1888年奧地利植物學家Friedrich Reinitzer在加熱苯酸脂晶體時發(fā)現:當溫度升到145.5°C時晶體融化成為乳白色粘稠的液體。再繼續(xù)加熱到178.5°C時乳白粘稠的液體變成完全透明的液體。后經德國卡爾斯呂愛大學教授Otto Lehmann研究,這種乳白粘稠的液體具有光學各向異性,因而建議稱之為液體晶體(Liquid Crgstal)。
二十世紀二十年代,德國Heidelberg大學的Ludwig Gattermann首先合Halle大學的Daniel Vorlander則先后合成了300多種液晶,并指出液晶分子是棒狀的分子。在此基礎上,法國的George Friedel及F.Grand-jean等對液晶的結構及光學性能作了詳細的研究,并于1922年完成了液晶分類的工作,將液晶劃分為:近晶相、向列相和膽甾相。
1917年Manguin發(fā)明了摩擦定向法,用以制作單疇液晶和研究光學各向異性。1909年E.Bose建立了攢動(Swarm)學說,并得到L.S.Ormstein及F.Zernike等人的實驗支持(1918年),后經de Gennes論述為統(tǒng)計性起伏。G.W.Oseen和H.Zocher1933年創(chuàng)立連續(xù)體理論,并得到F.C.Frank完善(1958年)。M.Born(1916年)和K.Lichtennecker(1926年)發(fā)現并研究了液晶的介電各向異性。1932年,W.Kast據此將向列相分為正、負性兩大類。1927年,V.Freedericksz和V.Zolinao發(fā)現向列相液晶在電場(或磁場)作用下,發(fā)生形變并存在電壓閾值(Freederichsz 轉變)。這一發(fā)現為液晶顯示器的制作提供了依據。
LCD由兩塊玻璃板構成,厚約1mm,其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光,所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管,而在液晶顯示屏背面有一塊背光板(或稱勻光板)和反光膜,背光板是由熒光物質組成的可以發(fā)射光線,其作用主要是提供均勻的背景光源。
背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結構中,一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極,電極分為行和列,在行與列的交叉點上,通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài),液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當LCD中的電極產生電場時,液晶分子就會產生扭曲,從而將穿越其中的光線進行有規(guī)則的折射,然后經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。
下面以典型的扭曲向列型液晶顯示器件(TN)為例,進行介紹,見圖1-1.將兩片光刻好透明導電極圖形的平板玻璃相對放置在一起,使其間相距為6-7um.四周用環(huán)氧膠密封,但在一側封接邊上留有一個開口,該開口稱為液晶注入口。液晶材料即是通過該注入口在真空條件下注入的。注入后,用樹脂將開口封堵好,再在此液晶盒前后表面呈正交地貼上前后偏振片即完成了一個完整的液晶顯示器件。當然,作為扭曲向列型液晶顯示器件,在液晶盒內表面還應制作上一層定向層。該定向層經定向處理后,可使液晶分子在液晶盒內,在前后玻璃基板表面都呈沿面平行排列,而在前后玻璃基板之間液晶分子又呈90度扭曲排列。從而使其具有特有的光學和電光學特性。
現將構成液晶顯示器件的三大基本部件和特點介紹如下:
1.玻璃基板這是一種表面極其平整的浮法生產薄玻璃片。表面蒸鍍有一層In2O3或SnO2透明導電層,即ITO膜層。經光刻加工制成透明導電圖形。這些圖形由像素圖形和外引線圖形組成。因此,外引線不能進行傳統(tǒng)的錫焊,只能通過導電橡膠條或導電膠帶等進行連接。如果劃傷、割斷或腐蝕,則會造成器件報廢。
2.液晶液晶材料是液晶顯示器件的主體。不同器件所用液晶材料不同,液晶材料大都是由幾種乃至十幾種單體液晶材料混合而成。
每種液晶材料都有自己固定的清亮點TL和結晶點Ts.因此也要求每種液晶顯示器件必須使用和保存在Ts-TL之間的一定溫度范圍內,如果使用或保存溫度過低,結晶會破壞液晶顯示器件的定向層;而溫度過高,液晶會失去液晶態(tài),也就失去了液晶顯示器件的功能。
3.偏振片偏振片又稱偏光片,由塑料膜材料制成。涂有一層光學壓敏膠,可以貼在液晶盒的表面。前偏振片表面還有一保護膜,使用時應揭去,偏振片怕高溫、高濕,在高溫高濕條件下會使其退偏振或起泡。
液晶的顯示是由于在顯示像素上施加了電場的緣故,而這個電場則由顯示像素前后兩電極上的電位信號合成產生,在顯示像素上建立直流電場是非常容易的事,但直流電場將導致液晶材料的化學反應和電極老化,從而迅速降低液晶的顯示壽命,因此必須建立交流驅動電場,并且要求這個交流電場中的直流分量越小越好,通常要求直流分量小于50mV.在實際應用中,由于采用了數字電路驅動,所以這種交流電場是通過脈沖電壓信號來建立的。
顯示像素上交流電場的強弱用交流電壓的有效值表示,當有效值大于液晶的閾值電壓時,像素呈顯示態(tài);當有效值小于閾值電壓時,像素不產生電光效應;當有效值在閾值電壓附近時,液晶將呈現較弱的電光效應,此時將會影響液晶顯示器件的對比度。
液晶顯示的驅動就是用來調整施加在液晶顯示器件電極上的電位信號的相位、峰值、頻率等,建立驅動電場,以實現液晶顯示器件的顯示效果。液晶顯示的驅動方式有許多種,常用的驅動方法有:靜態(tài)驅動法和動態(tài)驅動法。對于TN及STN-LCD一般采用靜態(tài)驅動或多路驅動方式。這兩種方式相比較各有優(yōu)缺點。靜態(tài)驅動響應速度快、耗電少、驅動電壓低,但驅動電極度數必須與顯示筆段數相同,因而用途不如多路驅動廣。