显示课课件5之液晶显示器(LCD)20141114

液晶显示器（LCD）广东工业大学王衢显示技术一、发展历程与特点某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段，在该阶段物体还兼具有晶体的性质，继续加热才成为各项同性的液态这就是世界上第一次发现的热致液晶——胆甾醇苯甲酸酯1961年，美国无线电公司（RCA）的电子学专家G.H.Heilmeier把电子学应用于有机化学，发现在液晶两端加上电压，会出现各种各样的电光效应，由此想到把液晶应用到显示领域1968年RCA公布液晶发明1969年，日本开始把大规模集成电路与液晶相结合日本人从液晶手表、计算器等低档产品起步，直到开发出多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器1888年奥地利植物学家Reinitge首次观察液晶现象1.发展历程2.主要特点低功耗：2~3v工作电流几个微安平板结构两片导电玻璃，中间夹着液晶高开口率、面积可做大做小、便于大规模生产、器件很薄被动显示液晶本身不发光，靠调节外光而达到显示目的。被动显示更适合人类的视觉特性，不易引起眼部疲劳。显示信息量大像素之间没有隔离，同样显示窗口可容纳更多像素易于彩色化液晶通常无色，可加滤色膜实现彩色长寿、无辐射、污染3.主要缺点显示视角小液晶显示利用了液晶的各向异性，不同方向光的反射率不同。随视角变大，对比度下降响应速度慢电场作用下，液晶排列发生变化。响应速度收粘滞度影响很大零下几十度就不能个工作，温度过高液晶也会受到影响动态特性较差暗时看不清4液晶的分类液晶又被称为物质的第四态既具有液态的流动性，又具有晶体的各向异性，具有双折射特性晶体之所以有各向异性，是因为晶体分子是按一定规则排列的热致液晶当液晶物质受热时，在某温度内呈现各向异性的。用于显示的都是可在室温下工作的热致液晶。多呈细棒状（1）近晶相液晶（层状、S型）分子排成层，层内分子长轴互相平行，可能垂直于层面，或倾斜排列排列规整，接近晶体，二维有序。有16种，SA，SB，SC等等T1熔点T2清亮点中介相态（2）向列相液晶（丝状、S型·）SASCSA分子长轴垂直层面SC每层分子长轴均匀倾斜一个角度。每层倾斜方位角可以任意，也可以沿层法线方向呈螺旋分布粘度大、不易转动，响应速度慢。一般不适宜做显示器件。用于显示，厚度要小于2~4微米，工艺要求较高由长径比大的棒状分子构成。分子不排成层，可上下、左右、前后滑动。所有液晶长轴大体指向一个方向。流动性强，粘度小，相互作用力小，易于控制。是显示器件中最常使用的液晶材料（3）胆甾相液晶（螺旋状，CH型）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。不同层分子稍有变化，沿层的法线方向列成螺旋状。长轴指向沿螺旋方向经历360度变化后，又回到原来的取向。这个周期的层间距离称为胆甾相液晶的螺距P螺距P这里显示了半个周期螺距通常300nm，与可见光波长同量级方向可以是左旋或右旋溶致致液晶将溶质溶于溶剂而形成的液晶态物质。显示技术上尚无应用二、晶体光学简介1双折射现象冰洲石光在晶体里变成了两束，折射程度不同。与普通玻璃的单折射完全不同垂直入射到冰洲石上的光被折射为两束。偏离的那一束明显违反折射定律，而另一条遵守折射定律晶体内的两条折射光线，一条总是遵守折射定律，称为寻常光（o光），另一条经常违反折射定律，称为非寻常光（e光）2晶体光轴冰洲石中存在一个特殊方向，光沿这个方向传播时o、e光不分开。这个特殊方向叫做晶体的光轴（与几何光学中的光轴不是一个概念）AB两个顶点的连线方向就是光轴方向光轴是方向，不是某条特定直线。与光轴方向平行的所有直线都叫光轴把AB两个顶点磨平，并使磨平表面与光轴方向垂直，再让光垂直入射到该平面上。折射光线不会分开冰洲石天然晶体入射面：入射光线与入射表面的法线构成的平面，根据折射定律，折射光（寻常光）和入射光都在这个入射面内。主截面：光轴与入射表面的法线构成的平面。当入射光线在主截面内时，两个折射光线都在主截面内o、e光都是线偏振光，并且偏振方向垂直3双折射的成因晶体的物理性质是各向异性的，在不同方向上，物理量的值不相同。冰晶石只有一个光轴方向，称为单轴晶体（还包括红宝石、石英）。还有一些晶体有两个光轴方向，称为双轴晶体（云母、橄榄石、蓝宝石等等）。我们只研究单轴晶体，用于显示的液晶基本都是单轴的各向同性均匀介质中，一个点光源发出的光波速度是相同的cvnc真空光速，n折射率折射率显然与方向无关在单轴晶体中，o光规律与各向同性介质中完全相同，沿各方向传播速度相同。oocvnovo光光速ono光折射率e光在光轴方向传播速度与o光一样，为。但是在垂直光轴方向是另一个值evoveecvno光波面球面旋转椭球面在光轴方向，两个波面相切eonneonn,eonn晶体的主折射率主平面：晶体内的光线与光轴构成的平面o光的偏振方向垂直于主平面e光的偏振方向在主平面内负晶体eovv正晶体eovv由于e光不遵循折射定律，如何判断其在晶体中的传播方向成为一个问题！4使用惠更斯作图法判定e光的传播方向使用同样方法也可确定e光的传播方向纸面就是主截面，两束折射光线肯定都在纸面内。显然，主平面与纸面也是重合的。o光偏振方向垂直纸面e光偏振方向在纸面内在学习物理光学时，我们已经知道在各向同性介质中如何通过惠更斯作图法判定折射方向，并推出折射定律。单轴晶体几个最常见的实例A光轴垂直于晶体表面入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现o光e光不会分离，并且传播速度也相同B光轴平行于晶体表面，入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现o光e光也不会分离，但是传播速度有差异。出射后o光和e光出现位相差C光轴平行于晶体表面，入射光斜入射，且垂直于光轴o光、e光分离，但两种光都遵循折射定律，折射率分别为,oenn5晶体中介电常数的各向异性折射率的各向异性与介电常数的各向异性有密切的联系。介电常数反映了电场下介质的极化程度000001reeDEEEEEEP各向同性介质中D、E方向相同在各项异性晶体中，介电常数是一个张量111213212223313233通过坐标变换，在晶体中，我们总能找到三个主轴，使这个张量对角化。000000xyz假如，则晶体为双轴晶体xyz假如，则晶体为单轴晶体，光轴就在z轴上xyz000000xxxyyyzzzDEDEDE显然和方向不一定相同DE6折射率椭球2221xyzxyznnn折射率椭球具有如下性质：可以用来表示晶体折射率在晶体空间各个（电位移矢量）振动方向的取值分布。D折射率和介电常数满足如下关系n现在设xxnyynzzn就是矢量在三个主轴方向的折射率D,,xyznnn在此基础，引入折射率椭球的概念从椭球中心出发任意矢径，其方向表示光波矢量的方向。矢径长度就是矢量在该方向振动（偏振方向）的光波的折射率。rDD0k过椭球中心作垂直于某方向的平面，截面是一个椭圆。椭圆长短轴方向就是光波沿方向传播时，两种可能的偏振方向，长短轴一半的长度就是两种偏振方向对应的折射率。0k单轴晶体的折射率椭球（以z轴为光轴）对于单轴正晶体，这是个旋转长椭球面kk0DeDoz光轴2221oexyznneonn假如光波在k0方向上传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个圆。由于无长短轴之分，这说明沿k0方向上传播的光波的偏振方向垂直于z轴，但无特定指向，折射率为半径，无双折射现象on当光波沿k方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个椭圆。长短轴的方向就是光波可能的偏振方向。其中短轴的半长度是固定的，就是，因此短轴就是o光的偏振方向。而长轴就是e光振动方向，其半长度就是折射率。on如果光波沿垂直于光轴（z轴）方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是也是个椭圆，其中长轴与光轴重合，半长度为。短轴半长度为，方向垂直于光轴。这意味着，沿光轴垂直方向传播的光波，存在两个可能偏振方向。一个偏振方向与光轴平行，折射率为，这就是e光。另一个偏振方向与z轴垂直，折射率为。这就是o光。enonenon单轴正晶体的折射率椭球中，椭圆截面的长轴方向是e光偏振方向，短轴方向是o光偏振方向，短轴长度固定，半长为no结论三、液晶的物理特性1.有序参量向列相液晶具有各向异性的形态。液晶体系存在着一个主轴方向，棒状液晶分子的长轴都倾向于平行这个主轴方向。平行于这个主轴，向列相的各种物理量为一套数值，垂直于该轴线方向，则又有另外一套值z光轴kk0单轴负晶体假如光波在k0方向上传播，结论与单轴正晶体相同另两种情况与正晶体也类似，只不过这时截面椭圆的长轴方向是o光偏振方向，短轴是e光偏振方向就是液晶体系的主轴方向上的单位矢量（分子长轴的择优方向），叫做指向矢na个别液晶分子的长轴方向。有序参量S：用来衡量分子体系有序性的重要参数如果分子没有择优取向S=0对应各向同性液体S=1对应各向异性晶体分子有严格指向择优方向液晶有序参量S=0.3~0.8液晶的有序性介于晶体和液体之间，且与温度有密切关系ccTTSKTTc清亮点温度；K比例系数2.液晶的各向异性一般称平行于液晶分子长轴方向称为平行方向（），垂直与液晶分子长轴方向为垂直方向（）介电常数的各向异性平行于液晶分子长轴方向的介电常数垂直于液晶分子长轴方向的介电常数我们把定义为液晶介电常数的各向异性0正性液晶（Np）10~20液晶分子的感生电偶极矩方向平行于分子长轴方向0负性液晶（Nn）-1~-2液晶分子的感生电偶极矩方向垂直于分子长轴方向NP和Nn液晶分子在电场作用下的分子行为正性液晶Np负性液晶Nn电阻率和电导率电阻率接近于绝缘体与半导体之间，也具有各项异性电阻率越小，杂质离子越多，通电场后，液晶分子结构会被破坏。光学折射率各项异性向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向，也就是大部分液晶分子的长轴方向。n平行于分子长轴（指向矢）的折射率n垂直于分子长轴（指向矢）的折射率nnn液晶折射率的各向异性n与偏振、旋光、折射、干涉等电光效应有密切关系0n正性液晶0n负性液晶nnnn弹性系数k由以上可以看出，在电场作用下，液晶会发生形变。描述形变，需要引入弹性系数和粘滞系数。液晶的弹性系数也是各向异性的。xyzkkk（Z为分子长轴方向）粘滞系数描述了液晶的粘稠性。自由能当液晶处于平衡状态时，自由能处于极小值。在外场作用下，液晶的自由能会增加，增加的部分就是使液晶形变所需的能量对于正性液晶（）对其施加电场作用（）0cEE要使自由能最小，分子长轴会发生与电场平行的再排列对于负性液晶（）对其施加电场作用（）0cEE要使自由能最小，分子长轴会发生与电场垂直的再排列xckEd临界电场强度xckV临界电压对于正性液晶，未施加电场时，假如沿玻璃基板面排列，且长轴沿x轴。通z方向电场后将沿电场平行排列，所需要的临界电场强度和临界电压为：在电场作用下胆甾型液晶可与向列相转换，临界电场强度、临界电压为：202yckEdP202yckVP胆甾相液晶螺距未加电场时螺距0P四、液晶的光学特性绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作在向列相和近晶相液晶中分子长轴方向就是光轴方向主折射率代表振动方向与光轴垂直的o光的折射率，所以ononn主折射率代表振动方向与光轴平行的e光的折射率，所以enenneonnnnn正性液晶在光学上性质类似单轴正晶体负性液晶在光学上性质类似单轴负晶体nnnn即eonneonn即向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶0n类似单轴正晶体在胆甾相液晶中，光轴是螺旋轴，与分子长轴取向垂直我们有如下的关系enn2212onnn在这里，仍然有nn222212eonnnneonn这意味着胆甾相液晶类似于单轴负晶体几种最有用