester)类液晶的X为-C02-(酯基),氧化偶氮基(azoxy)类液晶的X为-N=N(氧化偶氮基),联苯(biphenyl) 0 类液晶和苯基环已烷(PCH)类液晶没有中央基团.常用的末端基团有CH3(CH2)n(正烷基),CH3(CH2)No-(烷氧基)-CN(氰基)NO2(硝基),F、CF3、-OCF3、OCHF2(含氟基团)等。液晶的各种物理、化学性质完全是这些基团所决定的,因而,可通过改变分子中某个基团的种类改善液晶的某种性质。 图11 液晶分子的基本结构1.1.2 液晶的结构类型液晶化合物分子中由于含有极
5、性基团,分子间互相吸引并按照一定的规律有序的排列,这也是液晶为什么具有晶体各向异性牲的原因。按液晶分子排列不同,可将液晶分成以下三种类型: 近晶型(或称近晶相) 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近平行分层排列(图1-2A).分子只能在层内转动或滑动,不能在层间移动。分子运动受到的约束较大,因而粘度较大。 向列型(或称向列相) 棒状分子按分子的长轴方向互相平行或接近平行交错排列(图12B).分子除了可以转动,来回滑动外,还可以上下滑动。显然,与近晶型比,向列型液晶的粘度较低,流动性较好。它是目前显示应用的主要类型。 胆甾型(或称胆甾相) 胆型液晶分子也作层状排列,但与近晶型液晶的层状排列不同
6、,层内分子的排列方式与向列型液晶类似,但分子的长轴与层的平面平行,而且层与层间分子取向不同,相互偏转B 一定角度(图12C),旋转360的层间距离称为胆甾型液晶的螺距。 图1-2 液晶的结构类型胆甾型液晶有一个有趣的特性,这就是在白光照射下,它的反向光波长与液晶分子的螺距有关:入=PN,式中入反射光波长,P-胆型液晶分子的螺距,N液晶的折射率.由于螺距对外界因素,如电压、压力、温度等的影响非常敏感,这些因素稍有变化就会引起螺距的变化.当螺距改变时,反射光的波长也随之变化,从而显示的颜色也发生变化,这就是本文开始所述F。Reinitzer在加热和冷却过程中,观察到液态胆甾醇苯甲酸酯颜色变化的原因
7、。利用胆型液晶的这种特性,做成薄膜温度计,根据所显示的不同颜色确定被测物体的温度变化。通常向列型液晶随温度变化遵从如下规律: Tsn Tc固态近晶型-向列型各向同性液体温 度低 高Tsn是从近晶型转变为向列型的相变点温度;Tc是从液晶态转变为各向同性液体的温度,此时液体从浑浊不透明状态变为清澈透明,故Tc称为清亮点。(Tsn,Tc)作为显示应用,当然希望材料的液晶态温度范围宽且具有阀值电压低、响应快、高的多路传输能力等特性,但一般单质液晶无法满足这些要求.显示器实际使用的液晶材料都是多种单质液晶的混合系。1971年开发的第一个扭曲向列型液晶显示器(TNLCD)产品,所用液晶材料就是由分子结构几
8、乎相同的二种西佛碱类单质液晶组成,而今天用于彩色电视机的薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器(TFT-LCD)和用于计算机终端的超扭曲向列型液晶显示器(STN-LCD)的最新液晶材料通常由20种以上的单质成分组成,其大部分单质成分都是最近几年新开发的。在选择显示器的液晶材料时,应保证:显示器储存温度下限 Tsn 显示器储存温度上限 Tc1.2 扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD)1。2.1 液晶的电光效应由于液晶分子中含有极性基团,使分了具有极性。如果分子加偏极矩方向与分子长轴平等,这种液晶称为正性液晶.如果偶极矩方向与分子长轴垂直,这种液晶称为负性液晶,在电场作用下,由于偶极矩要按电场的方向取向,会
9、使分子的原有排列方式受到破坏,从而使液晶的光学性能发生变化,如原来是透光的变成不透光,或相反。我们把这种因外加电场作用导致液晶光学性能发生变化的现象称为液晶的“光电效应”。迄今,已发现液晶的多种电光效应,如负性液晶的动态散射效应(DS)、电控双折射效应(ECB),正性液晶的扭曲效应(TN)、超扭曲效应(STN)等.目前,在显示上应用最广泛的是向列型液晶的扭曲效应和超扭曲效应。1.2。2 扭曲效应这种效应是1971年开发的。在两块具有氧化铟锡(ITO)透明电极的玻璃基板上,涂复称为取向层的聚合物薄膜,如聚酰亚胺(PI)。然而,用绒布沿一定方向摩擦,使在取向层表面形成方向一致的微细沟槽.在保证两块
10、玻璃基板上取向层沟槽方向正交条件下,密封成一个盒,盒间隙一般控制在几个微米,如7um.盒留有一个小口灌液晶作,一般用抽真空注的办法灌入正性向列型液晶。然后,用堵口胶把口密封,在液晶盒的玻璃基板外表面上粘贴上线偏振片,使起偏振片的透光轴与该玻片上取向层摩擦方向一致或垂直。起偏振片与检偏振片的透光轴相互正交或平行。与取向层表面接触的液晶分子由于物理作用将沿沟槽排列,在无电场作用时由于上下取向层沟槽方向正交,使液晶分子排列从上到下扭曲90,当有电场作用时,由于是正性液晶,电场力使液晶分子沿电场方向排列。显然,只有当电场足够强时(大于阀值场强),电场力克服液晶分子间的相互作用力(弹性形变力),首先是中
11、心层面的分子沿电场取向(垂直上下基板排列),随着电场增强,从中心层逐步扩展到上下基板,最后,除取向层接触面上的液晶分子仍沿沟槽排列外,所有分子都与基垂直排列.这样,在断(OFF)态(无电场作用),当入射光通过起偏振片变为线偏振光,再通过液晶层时,由于液晶的旋光性使线偏振光也随液晶分子旋转90。如果检偏振片的透光轴与起偏振片的透光轴平行粘贴,就无光输出呈暗态。在能(ON)态(有电场作用),由于液晶分子垂直基板排列,偏振光通过液层时方向不改变。因而可通过检偏振片的透光轴正交粘贴,则可实现白底写、黑字的显示。这种在电场作用下,使液晶分子从原来平行基板扭曲排列(扭转90)的方式转变为垂直基板排列的方式
12、,从而改变其光学性能的现象称为扭曲效应。 图13 TN-LCD的结构和工作原理利用向列型液晶的扭曲效应制作的液晶显示器(TN-LCD)其电光特性如图1-4所示。纵坐标T表示透光率,横坐标Vrms表示加在TN-LCD上的电压方均根值(即有效值).白底写黑字的工作模式称为常白型或正显示,黑底写白字的工作模式称为常黑型或负显示。常白型的V90和常黑型的V10,通常称为液晶的阈值电压(Vth)。常白型的V10和常黑型的V90,通常称为液晶的饱和电压(Vsat).在液晶材料手册中,在V10和V90的下标处,常常可以看到如下形式的数字:V10,0,25 , V90,0,25第一组下标“10”,“90”代表
13、所对应的透光率(10%和90);第二组下标“0表示沿显示屏法线方向观测(正视)结果,因此,“45”就表示偏离显示屏法线45角方向观测结果;第三组下标“25”表示是在25C温度下测试结果。这是因为液晶的阈值电压、饱和电压与视角方向和环境温度密切相关。一般,液晶的阈值电压和饱和电压,随视角偏离法线方向而减小,随环境温度增加而降低。 图14 TN-LCD的电压特性1.2。3液晶显示器的驱动方法1.2.3。1 静态驱动图1-5给出一个3位半的数字表显示例子.在两块玻璃基板上分别做出ITO膜的公共(COM)电极图形和段(SEG)电极图形。公共电极只有一个引线端,而每个段电极有各自的引线端,共23个。在显
14、示段电极上加与公共电极相位相差180的矩形脉冲电压,而在非显示段电极上加与公共电极同相位的矩形脉冲,此时显示段象素上加有峰峰值为2V的矩形脉冲,而非显示段象素上总是加的零电压,如图1-6所示。这种静态驱动方式,不存在串扰问题,具有最大的对比度.电路上采用异或门可实现这种驱动(图1-7) 图1-5 3位半数字表电极图形 图1-6 静态驱动的COM和SEG信号 图1-7 使用异或门电路实现静态驱动1.2.3。2 动态驱动静态驱动由于每个段必须有单独的引线,当显示内容多时,引线数将多到难以实现。为了解决这个困难,可采取矩阵形式的动态驱动方法。仍以3位半手表显示为例,我们将COM电极分成4个行电极,S
15、EG电极分成6个列电极,构成46矩阵,采用时间分割驱动方式,即按顺序给各个行电极施加扫描电压,给列电极同时施加信号电压,可完成同样的显示功能,如图18所示。此时,引线数目从静态驱动的24条减少为10条。 图1-8 以4行6列矩阵方式驱动的3位半手表显示对动态驱动,要考虑串扰问题,即被选象素上加的电压也会对非选象素有影响,使对比度降低.如图1-9所示,行电极X1上加电压V0,列电极Y1接地(0V),其它电极未加电压。此时,象素P11上加电压V0,若V0VTH,P11亮。与此同时,在P12P22P21串联回路上也加有电压V0,若V0足够高,使P12、P22、P21上的分压也大于VTH时,这些非选象
16、素也会亮,这种现象称为串扰。显然,串扰会降低显示对比度. 图19 串扰说明为了解决串扰问题,呆采用1/3偏压法,即扫描电极加电压V,非扫描电极则加电压V/3,被选象素的信号电极加电压0,非选象素的信号电极加电压2V/3(图1-10)。这样,被选象素上加的电压为V,其他半选和非选象素上加的电压绝对值均为V/3,是被选象素电压的1/3,帮称为1/3偏压法.图1-10 1/3偏压法由于液晶显示是基于液晶分子排列状态的改变,因而是一种分子过程,其响应速度比原子过程、电子过程自然要慢得多。因此,液晶光学性能(透光率T)不是随所加电压波形瞬时值发生变化,而是随所加电压的方均根值变化。这样,对于一个N行矩阵
17、,采取1/3偏压法和一次一行寻址方式,可写出(ON态)和非选(OFF态)象素上的方均根电压比值关系: 1 N-1 V 2 N+8 VVON = -V2+(-) = - (11) N 1 3 N 3 1 2V 2 N-1 V 2 VVOFF= (V- )+(-) = - (12) N 3 1 3 3 VON N+8电压比a= = - (13) VOFF N 1/3偏压法是否对任何行数的矩阵都最适宜?下面推导最佳偏压比的表示式。把上述关系式中偏压比改成1/6,可得 1 N-1 V 2 b2+N-1 V VON = -V2+() = - - (14) N 1 6 N 6 1 2V 2 N-1 V 2
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