液晶显示器课程设计.doc

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1、目 录第一章. 前言11.1 液晶的概述11.2 液晶显示器的原理21.2.1单色液晶显示器的原理21.2.2 彩色LCD显示器的工作原理31.3 技术的阻碍与改善5第二章实验72.1 基板72.2 等离子源和辐射72.3 LC盒及其描述9第三章实验结果与讨论103.1 等离子束辐照103.1.1 有机基板103.1.2 无机基板133.2 与其他方法的结合14第四章结论16参考文献：17第一章. 前言1.1 液晶的概述液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。人们熟悉的物质状态（又称相）为气、液、固，较为生疏的是电浆和液晶。液晶相

2、要具有特殊形状分子组合始会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。液晶的定义，现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相，在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光学性质，又对电磁场敏感，极有实用价值。液晶显示器，或称LCD（ Liquid Crystal Display），对于许多的用户而言可能是一个并不算新鲜的名词了，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种

3、排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特像棉花棒。与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域。1.2 液晶显示器的原理1.2.1单色液晶显示器的原理LCD技术是把液晶灌入两个列有

4、细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。当液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，改变光透过率,从而实现多灰阶显示。 LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到

5、与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚度规格有0.7mm,0.63mm,0.5mm(也可以通过物理或者化学减薄的方式做到更薄),其间由包含有液晶(LC)材料的35m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以需要给显示屏配置额外的光源，在液晶显示屏背面有

6、一块导光板（或称匀光板）和反光膜，导光板的主要作用是将线光源或者点光源转化为垂直于显示平面的面光源。背光源发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。 1.2.2 彩色LCD显示器的工作原理对

7、于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。 LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。 液晶显示器电路图CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精

8、确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在4060Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现瑕疵。对1024768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(102476832359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分已经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“黑点”)。所以说，并不是如此高昂的显

9、示产品并不会出现瑕疵。 LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案(比如经抖动处理的图像)可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。 现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格。TFT LCD技术能够显示更加清晰，明亮的图像。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影

10、响视频的显示效果，因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑，呼机或手机中。 随着技术的日新月异，LCD技术也在不断发展进步。目前各大LCD显示器生产商纷纷加大对LCD的研发费用，力求突破LCD的技术瓶颈，进一步加快LCD显示器的产业化进程、降低生产成本，实现用户可以接受的价格水平。1.3 技术的阻碍与改善最近几年来的实践证明，液晶(LC)的摩擦取向法经常阻碍LCD的进一步改善。在替代摩擦的方法中，光取向是研究最充分的方法。使用这种方法时，基板先涂覆光敏材料，之后用偏振光照射。由于避免了与待取向基板的机械接触，这种方法消除了摩擦技术的许多缺点，如表面退化和静电。然而，与广泛使用的摩擦方法相比，

11、光取向法在应用中也遇到了几个严重的障碍。这些障碍包括诱导取向的热稳定性不良、方位角锚定能低、LC预倾角的双倍退化以及其可探测到的不均匀性等问题。另外，光照射基板上的LC取向还存在显示图像的粘滞效应，即控制电压发生改变时出现残留图像囝。这些问题中，只有一两个是由已知光取向材料自身特性所引起的，故有理由断定，光取向的缺点主要不是由于材料特性决定，而是由处理工艺造成的。我们相信，可见紫外光对于被取向基板的作用太弱，结果使基板不能提供很强的锚定作用。这一结论提示辐射处理应该强化。在开发光取向的过程中，MHazcgava建议使用深紫外辐射嘲。在这种情况下，在传统非光敏性的聚合物上却观察到了光取向效应。C

12、haudhafi等提出了一个更大胆的解决办法 ，它使用一个经校准的离子束倾斜照射到待取向的聚合物基板上。这种方法可在有机和无机基板上都能获得极为出色的LC取向。人们又提出了几种对这个方法的改进。文献中，在靠近待取向基板的区域内，采用强电场来改变离子束的传输方向，使其倾斜射向基板。文献嗍提出了另一种改进方案，其中离子束照射与摩擦结合起来，用作液晶盒图形化的一种方法。深紫外辐射和离子辐射的优点是可以和各种等离子结合起来处理待取向基板。用辉光放电处理LC基板的工艺以前曾被用来做表面腐蚀、或使含O和F一类族的材料与取向表面融合 ，以及等离子聚合。这些工艺允许改变LC取向的顶端(zenita1)锚定能和

13、预倾角。但则不可能同时达到方位角取向的目的。因此为了提供平面LC取向，尚需要用传统的工艺对待取向基板进行预摩擦处理。以上这些试验的共同点是采用了各向同性的等离子体。我们在文献首次提出的途径是用一种校准过的等离子束来产生方位角LC取向。在本文中，一些有机物或无机物涂覆的例子显示了该方法的潜能。第二章实验2.1 基板作为取向材料，我们使用了光敏性聚合物，也同样使用过非光敏性聚合物。第一组使用是属于来自Aldrich公司polyvinylcinnamate (PVCN)和来自Dupont公司的聚酰亚胺(PI)2555，它们是众所周知的光取向材料。第二组使用来自Aldrich公司的Polymethyl

14、methacrylate(PMMA)和polysulfone(PS)作为非光敏取向聚合物。把这些聚合物先溶解在合适的溶剂中，然后旋转涂覆在镀有ITO 电极的玻璃片上。接下来，使基板在等离子辐射的条件下，以按聚合物涂层所能承受的温度进行烘烤。聚合物涂层的厚度用轮廓仪测定，大约为几百纳米。同时，白玻璃片(选用Fisher Scientific的显微镜载物玻片)或涂覆有ITO的玻璃片上被用作等离子诱导LC取向。2.2 等离子源和辐射对辐射探测，我们曾使用过电动力学助推器类的阳极层状离子源 ，510这种辐射源是特别设计用来从通常任何气体源产生可校准的离子流。图l是这种阳极层助推器的简图。辐射源包括内部

15、的永磁体和外部的阴极C。阳极A在内部和外部的阴极之上。这些电极合起来决定了放电通道的大小和形状。在交叉的E和H场中，立即在放电通道内形成离子流，所以它是产生在放电区内直流等离子体的一部分。实际上，离子层助推器是一个等离子源。这是阳极层状助推器与文献 中应用的Kaufinan型静电离子助推器的根本区别。由于等离子体内包含多种活性成分(离子 中性原子、电子和深紫外线)，通过使用等离子处理基板，我们可以定性地期望新的取向效应。由阳极层源产生的薄片状等离子流使得大面积基板的处理变得很容易(使用平移的方法即可)。最后，阳极层助推器具有简化的结构，与静电助推器相反，它们不需要灯丝或二次电子源来触发放电电流

16、或中和离子束。另外，由于离子被电动力加速，阳极层助推器不需要栅极来吸引和加速离子。在我们的装置中，具有放电通道轨迹形状的阳极层助推器被放置在一个如图l所示的真空腔内。真空腔抽至l0 -5 Torr，然后充入氢气。我们试验中的工作气压P为(210)X10-4 Torr。氨气的气压决定了等离子体离子的电流密度 。离子能量由阳极电压U决定。它在200900 eV的范围内变化。基板支架放置在真空腔室的放电通道正下方(见图1)。等离子出口和被辐射基板之间的距离约为20cm。为了产生LC的方位角取向，基板要倾斜地接受辐射。等离子束的入射角在20和80之间变化。我们用铝箔或纸做成掩模，可以只对待取向基板的一

17、部分进行辐照。在我们的试验中，改变3个等离子辐射的参数：1)辐射时间texp ；2)电流密度J；3)粒子能量 E。用一个250W 的汞灯作为UV紫外辐射。为了产生LC的预倾角，基板分两步倾斜辐射(基板和离子束方向的夹角为45)。先用偏振光(6mW，10分钟)，然后是非偏振光(15mW，0.5分钟)。用一个Glan棱镜来偏振UV光。2.3 LC盒及其描述我们制作了两种LC盒：1)一个基板被等离子束辐照过，而第二个基板是一层摩擦过的聚合物(组合式液晶盒)；2)两个基板都被等离子束辐射(对称单元盒)。为了得到一个非平行的方向配置，辐射方向为非平行的。第一种盒被用来确定LC取向的方向，而第二种盒用来测

18、量等离子处理基板上的预倾角。液晶盒的间隙由直径为6m 和2Om的垫块保持。液晶盒内充入了由Merck公司提供的LCK15(5CB )向列型液晶。LC取向的预倾角采用晶体旋转技术在对称盒进行了测量，而方位角锚定能由试验测量组合盒内的扭曲角来确定。第三章实验结果与讨论3.1 等离子束辐照3.1.1 有机基板等离子处理基板上LC的取向质量依赖于辐照条件。在等离子入射角为0-15时，共面取向的质量不佳。长时间辐射会导致聚合物涂层的完全腐蚀。由此，辐射时间在随后的试验中取得很短(texp=2.5分钟)。电流密度j的变化范围为(0.540)Acm2，而离子能量E的变化范围为(2001200)keV，这样，

19、不会引起LC取向质量实质性的变化。除不良取向的条件之外，经等离子处理基板上的LC取向质量都是很高的，而且可以与摩擦和光取向法所得到的质量相媲美。所有基板上LC取向的易取向轴与这些基板上的等离子束投射方向相一致。取向特性有明显的预倾：LC向离子束方向倾斜。这些性质与关于离子束辐射的文献 中所得到的结果类似。为了测试等离子处理基板上LC的取向对温度的稳定性，液晶盒加热到90C下经受超过30小时的处理。这种热处理并没有引起取向质量以及预倾角数值的任何实质性的变化。同时，这种诱导取向对光也不敏感；我们的液晶盒经受非偏振UV光辐射(15mWcm2，1小时)后，也没有观测到LC取向的任何退化。不同聚合物材

20、料的预倾角对入射角的依赖关系如图2所示。 与 的关系曲线是非单调的。在60-70范围内可观察到预倾角有一个最大值max。与关系曲线的最大值位置与材料、j和E稍有关系。相反，max 又完全依赖于这些参数。最高的max值是在P，基板上观察到的(大约6)。对于PVCN 和PMMA 基板，max= 2.50PI基板的max与E和max与j的关系曲线分别如图3和图4所示。这两条曲线都经过一个最大值。这种情况能够反映出表面取向和因等离子作用引起的随机过程之间存在竞争。后一种过程在高的能量、电流和长的曝光时间下起主要作用，而前一种效应需要优化的辐照参量。在我们的实验中具有高预倾角的取向是在a=70-80，d

21、=510 u Acm2，E=500-600keV条件下得到的。对上述所有的聚合物涂层的方位角锚泊能 Wa。是估算出来的。估算值与取向材料稍有关系，约为10-3Ergcm2。这和由光取向法得到的Wa在同一数量级。对不同等离子体入射角下的Wa值也进行了估算。Wa 与之间的关系是非单调的。在那些与曲线(图2)最大值对应的值下也达到最大值。这可能意味着最大锚定对应的辐射条件同时也对应着最大预倾角。不幸的是，由于Wa 测量的极大的不确定性， 对电流密度 和离子能量E的依赖关系无法得到。我们使用PVCN 和PI这两种已被深入研究的光取向材料，对光取向和等离子取向方法的效率作了比较。正如我们前面确认的，两种

22、方法得到的锚定能的值相当一致。同时，等离子方法产生的预倾角远大于光取向的值(PI是6对0.5而PVCN是2.5对0.3)。另外，等离子诱导取向的光和温度稳定性极高，并且它更可与摩擦基板相媲美。等离子方法另一个更重要的特性是它有可能重置已预先感生的取向。这使得可以减少液晶盒图形制备中好几道掩模步骤。仅用单步掩模，通过改变易取向轴和预倾角方向而表征的几种双畴(two-domain)结构已被开发出来了。对用摩擦和等离子取向获得的液晶盒的电光性能进行了比较。测量对摩擦和等离子法取向的TN液晶盒的透光率 T与电压 V的关系曲线，如图5所示，所得到的两条T-V 曲线非常接近。3.1.2 无机基板使用白玻璃

23、和覆盖有ITO 的玻璃片作为无机基板。在这些基板上经等离子处理后制作LC取向的质量可以与聚合物基板上的相媲美。然而，其平面取向的优化辐照条件却与聚合物涂层的有所不同。采用对聚合物优化的辐射参数，对LC5CB型液晶可得到均质(homeotropic)取向，该平面取向的具体条件为：E=400 eV，j=0.5 uA/ cm2 ，texp=2.5min。重要的是容许在这种情况下ITO 电极不会被去除掉。在这两种基板上产生的最大预倾角均为0.5- 0.7。它与辐射入射角的关系不大(参见图2)。3.2 与其他方法的结合如上所述，基于等离子处理基板制作的液晶盒的LC取向有很高的光稳定性。但是，对等离子处理

24、基板上强UV的直接作用可能会改变其取向特性，这只涉及光敏聚合物。例如，在经等离子处理过的PVCN基板上5B液晶的预倾角，因该基板随后受偏振UV光(10mWcm2，l小时)的照射过后，就从2.5降到l。同时，UV辐射不能对因等离子预先感生的易取向轴的方位角进行重新定向。使用等离子处理，却可以轻易地重置由UV辐射或摩擦引入的取向。基于此，可以针对不同类型的LC取向提出不同的模式制作方法。例如，双畴结构可以由掩蔽基板获得，先用UV或摩擦初步取向，然后用等离子束以合适的几何尺寸进行辐照。由UV和等离子工艺得到具有双畴结构的液晶盒如图6所示。在两个畴内的LC取向方向是互相垂直的。具有预定模式预倾角的液晶

25、盒也已完成。第四章结论总之，使用一个经校准的等离子束对被取向基板倾斜辐射是LC平面取向的一种有效方法。它能够提供对预倾角和锚定能可平稳控制的高质量的LC取向。等离子方法产生的方位角锚定能与光取向所得到的相近。另一方面，等离子处理基板上的液晶取向，其预倾角的值、光、热稳定性与摩擦基板上的相近。我们所考虑的等离子方法可以应用在光敏和非光敏、有机和无机表面上，它可以与其他LC取向方法结合起来，首先是和LC盒模式制作方法结合起来。所有这些都显示出这种新的非接触式LC取向方法的优势。本文的等离子处理过程与IBM小组提出的离子处理方法进行比较是合乎情理的。这两种方法得到的LC取向特性十分相近。这就意味着，

26、等离子辐射的离子组分对被取向基板表面上产生所需各向异性起决定性的作用。另一方面，一些试验事实证实了待取向基板上其他组分的作用。例如，我们探测到PVCN涂层对UV可见光传输光谱有相当大的改善。最大可能的是，这些改变是由穿透薄膜体的等离子中的UV辐射引起的。可以预期，由等离子处理实现的多种活性组分的组合，可以导致本质上新的取向效应。在本文所选取的试验中，辐射参数与IBM小组使用的参数相近。然而，离子和等离子处理之间特殊的差别可以由大范围改变处理参数来找到，这些研究正在进行中。参考文献： 【1】 M ONeiU，S M Kelly，J.Phys.D:App1.PhysJ.2000，33: 67-84

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