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STN液晶的发展历史

作者:瑞祥微电子    点击:1556    时间:2012/11/18
    1888年一位奥地利的植物学家F.Renitzer发现一种螺旋性甲苯酸盐的化合物具有两个不同温度的熔点。而它的状态介于我们一般所熟知的液态与固态物质之间,在某一温度范围内却具有液体和结晶双方性质的物质,也由于其独特的状态,后来便把它命名为「Liquid Crystal」,就是液态结晶物质的意思。1968年美国RCA公司(收音机与电视的发明公司)沙诺夫研发中心的工程师们发现液晶分子会受到电压的影响,改变其分子的排列状态,并且可以让射入的光线产生偏转的现象。利用这一原理,RCA公司发明了世界第一台使用液晶显示的屏幕。尽管液晶的发现比真空管或是阴极射线管还早,但直到1962年才有第一本由RCA研究小组的化学家乔.卡司特雷诺(Joe Castellano)先生所出版的书籍来描述。而与显像管相同的,这两项技术虽然都是由美国的RCA公司所发明的,却分别被日本的Sony与夏普Sharp两家公司发扬光大。不过,虽然液晶早在1888年就被发现,但是真正被应用到具体的产品中,却是在80年后的事情了。1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。今天,液晶显示技术作为人机被广泛的用在一般的电子产品中,如数码相机、笔记本计算机、桌面显示器、电视、手机、工业仪表等。 

    液晶材料的特性  

    液晶显示器是以液晶材料为基本组件,液晶分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点:如果你让电流通过液晶层,这些分子将会以电流的流向方向进行排列,如果没有电流,它们将会彼此平行排列。如果你提供了带有细小沟槽的外层,将液晶倒入后,液晶分子会顺着槽排列,并且内层与外层以同样的方式进行排列。液晶的第三个特性是很神奇的,液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器,这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入之外的所有光线。此外,如果液晶层发生了扭转,光线将会随之扭转,以不同的方向从另外一个面中射出。  

    液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关,即可以阻碍光线,也可以允许光线通过。液晶单元的底层是由细小的脊构成的,这些脊的作用是让分子呈平行排列。上表面也是如此,在这两侧之间的分子平行排列,不过当上下两个表面之间呈一定的角度时,液晶成了随着两个不同方向的表面进行排列,就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶,所有的分子将会按照电流的方向进行排列,这样就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面,扭转的光线通过了,而没有发生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列,使光线在加电时射出,而不加电时被阻断。也有某些设计了省电的需要,有电流时,光线不能通过,没有电流时,光线通过。 

    由于STN、TFT两种液晶显示技术都以TN技术基础发展而来的,所以先理解TN液晶技术有利于理解其它两种技术。  

    TN技术原理  

    下图所表示的是TN型液晶显示器的简易示意图,包括了垂直方向与水平方向的偏光板,具有细纹沟槽的配向膜,液晶材料以及导电的玻璃基板。 

    不加电场的情况下,入射光经过偏光板后通过液晶层,偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度,离开液晶层时,其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致,因此光线能顺利通过,整个电极面呈光亮。当加入电场的情况时,每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致,液晶层因此失去了旋光的能力,结果来自入射偏光片的偏光,其偏光方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系,并无法通过,电极面因此呈现黑暗的状态。  

    其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间,液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列,如果电场未形成,光线会顺利的从偏光板射入,依液晶分子旋转其行进方向,然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后,两片玻璃间会造成电场,进而影响其间液晶分子的排列,使其分子棒进行扭转,光线便无法穿透,进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象,叫做扭转式向列场效应,简称TNFE(Twisted Nematic Field Effect)。在电子产品中所用的液晶显示器,几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。  

    STN技术原理  

    STN型的显示原理与TN相类似,不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度,而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。 要在这里说明的是,单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形(或称黑白),并没有办法做到色彩的变化。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(color filter),并将单色显示矩阵之任一像素(pixel)分成三个子像素(sub-pixel),分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色,再经由三原色比例之调和,也可以显示出全彩模式的色彩。另外,TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大,其屏幕对比度就会显得较差,不过藉由STN的改良技术,则可以弥补对比度不足的情况。 

    产品应用 

    平面显示技术在近期呈现多元的发展,在LCD产业中,成熟的TN/STN技术面对诸多新兴的TFT、LTPS TFT、OLED等的强力竞争,市场占有率逐渐下滑,虽然TN/STN LCD在色彩表现、反应速度等性能方面不如TFT,但由于TN/STN LCD在低耗电及售价低的优势下,在结合近期开发的65K色、反应速度小于60ms等新技术后,仍能有效满足中小尺寸产品在动画显示方面的需求。展望未来,虽然在整体产量大幅成长的机会不大,但在中小尺寸显示设备中仍大有应用空间,如手机、PDA、数字相机、电子表、计算器等。

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