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1、光电功能材料13,刘 磊 电话：84315437 Email: ,3. 光功能材料 3.1. 激光材料 3.2非线性光学材料 3.3. 光纤材料 3.4 光电显示材料 3.5. 光伏材料及太阳能电池 3.6. 纳米材料 3.7. 液晶材料与LCD,目录,液晶材料与液晶显示器,液晶的发现 液晶的分类 液晶的光电效应 液晶显示器的基本原理,（LCD: Liquid Crystal Display ）,液晶是自然界中一个神奇的物相。自1888年发现以来，由于它的神奇，成为生物学、化学和物理学的一个重要研究领域。,Liquid Crystal Display (LCD) 液晶显示器,夏普108英寸LC
2、D TV 2007.01.09,1、液晶的发现与发展过程简介,1888年奥地利布拉格德国大学的植物生理学家斐德烈?莱尼泽（Friedrich Reinitzer）在加热安息香酸胆固醇脂（Cholesteryl Benzoate）研究胆固醇在植物内之角色，于1883年3月14日观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时的异常表现。它在145.5时熔化，产生了带有光彩的混浊物，温度升到178.5后，光彩消失，液体透明。此澄清液体稍微冷却，混浊又复出现，瞬间呈现蓝色，又在结晶开始的前一刻，颜色是蓝紫的。 莱尼泽反复确定他的发现后，向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过
3、程，后来更加上了偏光镜，他并发现呈浑浊状液体的中间具有和晶体相似的性质故称为“液晶”。这是世界上首次被发现的一种热致液晶：胆甾醇苯甲酸脂。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视，只是把液晶用在压力和温度的指示器上。 莱尼泽和雷曼后来被誉为液晶之父。,1、液晶的发现与发展过程简介,液晶的发展在1963年出现了转折点。该年，美国无线电公司(RCA)普林斯顿研究所的一个从事微波固体元件研究已两年的年轻技术工作者GHHeimeier，即将完成他的博土学位答辨。他有一个朋友正在从事有机半导体的研究工作，在上下班路上向Heimeier介绍他所从事的研究工作，使他发生了浓厚的兴趣。就这样，这位电子学专家改
4、变了自己的专业,进入了有机化学领域，他把电子学应用于有机化学，仅一年就发表了五篇论文。他将染料与向列液晶混合，夹在两片透明导电玻璃基片之间，只施加几伏电压，功率不到几个微瓦每平方厘米，液晶盒就由红色变成透明态。Heimeier心想到这不就是平板彩色电视吗?兴奋的小组成员日以继夜地工作，相继发现了动态散射、相变等一系列液晶的电光效应，并且研究出一系列数字、字符显示器件以及液晶钟表、驾驶台显示器等应用产品。RCA公司领导对有关液晶的发明极为重视，将其列为企业的重大秘密。1968年RCA公司向世界公布这些液晶发明。,1969年2月日本NHK向国内进行了液晶发明报导，引起日本科技、工业界的极大重视。日
5、本将当时的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”市场为导向，很快打开了液晶的应用局面。日本人从液晶于表、液晶计算器等低档产品起步，发展到小尺寸无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到目前多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器，不但促进了日本微电子工业的惊人发展，还一直领导着世界液晶工业的发展方向，掌握着液晶工业最前端的技术。,液晶的发现已经有100多年的历史，但近20年来才获得了快速的发展。这是因为液晶材料的光电效应被发现。因而被应用在低电压和轻薄短小的显示组件上。 经过近30年的发展，液晶巳形成一个独立的学科。液晶知识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、微电子、精细加工、色
6、度学、照明等。 目前液晶材料已被广泛应用于计算机显示屏，电子表，手机，计算器等电子产品上。成为显示工业不可或缺的重要材料。,生活中的液晶显示器,2、液晶基础,（1）物质的第四态-液晶,一般常识： 物质像水一样都有三态：固体、液体和气体，通常固体加热至熔点就变成透明的液体，温度再升高就变成气体。,其实： 物质的三态是针对水等一类物质而言， 对于不同的物质， 可能有其它不同的状态存在。有些有机材料不是直接从固体转变为液体，而是先要经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间状态外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射特性。,液晶的分类方法,1.按照液晶的形成条件分类 2.按照分子
7、排列的形式和有序性分类,按照液晶的形成条件分类,当对某些晶体物质体加热时，由于温度的升高破坏结晶晶格，使其任某一温度范围内呈现出各向异性的熔体而形成液晶态。 用于显示的都是可工作于室温的热致液晶，由于热致各向异性的液晶物质的特殊稳定的温度范围应在室温以上，只有这类液晶才能作为显示器件的材料。,热致液晶,按照液晶的形成条件分类,有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶,溶致液晶,肥皂水就是溶致液晶，具有双折射特性，使肥皂泡表面具有彩虹色彩。,构成液晶态的结构单元,棒状分子 盘状分子 由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物 由双亲分子自组装而成的
8、膜,热致液晶按分子的排列有序方式可以分为以下几种类别：,液晶的三种结构类型,向列型（Nematic)： 分子倾向于沿特定的方向排列，存在长程的方序分子的质心位置分布却是杂乱无章的，不存在长程的位置序表现出液体的特征，具有流动性,向列型液晶,液晶的三种结构类型,胆甾型(Cholesteric)： 在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。,螺旋状液晶,液晶的三种结构类型：,近晶型(Smectic)： 棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直与层面在层内，分子的排列具有二维有序性，
9、分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移,近晶型液晶,液晶材料 液晶相：具有各向异性的液态，由各向异性分子构成，且分子倾向定向排列。 液晶：凡出现液晶相的物质 至今，这些分子均为有机分子，无机分子的液晶还没有发现,液晶相：处于熔点和清亮点之间的相,在从晶体到液晶，再到液体的相变过程中，Tl为熔点，T2为清亮点。在T1T2之间为液晶相区间 。,液晶分子的光电效应,描述液晶分子光电效应的重要物理量： 介电系数 折射系数,液晶分子的光电性质,液晶分子大多由棒状或碟状分子形成,所以与分子长轴平行或垂直方向的物理特征会有所差异，这就是液晶分子结构的异方性
10、由于液晶分子结构的异方性，所以液晶分子在介电系数和光电系数等光电系数上都具有异方性,液晶显示中三大光学特性,能使入射光的前进方向向液晶分子长轴（即指向矢n)方向偏转；,液晶呈单轴的光学各向异性所致，各种液晶显示器基本上是根据这三大光学特性而设计制造的。,能改变入射光的偏振状态(线偏振、圆侗振、椭圆偏振)或偏振的方向,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。,液晶材料的物理性质与显示技术的关系,液晶显示器(LCD)的基本原理 Liquid Crystal Display,偏振片透光原理 液晶对光线的调制作用 常见的三种液晶显示器,液晶显示器的基本原理,偏振片透光原理： 偏振片只允许偏
11、振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片,液晶显示器的基本原理,把液晶放在两个偏振片之间，如果有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向.由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出 如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板,液晶显示器的基本原理,液晶显示器就是利用这一特性，在两块玻璃基板间注入液晶材料，通过外界电场等条件控制液晶分子的排列取向，以影响液晶单元的透光率，从而影响它的光学性质，产生具有不同
12、灰度层次及颜色的图像。,液晶显示器结构,液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片。,常见的三种液晶显示器,TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器）： TwistedNematic-LCD 常用于电子手表，计算器,常见的三种液晶显示器,STN-LCD(超扭曲向列型液晶显示器） Super TwistedNematic-LCD 常用于手机显示屏,游戏机屏,常见的三种液晶显示器,TFT-LCD(薄膜型液晶显示器）： Thin Film Transistor-LCD 常用于液晶显示屏，数码照相机,TN、STN型的结构,液晶盒中玻璃片的两个
13、外侧分别贴有偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的,STN型液晶,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180270度。,STN型液晶,单纯的TN液晶显示器本身只有黑白两种情形，而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。如果在单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片，并将单色显示像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原
14、色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。,TFT型液晶,TFT型液晶,在玻璃基片上沉积一层硅,通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列,每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。再把液晶灌注在两片玻璃之间,由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真，称为真彩 ,TFT型液晶,对于TFT-LCD而言彩色滤光片是很重要的，利用红，绿，蓝三原色，可混合出各种不同的颜色，很多平面显示器就是利用此原理显示色彩，把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化
15、，然后把临近的三个RGB显示的点当作一个像素,补充：屏幕保护程序也成杀手 液晶显示器该怎么用？,屏保对CRT显示器的作用,CRT(阴极射线显像管)显示器的显像原理主要是由灯丝加热阴极，阴极发射电子，然后在加速极电场的作用下，经聚焦极聚成很细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层. 在图形界面的操作系统下，显示屏上显示的色彩多种多样，当用户停止对电脑进行操作时，屏幕显示就会始终固定在同一个画面上，即电子束长期轰击荧光层的相同区域，长时间下去，会因为显示屏荧光层的疲劳效应导致屏幕老化，甚至是显像管被击穿。因此从Windows 3.X时代至今，屏幕保护程序一直作为保护
16、CRT显示屏的最佳帮手，通过不断变化的图形显示使荧光层上的固定点不会被长时间轰击，从而避免了屏幕的损坏。,屏保对液晶显示器的伤害,由 LCD工作原理可知，一部正在显示图像的LCD，其液晶分子一直是处在开关的工作状态的，对于一部响应时间达到5ms的LCD工作1秒钟，液晶分子就已经开关了几百次左右。而液晶分子的开关次数自然会受到寿命的限制，到了寿命LCD就会出现老化的现象，比如坏点等等。因此当我们对电脑停止操作时还让屏幕上显示五颜六色反复运动的屏幕保护程序无疑使液晶分子依旧处在反复的开关状态。,屏幕保护对电池的影响,由于现在更多的屏幕保护程序制作者过分注重图像的表现力以及色彩的变幻，已经完全将屏幕保护程序当作一个动画来制作，有些甚至是3D即时处理的动画，还需要图形处理器的配合处理，因此很多精美且体积庞大的屏幕保护程序便应运而生，如此的屏幕保护程序固然能够给观赏者以视觉上的享受，但是此时对于电脑内的硬件来说却成为
