– 某些有机物（胡萝卜胆固醇的衍生物）加热融 化 不透明浑浊液态 透明液态
– 浑浊液态的有机物具有与晶体相似的性质 “液晶”
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液晶显示的发展过程
• 液晶显示最早研究与应用
– 1961，美国无线电公司（RCA）Williams发现动 态散射 (DSM)液晶
– 1968，RCA的Heilmeir基于 DSM 研制出第一个液 晶显示器件
– 双畴，可改变一个方向的视角
• 一个具有宽的左视角，一个具有宽的右视 角
– 四畴，可改善两个方向的视角
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TN液晶的双畴工作模式
多畴垂直取向(MVA)
• 在上下玻璃基板上制作小 凸起，改变基板附近的液 晶分子取向
– 三角形柱体小凸起，形成双 畴
– 四面体小凸起，形成四畴
– 无电场，液晶分子垂直取向，
• 减少液晶盒厚度，可以缩短开启和关断时 间
• 启动电压E越大，粘滞系数越小，扭曲弹性
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提高液晶响应速度的措施
• 液晶材料特性
–减小粘滞系数 –增大介电系数差 –提高弹性系数 –TN液晶材料改进余地不大 –铁电材料目前还不成熟 –理论响应时间 s量级
• 减小液晶单元盒间隙d
–厚度太薄，制作困难成品率下降
2000s，出现中小尺寸液晶电视。 •2000s，在大屏幕电视上，PDP相对于液晶更
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液晶显示的典型产品
小尺寸、低分辨率、黑白 大尺寸、高分辨率、彩色
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液晶显示的发展过程
• 目前产业现状
– 日本、韩国、中国三足鼎立，为争夺市场激励 竞争
• 夏普，10代线（2.85m×3.05m，15块42 寸），2010年量产，2012年亏损1440亿日 元，拟出售。
胆甾相分子指向矢旋转示意图
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棒状液晶——近晶相液晶
• 最接近晶体，有序性最 好
– 层间有序，分子排列成 层，不能在层间移动。
– 层内分子长轴相互平行， 其方向可垂直或倾斜于 层面，分子可以在层内 滑动，但不易转动。
近晶相液晶结构示意图
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近晶相液晶
近晶A相： 分子指向矢与层法线平行
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近晶C相： 分子指向矢与层法线成一定角度
• 液晶显示Cr随观察 视角变化很大。
• TN-LCD，随着视角 的增加，对比度下 降，甚至出现阶调 反转，变成负像。
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• 液晶视角特性：对比度随人眼观察视角的变 化特性。
• TN液晶
– 无外电场，每个像素液晶分子平行基板平面(x,y) 平面，绕基板法线z轴扭曲一定角度
– 电场超过临界值，液晶分子长轴从垂直于z轴沿 电场方向转过一个角度，造成不同视角光程差 nd不同。
• 厚度 ~2m
30 • 增大液晶单元盒驱动电压V
过驱动（Overdrive）技术
• 在寻址电极打开瞬间，使液晶像素两端电 压迅速增大，使液晶分子迅速扭转
• 扭转后迅速将电压下降到正常水平
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Overdrive优点
• 有效提高液晶响应速度，同时不影响液晶 寿命
– 使灰阶-灰阶响应时间接近黑白响应时间， 10ms
以分子为轴的折射率
椭球 椭球方程
x2 no2
y2 no2
z2 ne2
1
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• 光波沿液晶光轴(z)传播
–截面为x,y平面的圆，半径 为no –偏振方向可取垂直于液晶 光轴的任意方向，对应折射 率都是no
无双折射效应
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•
35
36
LCD的视角问题
• 液晶本身不发光， 对比度Cr=Tmax/Tmin。
互平行，指向矢平行于 层平面的分子长轴方向。
– 相邻两层分子，其指向 矢有一轻微的扭曲角。
– 分子指向矢沿着层的法
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线方向排列成螺旋状结
胆甾相、扭曲相列相
• 相列相液晶，添加旋光 物质胆甾相液晶
• <<h(螺距)，透射光是 沿着螺旋轴旋转的偏振 光
• 透射光偏振方向的改变 由分子扭曲角决定扭 曲向列相(TN)液晶
• 中国，7条高世代（8.5代）液晶面板生产线 相继建设和生产，政府在LCD产业累积投入 1000亿，2014年中国LCD电视产量1.4亿台。
– 京东方，3年盈利1次；2015年4月20日，宣布 投资¥400亿（政府、银行融资各45%，京东方
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2014 年至 2016 年，全球液晶显示面板市场份额变化
– L：图像中每个子像素的亮度 – Ls：背光源亮度 – T(R) ：液晶盒每个子像素的透射（反射） – Ls, T(R)原则上是位置(x,y)和时间(t)的函数 – Ls很难被控制
• 基本原理：外加电场液晶分子排列液 晶盒的透射(反射) 。
– T(R)，整个液晶盒、而不是单纯液晶材料本身 的透射(反射)
– 传播方向不变，损耗 46 较小，透过率较高
• 光线入射到多区的均匀介 质
– 多个液晶畴区，分子取向 不一致，形成多个折射率 突变界面
第3章 液晶显示技术及设备
• 3.1 液晶简介 • 3.2 液晶的基本物理特性 • 3.3 LCD模式及其特性 • 3.4 LCD驱动 • 3.5 LCD显示器
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3.1 液晶简介
• 3.1.1 液晶显示的发展过程 • 3.1.2 液晶显示的特点
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3.1.1 液晶显示的发展过程
• 19世纪末，发现液晶现象
Transition) • 3.2.4 液晶指向矢分布的数值计算方法 • 3.2.5 液晶的单轴光学特性 • 3.2.6 液晶光学特性的数值计算方法
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3.2.1 液晶定义和分类
• 液晶：某些(有机)材料在固体和液体的中间 状态
– 外观，流动的浑浊液体 – 物理特性，晶体的各向异性
• 溶致液晶
– 一种溶质溶于一种溶剂形成液晶态物质，目前 尚未用于显示器件。
• 不同方向入射光透射率不同 视角小（30~40 ）
– 响应速度慢
• 外加电场改变液晶分子排列响应速度慢 （100~200ms）
– 不适合高寒高热地区军用
• 现状:
– 已实现全高清至4倍高清 – 水平视角140 ，垂直视角135
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3.2 液晶的基本物理特性
• 3.2.1 液晶的定义与分类 • 3.2.2 液晶的连续弹性体理论 • 3.2.3 弗里德里克斯转变(Fredericksz
• 基本原理：外加电场液晶分子排列液 晶盒的透射(反射) 。
– T(R)，整个液晶盒、而不是单纯液晶材料本身 的透射(反射)
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3.3.1 液晶电光特性与液晶显示
• 液晶的电光特性
– 光散射性 – 吸收二色性 – 双折射性 – 旋光性
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光散射性
• 光线入射到单区均匀 媒质
– 液晶排列整齐，垂直 入射
– 只对灰阶部分的翻转电压进行提升，提升的最 大值也不会超过“黑→白→黑”部分的最大电 压，寿命不会受到任何影响。
– 液晶本身最大的翻转电压处在“黑→白→黑” 阶段，而所有灰阶部分的翻转电压全部都小于 “黑→白→黑”的部分。
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3.2.5 液晶的双折射光学特性
• 折射率椭球
–液晶具有单轴晶体光学特性， 折射率在平行和垂直于分子 长轴方向不同
– 液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光观对线察比设角度度、计不颜同色，、
• 视角增加，对比度下降，甚至阶调辉反度均转不，同 变 成负像
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光学薄膜相位差补偿技术
• 以TN常白模式为例， 无电场，亮态，透过特 性与视角关系不大。
• 有电场，暗态，液晶分 子基本垂直玻璃基板表 面，一般为正性双折射， 透过率与视角关系十分 灵敏。
– 1969，RCA公布并出售液晶发明专利
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液晶显示的发展过程
• 1960年末，发明宾主效应液晶
– 液晶与二色性染料混合 – 工作电压高、功耗大
• 1970年初，发明扭曲相列液晶（TN-LCD）
– 电场型，无电化学蜕变，寿命长 – 工作电压低、功耗小 – 广泛用于中小尺寸显示屏，如手表、计算器等 – 行数增加时，对比度变坏，视角变窄
上下偏振片方向相互垂直，
暗态
双畴垂直取向液晶结构
– 加电压，小凸起间产生倾斜
电场，使液晶分子偏离垂直
43 方向，亮态
液晶显示的本原理
• 基本物理量：亮度L=Ls T(R)
– L：图像中每个子像素的亮度 – Ls：背光源亮度 – T(R) ：液晶盒每个子像素的透射（反射） – Ls, T(R)原则上是 位置(x,y)和时间(t)的函数 – Ls很难被控制
• 热致液晶
– 当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现各 向异性的熔体。液晶显示器采用工作于室温的 热致液晶。
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热致液晶——根据液晶分子结构
• 棒状液晶
• 盘状液晶
棒状分子应用最为广泛
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棒状液晶——向列相液晶
•
向列相液晶瞬时示意图
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液晶的有序参量
• 指向矢相同，液晶分子 排列也有所不同。
• S=(3<cos2>-1)/2
– 表示液晶分子排列的有 序程度
– ：液晶分子长轴相对于 指向矢的偏离角
– S=1，完全有序
– S=0，完全无序
液晶分子长轴与取向矢的空间关系
– 一般液晶，S[0.3, 0.9]
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有序参数受温度的影响
• 温度越高，有序参数越 小
– 熔点以下，晶体，S=1 – 熔点以上，清亮点以下，
近晶C*相
• 近晶C相，添加旋光物质 近晶C*相
• 分子指向矢不仅与层法线 形成一定角度，而且围绕 层法线形成圆锥旋转结构。
– d：层间距
– P：指向矢在圆锥旋转一周 时沿层法线方向通过的距 离
• 铁电液晶工作基础
近晶C*相分子结构示意图