液晶面板显示模式介绍

板显示模式组件研发部Tim2011. 1. 8、液晶简介二、普通显示模式1. TN2.STNFSTNDSTNCSTNTFT三、广视角技术1. TN+FILM2. VADEm/IPS一、液晶简介液晶态是各相同性液体与 高度有序晶体之间的一种 中间态，它既有液体的流 动性，又有晶体的各向异 性特征，是一种取向有序 位置无序的流体。液晶最早由奥地利植物学 家莱尼茨尔(F. Reini tzer )于1888年 发现，但直到1971年， TN型LCD推出后，LCD产业 才进入真正的发展时期， 随着半导体技术的发展和 有源矩曄概念的提出) TFT-LCD技术开始逐步成 形，并于90年代初期在日 本开始产业化。时间技术沿革涉及人员及地区1888液晶的发现Reinitzer （奥地利）1968DSM型、GH型LCD方式发表Heilmeier 等（美）1971TN型LCD方式发表Schadt 等（瑞士）1972液晶于表、液晶计算器的实用化Mi croma 公司、Rockwe 11 公司（美）1980a-Si TFT型驱动LCD试制Dundee大学（英）1982液晶黑白电视机的实用化精工、卡西欧（日）1984STN （SBE）型LCD方式开发Scheffer （瑞士）1981液m彩色电视机的实用化精工（日）1991高清II析度液品投影机的商品化夏普（日）1993开始建设大尺寸TFT-LCD生产线日木1997建设第三代TFT-LCD生产线韩国1998建设第三代TFT-LCD生产线台湾199836寸液晶彩色电视机问世夏普（日1999大陆引进TFT-LCD生产线试生产吉林省电子集团公司200061cmUXGA TFT-LCD HDTV 投入市场三星（韩）2002建设第五代TFT-LCD生产线韩国2005建设第七代TFT-LCD生产线韩国DEWVE液晶三大类：:向列相液晶（N相）(Nenatic Liquid向列相液晶是由棒状或杆状分子组成，分子长轴相互平行，分子质心的位置混乱无序，可以自由平移。所以,向列相液晶具有一维有序性，形成一维向列液晶分子的分子排列"向列液晶分子的分子排列"流体。向列液晶分子的分子排列"近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals )近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列 成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直 于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐 ,其规整性接近晶体，具有二维有序性。1川山1川1|山|l|l|ll|lllll|l|1>|1111|11| l|l|l|l|lll|陆晶A相液晶的分子排列卩:胆笛相液晶胆笛醇经脂化或卤素取代后出现的液晶称为胆 笛相液晶。这类液晶分子呈扁平形状，分子排列 成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方 向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。当不同的分子长轴排列沿螺方向经历360。的变 化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距离 称为胆笛相液晶的螺距(P ) ODEm/一般来讲，螺距的长度P接近可见光波长; 相螺旋结构的螺距易受外界因素的影响，特别是 对温度很敏感。当温度变化时，螺距也随之变化,从而使得胆笛相显现不同的颜色，胆笛相的这 种色温效应可以用来测量表面温度。图1-3-8匹笛相液晶的分子按列图1-3-8匹笛相液晶的分子按列DEn/图1-3-8匹笛相液晶的分子按列二、普通显示模式 1. TN工作模式（扭曲型向列相液晶）液晶层上过度电极电极衬垫取向层偏光片 玻璃电极 封接框 玻璃 偏光片 反射片TN-LCD液晶显示器的基耶:结构a171 TN - LCD的结构:在镀有ITO （厚度可达1000A）透明电极的两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶Np,料（一般是环氧树脂、固化剂上下玻璃之间的距离主要靠衬垫来控制。通常上下玻璃内侧对应显 示图形的部分一般都镀有透明电极，透明电极的作用在于把外部信号通过它加到液晶层上，使选 定区域的液晶分子排列由90。扭曲状态转变为与基板平面垂直的排列状态，从而使此处的光透过情况发生变化达到显示效果O:取向层：聚酰亚胺:扭转角度：90°:预倾角：2° - 3°:手性材料：自然界中的许多分子都有两种形态,两个分子的结构从平面上看一模一样，但在空间上会完全不同，它们构成了实物和镜像的关系， 和人照镜子一样，也可以比作左右手的关系，所 以叫手性分子。:常白模式:正像显示:常黑模式：负像显示1： 2； TN-LCD工作原理TN-LCD显示原理d2： STN工作模式（超扭曲向列相液晶）2. 1 STN-LCD 的结构一般来说STN-LCD的结构与TNLCD基本相同。 不同点仅在于以下几点：大扭角（180。-270° ）；高预倾角（20。）；两偏振片光轴特殊设置。DEm/5. 检波片41偏片叭，Pa分别 決I上下基板取向右向a八环 两偏振片光轴与相应基板取向之夫DEm/2. 2 -ESTlTtFIlm Compensation SuperTwisted Nematic )这种液晶盒的外面通常含有一层补偿膜，这层补偿膜通常 由聚合物制成，也具有双折射性。当o光和e光通过补偿膜 时将会产生附加相位差，使o光和e光的相位得以延迟或补 偿，从而改变偏振光的干涉色。液晶显示技术中，常常利 用补偿膜来消除偏振光的干涉色。 FSTN-LCD中的补偿膜可以可以位于位于偏振片的下面，也 可以位于偏振片的上面，可以用一片，也可以用两片。有 些两片补偿膜系统下面的这片还同时起到准直器的作用， 上面这片补偿膜同时具有散射膜的作用，以便增加液晶显 示器的视角还不影响液晶显示器的响应速度。 FSTN-LCD的特点：黑白显示、视角800 （典型）、多路驱 动比可达480: 1 （segments / commons） > 反映时间250 msec at 4. 5V （低于TN-LCD）。2. 3 JDSTN(Double Super TwistedNematicwent huehs wrnir IMsntKMTDSTN的结构心含有补偿盒的超扭曲液晶显示器（DSTN-LCD）是最先出现的一种黑白 化液晶显示器。DSTN-LCD与一般超扭曲液晶显示器的最大区别在于是 由南个扭时力向相反的超粗曲液晶显示盒粘在一也柯成。上面的液晶盒构成一个超扭曲液晶显示器，下面的液晶盒即无电极也 没有偏光片仅仅充满了液晶层，上下液晶盒的扭曲方向完全相反，下 面的液晶盒是一个补偿盒，当o光和e光通过补偿盒时也会产生附加相 位差，使o光和e光的相位得以延迟或补偿，从而消除偏振光的干涉色 ，得到黑白显示效果。 DSTNLCD 的特点：对比度：优于STN, FSTN；能自动补偿由于温度改变而造成的对比度的变 化反应速度：显著增加。色泽：通常情况下液晶显示屏略微呈现红、绿或蓝色调，DSTNLCD使这 种倾向有所减弱。视角：最住视角大2.4 CSTNC-STN的结构d COLOR STN是在传统STN上加上一彩色滤光片( Color filter),將单色显示矩阵的任一象素 (pixel)分成三个子象素(sub-pixel),分別透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三基色，再通过三 基色比例的调和显示岀各种色彩。2： 5 STN光调制:STN系列显示器件利用双折射现象来进行光调制。 因此，在输出光中不可避免的岀现各种干涉色。:黄模式：在非选择态显示色呈黄色（背景为黄色 ）o而在选择态时呈黑色。:蓝模式：非选择态时显示色呈藏青色（背景为藏 青色），而在选择态时几乎成无色（白色）。DEm/2.6 STN-LCD黑白化技术:宾主方式：是基于STN型显示模式中的蓝色模式，采用黑色二向染料或是蓝的补色黄色二向染料，使蓝色背景接近黑色。这种屏的结构和技术与蓝色模式STN型显示器件基本相同o:相位补偿方式:分两种：二层液晶屏方式(DSTN) 和相位补偿膜方式(FSTN)2. 7 tft ( Thin Film Transistor )DiffuserRear polarizerRGflectorCCF lampsTFTLiquid crystal乡2、Color filers rent gloss TFT-LCD 结构 TFT-LCD使用的液晶为TN (Twist Nematic)型液 晶，液晶分子呈椭圆状。C = N CH 二N CHgTerminalCoreTerminalgroupmoleculegroupRguce I A Typical Liquid Crystal Molecule.2. 771 CF结构:彩色滤光片基本结构是由玻璃基板(GlassSubstrate),黑色矩阵(Black Matrix),彩色 层(Color Layer),保护层(Over Coat) , ITO 导电膜组成。一般穿透式TFT用彩色滤光片结构如 下图。DEm/I R Negative resist Coaling, Dosin & I DweBopu® P&at-bAkitig：I /?Cf .vj/ />-/>/ Vd*r/O HgAtiWii kSLt CToAlkig, Dot trig Dwfflepw& Fofft-bkingifB Negative nsifft Coating,IDosing, OcvTcrlopi±tPoat- bakingB a «/Kinat /.¥/?cF4：rZw/M G B R wbmk rkmuawfiuvrray:4V* c 9X ¥qv=-1 'fT*FT-1 '土Ul=-1 !VSource - G血線液晶輩容、/=n1P*葺Uru丄H=-|ipVMJ儲存亀容*Pi4备-e P¥G1G2G3Gm JGmSI S2 S3血-1助ITO2单一画素结构:A?TFTAA9D S I lTG儲存電容Ol)儲存電容Ol)BDEWVTFT工作原理:GDEWV TFT为一三端子元件，在LCD应用上可视为一开关:液晶组件的作用类似一个电容，藉Switch的ON/OFF对电容储存的电压值进行更新/保持。:SW ON时信号写入（加入、记录）在液晶电容上，在以外时间SW OFF,可防止信号从液晶电容泄漏。:讯号读取 TFT组件在闸极(G)给予适当电压(VGS起始电压Vth，注)， 使通道(a-Si)感应出载子(电子)而使得源极(S)汲极(D)导 通。【注】：Vth为感应出载子所需最小电压。GDEWVGDEWVDcowGDEWV:当Vgs小于起始电压时没有感应岀载子则通道成断 路。VgDG*1VG为扫描线电压，VID为信号线电压，分别加在TFT備囲电 极。 2在T1时域（水平选择期间）TFT ON,画素电极电位VP会被 信号电位VID o在T2时域（非选择期间）TFT OFF,在OFF的瞬间，VP 会下降此AV的大小与TFT组件的闸极与汲极间的寄生电容 CGD有关，因此在设计与制程组件时尽量避免寄生电容的产生。T, Th驱动波形图CommonEle ctrode (ITO)lack MatrixColopFilterSourcePixel Electio-de Storage 匚apacitor (TO(Cs)Data Bus-LineCommonElectFocfe (I TO)THDataSus-LinePixel Electrode (ITO) Gate Bus-Line三、广视角技术O观察角度不同，获得的亮度不同度 不 同I:广视角分类： TN+Film相位补偿方式:共面开关(In-Plane Switch, IPS)模式(日立的Super- IPS和现代电子的FFS (Fringe Field Switching)液晶模式 则是IPS的改进):多畴垂直取向(Multi-domain Vertical Al ignment, MV A )模式(三星公司的PVA (Patterned Vertical Alignment)模式及夏普公司的 ASV (Advanced Super V)模 式是MVA模式的延伸)其它还有松下的 OCB (Optical CompensatedBirefringence)及 NEC 的 SFT (Super-fine TFT)技术等等2. TN+Film相位补偿方式 TN模式中暗态是有场态，在饱和电压下，盒中心部位的液晶分子垂直 于基板排列，而基板附近的分子几乎不扭曲地徐徐倾斜取向，形成指 向矢沿盒厚方向连续变化但上下不对称的混合取向。TN+Film方式液晶盒示意图:膜上的取向层供盘状液晶取向用。制作盘状液晶 补偿层时，在盘状液晶固化之前施加电场（或磁 场），在电场（或磁场）和取向膜取向力的双重 作用下，盘状液晶分子形成光轴沿厚度方向连续 变化的混合取向，与液晶盒内分子的混合取向相 一致。然后在此电场（或磁场）的作用下，进行 紫外线固化，使取向固定。DEm/:局部不对称现象，是补偿 膜没有完全补偿盒内液晶 分子复杂混合取向的结果 O因为补偿膜的补偿条件 是根据饱和电压作用来确 定的，而在显示中间灰度 时，盒内液晶分子的取向 变化比较复杂，对应的光 学各向异性值与饱和电压 作用时发生偏离，从而得 不到完全补偿。90450.0400.0350.0300.0250.0200.0150.0100.050.0500.00.0DEWV TN+film技术特点：1最为便宜，良率很咼。2. 对视角特性方位角对称性的改善并不显著。3. 低对比及响应速度慢这两大问题依旧没有改善。4. 主要应用于低端显示器。DEm/:IPS是 “In Plane Switching” （共面开关）的缩 写 IPS技术为日本日立公司于1996年开发成功的显示 技术。:1998年，日立又推出了S-IPS （Super-IPS）,除了 有IPS原来的技术以外，亦在反应率有了改进。:在2002年，日立又推出了AS-IPS,在明暗比方面 有很大的改善。:目前IPS厂家：日立，LG,瀚宇彩晶、IDTech（奇美 电子与日本IBM的合资公司）DEXM/:1.具有介电各向异性为负的向列相液晶分子在基 板间均匀平行沿面排列，梳状内信号电极和公共 电极用来产生横向电场，以改变液晶分子的光轴 在平行于基板平面内的方位角，控制透光率。:2.两偏振片正交设置，起偏器的偏振化方向与下 基板表面处液晶分子指向矢平行。址模式液晶盒的结构"址模式液晶盒的结构"mi /址模式液晶盒的结构"工作原理:1.断开态：由于起偏器的 偏光轴平行于液晶分子指 向矢，所以当入射光经起 偏器得到的线性偏振光射 入基板处液晶层时其偏振 状态不会发生变化；同时 由于此时液晶分子均匀平 行沿面排列，这样入射线 偏光在经过液晶层时就不 会发生旋转；上下偏振片 的正交设置，使得该线偏 光完全被检偏器阻隔，这 样就可以得到几乎接近纯 黑的暗态显示。穿透光-入射光未加电压状态 2导通态：由于梳形内数字 电极和公共电极之间的横向 电场作用，具有一的液 晶分子将转向与该电场垂直 的方向排列，其扭曲角度就 是分子指向矢和入射侧偏振 片偏晃轴的夹鬲，从帚满总 双折射条件，出现相位延迟 ，使得入射线偏振光穿过下 玻璃墓板后在进入检偏器前 丞歳肅El偏振光，这*羊一部 分晃就可以从检偏器轴“出， 得到亮态显示。施加电压状态DEm/ITS模式特性: 1无论是垂直还是水平方向，±809内均没有阶调反转现象。 2.电压保持率很高。 3视角特性的方位对称性不佳。在某些方位角视角范围不够宽。 4开口率小，透过低。3020-3040IPS模式和普通TM模式视角特性对比" 5.响应速度较慢。开口率(Aperture Ratio ):开口率即是每个画素可透光的有效区域除以画素的总面积，开口率越 高，整体画面越亮。 IPS:由于上下电极（材料一般为Ci或A1）都做在下基板上，使得开口 率下降，相同条件下透射光强度下降，从而导致对比度下降（要获得 与TN模式相当的对比度就得加大背光源的亮度）。TFT PixelJEfftetlvt Area40%CapacitorS-IPS:在一个像素范围内使梳形电极折成齿状，形成液 晶分子可左、右旋转的两个区域，因而获得分割 取向，使视角特性得到补偿。100%100%s-弟模S的电极形状d100%S-IPS模式液晶盒视角特性图:CR>IO1S-IPS憧式液晶盒视角特性图'QEXM/4VA模式（垂直取向模式）:不施加电压时，所有液晶分子都垂直于基板表面排列，此时为暗态显 示；当施加一个大于阈值的电压时，除了基板表面附近的液晶分子外其余 分子的长轴都倾斜一定角度，该角度随着电压的增大而增大，于是入 射线偏光发生双折射而变为椭圆偏振光，从而使一部分光能从检偏器 射出。透射光强度取决于外加电压的大小。V入模式特点:1.响应速度大大高于普通TN模式。由于VA模式去 掉了液晶分子的扭曲结构，工作时液晶分子的排 列状态只在水平和垂直两种状态之间变换。 2.电光特性曲线在靠近阈值部分基本没有色分离 o在垂直入射光情况下，可在屏法线方向获得极 好的黑白显示。 3.与普通TN模式一样，在产生灰阶图像显示时VA 模式同样存在着视角范围窄及视角方位不对称的 缺陷。DEm/:VA技术厂家：夏普CPA富士通MVA ( P-MVA ) 三星PVA ( S-PVA ) 友达光电MVADEWVr多畴取向技术(Mu lti-doma i nTechnology):双畴：2分割像素法四畴：4分割像素法灰隨晰时单嘛和 貓状态下液劭子排列图Q灰隨晰时单嘛和 貓状态下液劭子排列图QLi quid Crystal LayerI I- -linn II 11 工VXX 2(a； Mono-domain VA Muki-domain VA灰隨晰时单嘛和 貓状态下液劭子排列图Qin*fr*采用双嘛取向的液晶盒的视角特性图护DEWVjMVA （多畴垂直取向技术）:由富士通公司开发，不需要摩擦的特殊取向技术ADF技术 (Automatic Domain Formation： )自动成畴DEm/ADFfeTXutomatic DomainFormation:自动成畴）B*". Ji Ji l"I ( Ml _ M Ji LjCu LCnr ，RiHLflR BL *4M Uhf 0JB B« C*I flLU" a< 1 JBU9.JVy ._. U； -. - . 4叮丄 uv. 1. ! J.t ,?. . ?.« .*；.y .；f .1b .'. . . . - .: 一一' <. . .*. L*一一 一 .'.« . DEWV:不加电时，使大部分液晶分子垂面排列（小凸起处少数分子在士 面的作用下发生略微倾斜）；当施加电压时，小凸起周围将获得 倾斜电场，首先使得位于小凸起坡面上的液晶分子1和1按图示的 方向旋转，受1和1旋转的影响，处于小凸起周围的液晶分子（图7 中的2、2 3、3呀口4、4J也朝和1、T相同的方向旋转，这样液 晶盒内所有液晶分子就可以获得稳定的双畴取向。MVA模式工作原理:当不加电时，在上下基板小凸起的作用下，绝大部分液晶分子垂MVA-LCD结构面取向，因为上下偏光片正交设置，所以无场时为暗态。未加 电状态当施加电压时，上下小凸起间产生倾斜电场，使得液晶芬 子变成倾斜取向，由于液晶分子的双折射效应，入射线偏 光经过倾斜取向的液晶层后变成椭圆偏振光，这样就会有 光从检偏器射出而得到亮态显示。而且随着电场的加大， 透射光强度也相应增大。MVA-DCD 结构d 小凸起排列设计方式:上下小凸起交替排列。这样在施加电压时，液晶分子就可 以获得4个不同的取向状态，亦即形成4个畴区。可以证明,在这种排列方式下，当偏振片的吸收轴与液晶分子长轴 成45。时，入射光的利用率最大。小凸起排列方式设计a谢號式的特点:(a) Mono-domain VA-LCD(b) 4-domain MVA-LCD lllllllllllll-U:1.宽视角，高对比，响应速度快：水平和垂直方 向视角都可以达到土 809以上，而且高度对称，即 使在45。方向也在土 50Q以上；响应速度也在25ms 左右；MVA-LCD中不存在阶调反转现象。:2.取向不需摩擦，良率高：ADF技术的应用使得 MVA-LCD面板的制作过程中省去了摩擦工艺，缩短 了制作流程；同时由于不存在摩擦工艺常引入的 那些问题，从而提高了良率。©)TN“P5桎戎中采用总寒馭白AssembleAssemble >V(a)MVAffj£ 中不 £J34S卿A和珈IFS模式中的取向枝术Q三种广视角技术特性对比 1. IPS模式是由日立开发的，现在NEC及Nokia也在采用甕 项技术。这种模式的最大优点是可将视角增加到土 85。度 ,但是该模式的其它显示性能还是无法改善：响应时间在 30毫秒左右。IPS模式的另一个问题是控制液晶分子旋转 的横向电场的获得需要施加很大的电压，使得显示器件的 功耗增大。 2. MVA模式是由富士通开发的，目前已有台湾奇美和友达 光电获得授权使用。MVA模式应该是目前液晶显示器件广视角及快响应的最佳解决方案。它的视角能高达160度， 与传统CRT显示器件相当；它能够提供比TN+Film方式及 IPS模式更短的响应时间（20 ms）。这对视频显示来说相当重要。此外在对比度方面也有很大改善，尽管还是会随视角的变化而变化。 IPS平面控制模式是一种比较完美的宽视角解决方案，基本上画面不会随视角的变化而出现明显失真; MV A则随观看视角的增大会出现颜色变淡的现象, 这一典型特性是判定MVA的重要依据！DEm/3lIHIl!JiililiUIIIIH limn iiiiii iiiim