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1、第三章液晶显示,液晶显示的发展与特点 液晶的物理特性 液晶的光学特性 液晶分子的沿面排列 常见的液晶显示器件,液晶显示器件的驱动技术 有源矩阵液晶显示器件 液晶显示器的主要材料及制造工艺 液晶技术的新进展,3.1液晶显示的发展与特点,一、液晶显示的发展过程,1888年奥地利的植物学家FReinitzer在做加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，这类物质在加热溶化后不是透明的液体，而是一种呈浑浊态的粘稠液体，,当进一步升温，才变成透明的液体。他把这种粘稠而浑浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。,1961年，美国无线电公司（RCA）普林斯顿研究所的一位年轻工作者海麦尔将电子学知识用于
2、液晶的光学特性研究，取得了很大进展。,1968年，海麦尔及其研究小组制成了世界上第一台液晶平板显示器，从此开始了液晶显示的新纪元。,1889年，德国物理学家DLeimann也发现了这种粘稠液体，将其命名为“液晶”，简称为“LC”。,二、液晶显示的特点,优点,缺点,三、液晶的分类,1、液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。,液晶即具有液体一样的流动性和连续性，又具有晶体一样的各向异性。,溶致液晶：某些有机物溶解在水或有机溶剂中显示出液晶态， 热致液晶：某些有机物要在一定的温度范围内呈现出液晶状态。,互变相变（可逆相变）：,2、溶致液晶和热致液晶,单变相变：,热致液晶分类：,近晶相
3、液晶（Smectic）又称层状液晶,棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。层与层之间的作用力较弱，易滑动，具有二维的流动性。近晶相液晶的粘度与表面张力较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。光学上显示正双折射性。,向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶,由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，像液体一样富于流动性。光学特性像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。,胆甾相液晶（Cholesteric），也
4、称螺旋状液晶,具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直于层的平面上，每层分子都会旋转一个角度。,整体呈螺旋结构，螺距的长度与可见光波长相当。,胆甾型液晶具有负的双折射性质。,胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，温度的变化可引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。,胆甾相和向列相液晶可互相转换。,3.2液晶的物理特性,一、液晶的有序参量,z,n,其中，n为全体液晶分子的择优取向方向，为个别液晶分子长轴方向与n的偏离角。,S与温度T的关系：,二、液晶的各向异性,液晶分子是极性的棒状分子，导致了液晶的宏观物理性质在长轴有序方向和短轴有序方向上不同，一般称沿分子长轴平均方向为平行
5、方向（/），沿分子短轴平均方向为垂直方向（）。,液晶短轴方向,液晶短轴方向,液晶分子的电偶极矩为，若长轴方向的单位矢量为，与的夹角为。,1、介电各向异性,液晶的各向异性：,在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。,E,E,2、电导各向异性,液晶的电阻率的数量级在，接近绝缘体。电阻率越高，液晶材料的稳定性越好，功耗电流越低。,电阻率的倒数称为电导率，电导率越大导电性越好，同时液晶的电导还与它的纯度有关，纯度越高导电性越差。,液晶的电导率各向异性用平行于长轴方向的电导率与垂直于电导方向的电导率的比值来表示。,3、折射率各向
6、异性,n0，其光学各向异性等同于正单轴晶体 n0，其光学各向异性等同于负单轴晶体,n与偏振、旋光、折射及干涉所引起的电光效应有直接关系，特别对彩色显示液晶来说，显示各种波长的强度与n有关。,液晶显示器的光透过率与液晶折射率各向异性和液晶盒厚度的关系：,4、弹性系数,描述液晶分子弹性形变的物理量。在不同方向有不同形式的形变和弹性系数。,5、粘滞系数,主要影响液晶显示器件的响应速度和多路驱动能力。,粘滞系数小则液体易流动，分子排列易改变。液晶沿不同方向流动粘滞性不同，粘滞系数影响显示器件的响应速度。,光的偏振、晶体光学,一、光的偏振,Maxwell方程组：,介质的折射率：,在光波中每一点都有一个振
7、动的电场强度矢量 和一个振动的磁场强度矢量 ， 和 互相垂直，且都与光速 的方向垂直。,电磁波的传播速度：,与的关系：,称为光矢量。,1、自然光和偏振光,自然光：光在各方向上振动的振幅相同的光。,线偏振光：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。,从面对光传播的方向看,部分偏振光：光波中虽然包括一切方向的振动，但不同方向上的振幅不等，某些方向振动强，某些方向振动弱。,椭圆偏振光,可由两列频率相同，振动方向互相垂直，且沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。,2、偏振度描述光线偏振化程度的物理量,自 然 光： P = 0 线偏振光： P = 1 部分偏振光：0 P 1,3、马吕斯定律：,
8、光强为I0的线偏振光入射到起偏振器，若振动方向与起偏器的偏振方向间的夹角是，透射光的光强 I 为：,4、偏振器的消光比,实际应用中，用偏振器得不到完全的线偏振光，而是部分偏振光。用检偏器来检查起偏后的偏振光，转动检偏器，用透过检偏器的最小光强与最大光强的比值来衡量起偏器的起偏性能，这个比值称为消光比。,二、晶体光学,1、晶体的双折射现像,入射光经各向异性介质（如石英晶体，方解石晶体等）折射后分成两束的现象。,寻常光：折射光线遵守折射定律，折射率为常数，其折射光线总在入射面内，简称 o 光（ordinary）；,非寻常光：折射光线不遵守折射定律，折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内，简称 e
9、 光（extrordinary） 。,主平面：光的传播方向与晶体光轴构成的平面。,主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。,晶体有一个（或多个）方向，沿该方向寻常光与非寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。晶体按光轴数量分可分为单轴晶体和双轴晶体。,o光,光轴,o 光的 主平面,e光,光轴,e 光的 主平面,o光和e光都是线偏振光，但o光的振动方向垂直于自己的主平面，而e光的振动平行于自己的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，o光与e光的主平面相重合，o光与e光的振动方向相互垂直。,晶体的双折射现象表明了晶体在光学上的各向异性。,2、单轴晶体光学特性的几何表示,单轴晶体的折射
10、率椭球方程：,设vO为o光传播速度， ve为e光在垂直于光轴方向上的传播速度，则,三、偏振光的干涉,单色自然光经P1后成为线偏振光，通过晶片C后，又成为两束不相干的线偏振光，再经P2 后，就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光，从而产生偏振光干涉。,（3）通过P2 两束相干光的振幅分别为：,（2）通过C 产生o光、e光,（1）通过P2 产生一束线偏振光。,两束光在晶片C中产生的相位差,若A1O与A2e方向相反，产生附加相位差,两束光叠加后总光强：,在偏振光干涉中： （1）对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体厚度d 决定； （2）用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下，屏上出现
11、一定色彩合成的混合色。,向列液晶和近晶液晶有 ，所以n0，即向列液晶和近晶液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。,3.3液晶的光学特性,折射率各向异性：,对于向列液晶和近晶液晶，分子长轴的指向矢的方向就是单轴晶体的光轴，用n表示no，n表示ne。,无论是光学正液晶还是光学负液晶，都满足：,由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：,能使入射光的前进方向向液晶分子长轴的方向偏转；,当入射光线与液晶分子长轴夹角为时，将进入液晶的光沿平行长轴和垂直长轴的方向分解：,由于，液晶中光速合成方向与长轴夹角变小，即向长轴方向靠拢。,使入射光的偏振状态，及偏振方向发生变化；,将入射光的电场矢量沿
12、平行长轴和垂直长轴的方向分解为和，由于，经过液晶后和产生的相位滞后不同，叠加后偏振状态或偏振方向发生变化。,当线偏振光入射到指向矢有扭曲的液晶（如手征丝状相液晶）上时的情况：,当时，通过手征丝状相液晶传播的光仍为线偏光，且偏振方向跟随指向矢转动，被称为沿螺旋轴传播的波导区域。,使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。,某些光轴垂直于表面切取的晶体，当入射线偏振光在晶体内沿着光轴传播时，光矢量振动方向随传播距离逐渐转动的现象为旋光现象。,旋光现象除了与晶体有关外还与入射光的波长有关（可由菲涅尔理论推导），旋光现象有左旋和右旋之分。,当螺距和波长相当时，若入射的偏振光的旋光方向与液晶的旋光方
13、向相同，则入射光将被反射，若入射的偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向不同，则入射光将透过液晶层。,3.4液晶分子的沿面排列和主要参量,一、液晶显示器件的基本结构（TNLCD）,两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒，再帖一对正交的偏振片。,图1液晶显示器件的基本结构（TN）,图2制作过程,二、液晶分子的排列,液晶器件的基本工作原理：液晶分子在电场作用下改变其分子排列状态，从而使液晶分子的光学特性发生变化。故均匀、稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础。,液晶盒内分子排列种类：,（1）垂直分子排列，/,（2）沿面分子排列，/,（3）混合分子排列， /,（4）扭曲分子排列， /,通过玻璃基
14、片上的定向层来控制液晶分子的排列取向，即边界对液晶分子的锚定。,1、垂直取向处理,定向处理的方式：,2、平行取向处理,3、倾斜取向处理,定向层有两层，分别与液晶层的上下表面接触，这两层可相同，可不同，即可以实现不同取向的组合，得到不同排列类型的LCD。,根据定向层制作工艺或形成方法的不同，取向处理分为三种：,1、直接取向处理,将取向剂利用喷涂或等离子放电聚合的方法直接在玻璃基片上做出定向层。如图为偶联剂在基片表面脱水形成膜层。,2、间接取向处理,将取向剂溶解在液晶中，注入到液晶盒中后，取向剂从液晶中析出而吸附在基片表面上。,3、表面变形取向处理,若液晶分子与基片倾斜取向可通过倾斜蒸镀法蒸镀Si
15、O在玻璃基片上，形成一层折皱状的膜层，利用膜层与液晶分子的弹性相互作用达到取向的目的。,若液晶分子沿面排列可用摩擦法。,三、液晶显示器的主要性能参量,1、电光特性：透光强度与外加电压的关系,阈值电压Vth,引起最大透光强度的10%（负型）或90%（正型）的外电压值。,饱和电压Vs,最大透光率90%(负型)或最小透光率10%(正型)处对应的外电压值。,阈值电压Vth和饱和电压Vs之间，是液晶工作的区间。,对比度,陡度和比陡度,VS越接近Vth，电光曲线越“陡”，趋于1 ，可以实现多路驱动，显示的灰度级越多。,一般TN1.41.6，只能实现816路驱动，STN1.021.2，可以实现128240路
16、驱动。,电光响应时间,对比度与视角,液晶的阈值电压Vth及响应时间随温度而变化，温度越高，Vth越低，响应时间越快。,2、温度特性,液晶材料在熔点Tf和清亮点Tc之间才是液晶态，故液晶显示器件有一定的工作温度范围。,3、伏安特性（频率特性）,液晶显示器件几乎是电场效应器件，是典型的微功耗器件。,LC器件是容抗性的，交流驱动时，频率对驱动电流影响很大，如驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加510倍，故驱动频率控制在不发生闪烁的最低临界值上。,3.5 常见的液晶显示器件,电光效应：指在外电场作用下液晶分子的排列状态发生变化，从而引起液晶的光学性质也发生变化的一种电光调制现象。,液晶显示器可依靠液晶的电光效应和热光效应工作。,热光效应：指通过改变温度使液晶的光学性质发生变化的现象。,除动态散射型是利用液晶的电流效应外，其余都是利用电场效应。,常见的液晶显示器件：,一、液晶显示的三种方式,反射式,TN液晶器件一般工作在反射式。在液晶下基板的外表面加反光板，将外界进入液晶层的光线反射出
