液晶的物理光学性质

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1、XCHANGHONGK4I液晶显示器原理LCD显示原理1、液晶显示的物理光学知识2、液 晶 显示基本原理3、常见的液晶显示器件4、液晶显ZF驱动技术5、液晶显示器的选购与维护1、液晶显示的物理光学知识液晶的概念及其分类液晶的物理性质S液晶的光学特性分析(*)液晶分子的排列方式液晶器件的电光响应(*)2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理它是相对晶体和 自液体而言的，简单地 冬说，液晶是处于一种 介于晶体和液体之间 的物质，一方面它具 :有象液体一样的流动 I性和连续性，另一方 B面又具有晶体的各向 异性。从成

2、分和出现中介相的物理条件来看， 液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶两大 类。热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热 致液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时， 在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体， 热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为 向列相液晶、近晶相液晶、胆苗相液晶三大 类。2013年4月17日#V.CHANGHONGK4I液晶显示器原理2013年4戶XCHANGHONGK4I液晶显示器原理向列液晶I J X J / I入 口口 它的分子排列成层，能上下、左右、前 后滑动，它具有明显的电学、光学各向异性, 加上其粘度较小，使向列相液晶成为目前显 示器件中应用最为广泛的的一类液晶。由棒状或条

3、状分子组成，分子排列成层， 层内分子长轴互相平行，方向可以垂直于层 面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，具有流动性，但 粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，- 般不适宜制作显示器件。因其来源于胆肖醇衍生物而得名的，此类液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子 互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层 的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向 排列成螺旋状结构。胆苗相液晶在显示技术中十分有用，它 大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导 液晶在液晶盒内形成沿面180。、270。等扭曲 排列，制成超扭曲（STN）显示。它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的 液晶态物质，肥皂水就是一种

4、溶致液晶。溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中， 与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知 觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、 生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受 重视。溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根 轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称为分子的主轴，而棒状液晶分子的排列倾向于平行于主轴方向。为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为 整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序 参量S,它与液晶材料、温度有关，具有负温度系 数特，即当温度上升，有序参量下降，液晶器 件显示质量下降。液晶的有序参量S般在0. 3-0. 8之间。液晶的分子一般都

5、是刚性的棒状分子，由 于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，使 液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同 的性质，液晶分子是极性分子，由于分子间 的作用力，液晶分子集合在一起时，分子长 轴总是互相平行的，或有一个择优方向，液 晶分子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液 晶的指向矢。沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理 性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。2013年4月17日#SIXCHANGHONGK4I液晶显示器原理2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度,的数值可正可负，根据实验发现:不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向 于

6、平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方 向）O我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液 晶称为正性液晶（Np）；垂直于分子长轴的 那一类液晶称为负T*液晶（Nn）,这两类液 晶的电光效应是不同的，在大部分LCD显示 屏中，我们加入的是正性液晶。2013年4月17日14液晶的电阻率P的数量级一般为IO*1 012Qcm,它接近于半导体和绝缘体的边界。 电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶纯度的一个检测值,P小表示杂质离子较多,也就是液晶的纯度差，一般当Q cm时,在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶 分子结构，直到失去液晶性能为止。液晶的电阻率也是各向异性的，动态散射就是利用此物理特性。光学折射率的各

7、向异性直接影响液晶器 件的光学特性，如能改变入射光的偏振状态 或偏振方向，能使入射光相应于左旋或右旋 进行反射或透射等，它对于液晶器件的电光 效应有着重要的决定作用。粘滞系数也是各向异性的，它直接影响液 晶器件的响应速度，是液晶器件最重要的性 能参数之一。3、圭续体理论在分析液晶的物理性质时，忽略组成液 晶单个分子的行为，而把排列起来的液晶看 成是一个连续的介质，在外场作用下指向矢 将发生变化，去除外场后指向矢又恢复到原 来的起始状态，这一过程可以把液晶看成相 当于一个弹性连续体，并在外力的作用下产 生了弹性形变，这与弹簧的性质有些相似。 注意的是发生形变需要一定的时间才能完成, 这就产生了所

8、谓的响应时间的概念。关于液晶分子在电场作用下分子再排列 的理论研究比较复杂，在这里只给出以下结 论：说明:为液晶分子的自由能;为形变常量;表达了液晶分子的指向矢与电场方向的排列情况；2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理我们知道：分子的自由能越小,则分子的物理由上式最末一项可知，对于0的正性液晶施 加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶 分子长轴（指向矢）会发生与电场E平行的再排列;对于 0的负性液晶施加某一强度以上的电场 时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会 发生与电场E垂直的再排列;大部分液晶显示器的工作原理都是以上述理论 为基础的：在外场作用下，液晶

9、分子的排列方向发 生变化，进而影响液晶的光学性质，从而表现出一 定的视觉特性。2013年4月17日#XCHANGHONGKS液晶显示器原理八正型液晶施加 电I场后分子长抽 发生与电场平行 的再排列O负型液晶施加 勒场后分子长轴 发生与勒场垂直 的再排列O20XCHANGHONGK4I液晶显示器原理麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波， 由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强 度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是 横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值 相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明: 在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E, 所以规定E为光矢量，我们把

10、 的振动称为光振动 光矢量E的方向就是光振动的方向。一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有 确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原 子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过 程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能 的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成 对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更 占优势，这种光就叫自然光。自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状 态会发生变化。例如阳光是自然光，但经天空漫射后 是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒, 在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结 果。2013年4月17日22液晶显示器原理23XCHANGHONGK

11、4I液晶显示器原理在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两 个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振 幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以 这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差， 但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成 为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动 的光强各为自然光光强的一半。如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之 一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个 振动之一的一部分，则称为部分偏振光。2013年4月17日24I$99NOH9NVHOXS3S3S3S3/S3DXCHANGHONGK4I液晶显示器原理偏振光如

12、果光矢量在一个固定平面内只沿 个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也 叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向 和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的 振动面是固定不变的。这是介于偏振光和自然光之间的一种偏 振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内, 各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。值得注意的是，这种偏振光的各方向振 动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与 部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全 偏振光。圆偏振光和椭圆偏振光这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转（左旋或右旋），如 果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光;如果光矢量端点的轨迹是一个椭

13、叫椭圆偏振光。，这种光2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理把自然光转化为线偏振光的过程叫做已偏用 于这种转化的光学器件称为起偏器。当自然光通过某些晶体时，晶体对两个相互垂直的特定方向的振动吸收的程度不同，如果能把某一方向的振动全部（或几乎全部）吸收，而对另一方向的振动吸收很少（或根本不吸收），那 么没有被吸收的振动透过晶体就形成了线偏振光, 具有这种性质的晶体称为二色性晶体。能透过偏振片的振动方向叫做偏振片的透光轴 注意的是，透光轴是一个方位，决不是一条确定 的直线。2013年4月17日29XCHANGHONGK4I液晶显示器原理偏振片不但可以起偏，而且也可以用来 判

14、别光束是否为线偏振光，所以偏振片也可 以做为检偏器对光束进行检偏。由于它几乎吸收了一个方向上的光振动, 因此光的能量损失也非常大，在50%以上， 这也是液晶显示器件光效率低的主要原因。2013年4月17日#XCHANGHONGK4I液晶显示器原理2、马吕斯定律一束自然光（光强为）通过起偏器后，变 成线偏振光，然后通过 检偏器，则透过 检偏器后的光强随检偏器透光轴的夹角而 变化，即：是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹角。2013年4月17日3I$99NOH9NVHOXVCHANGHONGK4I液晶显示器原理由马吕斯定律可知，当月偏振器 透光轴平行时，透射光强最大；当两偏振器 的透光轴互相垂直时，透射光强为零，没有 光从检偏器出射，此时检偏器处于消光位置, 从而实现黑白控制。如果在外电场的作用