“先进液晶显示技术”调研报告

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一、响应速度

CRT显示器利用荧光的余辉实现光的短暂停留，其余晖残留时间极短，相应响应时间仅为1～3ms。液晶显示器（LCD）无“记忆能力”，利用液晶分子扭转控制光的通断，而驱动液晶分子扭转所需的时间基本都长于CRT的响应时间。其中薄膜晶体管液晶显示器件（TFT LCD）是目前平板显示中的主要器件与主导产品，应用于各个领域。随着技术的发展，对显示器件的性能要求也日益提高，要求高速度，高对比度，广色域，低功耗等等，其中快速响应时间也是液晶显示的一项技术挑战与关注焦点，因为响应时间过长会在高分辨率的画面中产生运动图像拖尾的现象，无法保证画面的流畅。响应速度也称反应时间，是液晶电视各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间。一般将反应时间分为两个部分：上升时间（Rise time）和下降时间（Fall time），而表示时以两者之和为准。1986年，NEC制造了世界上第一款有液晶屏幕的便携式计算机，2002年前TFT-LCD的响应时间为25ms，2004年达到8ms，2005年降低至4ms甚至2ms。到2005年末液晶显示器的市场占有率首次与CRT持平，标志着液晶显示器走向成熟。

二、影响响应时间因素

LCD响应时间较长的问题是多种因素造成的：

其中是液晶的粘滞系数；是液晶的介电常数；是液晶的分子阈值电压；是液晶的单元盒间隙（cell gap）；为gamma电压。

为了提高LCD的响应速度，可从三方面考虑：优化LCD盒内材料及工艺参数设计并增大液晶层电压；提高驱动电压；优化液晶及工艺参数的选取和匹配。

本文着重于第三方面，即快速液晶材料的选取。

三、快速液晶材料

材料的粘滞系数对其运动特性也有很大影响。虽然目前使用的液晶材料为分子量相对较低、粘滞系数相对较小的向列相（Nematic）液晶。实际投入应用的向列相液晶，分子长2～3纳米，直径约0.5纳米，粘滞系数只有水的数倍，响应时间在ms数量级。取向场动力学主要受液晶材料三个因素的影响：与平衡指向场形变相关的弹性能、材料粘度和介电性能。这些材料的因素主要受所用材料的液晶相态的影响。[2]因此从下三个方面考虑：

（1）选择分子量较小的液晶体可缩短响应时间

影响响应时间的材料方面的主要的原因是：液晶材料为分子级的材料，粘滞系数较高。按照公式F=ma，同样的力作用于不同质量的物体上，质量大的加速度小，质量小的加速度大。换言之，质量越大，物体的状态越不易改变。

（2）粘稠度

液晶的粘稠度是关系LCD响应时间和色彩饱和度的重要方面高液晶粘稠度可以使显示的图像更艳丽视角更大。但是响应时间会相应拉长.因此在保证画质的前提下适当提高液晶材料的粘稠度可以提高液晶像素的响应速度。

粘滞系数越小，弹性系数越大， 响应速度越快。液晶显示器都含取向层，取向层对液晶分子有锚定作用。通过减小锚定作用和优化液晶材料混合配比可提高响应速度。

（3）液晶材料各项异性Δn

为了满足大气自适应光学的要求，我们需要快速响应液晶，而较低的粘度和较高Δn（液晶材料各项异性Δn=ne-no）的液晶材料可以提高向列相液晶的响应速度。

可以通过减小分子的长度和宽度、利用含氟原子作为取代基、应用苯环和减弱刚性的方式使液晶分子的粘度降低。可以通过增加苯环的数目、选用三键作为中桥键和用“一NCS”作为取代基来增大液晶分子的Δn。

引入极性基，增大分子的自发偶极矩。最终使分子具有介电各向异性、介磁各向异性。液晶的分子结构影响着液晶的宏观特性。当分子中引入极性基时，不同种类的极性基以及相同的极性基在分子的不同取代位置，都会对液晶的粘度和Δn产生影响，从而导致液晶材料的响应速度具有较大差别。而除了极性基对液晶的粘度和Δn有所影响外，中心基团和柔性侧链对快速响应液晶材料的粘度和Δn的影响也是不能忽视的。[4]因此究极性取代基、取代基位置、中心基团和柔性侧链对粘度和Δn有影响。

四、其他途径

（1）首选TN型，只因扭曲角度小

TN（Twisted Nematic，扭曲向列）型液晶盒中两个配向模呈正交（两个面在空间垂直但不相交）分布，液晶分子相应地扭曲了90°。显然，扭曲角度小的TN型LCD响应时间就短，但图像对比度会降低。

目前，STN以及它的变种DSTN、CSTN液晶面板仍应用于手机和PDA这些不太强调图像动态性能的设备。作为电脑显示器，STN已经被被响应速度更快TFT-TN所取代。

（2）采用有源矩阵，消除等待时间

TFT-LCD屏幕由纵横交错的TN型液晶与薄膜晶体管组成，每个TN液晶盒可被独立控制，由于每个液晶盒由一只晶体管控制，每个显示单元分别被点亮，消除了像素之间相互“拖后腿”现象，大大地提高了响应速度。

（3）RTC技术

RTC（Response Time Compensation，响应时间补偿）是NEC提出的旨在缩短LCD响应时间的技术。其基本原理是：利用Overdrive之类的芯片，将来自显卡的视频信号加入过冲电压，然后去驱动液晶单元。

参考文献：

[1]TFTLCD响应时间的影响因素及技术突破_陈玲玲

[2]显示器的快速响应液晶效应_PhilipBos

[3]Maier W， Meier G Z Naturoforsch， 1961

[4]快速响应和高_n特性向列相液晶分子合成_张坤

[5]提高场序彩色液晶显示器响应速度的方法研究_沈奕

[6]液晶显示器的快速响应技术_王文根