【液晶显示】
拼译：LCD－liquid crystal display
液晶既具有液体的流动性、弹性，又具有晶体的某些各向异性(衍射、旋光性、折射率、电导率、介电常数、磁导率、弹性系数、压电系数)。以液晶材料为显示媒质，利用液晶的电光效应(在电场作用下，液晶分子改变排列方式，从而改变其光学特性)实现显示称为液晶显示(LCD)。根据液晶显示原理制成的显示器件可做成平板型，体积小，重量轻，驱动电压和功耗低，彩色性能好，在民用和军用显示领域具有十分广阔的应用前景。 早在1888年，奥地利莱尼茨尔(F．Reinitzer)就发现了胆甾醇的苯甲酸酯和醋酸酯的液晶性。1889年，德国莱曼(O．Lehmann)开始了对这些酯类化合物的观察研究，并将其命名为“液晶”。1968年前后，液晶的一些电光效应相继被发现。1968年威索基(J．Wysocki)发表了相变(PC)效应，同年美国海尔迈耶(G．Heilmeier)发表了动态散射(DS)效应和宾主(GH)效应。1971年，又有人发表了扭曲向列型(TN)效应和电控双折射(ECB)效应。1968年，海尔迈耶试制成世界上第1个液晶显示器——DSLCD。其基本结构是由两块相距约10～15μm的玻璃基板组成的液晶盒，两基板的内表面各有一薄层透明电极，电极表面经适当处理。两基板间充以液晶材料，周边密封。在两电极间加上足够的电压。利用液晶的DS效应，产生与电极形状相应的图像。1972年，由美国微电子公司制造的世界上最早的液晶显示数字式电子表开始出售。1973年日本夏普公司大量生产DS型液晶显示电子计算器。液晶显示的研究和开发进入空前活跃的阶段，显示方式及其驱动方法不断改进，显示性能迅速提高。1982年日本卡西欧公司研制出6．9cm黑白液晶电视，1983年日本精工－埃普森公司研制出5．1cm彩色液晶电视。LCD按其驱动方式可分直接多路驱动LCD(简单矩阵LCD)和有源矩阵LCD两大类(见下表)。LCD分类
在简单矩阵类LCD中，TN－LCD具有良好的宽温度范围、驱动电压低、易生产、成本低等优点。但其扭曲角仅90°，视角窄，对比度低，占空比不小于1／100，只适用于笔划型及小型矩阵显示。这种低档的普及型显示器的发展方向是超廉价化。GH－LCD具有较宽的视角和较高的亮度，但对比度差，适用于仪器仪表双色显示。1984年谢弗(Scheffer)和内林(Nehring)提出的超扭曲双折射效应(SBE)使扭曲角达到270°，为突破TN型90°扭曲角的限制提供了一种可行方法。1985年出现利用这种双折射效应开发的超扭曲向列型液晶显示器(STN－LCD)，显示质量和容量均有本质的改进。它是在向列型液晶中加入少量光学活性物质，使两电极间液晶分子的扭曲角增大到200°～240°，且能呈现出优良的显示质量和电光特性。STN－LCD通常为黄蓝显示模式，这些显示模式都有色干扰，限制了它的设计灵活性。为了消除色干扰，1987年日本精工－埃普森提出色补偿技术，在原有液晶盒上增加一个消色补偿液晶盒，即双盒系统(D－STN，STN)。这种方法可获得较高的黑白对比度，但一个显示器用两个液晶盒不仅增加了器件厚度，而且成本很高。1988年日本精工－仪表公司用一种称为迟滞控制膜(RCF)的聚合物阻滞膜代替补偿液晶盒，这种技术达到了降低成本、减小重量和厚度的要求。虽然效果稍逊于DSTN，但能达到完全黑白显示。目前已能大量生产640×400(480)像素的STN－LCD。日本日立公司已研制成1120×780像素，占空比1／390，对角线27．9cm的白模式STN－LCD，日本松下公司已研制成1152×900像素、对角线38．1cm的单色显示器，对比度达14∶1，适用于计算机工作站。1988年，日本夏普公司首次生产彩色STN－LCD。现在许多公司都能生产640×480像素，对角线20．4～27．2cm的彩色STN－LCD。尺寸最大的是松下研制的对角线50．8cm的8色STN－LCD，分辨率为1120×780像素(1120×3×780点)，占空比1／390，对比度14∶1。STN－LCD自1985年问世以来已从黄／蓝、蓝／白双色显示发展到黑／白、有灰度的彩色显示，占空比达到1／480，响应时间下降到100ms以下。SH－LCD的样品已由日本Stanley公司研制出来，该样品含640×480像素，占空比1／480，对角线240mm，白色亮度80cd／ m2，响应速度≤100ms(25℃)。但尚需进一步解决取向控制技术、驱动电压、工作温度、亮度等问题后才能实用化。FE－LCD具有双稳态(存储性)，响应速度快(μs级)，视角范围宽，用简单多路驱动可实现大容量显示，可望制成高性能大型平板显示器。1985年日本精工电子公司试制出640×400线，A4规格的FE－LCD显示板，最早证实用铁电液晶制成大容量显示器件的可行性。1988年日本佳能公司在FE－LCD研讨会上展出38．1cm样品，计划1992年初出售3个样品，即用于个人计算机的1280×1024像素的彩色和黑白显示板，以及用于台式出版系统的960×1312像素的黑白显示板。这3个显示板对比度为40∶1，响应速度为70～120μs／线，盒厚1．5μm，灰度2～16级。FE－LCD还存在一些技术问题有待解决，要达到实用化必须：进一步提高响应速度，只有达到10μs才能满足视频图像显示要求；确立取向技术，做到取向均匀、耐机械和热冲击；建立液晶盒制造技术和均匀液晶盒组装技术；开发新的驱动波形和专用驱动集成电路；实现中间色调显示。如解决了这些问题，FE－LCD的典型应用领域可能是壁挂液晶电视。它不仅能取代阴极射线管，而且也将动摇有源矩阵LCD的牢固地位。有源矩阵液晶显示(AM－LCD)是目前研究的最大热门。二端型(TTD－LCD)以MIM的技术比较成熟，已被许多公司用于生产中。日本精工－埃普森的黑白MIM－LCD已做到1280×800像素，对角线33．0cm，灰度16级，可供计算机工作站使用；彩色板已做到640×(3)×400像素，对角线25．5cm，灰度16级，4096种颜色。美国Ovonics公司研制的全色航空用pin二极管AM－LCD是目前水平最高的二端型彩色LCD之一，含864×640像素(1296×1296子像素)，对角线28．7cm，灰度16级，对比度60∶1，视角：水平±50°，垂直+40°，－15°，可工作于－45℃～+85℃。TTD－LCD与STN－LCD相比，具有更宽的视角，更快的响应速度，适于视频显示。但因受驱动电压限制，性能稍逊于TFTLCD。三端器件主要是薄膜晶体管型(TFT－LCD)，其中a－Si TFT－LCD技术比较成熟，p-Si TFT－LCD很有发展前途。日本夏普公司最早已于1988年研制出35．6cm彩色a-Si TFT－LCD电视。1989年研制的35．6cm样品性能又有很大提高，像素达642×480，1284×960个TFT，最高对比度达100∶1，对比度高于10∶1时，水平视角120°，垂直视角50°，性能卓越，目前已基本商品化。Hosiden公司1990年研制出38．1cm全彩色a－Si TFTLCD模块，像素达1280×800(1920×1600点)。日本精工仪表公司采用V2·TFT工艺(很简单很薄的TFT)研制的35．6cmaSi TFT－LCD只要3道光刻(通常为5～7道光刻)可使光照下漏电流大为减少，工艺简单，成本低。如进一步提高薄膜均匀性，降低汇线电阻，有可能制出50．8cm以上的显示器。目前世界上尺寸最大的为日本夏普最近研制的41．9cm全色AM－LCD，其像素量达853×3×480点。p-Si TFT与a－Si TFT相比电子迁移率高得多，稳定性亦更好，但因其技术不过关，目前还没有大型产品。当前水平最高的是美国David Sarnoff研究中心研制的对角线22．9cm的彩色p-Si TFT－LCD，像素400×800，周边电路一并集成，引出线从1200根减至44根。现在许多机构都在研究p-Si TFT与周边电路的一体化。日本通产省组织12家公司，准备研制101．6cm的p-Si TFT－LCD。有源矩阵技术能达到显示容量大、对比度高、响应速度快、分辨率高、有灰度能力，可制成大尺寸，这是制作视频产品最理想和最重要的途径。但其生产设备和工艺复杂，目前成品率一般只达10%，从而价格昂贵。科技人员正在研究的解决办法主要是：改进设备，改善工艺与超净环境，减少光刻薄膜道数，采用自对准结构，减少缺陷与寄生电容，采用汇线无交叉结构，设立冗余汇线，用激光焊将断线焊至冗余汇线上，设立冗余TFT，一个像素用2～3个TFT，不另加汇线；用二层或多层绝缘，防止汇线短路。LCD因其突出的优点理所当然地受到世界各国的高度重视，20世纪90年代将是LCD飞速发展的年代。研究热点集中在STN－LCD、FE－LCD和AM－LCD上。主要是继续扩大显示容量和显示面积，扩大视角，提高对比度和响应速度，解决高精度技术问题。【参考文献】：1．Yasushiro Shigcno，et al．JEE，1987，9∶37～402 Kenichi，Narita，JEE，1987，9∶45～473 Angela Jamieson，Flat panel display developments in Japan，1990，4∶96～1054 刘维民，田辉译，液晶电视显示技术，南京：江苏科学技术出版社，1990．1266～2975 Hiroaki Minami，Display Devices，1991，1∶13～166 Canon Inc，Displays，1991，12(3；4)∶175～1767 王殿福，孙红军译，液晶的最近技术——物性·材料·应用，北京：化学工业出版社，1991．41～608 田志仁，真空电子技术，1992，1∶17～26(电子工业部南京电子器件研究所刘维民、田辉高级工程师撰) |