高分子液晶显示器.docx

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徐利
〔高分 101 **********〕
摘要： 液晶是一种高分子材料，由于其特别的物理、化学特性， 20 世纪中叶开头被广泛应用在轻薄型的显示技术上，液晶显示器具有很高的成像质量，而且它还具有工作电压低，功耗低，体积小等特点。其进展从大致 TN
型到 STN 型再到 TFT 型，下面我就从液晶进展过程，依次介绍 TN—LCD，STN
—LCD 和 TFT—LCD 的构造和原理，液晶显示器所需的原材料以及液晶显示器的制造工艺流程。
关键词：液晶 显示材料 图形显示 LCD 构造与原理 制造工艺流程 应用
正文：
1、引言
液晶显示器是现在格外普遍的显示器。它具有体积小、重量轻、省电、辐 射低、易于携带等优点。LCD 是基于液晶电光效应的显示器件。包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示 方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的工作原理是利用液晶的物 理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线简洁通过；不通电时， 排列则变得混乱，阻挡光线通过。
液晶显示原理
LCD 可以说是一种光线传送技术。其原理是通过一个有源滤波器来调整固定强度的背景光线穿过液晶，从而使液晶板上可以显示出不同的图形。通过对白色光线的简洁过滤，得到红、绿、蓝的根本原色，这就能构成显示的根本元素——象素。
大多数液晶材料在自然状态下都是一种分子化合物。液晶依据分子构造排列的不同分为三种：粘土状的 Smectic 液晶，细柱形的 Nematic 液晶和软胶胆固醇状的 Cholestic 液晶。这三种液晶的物理特性各不一样，而其次类的细柱形的 Nematic 液晶最适于用来制造液晶显示器。
液晶分子会沿着一条中轴平行的排列。为了可以掌握分子的列队让他们保持肯定的挨次，人们让液晶分子依附于更大一些的沟槽状板的外表。液晶分子可以沿着沟槽滑动，在接触到沟槽的外表后会沿着沟槽的方向挨次排 列。因此假设沟槽之间严密的平行，那么液晶分子的列队也可以严密的平行。
LCD 就像三明治一样，液晶夹在两块精细的沟槽板之间，两个沟槽的方向相互保持 90 度的垂直。假设其中一个沟槽面板中的沟槽是依据南北方向并行排列的，那么与它相对应的另一快沟槽板中的沟槽就是依据东西方向并行排列的。在两块沟槽板中的液晶层被强破扭曲为 90 度排列。光线可以穿过分子队列和被扭曲 90 度的液晶层。
此后美国无线电公司〔RCA〕觉察电压可以作用于液晶。电压可以使液晶分子重排列，并且可以抑制某些光线的通过。LCD 显示图像需要依靠偏振滤光器和光源。自然的光谱可以向任何的角度发散。偏振滤光器可以简洁的掌握光谱的发散方向。
当上下两个沟槽板外表之间呈肯定的角度时，液晶随着两个不同方向的外表进展排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋状液晶层，使穿过它的光线也发生了扭曲。假设电流通过液晶，全部的分子将会依据电流的方向进展排列，这样就会将某些波段光线的扭转。假设将一个偏振滤光器放置在液晶层的上外表，扭转的光线就可以被复原了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。通过这一过程液晶屏幕便能把白色光线过滤成其他颜色，最终在屏幕上呈现出明媚的颜色。
2、下面介绍三种液晶显示器 LCD 构造与原理
TN—LCD
将上下两块制作有透亮电极的玻璃，通过四周的胶框封接后，形成一个几微米厚的盒。在盒中注入 TN 型液晶材料。在通过特定工艺处理的盒中，TN 型液晶的棒状分子平行地排列于上下电极之间，靠上电极的分子平行纸面排列， 用“一”表示；靠下电极的分子则垂直于纸面排列，用“．”表示。而上下电极之间的分子被逐步扭曲。“一”线段长度变化表示扭曲角度大小变化。
1、偏光片：偏光片有一个固定的偏光轴。偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一样的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸取。这样，当自然光通过液晶盒的入射偏光片〔称为起偏器〕后，只剩下振动方向与起偏器偏光轴一样的光，即成为线性偏振光。
2、ITO 玻璃：在平坦的玻璃基板上镀了一层氧化铟锡层。
3、液晶：具有类似晶体的各向异性的液态物质。
4、取向层：液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区掩盖着一层有机物聚酰亚胺取向薄层，这个取向层经用毛绒布定向摩擦，在薄层上会形成数纳米宽的细沟槽，从而会使长棒型的液晶分子沿沟槽平行排列。而上下两片玻璃的取向层是相互垂直的。故在液晶层中间的液晶分子是渐渐扭曲的。
入射光通过偏振方向与上电极面液晶分子排列方向一样的上偏振片 (起偏
器)形成偏振光。此光通过液晶层时扭转了 900。到达下偏振片(检偏器)时，偏振方向不变，偏振光通过下偏振片，并被下偏振片前方的反射板反射回来。盒呈透亮，因而我们可以看到反射板。
当上下电极之间加上肯定电压后，电极部位的液晶分子在电场作用下转变成与上下玻璃面垂直排列，这时的液晶层失去旋光性。偏振光通过液晶层没有 转变方向，与下偏振片偏振方向相差 900，光被吸取，没有光反射回来，也就看不到反射板。在电极部位消灭黑色。由此可知，依据需要制做成不同的电极， 就可以实现不同内容的显示。
寻常液晶显示器呈透亮背景，电极部位加电压后，显示黑色字、符或图形， 这种显示称正显示。如将图中下偏振片转成与上偏振片的偏振方向全都装配， 则正好相反，寻常背景呈黑色，加电压后显示字符局部呈透亮，这种显示称为 负显示。后者适用于带背光源的彩色显示器件。
可见，液晶显示器一个最突出的特点就是其本身不发光，用电来掌握对环境
照明的光在显示部位的反射(或透射)方法而实现显示。因此在全部的显示器件中，它的功耗最小，每平方厘米在一微瓦以下，与低功耗的CMOS 电路匹配最适于各种便携的袖珍型仪器仪表、微型计算机等作为终端显示用。
STN—LCD
为了改善 TN 液晶显示器件电光响应曲线不陡峭而造成的驱动容量较低，人们间续开发了～系列超过 900 扭益的液晶显示器件，把扭曲角度在 180 度。360 度的液晶显示器件称为超扭曲向列相液晶显示器件。目前，几乎全部的点阵图形和大局部点阵字符液晶显示器件均承受 STN 模式，本模块的液晶显示器件也承受 STN 模式产品。
STN 与 TN 显示原理上略有不同，产品构造上根本一样，只不过盒中液晶分子排列不是沿面 90 度扭曲排列，而是 180 度--360 度扭曲排列。STN 的另一个不同是上下偏振片的偏振方向不同。它的工作原理是入射 STN 的偏振光方向与液晶分子定向方向成肯定角度，从而使入射偏振光被分解为两束(正常光和特别光)。两束光由于液晶分子的变化产生很大的光程差，从而在通过检偏振片时产生干预。这样的电光过程使 STN 的阈值特性变得很陡，从而实现大容量显示。但由于这样的工作原理，STN 必定是有色模式，所以它的比照度会有所下降。显示容量的增加，使 STN 可以实现彩色化。
STN 是液晶显示器件的高技术产品，由于是光干预型的器件，其材料的选用、生产工艺的选择均格外严格。因此STN 本钱要比 TN 的本钱高得多。由于其
大容量显示的大量外引线，使其安装工艺、方法等都与一般液晶显示器件不同。目前 STN 液晶显示器件都是以外表装配(SMD)工艺或(载带封装)TCP、(卷带自动结合)TAB 工艺将 IC、阻容外围元件与液晶显示器件装在一起的模块形式消灭在用户面前。
TFT—LCD
TFT 是如何工作的 TFT 就是“Thin Film Transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管〔矩阵〕—— 可以“主动的” 对屏幕上的各个独立的象素进展掌握，这也就是所谓的主动矩阵 TFT〔active matrix TFT〕的来历。那么图象到底是怎么产生的呢？根本原理很简洁：显示屏由很多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要掌握各个象素显示相应的颜色就能到达目的了。在 TFT LCD 中一般承受背光技术，为了能准确地掌握每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关， 当“百叶窗”翻开时间线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。固然，在技术上实际上实现起来就不像刚刚说的那么简洁。LCD〔Liquid Crystal Display〕就是利用了液晶的特性〔当加热时为液态，冷却时就结晶为固态〕， 一般液晶有三种形态：
类似粘土的层列〔Smectic〕液晶
类似细火柴棒的丝状〔Nematic〕液晶类似胆固醇状的〔Cholestic〕液晶
液晶显示器使用的是丝状，当外界环境变化它的分子构造也会变化，从而具有不同的物理特性——就能够到达让光线通过或者阻挡光线的目的——也就是刚刚比方的百叶窗。
下面我就图 2a、b 来讲解一下 TFT 的根本原理。一个成品 TFT 显示屏，一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、彩色滤光片组成， 这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光片打算了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有 FED 晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能准确掌握的电场，电场打算了液晶的排列方式。
大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的
根本组件来构成，分别掌握红、绿、蓝三种颜色。
目前使用的最普遍的是扭曲向列 TFT 液晶显示器〔Twisted Nematic TFT LCD〕，以下图就是解释的此类 TFT 显示器的工作原理。
在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图2a 扭曲向列 TFT 显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生 90 度
的扭曲，从而能在下层顺当透过。
图 2b 扭曲向列 TFT 显示器工作示意图
当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列， 所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层。
三、LCD 制造原材料
主要原材料
主要原材料：ITO 玻璃液晶、偏光片、PI 液、丝印胶〔印框胶、导电胶〕、封口胶、Ni 粉、取向层塑料垫片等。通常所讲的三大主要原材料为：液晶、ITO 玻璃及偏光片。
关心材料
关心材料是指产品生产过程中使用而最终中不存在的原材料如：光刻胶及稀释剂、NMP、PI 稀释剂、BC 液、SiO2、稀释剂、摩擦布、异丙醇、乙醇、丙酮、清洗剂、酸、碱等。
其他材料
前段的 Array 制程与半导体制程相像，但不同的是将薄膜晶体管制作于玻璃上，而非硅晶圆上。中段的 Cell 制程，是以前段 Array 的玻璃为基板，与彩色滤光片的玻璃基板结合，并在两片玻璃基板间灌入液晶(LC)。后段模组组装制程是将 Cell 制程后的玻璃与其他如背光板、电路、外框等多种零组件组装的生产作业。
四、LCD 制造工艺流程
LCD 显示根本构造和原理：
一般 TN 型液晶显示器构造如下图。
取向层
液晶层
过渡电极

偏光片
玻璃基板电极
封接框
电极 玻璃
偏光片
1、偏光片：偏光片有一个固定的偏光轴。偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向一样的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光将被其吸取。这样，当自然光通过液晶盒的入射偏光片〔称为起偏器〕后，只剩下振动方向与起偏器偏光轴一样的光，即成为线性偏振光。
2、ITO 玻璃：在平坦的玻璃基板上镀了一层氧化铟锡层。
3、液晶：具有类似晶体的各向异性的液态物质。
4、取向层：液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区掩盖着一层有机物聚酰亚胺取向薄层，这个取向层经用毛绒布定向摩擦，在薄层上会形成数纳米宽的细沟槽，从而会使长棒型的液晶分子沿沟槽平行排列。而上下两片玻璃的取向层是相互垂直的。故在液晶层中间的液晶分子是渐渐扭曲的。
工艺流程简介：
前工序
中后工序
液晶显示器主要由 ITO 导电玻璃、液晶、偏光片、封接材料〔边框胶〕、导电胶、取向层、衬垫料等组成。液晶显示器制造工艺流程就是这些材料的加工和组合过程。
液晶显示器制造全部过程大体分为 40 多道工序，其中实际 TN-LCD 制程有20 多道工序。实际 STN-LCD 制程有 30 多道工序。有些工序是特别制程，只当客户有特别要求才实施。这些工序又可分为 ITO 图形刻蚀〔光刻〕、取向排列、空盒制作、液晶灌注和成品检测与包装五个阶段。下面按挨次具体介绍液晶显示器的制造过程。
1、ITO 图形刻蚀〔光刻〕：
本阶段是在导电玻璃上刻蚀出显示所需要的 ITO 电极图形。在流程图上它包括的工艺步骤是①~②。
①ITO 玻璃投入〔GRADING〕
依据产品要求，选择适宜的 ITO 玻璃装入传递篮具中，它要求 ITO 玻璃的规格型号符合产品要求。装篮要切记 ITO 层面肯定朝上插入篮具中，如图 1 所示。
图1 ITO玻璃构造图
ITO膜
玻璃基板
②玻璃清洗与枯燥〔CLEANING〕
工序的第一步是将符合后产规格的 ITO 玻璃用清洗剂、去离子水〔DI 水〕 等清洗干净，并用物理或化学的方法将 ITO 玻璃外表的杂质、油污洗净，然后把水除去并枯燥，保证下道工序的加工质量。
③涂光刻胶〔PR COAT〕
在干净的 ITO 玻璃的导电层外表上均匀涂上一层光刻胶。涂过胶的玻璃要在肯定温度下做预烘处理，如图 2 所示。
光刻胶
ITO膜
玻璃基板
图2 ITO玻璃上涂光刻胶
④前烘〔PREBAKE〕
在肯定的温度下将涂有光刻胶的玻璃烘一段时间，以使光刻胶中溶剂挥发， 增加与玻璃外表的粘附性。
⑤曝光〔EXPOSURE〕
有紫外光通过预先制作好的电极图形掩模版照耀光刻胶外表，使被照局部的光刻胶层发生反响。在涂有光刻胶的玻璃上掩盖光刻掩模版，在紫外光灯下对光刻胶进展选择曝光，如图 3 所示。
UV 光
光刻胶 光刻胶
ITO膜
玻璃基板
图3 曝光示意图
⑥显影〔DEVELOP〕