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1、2018/12/7,1,2.1 液晶与液晶显示器(LCD),2.2 液晶用于显示的物理性能,2.3 LCD的各种显示方式及其工作原理和特性,2.4 各种类型的液晶材料,2.5 LCD的构造与制作,2.6 LCD的各种驱动方式,2.7 LCD的技术发展动向,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,2,2.1.1 液晶,液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的主要构材料为液晶。所谓液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。这大概便是液晶这个名词的来源。1888年奥地利的植物学家FReinitzer在胆甾醇的苯（甲）酸
2、及醋酸酯化合物中发现了液晶状态。,晶体（固态）各向异性,液晶态有序流体,液态各向同性,T1,T2,熔点,清亮点,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,3,液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状。液晶相中这些分子的排列状态一般取图2-2所示的特殊的排列方式，即按图中所示排列方式的不同，液晶可分为层列(smectic)液晶、向列(nematic)液晶、胆甾相(cholesteric)液晶等几大类。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,4,在层列液晶中，棒状分子排成层状结构，层内分子长轴互相平行，每层厚度约28埃，与层面近似垂直。这种分子层间的结合较
3、弱，层与层间易于相互滑动，用手模，有肥皂的滑腻感，因此，层列液晶显示出二维液体的性质。但与通常的液体相比，其粘度要高得多。在光学上具有正性双折射性。,层列(smectic)液晶,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,5,在向列液晶中，棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动，不存在层状结构。因此，富于流动性，粘度较小。,可利用外加电场对具有各向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示目的。,向列(nematic)液晶,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,6,胆甾相液晶与层列液晶同样
4、形成层状结构，分子长轴在层面内与向列液晶相似呈平行排列。但是相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别，整个液晶形成螺旋结构，螺距约为300nm。胆甾相液晶的各种光学性质，例如旋光性、选择性光散射、圆偏光二色性等都是基于这种螺旋结构。,胆甾相(cholesteric)液晶,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,7,2.1.2 液晶与显示,通过上述讨论可以看出，液晶的分子排列结构，并不像晶体结构那样坚固。因此，在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响下，其分子容易发生再排列，由此液晶的各种光学性质发生变化。液晶所具有的这种柔软的分子排列，正是其用于显示器件、光电器件、传感器等的基础。 在用
5、于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列，在电压及热等的作用下，其分子排列发生有别于其他分子排列的变化。伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、二色性、光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化。也就是说，液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动发光型(受光型)显示。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,8,2.1.3 LCD的特征,LCD最大的特征是兼备薄型、轻量、低功耗、低工作电压等。 LCD优点如下： 1 由于低功耗(几至几十微瓦每平方厘米)，利用电池即可长时间运行，属于省能源型； 2 低电压运行(几十伏特)，可由IC直接驱动，驱动电子回路小
6、型、简单。 3 元件为薄型(几毫米)，而且从大型显示(对角线长几十厘米)到小型显示(对角线长几毫米)都可以满足，特别适用于便携式装置；,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,9,4 属于非主动发光型显示，即使在明亮的场所，显示也是鲜明的； 5 容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化 6 可以进行投影(扩大)显示及组合(集成)显示，因此容易实现大画面显示(对角线为数米的显示)。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,10,LCD在具有上述优点的同时，也存在实用上的缺点： 1.由于属于非主动发光型，在采用反射方式进行显示时，在比较暗的场所，显示不够鲜明； 2.在需要
7、鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背置光； 3.一般说来，显示对比度与观察方向相关，因此，视角的扩大受到限制； 4.响应时间与周围温度有关，低温(-30-40)时工作不能充分保证。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,11,2.2.1 物理性质的各向异性,液晶分几大类(参照图2-2)，但无论哪一类，在分子的长轴相互平行排列这一点上是共同的。从而，液晶物质的折射率，介电常数，磁化率，电导，粘度等各种物理性质，在液晶分子长轴的方向()和与其垂直的方向()有很大的不同，即存在各向异性(nn，)。 正是基于液晶所具有的上述物理性质的各向异性，再与其通过施加电压及加热等，分子排列容易发生再排列的
8、现象相组合，才展现了以液晶显示为代表的液晶的各式各样、丰富多彩的应用。 液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列，在处理液晶物理性质的各向异性时十分重要。参照图2-3,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,12,Z,X,Y,0,a,n,图中n为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向，即主轴方向的单位矢量； 为个别液晶分子长轴方向a相对于n的偏离角。,液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数S来表述:,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,13,像各向同性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合，S=0；所有分子完全平行取向的理想液晶,S=1。通常，向列液
9、晶的有序化参数S也与温度相关，取值有一定范围，一般S=0.30.8。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,14,按照光的偏振状态不同，可分为五大类： 自然光 线偏振光 部分偏振光 圆偏振光 椭圆偏振光,一、自然光与偏振光：,1 偏振光(Polarization of light),补充知识,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,15,一. 线偏振光,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,线偏振光的表示法：,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,16,二. 自然光,一束自然光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光。,自然光的表示法：,第二章 液晶与液晶显
10、示器,2018/12/7,17,三. 部分偏振光,部分偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、不等幅的、不相干的线偏振光。,部分偏振光的表示法：,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,18,四. 圆偏振光, 椭圆偏振光,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,19,2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律,一. 起偏,起偏的原理：利用某种光学的不对称性,偏振片,起偏：从自然光获得偏振光,起偏器: 起偏的光学器件,微晶型,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,20,分子型,偏振片的起偏,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,21,二. 马吕斯定律,马吕斯定律（1809）,消
11、光,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,22,3 光在晶体中的传播, 双折射,一. 双折射的概念,1. 双折射,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,23,第二章 液晶与液晶显示器,2.寻常光和非寻常光,o光 : 遵从折射定律,e光 : 一般不遵从折射定律,e光折射线也不一定在入射面内。,2018/12/7,24,光的双折射现象： 1.一束光入射晶体分成两束光的现象称为双折射。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,25,3. 晶体的光轴,当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴。,例如，方解石晶体(冰洲石),光轴是一特殊的方向,凡平行于此方
12、向的直线均为光轴。,单轴晶体：只有一个光轴的晶体,双轴晶体：有两个光轴的晶体,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,26,4. 主平面和主截面,主平面：晶体中光传播方向与晶体光轴构成的平面。,主截面：晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。,二. 晶体的主折射率，正晶体、负晶体,光矢量振动方向与晶体光轴的夹角不同,光的传播速度也不同。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,27,n0 ，ne称为晶体的主折射率,第二章 液晶与液晶显示器,二者分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的通常光及呈平行的异常光的折射率。,2018/12/7,28,第二章 液晶与液晶显示器,正晶体 : n
13、e no,(e o),负晶体 : ne no,(eo),2018/12/7,29,4 旋光现象,一. 物质的旋光性,使线偏振光的振动面发生旋转,a 旋光率,旋转的角度：,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,30,2.2.2 折射率的各向异性与各种光学性质,2.2.2.1 折射率的各向异性,对于向列液晶和层列液晶来说，液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴,n0代表电矢量振动方向与光轴垂直的寻常光o的折射率n ， n0=n ,ne代表电矢量振动方向与光轴平行的非寻常光e的折射率n， ne=n ,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,31,折射率的各向异性n ：n=ne-n0=n-
14、n ,正,如图所示，在不同方向上n0表现为球面，ne表现为旋转椭球面。n0通常比ne小，仅在取向n的方向二者才一致。n为正。正因为如此，向列液晶和层列液晶称为光学正液晶。,向列和层列液晶,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,32,胆甾液晶,在胆甾液晶情况下，光轴即螺旋轴，它与液晶分子长轴取向矢n的方向垂直，这时：,n=(ne-n0)0,所以具有负的光学性质,第二章 液晶与液晶显示器,负,2018/12/7,33,2.2.2 折射率的各向异性与各种光学性质,2.2.2.2 各种光学性质 能使入射光的行进方向向液晶分子长轴的方向偏转。 能改变入射光的偏振状态（线偏振，圆偏振，椭圆偏振）或
15、偏振方向。 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者透射。 各种液晶显示器基本上是根据上述三大光学特性而设计制造的。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,34,当入射光与液晶长轴夹角为，入射光可分解为垂直和平行于液晶长轴的两个分量。速度分别为v/ ，v。,v =Csin/n/,v/=Ccos/n,n/ n,光速合成方向与液晶分子长轴的夹角变小，光线向长轴靠拢。,第二章 液晶与液晶显示器,液晶中,2018/12/7,35,第二章 液晶与液晶显示器,射入液晶的光线的前进方向,2018/12/7,36,第二条特点可以解释：,设液晶指向矢n与x轴一致,沿z轴方向人射的电矢量E0为线偏振
16、光,其振动方向与x轴成角。设在z=0处,电矢量在x、y方向上的分量为Ex、Ey,则行进到z=z处,人射线的偏振光状态可用上式表示,/4,随着增大，偏振光状态按照直线、椭圆、圆、椭圆、直线偏振光的顺序变化,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,37,对于第三个特点的解释：,对于扭曲螺距p与光的波长相差不大的胆甾相液晶而言，表现为旋光物质。,当入射偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向相同，则入射光将被反射，反之，则入射光将可以透过液晶层。,第二章 液晶与液晶显示器,2018/12/7,38,2.2.3 施加电场引起分子排列的变化,对具有特定初始分子排列的液晶施加电场，其分子排列会发生区别于其他分子排列的转变。同时，与此转变相伴随，液晶的光
