华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件

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1、2.1 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器(LCD)2.2 液晶用于显示的物理性能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的各种显示方式及其工作原理和特性理和特性2.4 各种类型的液晶材料各种类型的液晶材料2.6 LCD的各种驱动方式的各种驱动方式2.7 LCD的技术发展动向的技术发展动向第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20241华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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，但同时又在某

2、一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又在某一温度范围内，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是具有光学双折射性的晶体是具有光学双折射性的晶体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T1T2熔点清亮点第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20242华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 液晶物质的大多数为有机化合物

3、，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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20243华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 在层列液晶层列液晶层列液晶层列液晶中，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

4、相比，其粘度要高得多。在光学上具有正性双折射性。层列层列(smectic)液晶液晶第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20244华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 在向列液晶向列液晶向列液晶向列液晶中，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。向列向列(nematic)液晶液晶第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20245华中科

5、技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶与层列液晶同样形成层状结构，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。胆甾相胆甾相(cholesteric)液晶液晶第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20246华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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

6、、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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20247华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.1.3

7、 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；第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20248华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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

8、 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)。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/20249华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202410

9、华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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。参照图参照图参照图参照图2

10、-32-3 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202411华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件ZXY0an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:第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202412华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 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，向列液晶的有序化参数S也与温度相关，取值有一定范

11、围，一般S=0.30.8。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202413华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 按照光的偏振状态不同，可分为五大类：按照光的偏振状态不同，可分为五大类：自然光自然光 线偏振光线偏振光 部分偏振光部分偏振光 圆偏振光圆偏振光 椭圆偏振光椭圆偏振光一、自然光与偏振光：一、自然光与偏振光：1 偏振光(Polarization of light)补充知识补充知识第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202414华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件一一. 线偏振光线偏振光E播播传传方方向向振振动动面面面对光

12、的传播方向看面对光的传播方向看线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx yx 线偏振光的表示法：线偏振光的表示法： 光振动垂直板面光振动垂直板面光振动平行板面光振动平行板面第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202415华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件二二. 自然光自然光没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解一一束束自自然然光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、等等幅的、不相干的线偏振光。幅的、不相干的线偏振光。自然光的表示法：自然光的表示法：第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液

13、晶显示器 7/20/202416华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件三三. 部分偏振光部分偏振光部分偏振光的分解部分偏振光的分解部分偏振光部分偏振光部部分分偏偏振振光光可可分分解解为为两两束束振振动动方方向向相相互互垂垂直直的的、不不等等幅幅的的、不不相干的线偏振光。相干的线偏振光。部分偏振光的表示法：部分偏振光的表示法： 平行板面的光振动较强平行板面的光振动较强垂直板面的光振动较强垂直板面的光振动较强第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202417华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件右旋圆右旋圆偏振光偏振光右旋椭圆右旋椭圆偏振光偏振光四四. 圆偏

14、振光圆偏振光, 椭圆偏振光椭圆偏振光第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202418华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2 偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律偏振片的起偏和检偏，马吕斯定律一一. 起偏起偏 起偏的原理起偏的原理：利用某种光学的不对称性利用某种光学的不对称性 偏振片偏振片 起偏：起偏：从自然光获得偏振光从自然光获得偏振光 起偏器起偏器: 起偏起偏的光学器件的光学器件微晶型微晶型非偏振光非偏振光线偏振光线偏振光光轴光轴电气石晶片电气石晶片第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202419华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课

15、件x x y yz zz z线栅起偏器线栅起偏器 入射入射电磁波电磁波分子型分子型 偏振片的起偏偏振片的起偏非偏振光非偏振光I I0 0线偏振光线偏振光 I I偏振化方向偏振化方向 ( (透振方向透振方向) ) P第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202420华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件二二. 马吕斯定律马吕斯定律 I0IPP E0 E=E0cos 马吕斯定律马吕斯定律（1809）消光消光第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202421华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件3 光在晶体中的传播光在晶体中的传播, 双折射

16、双折射e o一一. 双折射的概念双折射的概念1. 双折射双折射自然光自然光n1n2irore(各向异各向异性媒质性媒质)o光光e光光 方解石方解石oe 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202422华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 2.寻常光和非寻常光寻常光和非寻常光o光光 : 遵从折射定律遵从折射定律e光光 : 一般不遵从折射定律一般不遵从折射定律e光折射线也不一定在入射面内。光折射线也不一定在入射面内。7/20/202423华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件光的双折射现象：光的双折射现象：1

17、.一束光入射晶体分成两束光的现象称为双折射。一束光入射晶体分成两束光的现象称为双折射。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202424华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件3. 晶体的光轴晶体的光轴当当光光在在晶晶体体内内沿沿某某个个特特殊殊方方向向传传播播时时不不发发生生双双折折射射，该方向称为晶体的该方向称为晶体的光轴。光轴。例如，方解石晶体例如，方解石晶体(冰洲石冰洲石)AB光轴光轴102 光光轴轴是是一一特特殊殊的的方方向向,凡凡平平行行于于此方向的直线均为光轴。此方向的直线均为光轴。单轴晶体：单轴晶体：只有一个光轴的晶体只有一个光轴的晶体双轴晶体：双轴

18、晶体：有两个光轴的晶体有两个光轴的晶体第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202425华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件4. 4. 主平面和主截面主平面和主截面主平面：主平面：晶体中光传播方向与晶体光轴构成的平面。晶体中光传播方向与晶体光轴构成的平面。e e光光光轴光轴e e光的光的主平面主平面o o光光光轴光轴o o光的光的主平面主平面主截面：主截面：晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。晶体表面法线与晶体光轴构成的平面。二二. . 晶体的主折射率，正晶体、负晶体晶体的主折射率，正晶体、负晶体光光矢矢量量振振动动方方向向与与晶晶体体光光轴轴的的夹夹角角不不同同

19、, ,光光的的传传播播速速度度也也不同。不同。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202426华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 n0 ，ne称为称为晶体的主折射率晶体的主折射率第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 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。7/20/202427华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 子波源子波源vo tve t光轴光轴vo tve t光轴光轴 正晶体正晶体 (vo ve) 负负晶晶体体 (vo no( e o)负晶体负

20、晶体 : ne o)7/20/202428华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件4 旋光现象旋光现象一一. 物质的旋光性物质的旋光性使线偏振光的振动面发生旋转使线偏振光的振动面发生旋转 旋光物质旋光物质a 旋光率旋光率旋转的角度：旋转的角度： d第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202429华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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

21、向与光轴平行的非寻常光e的折射率n， ne=n 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202430华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件折射率的各向异性n ：n=ne-n0=n-n 正正如图所示，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第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202431华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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

22、-n0)0所以具有负的光学性质所以具有负的光学性质第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 负7/20/202432华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202433华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 当入射光与液晶长

23、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/nn/ 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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 液晶中7/20/202434华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 表示垂直于纸面的偏光表示与纸面平行方向的偏光表示液晶分子射入液晶的光线的前进方向射入液晶的光线的前进方向入射光线均匀媒质液晶液晶液晶v/v7/20/202435华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二条特点可以解释：第二条特点可以解释：第

24、二条特点可以解释：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第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202436华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件对于第三个特点的解释：对于第三个特点的解释：对于第三个特点的解释：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

25、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。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202437华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件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，液晶的光学性质会发生变化。 液晶的介电常数各向异性为正或负，由液晶的分子结构决定。0,液晶分子长轴与极板平行00，液晶分子长轴与极板垂直第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202438华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件对具有介电常数各向异性

26、的液晶施加电场E，则会产生下式所表示的电场能量密度对 0的液晶施加某一强度以上的电场(EEc)，则分子长轴(指向n)会发生与电场E平行的再排列而对 0的液晶来说，会发生n与E相垂直的再排列。其原因是，处于这种再排列状态时，液晶的电场能量密度fe变得最低。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202439华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.1 液晶的电气光学效应及显示方式 液晶分子在其某种排列状态下，通过施加电场，将向着其他排液晶分子在其某种排列状态下，通过施加电场，将向着其他排列状态变化，液晶盒的光学性质也随之变化。这种通过光学方法，列状态变化，液晶盒的

27、光学性质也随之变化。这种通过光学方法，产生光变换的现象，称为液晶的电气光学效应产生光变换的现象，称为液晶的电气光学效应(electro-optic effect)(electro-optic effect)。 电流效应型动态散射(DS)型 扭曲向列(TN)型 宾主(GH)型 双折射控制(ECB)型 介电各向异性型 超扭曲向列双折射(SBF/STN)液晶的 相变(PC)型电器光 高分子分散(PD)型学效应 电场效应型 单稳态性(非存储)型 铁电型(FLC) 双稳态性(存储)型 反铁电型(AFLC) 层列型 热效应性 胆甾相型图2-8 液晶的各种电气光学效应第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶

28、显示器 7/20/202440华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.1 液晶的电气光学效应及显示方式第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202441华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.2 扭曲向列型 在透明电极基板间充入10um左右厚的0的向列液晶(NP液晶)，构成三明治结构，使液晶分子的长轴在基板间发生90连续的扭曲，制成向列(TN)排列的液晶盒。该液晶盒扭曲的螺距与可见光波长相比要大得多，因此，垂直于电极基板入射的直线偏光的偏光方向，在通过液晶盒的过程中，随液晶分子的扭曲发生90旋光(参照2.2.2节)。因此，这种TN排列液晶盒具

29、有使平行偏振片间的光遮断，而使垂直偏振片间的光透过的功能。 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202442华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202443华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 图2-9表示在垂直偏振片间设置TN排列盒的场合，基于电气光学效应TN型显示方式的原理。在这种情况下，不施加电压时使光透过，而施加电压时，使光遮断。在平行偏振片间，这种光的透过或遮断关系是可逆的。目前广泛普及的LCD的一种就是基于这种TN方式，在白的背景下可以显示黑，而在黑的背景下可以显示白。第二章第二

30、章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202444华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202445华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 Twist 270Field ONField OFF7/20/202446华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.3 超扭曲向列型2.3.3.1 着色方式 这种电气光学效应是基于扭曲角从180到360的超扭曲向列液晶分子排列的液晶盒的双折射效应双折射效应双折射效应双折射效应，称为SBE(super-twist

31、ed birefringence effect)或STN(super-twisted nematic)效应。具体说来，SBE/STN型LCD是在2片偏振片间充以超扭曲向列液晶盒构成三明治结构，利用由液晶双折射性而产生的光干涉现象光干涉现象光干涉现象光干涉现象而进行的显示。 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202447华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 伴随着的增大，可以获得明显陡直的阈值特性。因此，SBE/STN型LCD适用于单纯矩阵驱动的大容量显示。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202448华中科技电子显示技术03液晶与LC

32、D显示原理课件 上、下偏光轴与上、下基片分子长轴都不互相平行，而是成一个角度,一般为30度第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202449华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 STN液晶盒一般工作于光程差为0.8um的情况下，干涉色为黄色。当加上大于Vth电压时,白光可透过液晶层，但是在经过检偏镜时则明显减弱，液晶盒呈黑色外观，称为黑/黄模式。 如果检偏镜光轴相对于出射光侧液晶分子长轴方位左旋30度，则为白/蓝模式。即不加电压时，液晶盒呈蓝色，加电压时，液晶盒呈无色外观。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202450华中科技电子显示技术

33、03液晶与LCD显示原理课件TN, 起偏镜的偏光轴与上基片表面液晶分子长轴平行,检偏镜的偏光轴与下基片表面液晶分子长轴平行,即上下偏光轴互相成90度角;STN液晶盒中,上、下偏光轴与上、下基片分子长轴都不互相平行,而是成一个角度,一般为30度TN液晶盒与液晶盒与STN液晶盒的比较：液晶盒的比较： TN， 扭曲角为90。; STN，扭曲角为270或附近值;第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202451华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件TN，是利用液晶分子旋光特性工作的； STN，是利用液晶的双折射特性，通过液晶盒两束光产生光程差,在通过检偏镜时发生干涉。TN

34、液晶盒工作于黑白模式; STN液晶盒一般工作于光程差为0.8um的情况下,干涉色为黄色。也可以进行黑色显示。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202452华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.4 铁电型(FLC) 目前目前低档低档液晶显示器件采用液晶显示器件采用TN液晶液晶;中档中档,采用采用STN液晶液晶;高档高档,采用采用有源矩阵有源矩阵TN液晶液晶,但是它们的视角范围但是它们的视角范围小和响应速度慢仍是主要缺点小和响应速度慢仍是主要缺点,不适用于高速变化的电视不适用于高速变化的电视图形显示。铁电液晶的发现为液晶显示器进行视频驱动图形显示。铁电液晶

35、的发现为液晶显示器进行视频驱动带来了希望。带来了希望。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202453华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件几个基本概念几个基本概念自发极化自发极化自发极化自发极化铁电体铁电体铁电体铁电体电畴电畴电畴电畴在每一个小区域内在每一个小区域内在每一个小区域内在每一个小区域内, ,极化均匀极化均匀极化均匀极化均匀, ,方方方方向相同向相同向相同向相同, ,存在一个固有电矩存在一个固有电矩存在一个固有电矩存在一个固有电矩, ,这个这个这个这个小区域称为电畴。小区域称为电畴。小区域称为电畴。小区域称为电畴。 在没有外电场作用下，介质的正、负电

36、荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象称为电介质的自发极化自发极化。 凡呈现自发极化，并且自发极化的方向能因外施电场而改变的，称为铁电体铁电体铁电体铁电体。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202454华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件铁电液晶的特点铁电液晶的特点具有与分子指向矢垂直的固定偶极矩,即具有铁电性;具有螺旋结构,如3-45所示;每层分子排列如同近晶C相;第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202455华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件螺旋的特点为各层中分子的方位角不变,但层之间另一个方位角逐层转过一个角度,因此偶极

37、矩随角作螺旋转动第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202456华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.4 铁电型(FLC)非存储非存储(单稳态单稳态)型型液晶盒的厚度比其手性节距z要大得多第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202457华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件E=0时,每层中液晶分子与层法线成相同角倾斜排列;层之间液晶分子在角方向作螺旋转动。如取电极平面与纸面平行,则铁电液晶分子排列的初始态如图(a)所示。螺旋轴与电极平面平行, 每一层中分子同向排列,即偶极矩也同向排列,会产生一定自发极化。层之间,自发极化的

38、方向从层到层在方向作螺旋转动,各层分量总体为零,所以总体不表现出自发极化。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202458华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 施加直流电场时，自发极化强度Ps与电场强度E的相互作用力PsE随电场强度的增加会使螺旋间距加长。最终在电场强度超过一定大小的临界场强(EEc)时，z变为无限大，螺旋结构完全消失。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202459华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202460华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示

39、原理课件 FLC FLC型型LCDLCD的各种的各种方式方式方式方式(1)双折射方式EEc时，液晶分子长轴方位与一方偏振片的偏光轴相一致，入射直线偏光通过液晶盒时不受双折射作用，整个液晶盒呈现暗的状态，第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202461华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件EEc，分子长轴的倾斜方位角产生2的变化，从而入射直线偏光发生双折射，液晶盒全体发生光干涉现象，从而呈现亮的状态，这样，通过施加直流电场正、负极性的切换就可以实现光闸。明暗的最大对比度可以在SC*液晶的倾斜角为22.5(=45/2)的条件下实现。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶

40、与液晶显示器 7/20/202462华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 在本方式中，使用溶解有二色性染料的SC*液晶盒和一个偏振片。在施加电场EEc后的分子排列中，使分子的长轴方位与偏光轴相一致，这样入射直线偏光受到二色性染料最大限度地吸收，整个液晶盒很强地着色(图2-13(d)。而后，若使施加电场的极性反转(EEc)，则分子长轴的倾斜方位角发生2 的变化，从而入射直线偏光受染料的吸收明显减少，整个盒色彩变淡乃至接近无色(图2-13(c)。SC*液晶的最佳倾斜角 为45 (=90/2)。(2)(2)二色性方式二色性方式二色性方式二色性方式第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显

41、示器 7/20/202463华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.6 宾-主型 在一定分子排列的液晶(主)中，溶解二色性染料(宾)，该二色性染料的分子在长轴方向和短轴方向对于可见光的吸收具有各向异性，二色性染料的分子与液晶分子呈平行排列。因此，当作为主体的液晶分子排列随施加电压而变化，作为客体的染料分子排列也一起连动地发生变化。这样，通过二色性染料，可以由外加电压控制可见光的吸收量。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202464华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202465华中科技

42、电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 在不施加电压的情况下，由偏振片射出的白色直线偏光的振动方向与染料的光吸收轴一致，于是产生光吸收致使透射光着色；另一方面，在施加电压时，直线偏光的振动方向与染料的光吸收轴相正交，原理上不发生光吸收，从而透射光不着色。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202466华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.7 双折射控制型 双折射控制(ECB)型显示方式是基于通过施加电场对液晶盒的双折射进行控制来实现的，作为多色液晶显示方式是很有用的。这种方式根据所用液晶盒的分子排列不同可分为均质垂直方式(DAP)、均质平行方式、混合渐

43、变向列方式(HAN)等几种类型。 第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202467华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件图2-19 ECB(DAP)型显示方式的原理第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202468华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 在不施加电压的情况下，入射直线偏光通过液晶盒时不受双折射作用，因此不能透过第二偏振片(检偏片)，呈黑色。而当施加电压时，液晶分子长轴发生角度为的倾斜，入射直线偏光受到双折射作用而变为椭圆偏光，于是部分光透过检偏片，从而使透射光着色。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/

44、20/202469华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件2.3.8 高分子分散型高分子分散型 高分子分散型由向列液晶和高分子构成，并利用复合体的光散射效应进行显示。基于这种方式的LCD总称为高分子分散(polymer dispersed，PD) LCD。根据复合体的构造，这种PD型LCD可分为向列毛团准直相(nematic currilinearaligned phase，NCAP)型和聚合物网络(polymer network，PN)型两大类。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202470华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 NCAP型是液晶以微

45、小粒滴的形式分散在高分子基体中构成的；PN型是在液晶的连续相中高分子以三维网络状或微小粒滴状分散而形成的。由上述的构造可以看出，二者中液晶的比例是不同的，在液晶含有率高的PN型LCD中，复合体的7090为液晶。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202471华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 NCAP型液晶的具体制法是，将向列液晶在亲水性聚合物水溶液中制成悬浊液，使液晶微型胶囊化之后，涂布在电极基板上，等干燥后，再在其上层压上另一块电极基板。与此相对，制取PN型LCD时，首先将向列液晶与聚合性单体及低聚物调制成溶液，把这种溶液注入到由两块电极基板组成的盒壁之

46、间，再经紫外线照射，发生聚合反应，使液晶与高分子相分离，这样便在液晶中形成三维网络状的高分子结构。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202472华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 不施加电压时，液晶分子沿胶囊壁面排布，且从光的入射方向看，液晶分子随机排列。在这种排列方式中，取液晶的折射率与高分子的折射率不同的组合，使得LCD的外观由于入射光的散射而呈现暗白色。 NCAP NCAP型显示方式的原理型显示方式的原理型显示方式的原理型显示方式的原理第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202473华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课

47、件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202474华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 当施加电压时，液晶分子按电场方向排列，若假定液晶的正常光折射率与高分子的折射率相等，则入射光不发生散射，从而LCD呈透明的外观。 NCAP NCAP型显示方式的原理型显示方式的原理型显示方式的原理型显示方式的原理第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202475华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202476华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件PNPN型型型型LCDLCD的

48、工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 未施加电压时，液晶分子沿高分子三维网络结构的界面排布，从整体看为随机排列。这种排列会对入射光产生散射，从而使得外观呈现暗白色。第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202477华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202478华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件 如上所述，高分子分散型显示方式基于散射效应，不需要偏振片。正因为如此，它可实现大视角显示，显示界面更为明亮。而且，由于它采用高分子与液晶的复合体，可比较容易地实现大面积显示。第二章第二章 液晶与液

49、晶显示器液晶与液晶显示器 7/20/202479华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器常见的三种液晶显示器常见的三种液晶显示器TN-LCD(扭曲向列型扭曲向列型液晶显示器）：液晶显示器）： TwistedNematic-LCD 常用于电子手表，计算器常用于电子手表，计算器7/20/202480华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器STN-LCD(超扭曲向列型超扭曲向列型液晶显示器）液晶显示器） Super TwistedNematic-LCD 常用于手机显示屏常用于手机显示屏,游戏机屏游戏机屏7/20/202481华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件第二章第二章 液晶与液晶显示器液晶与液晶显示器TFT-LCD(薄膜型薄膜型液晶显示器）：液晶显示器）： Thin Film Transistor-LCD 常用于液晶显示屏，数码照相机常用于液晶显示屏，数码照相机7/20/202482华中科技电子显示技术03液晶与LCD显示原理课件