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液晶显示工作模式

/liquid crystal display working mode/
最后更新 2023-02-07
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液晶显示运行的标准形式。在外加电场的作用下,液晶分子的排列方向发生变化,通过各向异性折射率分布使得光的偏振或者传播方向改变达成对光透过率的控制,结合阵列驱动与颜色控制使得不同区域呈现颜色与明暗的显示。

英文名称
liquid crystal display working mode
所属学科
光学工程

随着不同特性液晶材料的开发,与之对应的电场设计与液晶显示工作模式相继被开发出来。1968年动态散射(DS)与宾主式显示模式(GH)被G.H.海尔迈尔(G.H.Heilmeier)提出,经由RCA公司开发了基于动态散射原理的第一代液晶显示技术。1971年,瑞士M.沙特(M.Schadt)等人发表了扭曲向列型TN技术,M.F.席克尔(M.F.Schiekel)等人发表了电控双折射ECB技术,并于1973年由日本精工推出了基于TN的第二代液晶显示技术。1984年,瑞士T.舍弗(T.Scheffer)发明了基于超扭曲向列型STN的第三代液晶显示技术。1995年,日立推出了首款基于面内转换IPS技术的产品。1997年,日本富士通提出了一系列关于垂直配向VA模式的专利技术。主流的消费级应用产品主要采用TN、VA或者IPS/FFS技术,其他特殊应用和正在持续优化的还包括胆甾相液晶显示、蓝相液晶显示(BPLC)与铁电液晶显示(FLC)等。

第一个使用动态散射效应的显示器由海尔迈尔等人发表,其在负性液晶中加入有机电解质,在两片ITO玻璃间,制成平行配向的液晶膜。未施加电场时,液晶盒在光的偏振方向呈现各向同性的特征,光线几乎无损耗地透过液晶盒。当施加电场超过特定阈值时,电场垂直方向分离的空间电荷引起的导电性扭转力与液晶分子介电特性扭转力、弹性力等综合作用产生周期性的液晶分子涡流,进一步增加电场后,分子涡流的运动速度增加导致液晶分子排列失去规则性,形成不规则的微细折射率界面,对于入射光形成强烈的散射作用而形成不透明现象。该模式的优势在于避免了偏光片的使用,具有高透过率与宽可视角的优点,但同时也面临着暗态和对比度不佳的问题,在驱动上需要几十伏特的电压将液晶分子驱动至不规则形态,其电压、功耗需求及有限的寿命不适合移动消费终端,应用面较窄。

将在分子长轴和短轴方向具有可见光吸收各向异性的二色性染料(guest)溶解于一定排列的液晶(host)时,一般具有长棒状的二色性染料会与液晶分子平行排列。因此,若以电场改变液晶分子排列时,也可以使作为guest的二色性染料分子排列做相同的变化,从而可以通过控制可见光吸收实现透过率大小的控制。其中二色性染料只占总组分的百分之几,相当于液晶添加剂,但是在一定程度上影响了液晶分子的偏转,使得其具有相对较差的响应时间,同时基于吸收原理的显示模式具有相对较差的消光比与对比度。

从应用形式上划分,宾主式液晶显示可分为海尔迈尔型GH,双层型GH,怀特-泰勒(White-Taylor)型GH等。其中海尔迈尔型GH在入光侧采用透过轴与染料分子长轴一致的偏光片产生线偏光,未施加电场时,线偏光偏振方向与染料分子长轴一致,部分可见光吸收形成彩色光线输出;施加电场后,线偏光偏振方向与染料分子短轴一致,可见光直接通过液晶盒。双层型GH采用两层配向互相垂直的海尔迈尔型GH液晶盒,从而避免了偏光片的使用,具有高穿透率的特点。而怀特-泰勒型GH采用胆甾型螺旋排列液晶分子,由于不同层的液晶取向具有旋转特性,使得不同取向的偏振光或者完全非偏振光均能被吸收形成暗态,施加偏压后染料分子随液晶分子旋转至电场平行方向,所有光线均能有效通过,具有很高的穿透率,同时具有宽视角的特性。宾主式液晶显示的低对比度特性使得其在透射式显示逐渐被其他模式所替代,但是在反射型显示方面依然存在重要应用。

在涂布有透明电极的两个基板构成的液晶盒内注入向列型液晶,并使液晶分子的长轴于上下基板间做90°连续性的扭转。TN排列液晶层的扭转螺距大于可见光波长,因而当垂直基板入射的线偏光偏振方向平行于入光侧配向方向(即第一层液晶的分子长轴)时,线偏光的偏振方向随着光线的传播跟着液晶分子的长轴方向不断旋转,最终形成与初始态偏振方向互相垂直的线偏振光,并透过上偏光片形成常白态显示。上下基板之间施加电压后,除了上下两侧配向膜附近的液晶由于配向膜的锚定作用,液晶层中大部分液晶都平行于电场分布,线偏振光可以无偏转地通过液晶层,形成黑态显示。由此可见,TN液晶显示模式表现为旋光特性与双折射效应的共同作用。TN型液晶显示的最大优势在于高穿透率,在降低功耗和背光成本方面具有重要意义,但是也存在着视角有限与灰阶翻转的问题。随着显示分辨率升级的需求,传统基于被动阵列驱动的TN型液晶显示开态与关态电压Von/Voff逐渐逼近,使得开关态之间的对比度与最大亮度受到很大的限制,同时限制了被动阵列能够驱动的行列数。

传统扭曲向列型液晶的电压-透过率(VT)曲线过于平缓,由Alt和Pleshko限制决定最大可寻址矩阵列数与Von/Voff关系,导致对比度与被动阵列的多路驱动通道数存在制约关系。20世纪80年代,J.内尔兴(J.Nehrhing)和舍弗通过模拟计算提出了超扭曲向列型液晶显示,其扭曲角度通常在180°~360°,典型的处于210°~270°,且具有较高的预倾角(5°~30°),超扭曲角与高预倾角保证了超扭曲向列型液晶相对于传统扭曲向列型液晶具有较为陡峭的电压-透过率曲线,能够同时满足对比度与多路驱动要求。

超扭曲向列型液晶盒未施加偏压时,入射的线偏振光经过液晶层后变成椭圆偏振光,同时由于其光谱偏向于黄色或者蓝色,因而会输出黄光或者蓝光而非白光;施加偏压后液晶分子以传统扭曲向列型相似规律转动,实现黑态显示。为解决其偏色问题,通常采用上下两层扭曲角互相垂直的液晶盒实现黑白或者全彩显示。相对于扭曲向列型显示上下偏光片吸收轴平行或者垂直于紧邻的配向膜方向,STN显示的偏光片取向是偏轴的,对于给定的多路比,调节偏光片的取向与液晶层△nd,使得对比度与亮度具有最佳组合。

与TN型类似都是使用向列型液晶,但是相对于TN型垂直于液晶盒基板的电场分布,IPS型的特点是液晶分子配向平行于基板面内,在梳形电极间施加电压后,使液晶分子在面内发生转动,通过双折射来控制光的透过量。

相对于TN型液晶显示,面内不规则梳状电极的存在使得IPS模式在电极附近存在垂直电场导致的不规则液晶分子排列和电极反光,面临一定的黑态漏光现象,并且TN像素的开口率往往比IPS像素的开口率要高,所以IPS正上方的对比度往往比TN低。但是从斜视角度看,IPS的有效△nd视野角依存性很小,响应的透过率变化很小,几乎不会发生灰阶反转,可以在上、下、左、右四个方向上获得170°以上的视野角范围。另外受益于IPS面内偏转的特性,解决了TN型液晶分子受压力时液晶分子倾斜所导致的光晕问题,首次实现了硬屏显示,成为具备触控需求的中小尺寸面板主流显示技术,同时在大尺寸TV领域也由LG主导占据相当的市场份额。

为解决传统IPS技术所面临的开口率降低、斜视角色偏等问题,一系列改善技术被相继提出来,包括采用多畴结构改善低视角色偏的S-IPS技术,采用有机膜和透明电极替换金属像素与公共电极实现像素区透过率增加、遮光区面积减小的有机膜AS-IPS技术,以及在中小尺寸领域占据绝对主导地位的边缘场FFS技术。

FFS技术是一种通过TFT基板上的顶层条状像素电极和底层面状公共电极之间产生的边缘电场,使电极之间及电极正上方的液晶分子都能在平行于玻璃基板的平面上发生转动的技术。所以,FFS技术也属于面内开关型的显示模式,继承了IPS技术的优点,同时采用面状公共电极替代IPS模式中条状公共电极,布满像素的整个开口区域,使得像素电极边缘附近分布着很强的垂直电场,在远离像素电极的CF基板一侧分布着很强的水平电场,改善了IPS模式在电极边缘以及CF侧液晶分子的偏转,可以获得更高的开口率与穿透率。第一代FFS技术由韩国HYDIS公司在1988年提出,在2001年推出了采用楔形像素电极和双畴结构改善斜视角色偏的Ultra-FFS技术。2003年,为了进一步提高FFS的穿透率,发展了基于材料改进和像素结构优化的AFFS技术与IPS-Pro等。

是一种垂直配向的常黑模式液晶显示,通过在液晶盒中设定垂直于基板取向的负性液晶,在施加电场后,负性液晶分子长轴旋转至与电场垂直方向,液晶盒构成光学半波片功能实现线偏振态的旋转,进而实现对光透过率的控制。液晶分子的垂直配向意味着在制造上不需要采用摩擦配向处理,提高了生产效率。但垂直配向面临着与TN型显示相似的视角问题,针对视角依存性改善,一系列针对多畴结构配向的技术相继被提出,主要分为MVA(multi-domain Veritical alignment)技术、PVA(Patterned Vertical Alignment)技术、CPA(Continuous Pinwheel Alignment)技术、聚合物稳定垂直配向PSVA(Polymer Stabilization Vertical Alignment)技术和UV光垂直配向UV2A(UV Vertical Alignment)技术等。其中MVA技术在电极表面的配向膜植入凸起物使得液晶分子产生一个预倾角,施加偏压后,多畴结构中的液晶分子被凸起物附近的液晶分子带动偏向不同的方向,保证不同角度观察都可以获得相应的补偿,从而改善视野角。但是MVA模式从凸起物附近的液晶分子开始偏转到完成所有区域液晶分子的偏转存在多米诺延迟效应,面临着响应时间偏慢的问题,同时凸起物正上方存在液晶死区,像素的光透过率较低,一系列改进型PMVA与AMVA等技术相继被提出。PVA技术则是在MVA技术的基础上将CF侧的凸起物替换为ITO slit,有效改善了凸起物附近黑态漏光所导致的对比度问题,同时采用过驱动技术改善了没有预倾角所导致的响应时间偏慢问题。CPA技术通过在像素内设置多个倒圆角正方形电极,使得液晶分子在施加偏压后朝着电极中心呈焰火状排列,所以CPA也被称为连续焰火状排列技术,具有高透过率、高稳定性和快速响应的优点。PSVA和UV2A技术的提出主要是为了解决传统VA液晶需要设计凸起物或者图形状电极所带来的工艺成本与穿透率损失问题,主要思想都是通过采用趋光性光配向膜结合UV光照实现对液晶分子预倾角的控制,能够显著提升生产效率、穿透率、对比度和响应速度。

胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物,其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构,类似一维光子晶体,具有选择性布拉格反射。在施加不同强度外电场作用的情况下,胆甾型分子的螺旋结构发生改变而分别呈现亮和暗的状态。在亮的状态下,液晶分子处于平面态,液晶分子螺旋轴与基板表面基本都垂直,这时若螺距与入射光波长相近或相等,满足布拉格反射条件,则该波长的入射光就会被反射。相反,如果螺旋轴与基板表面在暗态时基本都平行,液晶分子呈现不规则排列时,入射光被散射,或被下基板表面的吸收层所吸收,没有光线射出。作为一种反射式显示技术,胆甾型液晶显示可采用无源矩阵方式进行驱动,不需要背光源和偏振片。若需要获得彩色显示,可以通过添加不同螺距的旋光剂获得不同波长光的反射,而不需要彩色滤光片。其低功耗彩色显示特性在电子书阅读器、包装与标签等领域具有很大的潜力,但在各应用领域随着平板显示技术、电子墨水阅读器与MIP反射式显示的成熟发展,在市场空间上逐步受到压缩。

早在1888年F.雷尼策(Friedrich Reinitzer)在胆固醇苯甲酸酯首度发现不寻常液晶现象时,就曾在降温中观察到澄清转换至雾态的过程中出现蓝色的反光。蓝相是存在于胆甾相与澄清相间一个很窄温度范围(0.5~2℃),形态分为三种,依出现温度由低至高分别定义BPⅠ、BPⅡ和BPⅢ,分别具有体心立方、简单立方和等方对称结构。其中BPⅠ、BPⅡ型的晶格常数通常为几百个纳米,所以该相态对紫外-可见区显示出布拉格衍射特性,呈现蓝色衍射光。

蓝相液晶在空间取向排布上沿着横纵方向均会做90°的周期性旋转,属于三维周期性螺旋结构,并在聚合物稳定的情况下,螺旋轴方向不固定,因此液晶相整体为各向同性,夹在正交偏光片之间时表现出黑态,在偏光片光轴对角线方向加电场,可以使液晶分子在这个方向上有优先取向,从而在此方向上表现出液晶的光轴来,通过电光克尔效应实现光学穿透率的控制。

蓝相液晶具有超快响应的优势,响应时间为亚毫秒。2008年SID三星电子宣布推出第一台TFT-LCD蓝相液晶显示,刷新频率高达240Hz。同时在制备工艺上不需要配向层,大大简化工艺流程。暗场时光学上各向同性,具有极为对称的宽视角特性。且在液晶盒厚大于一定值后,其透过率对于液晶盒厚不敏感,适用于制作大尺寸显示屏。但是蓝相液晶显示也面临着一系列难以克服的缺点,包括过高的驱动电压和过低的穿透率(约65%),通常采用共平面开关结构中交叉指电极、周期瓦楞电极、透光棱镜电极等方向获得局域强电场驱动方式解决,但驱动电压仍然在几十伏特量级,无法满足消费电子显示的需求。同时过窄的温度范围限制了其应用环境,通常采用在蓝相液晶分子中加入高分子聚合物的形式来占据向错空间、稳定蓝相分子的排列,使得蓝相的存在温度提高到60℃。此外,蓝相液晶的黏度较大,ODF工艺难度很大,普通液晶的黏度在10~20mPa•s,而蓝相液晶的黏度在500Pa•s左右,相对于现有成熟的VA、IPS显示仍然有很多技术与工艺难题需要克服。

在一些电介质晶体中,晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩,产生不等于零的电极化强度,使晶体具有自发极化,其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向,晶体的这种性质叫作铁电性,利用液晶分子铁电或反铁电特性进行显示的称为铁电相液晶显示。

近晶相可细分为流体近晶相(SmA和SmC)、螺旋近晶相(SmB、SmI、SmF)、软晶相(B,J,G,E,K,H),其中可能具有铁电性的液晶相有SmC*、SmI*、SmF*、G*、H*、K*,*是添加手性剂使其具有螺旋结构。近晶相SmC*液晶分子在液晶层内的取向呈一圆锥形轨迹,分子将围绕指向矢沿θ角旋转排列,自发极化矢量Ps垂直于指向矢,这种螺旋排列沿层推移,且从宏观上没有自发极化产生。通电后,由于自发极化和偶极矩的作用SmC*分子将按一个方向旋转,与偏光片耦合,使液晶盒变得不透明。当施加相反极性电压后,SmC*分子反方向旋转,稳定到另一种状态,从而实现双稳态显示。

铁电相液晶显示具有亚毫秒的响应时间,具有双稳态特性、记忆和存储功能,可以实现低功耗绿色环保显示,在暗场时光学上是各向同性的,具有视角优势。但同时面临着盒厚较小所带来的良品率难题,以及分子排列难、耐冲击性差等劣势,仅在1988~1989年铁电液晶研究热潮时推出相关的样机与产品,已经逐步陷入研究低潮期。

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