光電子技術(shù)第6章-平板顯示器件課件

第六章平板顯示器件6.1液晶顯示器（LCD）6.2LED、OLED顯示器6.3等離子體顯示器（PDP）6.4DLP投影顯示（DMD）6.5硅基液晶顯示器（LCOS）顯示器件是各種儀器信息系統(tǒng)的終端，是視頻技術(shù)、通信技術(shù)必不可少的組成部分，是人類生活中信息展示的視窗。平板顯示器件是顯示技術(shù)中主要的發(fā)展方向。6.1液晶顯示器（LCD）液晶：一些有機(jī)化合物既具有液態(tài)的流動(dòng)性，又具有晶體的各向異性。微小的外部能量——電場、磁場、熱能等就能實(shí)現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起液晶的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶分子的形狀呈棒狀，寬約十分之幾納米，長為數(shù)納米。

液晶材料用于顯示是利用它在電場作用下，光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化從而對(duì)外部入射光產(chǎn)生調(diào)制。向列相液晶分子是液晶顯示的主要材料。實(shí)用中是用30多種單質(zhì)液晶組成混合液晶。一、線偏振光在向列液晶中的傳播關(guān)于液晶介電常數(shù)；定義：P型液晶；

外電場作用時(shí)，分子長軸方向與外電場平行。N型液晶

；外電場作用時(shí)，分子長軸方向與外電場垂直。液晶顯示主要使用P型液晶。

P型液晶是正單軸晶體，分子長軸方向就是光軸。

線偏振光正入射P型液晶材料，如果其偏振方向與光軸平行或垂直，則它的偏振方向和傳播方向都不改變。二、扭曲向列型液晶器件（TN-LCD）液晶盒

：封裝液晶的間隙只有幾μm。定向?qū)樱菏挂壕Х肿訌纳系较屡で?0°。TN-LCD的工作原理采用光刻技術(shù)，制作ITO玻璃上的顯示電極加電壓到相應(yīng)電極上，可實(shí)現(xiàn)所期望的顯示。在下偏振片后再貼一塊反光片，就成為反射式液晶顯示器TN-LCD的電光特性：電壓有效值電光特性與顯示對(duì)比度相關(guān)。TN-LCD的響應(yīng)時(shí)間在80ms左右。三、超扭曲向列型液晶顯示（STN-LCD）在液晶顯示電極上加信號(hào)，是用矩陣尋址法，即X-Y尋址。TN-LCD的液晶分子的扭曲角為90°，電光特性曲線不夠陡峭。在用矩陣尋址法驅(qū)動(dòng)時(shí)，有明顯的交叉效應(yīng)。

交叉效應(yīng)隨矩陣行、列數(shù)目的增大而加劇，使圖像對(duì)比度降低，質(zhì)量變差。

STN-LCD使液晶分子的扭曲角增加到180°～270°，大大提高了電光特性的陡度。STN-LCD利用了超扭曲和雙折射兩個(gè)效應(yīng)，是基于光學(xué)干涉的顯示器件。

對(duì)STN-LCD的有色背景進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)黑白顯示實(shí)現(xiàn)黑白顯示后，再加彩色濾色器，就可實(shí)現(xiàn)彩色顯示STN-LCD的電光響應(yīng)時(shí)間大于100ms。四、有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）在每一個(gè)像素上設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件，使每個(gè)像素可以被獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，克服交叉效應(yīng)，可以提高液晶的分辨率和實(shí)現(xiàn)多灰度級(jí)顯示。TFT-LCD就是目前性能較好的AM-LCD器件。存儲(chǔ)效應(yīng)，得到對(duì)比度很高的顯示質(zhì)量。

多灰度級(jí)顯示彩色顯示五、LCD的背光源液晶顯示屏、液晶彩電等為了實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的全色顯示需要加背光源。背光源主要有：熱陰極熒光燈(HCFL)、冷陰極熒光燈(CCFL)、LED、電致發(fā)光（EL）板等。LCD屏加上控制、驅(qū)動(dòng)電路和背光源就組成了實(shí)用的LCD模塊。背光源應(yīng)有較高的亮度和發(fā)光效率，功耗小，壽命長，且背照均勻。六、LCD的特點(diǎn)和應(yīng)用器件厚度僅數(shù)毫米，非常適于便攜式裝置的顯示。工作電壓僅幾伏，用CMOS電路可直接驅(qū)動(dòng)。功耗很低。采用彩色濾色器，易實(shí)現(xiàn)彩色顯示。LCD已成為應(yīng)用最廣泛的平板顯示器之一。應(yīng)用于儀器儀表、手機(jī)等顯示，還有計(jì)算機(jī)顯示器、液晶彩電、液晶投影機(jī)等，市場十分廣闊。液晶投影機(jī)光路圖6.2LED、OLED顯示器一、LED大屏幕顯示超高亮度紅、綠、藍(lán)LED組成平板陣列，進(jìn)行大屏幕顯示，已是現(xiàn)代化社會(huì)的一道風(fēng)景。二、有機(jī)電致發(fā)光器件－OLED

LED是無機(jī)電致發(fā)光，OLED是有機(jī)熒光材料作為發(fā)光物質(zhì)，結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)理上類同于無機(jī)LED器件。

（Organiclightemittingdiode）ETL：電子傳輸層

EML：發(fā)光層

HTL：空穴傳輸層｝有機(jī)材料OLED發(fā)光有五個(gè)步驟：⑴載流子電子和空穴分別從陰極、陽極注入ETL、HTL。⑵載流子分別從ETL和HTL向EML遷移。⑶載流子在EML中復(fù)合并產(chǎn)生激發(fā)子（Exciplex）。⑷激發(fā)子遷移,傳遞能量給發(fā)光分子，使其電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。⑸激發(fā)態(tài)電子躍遷回低能態(tài)，產(chǎn)生輻射。OLED是一種高亮度、寬視角、全固化的主動(dòng)發(fā)光型顯示器件。主要優(yōu)點(diǎn)：

發(fā)光亮度可達(dá)幾百～上萬cd/m2，電視才100cd/m2。低電壓驅(qū)動(dòng)：十幾V～幾V；功耗低。有機(jī)材料易得，制備工藝簡單，易制成大面積顯示器件，可以做成能彎曲的柔軟顯示器。

很多有機(jī)物都可實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)，易實(shí)現(xiàn)高分辨率的彩色顯示屏。超輕、超?。ê穸瓤傻陀?mm），響應(yīng)速度是液晶

的1000倍，實(shí)現(xiàn)精彩的視頻播放－大面積“薄膜電視”。OLED制造成本低，將會(huì)逐漸取代LCD。OLED將會(huì)成為平板顯示的主流技術(shù)之一。彎曲的柔軟顯示器

OLED彩色顯示屏左邊：OLED顯示右邊：LCD顯示

6.3等離子體顯示器（PDP）

（PlasmaDisplayPanel）是利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示屏氣體放電

等離子體激發(fā)氣體原子輻射紫外光(UV)

激發(fā)相應(yīng)熒光粉，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)可見光。AC-PDPDC-PDPAC-PDP是PDP技術(shù)的主流

一、彩色AC-PDP工作原理雙基板型：對(duì)向放電式單基板型：表面放電式表面放電式的一種實(shí)用結(jié)構(gòu)

維持電壓Us書寫脈沖Uw

AC-PDP的存儲(chǔ)特性擦除脈沖中和壁電荷QwAC-PDP的驅(qū)動(dòng)：氣體放電點(diǎn)火電壓Uf二、彩色AC-PDP的特點(diǎn)和應(yīng)用PDP的優(yōu)點(diǎn)：為自發(fā)光型顯示,發(fā)光效率與亮度高，圖像對(duì)比度高，視角大。顯示質(zhì)量好，灰階可超過256級(jí)，色彩豐富，分辨率高，響應(yīng)時(shí)間僅數(shù)ms。有存儲(chǔ)特性，大屏幕顯示時(shí)能得到較高的亮度。剛性結(jié)構(gòu)，耐震動(dòng)，機(jī)械強(qiáng)度高，壽命長。制造工藝簡單，投資小。PDP的缺點(diǎn)：工作電壓較高（80～150V），不宜在低氣壓環(huán)境下工作（防止充填氣體膨脹）。彩色AC-PDP最適宜于大屏幕顯示，可到70〞以上。是最佳的大屏幕壁掛HDTV顯示器。6.4DLP投影顯示DLP（DigitalLightProcessing）實(shí)現(xiàn)了最終的顯示環(huán)節(jié)的完全數(shù)字化

數(shù)字微反射鏡器件DMD是其核心裝置。（DigitalMicromirrorDevice）一、DMD的結(jié)構(gòu)和工作原理DMD是帶有集成微鏡部件的微電子機(jī)械光調(diào)制器，由百萬個(gè)方形微鏡（如16×16μm2）組成二維陣列。

DMD芯片每個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素，圖像分辨率可達(dá)1280×1024。微鏡反射照明光，投射出去，在屏幕上形成圖像。單個(gè)數(shù)字微鏡部件有三層，最上層：鋁反射鏡片；中間層：帶動(dòng)鋁鏡的轉(zhuǎn)板和鉸鏈；還有尋址電極，用以實(shí)現(xiàn)靜電驅(qū)動(dòng)；最下面：固定中間層元件的底板，有尋址電極片和SRAM。SRAM中的圖像R、G、B數(shù)據(jù)控制微鉸鏈的機(jī)械動(dòng)作：1為“開”，0為“關(guān)”。每個(gè)鏡片在微鉸鏈控制下偏轉(zhuǎn)，“開”為+10度，“關(guān)”為-10度。一個(gè)微鏡下的SRAM數(shù)據(jù)就通斷一個(gè)像素的光。

Mirror+10°

Mirror-10°CMOS顯示數(shù)字灰度等級(jí)由脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)：SRAM數(shù)據(jù)精確控制鏡片傾斜在哪個(gè)方向上、多長時(shí)間。“開”狀態(tài)時(shí)間長，則像素亮度大；時(shí)間短，則像素暗。鏡片可以在一秒內(nèi)開關(guān)1000多次，允許10bit灰度等級(jí)再現(xiàn)。高技術(shù)集成的DMD是典型的微光機(jī)電系統(tǒng)，它用作光顯示的基本原理是：數(shù)字圖像信號(hào)控制微鏡的“開”或“關(guān)”，調(diào)制入射光，在屏幕上形成精確的數(shù)字影像。二、DLP投影機(jī)系統(tǒng)DMD是一個(gè)數(shù)字光調(diào)制器，自身不發(fā)光。

為了實(shí)現(xiàn)彩色顯示，DLP投影機(jī)有三片式、單片式、兩片式等不同檔次的產(chǎn)品。三片式：即用三個(gè)DMD裝置。每個(gè)DMD分別用R、G、B數(shù)據(jù)控制。

單片式：即用一個(gè)DMD裝置。投影燈光先通過一個(gè)色輪再投射到DMD上。DLP工作在順序顏色模式，利用視覺暫留作用。

雙片式：即用兩個(gè)DMD裝置。性價(jià)比較好。

三、DLP投影顯示的技術(shù)優(yōu)勢(shì)完全的數(shù)字化顯示，這是獨(dú)有的特色。反射顯示，光能利用率高。

優(yōu)秀的圖像質(zhì)量。DMD填充因子大于90%，稱為“無縫圖像”。

DMD可靠性很高，壽命長

。DLP投影顯示方興未艾，已成為主流產(chǎn)品。其核心技術(shù)已運(yùn)用到全光通信MEMS交叉連接器中。6.5硅基液晶顯示器（LCOS）硅基液晶（LiquidCrystalonSilicon,LCOS）顯示亦稱硅上液晶。

采用CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片：控制電路在硅基背面，正面涂有反射層，之上是薄薄一層液晶。

一、硅基液晶面板的構(gòu)成和工作原理LCOS面板也是在每一個(gè)像素上加（TFT），電路是作在下基板單晶硅背面。單晶硅的電子遷移率高，利于器件的快速響應(yīng)；可以制作精細(xì)的電路，大大提高了顯示分辨率。在上基板玻璃面板上方有起偏器、檢偏器。起偏器使入射光成為線偏振光。線偏振光的偏振面在液晶中隨著液晶分子的扭曲方向旋轉(zhuǎn)，到下基板受到定向反射，穿過液晶和上基板，經(jīng)檢偏器出射。當(dāng)在選中的像素上加電，則該像素對(duì)應(yīng)的液晶分子失去旋光能力，該點(diǎn)就無光出射。由此實(shí)現(xiàn)光顯示。LCOS最大的特色是下基板是