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有源矩阵液晶显示器的功能

发布时间:2018-01-22 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:816

在Reinitzer发现液晶形态近80年后,才有了第一个以液晶作为可控电子显示器材料的成功尝试。20世纪60年代,美国广播公司(RCA)首先开发出了一个液晶显示器的样机,这个样机是以动态散射(DSM)的方式进行工作的。在这个样机中,以含有掺杂了导电盐成分的有单一取向的向列相液晶材料的液晶盒作为基础。如果在这个盒上加上一个电压,那么离子迁移引起了指向矢的波动,从而使原来透明的层产生了光的散射。但动态散射显示器的响应时间长,而且使用的材料也会很快被电化学降解;这就大大影响了它的使用寿命,同时在商业上也缺乏吸引力。除了这些固有的问题外,在这里应用的液晶材料是含有芳基亚胺结构的化合物(7)或偶氮氧化物(8)组成的,前者对水敏感,易发生水解反应,后者的光化学稳定性差,易发生光降解反应(图式8.12)。

几乎同时报道的两个伟大的发明—1971年由M. Schadt和 W. Helfrich发明的扭曲向列相(TN)盒及20世纪70年代初G. W. Gray及其同事发现的氰基联苯(9)的液晶材料,使液晶显示器的广泛应用成为了可能。在液晶材料方面另一个关键性的发展,是1977年R. Eidenschink及其同事所报道的氰基苯基环己烷类(10, PCHs)材料。对于具有同系烷基和类似结构的不同材料(11, 12),利用其混合物降低熔点,使得用于TN显示器的向列相材料有了很宽的工作温度和几乎无限的工作时间(图式8.12)。

图式8.12第一代(7, 8)和第二代(9~12)液晶材料(R=烷基)

在以TN方式制成的液晶盒中,具有正介电的各向异性(△ε)的液晶材料,以均相层状整齐排列,螺旋扭曲90o,将它们放入十字相交的偏光片之间的由锢锡氧化物((ITO)内衬的玻璃器件中(图8.6)。液晶分子的取向是由盒内定向摩擦的聚酰亚胺的取向决定的。为了能够保证.显示器中螺旋结构有相同的手性以避免“畴”的形成,通常在液晶材料中加入一些具有手性的掺杂剂(不超过0.1%)。在关态,入射光被偏振,该被偏振的光的平面在透过液晶层后旋转了90o,因此能穿过第二个偏振片。但是如果在盒上加上电压,液晶分子的螺旋结构被破坏,那么入射光就不能穿过十字相交偏光片。这样一来,在关态由于液晶盒的底部被照亮,就显示了白色,而在开态是黑的。如果加一个在阀值电压(Vth)和饱和电压之间的一个电压,就可以得到一个灰色的状态。

第一代的TN-LCD的结构是非常简单的,如目前还在使用直接寻址的显示器(如手表)。当人们想通过在行和列中分时寻址的方法(多重显示),来增加显示的内容时,碰到了TN盒的局限性。由于需要更短的寻址时间,在较高的显示密度的情况下,发生了对比度下降的情况。1984年发展起来的超级扭曲向列相(STN)器件在显示密度上有了很大程度的提高,但并没有从根本上解决这个问题。

图8.6   (a)扭曲型向列相液晶(TN)盒在“常白”的工作原理;(b)随着工作电压增加引起透过率的改变情况。在图中的单元盒中,电光效应的阀值电压(Vth)与透光率在90%时的电压(V90)相同

即使在20世纪60年代末,第一代商品化的显示器还是基于动态散射(DSM)的原理制造的,它们面临着在较高展示密度下的寻址能力的问题。作为一种解决办法,有人提出了利用薄膜晶体管(TFT)的“有源矩阵”和每个像素单元都配电容器的思路(图8.7)。一直以来,DSM方式本身并没有证明它的有效性,但是对TN显示器的有源矩阵寻址的概念,在20世纪80年代又重新进行了深入的评估,在有源矩阵的情况下,每个像素能分别对使用电压进行精确控制从而控制光散射。通过将每个像素分成二个子像素,然后再配上三个基元色的色彩滤膜,就可以达到彩色显示的目的。

图8.7  典型有源矩阵型液晶显示器的组成。(a)具有十二个像素的部件分解图;(b)基元色中三个子像素的示意图。(PI=聚酰亚胺,TFT =薄膜晶体管)。间隔粒子用来调整盒的间隙至3~6um

1986年,夏普公司在以上研究的基础上生产出了第一个3英寸(7.5cm)的TFT显示器的样机。由于从投资和成本及人力资源的角度讲,生产TFT器件是相当复杂和昂贵的,所以直到1989年才开始了供笔记本电脑使用的显示器AM-LCD的规模化生产。

第一代AM-LCD显示器的最大缺点是其显示的对比度和视角有很大的关系,如果视角不是90o,就会出现灰屏和色彩失真的情况。对于“典型”TN-TFT设计这个问题通过使用双折射补偿膜的方法而得到了解决,当然有时需要结合使用多畴的技术。近年来人们正在利用多种多样的技术,对进一步改进有源矩阵寻址LCD的性能进行着深入的研究。在最新一代的LCD电视机中,通过对各种新技术的应用,如:平面开关(IPS)模式和边缘场开关模式(FFS)、多畴垂直取向(MVA)LCD模式、与ASV模式相关的技术等。已成功地将视角扩展到了170o,转换时间减少到10ms以内,而且也极大地提高了新一代LCD TV的对比度。

当前,对多媒体和液晶电视显示器的高质量移动画面显示的要求进一步促进了液晶显示技术的发展。现在以25格/s速度(PAL制式)播放的两幅录像图片之间的时间间隔是16.7ms。这就意味着能够与录像配套使用的显示器,其转换时间一定要小于15ms。

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