液晶显示技术毕业论文

液晶显示技术毕业论文

目 录 摘要 第1章 绪论

1.1液晶显示发展趋势 1.2液晶显示内部竞争 1.2.1 黑白和彩色STN的发展 1.2.2多晶硅TFT的诞生

1.2.3反射式液晶显示成为开发重点 1.3 液晶显示与各类显示的竞争 1.3.1驱动电压 1.3.2工作电流 1.3.3 功耗

1.3.4 亮度(对比度) 1.3.5 响应速度

1.3.6 灰度级别，色彩级别 1.3.7彩色化能力 1.3.8视角 1.3.9屏幕大小 1.3.10像素密度 1.3.11存储功能 1.3.12环境参数 1.3.13连接性能

1.3.14可靠性 1.3.15寿命

1.4 液晶显示如何应对挑战 1.4.1发挥特长优势

1.4.1.1发展反射式液晶显示 1 1.4.1.2提高像素密度 1.4.1.3改进工艺、降低成本

1.4.2 克服缺陷、推陈出新保持综合优势 1.5 小结

第2章 薄膜晶体管液晶显示器工艺简介 2.1液晶(LC, liquid crystal)的分类 2.1.1.层状液晶(Sematic) 2.1.2.线状液晶(Nematic) 2.1.3.胆固醇液晶(cholesteric) 2.1.4.碟状液晶(disk) 2.2液晶的光电特性

2.2.1.介电系数ε(dielectric permittivity) 2.2.2.折射系数(refractive index) 2.2.3.其它特性 2.3偏光板(polarizer)

2.4上下两层玻璃与配向膜(alignment film) 2.5TN(Twisted Nematic) LCD

2.6Normally white及normally black 2.7STN(Super Twisted Nematic)型LCD

2.8TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display) 2.9彩色滤光片(color filter, CF) 2.10背光板(back light, BL) 2.11框胶(Sealant)及spacer 2.12开口率(Aperture ratio) 结论 参考文献 致谢 2 摘要

TFT(Thin film Transistor)技术是二十世纪九十年代发展起来的，采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术，是液晶(LC)、无机和有机薄膜电致发光(EL和OEL)平板显示器的基础。TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上(当然也可以在晶片上)通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路(LSIC)。

本文主要介绍了TFT的一些简单的基本原理和液晶显示器的制作流程，通过本文，我们可以了解到液晶显示器的一些简单的知识。液晶显示器的成色是三种基本的颜色组成，分别是红、黄、蓝。再通过驱动电路的电压的大小来控制液晶的角度来达到透光率的控制，进而形成各种颜色。在未来的几年内，液晶显示器将成为新的主流产品出现在我们的生活里。 关键词: TFT、液晶显示器、液晶

绪论

液晶显示发展趋势

市场，不外需求和竞争。液晶显示产业面对的市场核心也是如此。作者认为，市场对液晶显示的需求和各类显示器件与液晶显示的竞争是液晶显示发展的最大动力，并决定，主导了液晶显示的发展趋势。市场对液晶显示的需求，一句话，“不

断扩大”。这是有目共睹的，特别是，个人便携式产品的发展，例如，移动通讯产业的迅速发展，为液晶显示的发展注入了动力。市场需求的扩大，将决定了液晶显示持续发展的基本态势。

而各类显示与液晶显示在市场上的竞争则不仅是液晶显示发展的动力，而且将决定液晶显示发展的方向和特点。所以作者将重点谈谈液晶显示的市场竞争是如何决定液晶显示持续发展趋势的。

液晶显示内部竞争 3

各个液晶显示厂商间的竞争和各类液晶显示器件之间的竞争是液晶显示内部竞争的主要构成。

各厂商间的竞争主要内容是产品的质量和性价比。质量越好，市场越欢迎，你就会卖得多，赚钱多;性价比高，客户越高兴，销售量越大，你的利润就更多。

所以，液晶显示各厂商间的竞争将会不断的促进液晶显示质量的提高和性价比的提高。换句话说，就是，产品越来越好，价钱越来越便宜。——这是液晶显示持续发展的第一个趋势。

各类液晶显示之间的竞争对液晶显示发展趋势影响也很大。我们知道，液晶显示的分类是很多的，例如:TN，STN，TFT等等。各种类别的液晶显示优缺点各异，对用户来说，他们是互补的，但对各类液晶显示来说，竞争就促成了他们各自克服缺点，发挥优点的不断进步，甚至会激发出灵感开创出新的显示模式

其中，近年来由于液晶显示内部的竞争而发展的新型液晶显示事例，较为突出的是:

1:黑白和彩色STN的发展

STN是在克服TN型液晶显示难以多路驱动的缺点时诞生的，但是，STN的干涉色，使其显示效果不如TN的液晶显示，人们不满意。于是人们利用光学延迟片对园偏振光的补偿原理制造出了黑白STN。

STN又吸收了微彩色膜技术实现了彩色STN。他突破了无源液晶显示的彩色化，又远比TFT彩色化液晶显示价格低，虽然这种彩色化，由于STN本身特点所决定，只能显示不多的彩色级别，被称为“伪彩”，但是STN已经成为液晶显示市场中不可或缺的一大类产品了。

2:多晶硅TFT的诞生

TFT有源矩阵液晶显示是可以实现活动视频图象显示的液晶显示，但是，在非晶硅薄膜上制作的有源矩阵TFT由于其电子迁移率低，而不得不将器件面积作得稍大，因此在很小的像素面积上占据了不少比例，使像素的开口率(有效像素面积/全部像素面积)仅70%左右。严重影响了背光源的有效利用，而无源液晶显示虽然不能显示视频图象，但是其开口率高(不4

计像素间隔，可达100%)，在开口率方面的相互竞争，导致人们开发了开口 -TFT-LCD。多晶硅的电子迁移率率达80%以上的多晶硅TFT有源矩阵，即P 比非晶硅的 电子迁移率高一个数量级，因此器件可以作小一些，开口率自然高。而且，由于电子迁移率提高了一个数量级，完全可以将速度不是很高的行列驱动器也作在液晶显示器基板的多晶硅层上。

3:反射式液晶显示成为开发重点

液晶显示属被动显示，只有在有外光源的条件下(无论是环境光还是背光源)才能实现显示。但是，背光源的功耗是液晶显示本身功耗的几百倍以上。因此，在有无背光源的两大类液晶显示中，反射式液晶显示有一定的优势。但是原有TN，STN反射式液晶显示由于偏光片的吸收使其显示底色暗，对比差，显示效果不好。所以，各类液晶显示在对外光源的有效利用和追求所谓“书写式”(或称类纸)显示效

果的竞争中，激发了对反射式液晶显示的开发热情。使反射式液晶显示成为当今液晶显示又一大发展趋势之一。

液晶显示与各类显示的竞争

液晶显示与其他几种平板显示在市场上的竞争是驱动液晶显示持续发展的又一大动力。

近年来，PDP，OLED，DMD，FED等多种非液晶的平板显示都已经陆续成熟上市，它们针对液晶显示的某些不足，如亮度低，不易大屏幕化等缺陷，来势汹汹发起了对液晶显示的挑战。某些观点喜欢将显示器分为“代”，而且认为“新一代”的显示会取代“老一代”的显示，如最近，某些人即声称OLED将会取代液晶显示。

事实上，由于各种显示各有不同的优缺点和各自特性，一般不可能互相取代，但是，利用本身的某一特长部分取代或冲击另一类显示器件是完全现实的。液晶显示不得不面对这一挑战和竞争。这一挑战和竞争既是对液晶显示产业的威胁，又是液晶显示产业的发展动力。

下面我们将从显示器件的典型特性上分析一下最新非液晶显示的平板显示对液晶显示的挑战。

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1( 驱动电压

液晶显示号称是低压驱动，但实际上也并不能一概而论，在多路驱动 ee)有时会高达十几伏条件下，由于占空比的减小，其实际驱动电压(即V 至二十几伏。而像PDLC，快速多稳态(MLCD)液晶等的驱动电压可能会高达几十伏至百伏左右。

在几种新型平板显示中除OLED外，大都工作电压较高。可见，最常用的TN，STN等液晶显示的低压驱动优势依然不减。但是，低压驱动的好处也仅在于可与大

规模集成电路的低压兼容，所以，虽然OLED的工作电压还稍高于液晶，但与OLED比，液晶显示的工作电压优势已不明显。 2( 工作电流

工作电流的大小，对应用也有很大意义。一般的液晶显示是场效应型的，所以工作电流都很小，每平方厘米仅零点几微安至几微安，而EL，PDP等不仅工作电压高，工作电流也大，OLED工作电压虽低，但是他属于电流型器件，工作电流大，而且要求恒流，稳流。与液晶显示无法相比。只有像电泳显示，电子墨水(e-ink)和DMD微型显示的工作电流才能与液晶显示媲美。

3( 功耗

功耗虽然等于电压和电流的乘积，但在使用中却有独立的意义，他标志着器件消耗电能的多少，这在微型，便携设备上意义重大。在主要的平板显示器件中，PDP，FED，VFD的功耗最大，而EL，LED的功耗次之。目前有人称OLED的功耗比液晶显示还低，这是个误解。OLED的功耗和LED功耗在同一数量级，但是它是主动发光器件，不需背光源，而且只有在显示时才耗电，因此和增加了背光源的液晶显示器件总功耗比，不仅总功耗不大，甚至在不要求高亮度，不是全屏显示时，功耗还更小。可见，说OLED功耗比液晶显示功耗低是有多种附加条件的。我们从发光效率看，LCD背光源CCF的效率为50~60lm/W，而OLED的效率仅15lm/W。而且，作为电流型的OLED所需的电流驱动器无论从功耗还是器件制作难度，还是成本上都要高6

于液晶显示驱动器。因此OLED的低功耗也要大打折扣。

不过在移动通讯这类要求彩色，黑暗中能看清图形，图象，文字就可以了的特殊应用领域，由于液晶显示必须配背光源，所以OLED的总功耗还是可以向液晶显示挑战的。

不过，真正在功耗上可以向液晶显示挑战的是那类电场效应型，有存储记忆功能，反射式的电泳显示，电子墨水之类的显示器。他们更具威胁。 4( 亮度(对比度)

这是表示显示清晰程度的一个指标，被动显示的液晶显示用对比度表示，一般为5:1~20:1，而主动发光的显示器如PDP，OLED等则以亮度表示，一般为100nt~300nt。增加了背光源的液晶显示也可以用亮度表示，一般亮度也不会超过250nt，如果不考虑功耗，多加背光管，也可以实现400nt以上，对比度达到100:1。而主动发光的显示器可以很容易的达到800nt以上，对比度可达500:1以上。

此外，液晶显示类似于灰纸上写黑字，对比度再高，显示效果也不如电泳显示，电子墨水那种白纸黑字的显示效果好。

所以，无论从有背光的亮度指标，还是无背光的反射式显示对比度指标上看，液晶显示都处于劣势。

5( 响应速度

属于分子级别的液晶显示原理，响应速度一般是mS级，而OLED，PDP等属于电子级别工作原理的响应速度一般都可达到μS级别。个别类型的液晶显示如铁电液晶显示，或将液晶盒作得很薄，如仅1μm，也可达到μS级响应速度，但是其成品率回大大下降。总之，液晶显示的响应速度也是弱项。

但就目前应用领域的需求，液晶显示的响应速度还是可以满足应用要求的。 6( 灰度级别，色彩级别

可显示的灰度级别越多，显示的图象层次越丰富，彩色化时的色彩级7 别也就越多。STN的灰度级别仅2~4个，由此组合的彩色级别也就不多，我们只能称其为伪彩。TFT液晶显示的灰度级别可以很多，组合的色彩级别可达几十万个，我们称之为真彩。

而FED，PDP等的灰度级别可以轻易地实现十几级至几十级，因此组合的彩色级别也就更多更丰富。可以达到几十万个，优于无源液晶显示。 7( 彩色化能力

在实现彩色化能力上，液晶显示中成熟的技术是使用微彩色滤色膜，将像素分割成R，G，B三色子像素，目前公认这是一种容易而有效的方法。但是这种方法会造成大量光损失。

PDP，FED，OLED等主动发光显示器可以用不同材料实现不同的发光颜色，而且不会有光损耗。这是优势，但不同材料会有不同的老化参数，从而造成总体寿命缩短，色彩失真。这也是不足。此外，液晶显示由于滤色膜对光的损耗，彩色不如主动显示器件的鲜艳。

8( 视角

视角对观察很重要，一般定义为最大观察方向与法线的夹角，它包括最大视角和最佳视角方向。TN，STN等液晶显示由于液晶分子排列方向和使用了偏光片，视角大小和最佳视角方向都不好。

而PDP，OLED等主动显示则不会有这些毛病，因此视角大，最佳视角方向也均衡。对此，液晶显示明显不如OLED和PDP等主动发光显示器件。 9( 屏幕大小

由于液晶显示需要一个极薄而均匀的薄盒，所以无论从材料还是制造上都很困难。一般只能作到20几寸以内的中小显示屏(有报道称可做成32寸，甚至更大)。

目前号称平板大屏幕首选的PDP，其实由于他是电真空器件，面积过大，在材料和工艺(如去气，排气，封接)上也都有困难，所以一般只能作十几到五十几寸的显示屏。

OLED以及PLED是全固体器件，理论上可以作得很大，但是OLED需使8 用真空薄膜工艺制作，大面积产品的成品率是问题，而PLED虽是厚膜工艺制作，容易做大，但它属于电流型器件，面积过大，电极引线负载以及升温等问题也难以解决，目前也只能作到几寸致十几寸水平。

此外，FED等几种其他显示器件，目前也都因为制作等方面的难题不能作得过大，甚至不能大过液晶显示。

而液晶显示器件中的投影液晶显示，如LCOS微型液晶显示器却可以实现几十致上百寸的显示。

10( 像素密度

像素数越多，图象越清晰，一般只要光刻像素工艺能达到的像素密度就都能实现，但是高像素密度的液晶显示必须是有源矩阵器件。受非晶硅电子迁移率和开口率的制约，像素密度也终有极限。不过，最新的多晶硅，单晶硅的TFT液晶显示确可以将像素数作的非常高。而PDP是靠厚膜工艺制造，像素密度自然上不去。OLED，FED，PLED也都因各自的结构，工艺等原因，而不能太精细。比不上液晶显示。

11( 存储功能

这里所指为“无功存储功能”，即在断电后，显示不会消失，它适用于非经常变换显示的场合，可大大节能，并可部分取代有源矩阵的功能。

某些液晶显示如双稳态，多稳态液晶显示及铁电液晶显示都具有这种功能 OLED，FED，等显示器都没有这些功能。PDP的存储功能虽不能维持整幅图象持续显示，但是却可以取代有源矩阵的功能，从而使PDP驱动不受行列数量增大产生的捆扰。

12( 环境参数

众所周知，液晶显示的工作，存储温度范围较窄，不仅如此，作为背光源的冷阴极灯管的低温启动能力也不好，这是其又一重大劣势之一。

而其他几种显示器件的低温工作性能都比液晶好，但是几种使用荧光粉或半导体材料的显示器，包括OLED，在高温下会产生淬灭，所以各自都9

有其不足。

13(连接性能

平板显示器件的外引线联接难度在于密度大，有些还是非金属材料，如ITO等。液晶显示即是如此，为此随着液晶显示的发展已经开发了一系列连接技术，如COB，COF，COG等。可以满足使用要求。

其他各类平板显示的连接，一般都沿用液晶的连接技术，按各自特点加以改造，如PDP的连接，必须考虑耐压，防击穿;而OLED则必须保证连接电阻尽量小。总之靠低电压工作的液晶显示器件的外连接还是比较容易解决的，那些电压高，电流大的发光型显示器件的外连接相对要难一些 14( 可靠性

液晶的可靠性最高，只要不摔碰，破损，十年免维修都可以。而PDP是高压器件，OLED是电流型器件，他们的可靠性都不如液晶显示。 15( 寿命

液晶显示器件无论从理论上或实践中寿命都很长，十几万小时没问题，常见的便携电脑显示器如果不是人为损坏，一般多是背光源老化，亮度下降。更换一只背光源管即可返老还童。相对其他显示，无论是PDP，OLED，FED，VFD的寿命都不如液晶显示。OLED的材料提纯很难解决，影响了他的寿命，PDP的寿命则受荧光粉老化和管内气压变化的制约。

唯一可与液晶显示寿命相媲美的仅有无机LED。但是它很难作成平板显示器件。

综上所述，各类新型显示器件已经从不同角度发起了对液晶显示的挑战。虽然目前还没有哪一类显示在综合性能上超过液晶显示，但在某些领域也确实构成了对液晶显示的威胁。例如，OLED利用其彩色自主发光，全固态化，低压，直流驱动，小功耗等优势开始了对移动通讯——手机市场的抢占。

可以预见，各类平板显示器件将直面液晶显示的几大弱势——被动显示，亮度低，对比度不高，背光源功耗大，大屏幕化难度高等发起挑战。10

这既是各类平板显示器件发展趋势也是液晶显示为保持持续发展的努力方向。

液晶显示如何应对挑战

液晶显示发展趋势其实就是应对市场的需求和新型平板显示器的挑战。 一个产品在市场中是否能有一席之地主要看两个方面，一，综合优势，二，特长优势。液晶应对挑战也主要是这两个方面。

1， 发挥特长优势

一个产品的特长是本身具备的，又是客户评定的。用户的要求永远都是精益求精，一个产品在用户眼中总是不进则退的，用户的眼睛最容易“见异思迁”。所以，任何一个产品必须珍惜自己的特长优势，而且要不断地完善，更新，进步。这就是液晶显示发展的强大驱动力。液晶显示面对挑战的第一个回应就是发挥自身特长优势。根据前面的分析，主要包括以下几个方面 :

1)发展反射式液晶显示

作为被动显示，可以有透过式和反射式两种显示形式。反射式的优 点不言自明，它利用并调制环境光满足显示要求，省电，节能都源于此。 早期的，中低挡液晶大都属于反射式。但是，由于一般TN，STN液晶显 示必须使用偏光片，所以其显示底色灰暗，显示质量差。以后，虽然在 透过式液晶显示背后增加了背光源，改善了显示质量，但功耗大大增加， 又损失了微功耗的特长优势。当然，即便如此，面对一些大功耗的主动 发光显示如PDP，CRT等还是有优势的，但面对一系列新型的低压，小 功耗的主动发光显示，如OLED，PLED，FED等的上市，其特长优势大减。 面对这一市场竞争，近年来已经形成了开发反射式液晶显示的强劲 势头。反射式液晶得到了迅速发展，某些不使用偏光片的液晶显示效果， 如多稳态液晶显示的显示效果已经接近了白纸写黑字的显示效果。而硅 上液晶LCOS则开创了反射式液晶投影显示的先河 11

反射式液晶显示保持了液晶显示原有优势和特长，将是今后液晶持续发展的重要支柱之一。

2)提高像素密度

液晶显示的结构、工艺保证了它实现高像素密度的可能。面对PDP

，液晶显示也等显示具有明显优势，但面对另一些显示器件，如OLED感到了危机

近年来，一方面从工艺入手，使液晶像素越作越小、越作越密。以满足高清晰度和小面积、大显示容量方面(如手机显示)的要求。而另一方面，将有源器件所用的非晶硅材质过渡为多晶硅、单晶硅材料，由于其后者的电子迁移率高，其有源矩阵可以作得更小，不仅提高了象素开口率，而且也提高了象素密度。特别在彩色有源矩阵液晶显示领域，多晶硅将是今后液晶显示发展的另一重要发展趋势。

3)改进工艺、降低成本

液晶显示诞生近30年，生产工艺成熟，成本、价格相对较低。目前已号称进入了第六代，第七代生产线，投料尺寸超过了一米以上，TFT-LCD成品率也超过了90%。但是面对其他显示器件的竞争，液晶显示也还将继续在这方面追求革新和发展，以求提高产量，降低成本，提高性价比。终究价格竞争还是市场竞争的持续重要内容。改进的重点是缩短工艺流程和加大投料尺寸。

2、克服缺陷、推陈出新保持综合优势

不必讳言，液晶显示也有不足、缺陷、弱势，例如亮度(对比度)低，响应慢，工作温度范围狭窄、显示面积不易作大等等。这些缺陷给他的应用带来了不便和阻力，也给他的发展带来了动力和更新的空间。今后，液晶显示在应对其他各类显示器件挑战中将针对自身的不足在以下几大方面力争作出重大突破。

1)通过发展反射式显示和改进背光源，提高开口率，以及增加偏光片 透过率等多种方式提高显示亮度和对比度。

2)改进材料、器件结构、工艺，特别是突破2到4µm的盒厚控制工艺 12

等提高液晶显示的响应速度。同时，还将努力开发一些快速响应的 新型液晶显示模式，从而使液晶显示能更理想的满足视频显示的要 求。

3)工作温度范围窄是液晶材料决定的一大缺陷，所以它的克服只有从 液晶材料入手。目前已有报导，开发出了可以在零下50度致零上 90度工作的液晶材料。此外辅助加温系统的开发也将保证液晶示的 工作温度范围会大大加宽

4)为了实现大屏幕显示，液晶显示开拓了一条全新的途径——投影显 示。在原有透射式非晶硅TFT投影显示的基础上，近年已经向多晶 硅TFT投影显示过渡，多晶硅虽然可以提高开口率10%~15%以上， 使显示亮度，清晰度大大提高，但还不理想，为了与PDP等大屏显 示竞争，近年液晶显示又开发了一种“硅上液晶”LCOS。将大规模 集成电路作基板，与液晶集合制成反射式的微型液晶显示器。通过 外光源的反射式投影实现50寸~100寸以上的大屏显示。由于它可 以用最少的材料制作，实现比PDP显示面积还要大的大屏显示，因 而可能成为今后大屏幕高清晰度数字电视的主流显示器。 小结

综观液晶显示的成长，发展，作者重申液晶显示的发展动力是市场。市场驱动论可以解释和预测液晶显示的发展。作者重申这一观点是为提醒液晶显示的从业者，经营者，投资者，决策者以及应用客户不要将自己的关注仅仅局限于跟踪别人的具体技术发展上(当然也不能忽视)，这只能导致被动的“追赶战略”，作者建议应更多的关注市场需要和市场竞争。市场会给你更多的启示，灵感，激发自主开发

能力，从而形成一个更主动的“迎击战略”。从而走出我国自主的液晶显示发展道路。

第二章 薄膜晶体管液晶显示器工艺简介 13

液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器. 而今日对液晶显示器这个名称, 大多是指使用于笔记型计算机, 或是桌上型计算机应用方面的显示器. 也就是薄膜晶体管液晶显示器. 其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display, 简称之 TFT-LCD. 从它的英文名称中我们可以知道, 这一种显示器它的构成主要有两个特征, 一个是薄膜晶体管, 另一个就是液晶本身. 我们先谈谈液晶本身.

液晶(LC, liquid crystal)的分类

我们一般都认为物质像水一样都有三态, 分别是固态液态跟气态. 其实物质的三态是针对水而言, 对于不同的物质, 可能有其它不同的状态存在. 以我们要谈到的液晶态而言, 它是介于固体跟液体之间的一种状态, 其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程(请见图1), 只要材料具有上述的过程, 即在固态及液态间有此一状态存在, 物理学家便称之为液态晶体.

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这种液态晶体的首次发现, 距今已经度过一百多个年头了. 在公元1888年, 被奥地利的植物学家Friedrich Reinitzer所发现, 其在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇(cholesteryl benzoate) 的融解行为时发现, 此化合物加热至145.5度?时, 固体会熔化,呈现一种介于固相和液相间之半熔融流动白浊状液体. 这种状况会一直维持温度升高到178.5度?, 才形成清澈的等方性液态(isotropic liquid). 隔年, 在1889年, 研究相转移及热力学平衡的德国物理学家O.Lehmann, 对此化合物作更详细的分析. 他在偏光显微镜下发现, 此黏稠之半流动性白浊液体化合物,具有异方性结晶所特有的双折射率(birefringence)之光学性质, 即光学异相性(optical anisotropic). 故将这种似晶体的液体命名为液晶. 此后, 科学家将此一新发现的性质, 称为物质的第四态-液晶(liquid crystal).

它在某一特定温度的范围内, 会具有同时液体及固体的特性.

一般以水而言, 固体中的晶格因为加热, 开始吸热而破坏晶格, 当温度超过熔点时便会溶解变成液体. 而热致型液晶则不一样(请见图2), 当其固态受热后, 并不会直接变成液态, 会先溶解形成液晶态. 当您持续加热时, 才会再溶解成液态(等方性液态). 这就是所谓二次溶解的现象. 而液晶态顾名思义, 它会有固态的晶格, 及液态的流动性. 当液态晶体刚发现时, 因为种类很多, 所以不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法. 在1922年由G. Friedel利用偏光显微镜所观察到的结果, 将液晶大致分为Nematic Smectic及Cholesteric三类. 但是如果是依分子排列的有序性来分(请见图3), 则可以分成以下四类:

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1.层状液晶(Sematic) :

其结构是由液晶棒状分子聚集一起, 形成一层一层的结构. 其每一层的分子的长轴方向相互平行. 且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角. 由于其结构非常近似于晶体, 所以又称做近晶相. 其秩序参数S(order parameter)趋近于1. 在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂 ,所以层与层间较易滑动. 但是每一层内的分子键结较强, 所以不易被打断. 因此就单层来看, 其排列不仅有序且黏性较大. 如果我们利用巨观的现象来描述液晶的物理特性的话, 我们可以把

一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢(director), 这就是这一群区域性的液晶分子平均方向. 而以层状液晶来说, 由于其液晶分子会形成层状的结构, 因此又可就其指向矢的不同再分类出不同的层状液晶. 当其液晶分子的长轴都是垂直站立的话, 就称之为\"Sematic A phase\". 如果液晶分子的长轴站立17

方向有某种的倾斜(tilt)角度,就称之为\"Sematic C phase\". 以A,C等字母来命名, 这是依照发现的先后顺序来称呼, 依此类推, 应该会存在有一个\"Sematic B phase\"才是. 不过后来发觉B phase其实是C phase的一种变形而已, 原因是C phase如果带chiral的结构就是B phase. 也就是说Chiral sematic C phase就是Sematic B phase(请见图4). 而其结构中的一层一层液晶分子, 除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外, 一层一层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构.

2.线状液晶(Nematic) :

Nematic这个字是希腊字, 代表的意思与英文的thread是一样的. 主要是因为用肉眼观察这种液晶时, 看起来会有像丝线一般的图样. 这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列, 所有棒状液晶分子长轴会选择18

某一特定方向(也就是指向矢)作为主轴并相互平行排列. 而且不像层状液晶一样具有分层结构. 与层列型液晶比较其排列比较无秩序, 也就是其秩序参数S较层状型液晶较小. 另外其黏度较小, 所以较易流动(它的流动性主要来自对于分子长轴方向较易自由运动)。线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN(Twisted nematic)型液晶.

3.胆固醇液晶(cholesteric) :

这个名字的来源,是因为它们大部份是由胆固醇的衍生物所生成的. 但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相. 这种液晶如图5所示, 如果把它的一层一层分开来看, 会很像线状液晶. 但是在Z轴方向来看, 会发现它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布, 而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch. 正因为它每一层跟线状液晶很像,所以也叫做Chiral nematic phase. 以胆固醇液晶而言, 与指向矢的垂直方向分布的液晶分子, 由于其指向矢的不同, 就会有不同的光学或是电学的差异, 也因此造就了不同的特性.

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4.碟状液晶(disk) :

也称为柱状液晶, 以一个个的液晶来说, 它是长的像碟状(disk), 但是其排列就像是柱状(discoid).

如果我们是依分子量的高低来分的话则可以分成高分子液晶(polymer liquid crystal, 聚合许多液晶分子而成)与低分子液晶两种. 就此种分类来说 TFT液晶显示器是属于低分子液晶的应用. 倘若就液晶态的形成原因, 则可以分成因为温度形成液晶态的热致型液晶(thermotropic),与因为浓度而形成液晶态的溶致型液晶(lyotropic). 以之前所提过的分类来说, 层状液晶与线状液晶一般多为热致型的液晶, 是随着温度变化而形成液晶态. 而对于溶致型的液晶, 需要考虑分子溶于溶剂中的情形. 当浓度很低时, 分子便杂乱的分布于溶剂中而形成等方性的溶液, 不过当浓度升高大于某一临界浓度时, 由于分子已没有足够的空间来形成杂乱的分布, 部份21

分子开始聚集形成较规则的排列, 以减少空间的阻碍. 因此形成异方性(anisotropic)之溶液. 所以溶致型液晶的产生就是液晶分子在适当溶剂中 达到某一临界浓度时,便会形成液晶态. 溶致型的液晶有一个最好的例子,就是肥皂. 当肥

皂泡在水中并不会立刻便成液态, 而其在水中泡久了之后, 所形成的乳白状物质, 就是它的液晶态.

液晶的光电特性

由于液晶分子的结构为异方性 (Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度, 以便形成灰阶, 来应用于显示器组件上. 以下我们要讨论的, 是液晶属于光学跟电学相关的特性, 大约有以下几项:

1.介电系数ε(dielectric permittivity) :

我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别是ε// (与指向矢平行的分量)与ε?(与指向矢垂直的分量). 当ε// >ε? 便称之为介电系数异方性为正型的液晶, 可以用在平行配位. 而ε// <ε? 则称之为介电系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透与否。现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性Δε(=ε//-ε?)越大的时候, 则液晶的临界电压(threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶便可以在较低的电压操作.

2.折射系数(refractive index) :

由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或22 垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数一样, 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向, 分成两个方向的向量. 分别为n // 与n?.

此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说, 原本就有两个不同折射系数的定义. 一个为no ,它是指对于ordinary ray的折射系数, 所以才简写成no .而ordinary

ray是指其光波的电场分量是垂直于光轴的称之. 另一个则是ne ,它是指对于extraordinary ray的折射系数, 而extraordinary ray

是指其光波的电场分量是平行于光轴的. 同时也定义了双折射率(birefrigence)Δn = ne-no为上述的两个折射率的差值.

依照上面所述, 对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状, 所以其指向矢的方向与分子长轴平行. 再参照单光轴晶体的折射系数定义, 它会有两个折射率，分别为垂直于液晶长轴方向n?(=ne)及平行液晶长轴方向n //(= no)两种，所以当光入射液晶时，便会受到两个折射率的影响，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。

若光的行进方向与分子长轴平行时的速度, 小于垂直于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率(因为折射率与光速成反比)，也就是ne-no > 0 .所以双折射率Δn > 0 ,我们把它称做是光学正型的液晶, 而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶. 倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以双折射率Δn < 0.我们称它做是光学负型的液晶. 而胆固醇液晶多为光学负型的液晶.

3.其它特性 :

对于液晶的光电特性来说, 除了上述的两个重要特性之外, 还有许多不23 同的特性. 比如说像弹性常数(elastic constant :κ11 , κ22 , κ33 ), 它包含了三个主要的常数, 分别是, κ11 指的是斜展(splay)的弹性常数, κ22 指的是扭曲(twist)的弹性常数, κ33 指的是弯曲(bend)的弹性常数. 另外像黏性系数(viscosity coefficients ,η ), 则会影响液晶分子的转动速度与反应时间(response time), 其值越小越好. 但是此特性受温度的影响最大. 另外还有磁化率(magnetic susceptibility), 也因为液晶的异方性关系, 分成c // 与c? .而

磁化率异方性则定义成Δc = c // -c? . 此外还有电导系数(conductivity)等等光电特性.

液晶特性中最重要的就是液晶的介电系数与折射系数. 介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性, 而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数. 而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性, 适当的利用电压, 来控制液晶分子的转动, 进而影响光线的行进方向, 来形成不同的灰阶, 作为显示影像的工具. 当然啦, 单靠液晶本身是无法当作显示器的, 还需要其它的材料来帮忙, 以下我们要来介绍有关液晶显示器的各项材料组成与其操作原理.

偏光板(polarizer)

我记得在高中时的物理课, 当教到跟光有关的物理特性时, 做了好多的物理实验, 目的是为了要证明光也是一种波动. 而光波的行进方向, 是与电场及磁场互相垂直的. 同时光波本身的电场与磁场分量, 彼此也是互相垂直的. 也就是说行进方向与电场及磁场分量, 彼此是两两互相平行的.(请见图7) 而偏光板的作用就像是栅栏一般, 会阻隔掉与栅栏垂直的分量, 只准许与栅栏平行的分量通过. 所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看, 会感觉像是戴了太阳眼镜一般, 光线变得较暗. 但是如果把两片偏光板迭在一起, 那就不一样了. 当您旋转两片的偏光板的相对角度, 会发现随着相对角度的不同, 光线的亮度会越来越暗. 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时, 光线就完全无法通过了.(请见图8) 而液晶显示器就是24

利用这个特性来完成的. 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间, 充满液晶, 再利用电场控制液晶转动, 来改变光的行进方向, 如此一来, 不同的电场大小, 就会形成不同灰阶亮度了.(请见图9)

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上下两层玻璃与配向膜(alignment film)

这上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的. 在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thin film transistor, TFT), 而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Color filter). 如果您注意到的话(请见图3), 这两片玻璃在接触液晶的那一面, 并不是光滑的, 而是有锯齿状的沟槽. 这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子, 会沿着沟槽排列. 如此一来, 液晶分子的排列才会整齐. 因为如果是光滑的平面, 液晶分子的排列便会不整齐, 造成光线的散射, 形成漏光的现象. 其实这只是理论的说明, 告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面, 做好处理, 以便让液晶的排列有一定的顺序. 但在实际的制造过程中, 并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布, 一般会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide), 然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作, 好让PI的表面分子不再是杂散分布, 会依照固定而均一的方向排列. 而这一层PI就叫做配向膜, 它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样, 提供液晶分27

子呈均匀排列的接口条件, 让液晶依照预定的顺序排列. TN(Twisted Nematic) LCD

从图10中我们可以知道, 当上下两块玻璃之间没有施加电压时, 液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定. 对于TN型的液晶来说, 上下的配向膜的角度

差恰为90度.(请见图9) 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度, 当入射的光线经过上面的偏光板时, 会只剩下单方向极化的光波. 通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度. 而下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度.(请见图9) 所以光线便可以顺利的通过, 但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时, 由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε// >ε? ,代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大, 因此当液晶分子受电场影响时, 其排列方向会倾向平行于电场方向.), 所以我们从图10中便可以看到, 液晶分子的排列都变成站立着的. 此时通过上层偏光板的单方向的极化光波, 经过液晶分子时便不会改变极化方向, 因此就无法通过下层偏光板.

Normally white及normally black

所谓的NW(Normally white),是指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是透光的画面, 也就是亮的画面, 所以才叫做normally white. 而反过来, 当我们对液晶面板不施加电压时, 如果面板无法透光, 看起来是黑色的话, 就称之为NB(Normally black). 我们刚才所提到的图9及图10都是属于NW的配置, 另外从图11我们可以知道, 对TN型的LCD而言, 位于上下玻璃的配向膜都是互相垂直的, 而NB与NW的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已. 对NB来说, 其上下偏光板的极性是互相平行的. 所以当NB不施加电压时, 光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光. 为什么会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢? 主要是为了28

不同的应用环境. 一般应用于桌上型计算机或是笔记型计算机, 大多为NW的配置. 那是因为, 如果你注意到一般计算机软件的使用环境, 你会发现整个屏幕大多是亮点, 也就是说计算机软件多为白底黑字的应用. 既然亮着的点占大多数, 使

用NW当然比较方便. 也因为NW的亮点不需要加电压, 平均起来也会比较省电. 反过来说 NB的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了.

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STN(Super Twisted Nematic)型LCD

STN LCD与TN型LCD在结构上是很相似的, 其主要的差别在于 TN型的LCD,其液晶分子的排列, 由上到下旋转的角度总共为90度. 而STN型LCD的液晶分子排列, 其旋转的角度会大于180度, 一般为270度.(请见图12) 正因为其旋转的角度不一样, 其特性也就跟着不一样. 我们从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿

透率曲线可以知道, 当电压比较低时, 光线的穿透率很高. 电压很高时, 光线的穿透率很低. 所以它们是属于Normal White的偏光板配置. 而电压在中间位置的时候, TN型LCD的变化曲线比较平缓, 而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭. 因此在TN型的LCD中, 当穿透率由90%变化到10%时, 相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大. 我们前面曾提到, 在液晶显示器中, 是利用电压来控制灰阶的变化. 而在此TN与STN的不同特性, 便造成TN型的LCD,先天上它的灰阶变化就比STN30

型的LCD来的多. 所以一般TN型的LCD多为6~8 bits的变化, 也就是64~256个灰阶的变化. 而STN型的LCD最多为4 bits的变化 也就只有16阶的灰阶变化. 除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地方就是反应时间(response time) 一般STN型的LCD其反应时间多在100ms以上 而TN型的LCD其反应时间多为30~50ms 当所显示的影像变动快速时对STN型的LCD而言 就容易会有残影的现象发生

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TFT LCD(Thin film transistor liquid crystal display)

TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器, 我们从一开始就提到 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. 而利用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转向的显示器, 就叫做TFT LCD. 从图8的切面结构图来看, 在上下两层玻璃间, 夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小约为0.1pF, 但是实际应用上, 这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也就是说当TFT对这个电容充好电时, 它并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时间.) 这样一来, 电压有了变化, 所显示的灰阶就会不正确. 因此一般在面板的设计上, 会再加一个储存电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF), 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候. 不过正确32

的来说, 长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关. 它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来. 至于这个点要充到多高的电压, 以便显示出怎样的灰阶. 都是由外面的LCD source driver来决定的.

彩色滤光片(color filter, CF)

如果你有机会, 拿着放大镜, 靠近液晶显示器的话. 你会发现如图9中所显示的样子. 我们知道红色, 蓝色以及绿色, 是所谓的三原色. 也就是说利用这三种颜色, 便可以混合出各种不同的颜色. 很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩. 我们把RGB三种颜色, 分成独立的三个点, 各自拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点, 当作一个显示的基本单位, 也就是pixel. 那这一个pixel,就可以拥有不同的色彩变化了. 然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面, 我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel, 便可以正确的显示这一个画面. 在图9中,每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我们回过头来看图8就可以发现, black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走线, 或是Cr/Al的走线, 或者是TFT的部分. 这也就是为什么我们在图9中, 每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩形, 在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分, 这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.

图10是常见的彩色滤光片的排列方式. 条状排列(stripe)最常使用于OA的产品, 也就是我们常见的笔记型计算机,或是桌上型计算机等等. 为什么这种应用要用条状排列的方式呢? 原因是现在的软件, 多半都是窗口化的接口. 也就是说, 我们所看到的屏幕内容,就是一大堆大小不等的方框所组成的. 而条状排列,恰好可以使这些方框边缘, 看起来更笔直, 而不会有一条直线, 看起来会有毛边或是锯齿状的感觉. 但是如果是应用在AV产品上, 就不一样了. 因为电视信号多半是人物, 人物的线条不是笔直33

的, 其轮廓大部分是不规则的曲线. 因此一开始, 使用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic,或是称为对角形排列). 不过最近的AV产品, 多已改进到使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列). 除了上述的排列方式之外, 还有一种排列, 叫做正方形排列. 它跟前面几个不一样的地方在于, 它并不是以三个点来当

作一个pixel,而是以四个点来当作一个pixel. 而四个点组合起来刚好形成一个正方形.

背光板(back light, BL)

在一般的CRT屏幕, 是利用高速的电子枪发射出电子, 打击在银光幕上的荧光粉, 藉以产生亮光, 来显示出画面. 然而液晶显示器本身, 仅能控制光线通过的亮度, 本身并无发光的功能. 因此,液晶显示器就必须加上一个背光板, 来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源. 我们在图14中可以看到, 组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管), 反射板, 导光板, prism sheet, 扩散板等等. 灯管是主要的发光零件, 藉由导光板, 将光线分布到各处. 而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进. 最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙, 将光线均匀的分布到各个区域去, 提供给TFT LCD一个明亮的光源. 而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转动, 控制通过光线的亮度, 藉以形成不同的灰阶.

框胶(Sealant)及spacer

在图14中另外还有框胶与spacer两种结构成分. 其中框胶的用途,就是要让液晶面板中的上下两层玻璃, 能够紧密黏住, 并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔,所以框胶正如其名,是围绕于面板四周, 将液晶分子框限于面板之内. 而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑, 它必须均匀的分布在玻璃基板上, 不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起, 反而会阻碍光线通过, 也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap), 会成电场分布不均的现象, 进而影响液晶的灰阶表现.

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开口率(Aperture ratio)

液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度, 而决定亮度最重要的因素就是开口率. 开口率是什么呢? 简单的来说就是光线能透过的有效区域比例. 我们来看看图17, 图17的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图. 当光线经由背光板发射出来时, 并不是所有的光线都能穿过面板, 像是给LCD source驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线, 以及TFT本身, 还有储存电压用的储存电容等等. 这些地方除了不完全透光外, 也由于经过这些地方的光线 并不受到电压的控制,而无法显示正确的灰阶, 所以都需利用black matrix加以遮蔽, 以免干扰到其它透光区域36

的正确亮度. 所以有效的透光区域, 就只剩下如同图17右边所显示的区域而已. 这一块有效的透光区域, 与全部面积的比例就称之为开口率.

当光线从背光板发射出来, 会依序穿过偏光板, 玻璃, 液晶, 彩色滤光片等等. 假设各个零件的穿透率如以下所示:

, 偏光板: 50%(因为其只准许单方向的极化光波通过) , 玻璃:95%(需要计算上下两片)

, 液晶:95%

, 开口率:50%(有效透光区域只有一半)

, 彩色滤光片:27%(假设材质本身的穿透率为80%,但由于滤光片本身 涂有色彩, 只能容许该色彩的光波通过. 以RGB三原色来说, 只能容许 三种其中一种通过. 所以仅剩下三分之一的亮度. 所以总共只能通过 80%*33%=27%.) 37

以上述的穿透率来计算, 从背光板出发的光线只会剩下6%, 实在是少的可怜. 这也是为什么在TFT LCD的设计中, 要尽量提高开口率的原因. 只要提高开口率, 便可以增加亮度, 而同时背光板的亮度也不用那么高, 可以节省耗电及花费.

38 结论

39 参考文献 40 致谢

在此结束之际，我要感谢我在学校求学期间里，每一位都曾经授予我知识和做人道理的老师，在这里我由衷的说一句:老师，您辛苦了～在这即将毕业的时候，我的心里有着不知是什么样的心情，大学三年的寒窗苦读在这一瞬间也宣告结束，即将真正走进社会大家庭的我是老师和我的亲人在教会和告诫我，使我的路不是那么的曲折、迷离，在此我要再次感谢我的恩师和我的亲人，非常的谢谢你们，一直对我的教导～ 41