第三章液晶显示

第三章液晶显示液晶显示的发展与特点液晶的物理特性液晶的光学特性液晶分子的沿面排列常见的液晶显示器件液晶显示器件的驱动技术有源矩阵液晶显示器件液晶显示器的主要材料及制造工艺液晶技术的新进展3.1液晶显示的发展与特点一、液晶显示的发展过程★1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在做加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，这类物质在加热溶化后不是透明的液体，而是一种呈浑浊态的粘稠液体，当进一步升温，才变成透明的液体。他把这种粘稠而浑浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。★1961年，美国无线电公司（RCA）普林斯顿研究所的一位年轻工作者海麦尔将电子学知识用于液晶的光学特性研究，取得了很大进展。★1968年，海麦尔及其研究小组制成了世界上第一台液晶平板显示器，从此开始了液晶显示的新纪元。★1889年，德国物理学家D·Leimann也发现了这种粘稠液体，将其命名为“液晶”，简称为“LC”。二、液晶显示的特点1、低电压、低功耗2、平板结构3、被动显示4、显示信息量大5、易于彩色化6、长寿命7、无辐射、无污染1、显示视角小2、响应速度慢3、亮度由背光源决定。优点缺点三、液晶的分类1、液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。液晶即具有液体一样的流动性和连续性，又具有晶体一样的各向异性。溶致液晶：某些有机物溶解在水或有机溶剂中显示出液晶态，热致液晶：某些有机物要在一定的温度范围内呈现出液晶状态。互变相变（可逆相变）：2、溶致液晶和热致液晶单变相变：热致液晶分类：⑴近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。层与层之间的作用力较弱，易滑动，具有二维的流动性。近晶相液晶的粘度与表面张力较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。光学上显示正双折射性。⑵向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，像液体一样富于流动性。光学特性像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。⑶胆甾相液晶（Cholesteric），也称螺旋状液晶※具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直于层的平面上，每层分子都会旋转一个角度。※整体呈螺旋结构，螺距的长度与可见光波长相当。※胆甾型液晶具有负的双折射性质。※胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，温度的变化可引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。※胆甾相和向列相液晶可互相转换。3.2液晶的物理特性[]CCS=K(T-T)/T一、液晶的有序参量CSKT为有序参量，为比例系数，为向列型液晶的清亮点。z,nθ21(3cos1)2S其中，n为全体液晶分子的择优取向方向，θ为个别液晶分子长轴方向与n的偏离角。S与温度T的关系：二、液晶的各向异性液晶分子是极性的棒状分子，导致了液晶的宏观物理性质在长轴有序方向和短轴有序方向上不同，一般称沿分子长轴平均方向为平行方向（//），沿分子短轴平均方向为垂直方向（⊥）。液晶短轴方向ε⊥液晶短轴方向ε∥液晶分子的电偶极矩为，若长轴方向的单位矢量为，与的夹角为θ。0rrlnnrθ≈0，正性液晶，NPθ≈π/2，负性液晶，Nn1、介电各向异性//液晶的各向异性：在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。P型液晶（Δε0）N型液晶（Δε0）＋－＋－NpNnEE2、电导各向异性液晶的电阻率ρ的数量级在，接近绝缘体。电阻率越高，液晶材料的稳定性越好，功耗电流越低。8121010cm电阻率的倒数称为电导率，电导率越大导电性越好，同时液晶的电导还与它的纯度有关，纯度越高导电性越差。液晶的电导率各向异性用平行于长轴方向的电导率与垂直于电导方向的电导率的比值来表示。3、折射率各向异性//nnnΔn0，其光学各向异性等同于正单轴晶体Δn0，其光学各向异性等同于负单轴晶体Δn与偏振、旋光、折射及干涉所引起的电光效应有直接关系，特别对彩色显示液晶来说，显示各种波长的强度与Δn有关。222sin(1)12221nTd　式中＝液晶显示器的光透过率与液晶折射率各向异性和液晶盒厚度的关系：4、弹性系数描述液晶分子弹性形变的物理量。在不同方向有不同形式的形变和弹性系数。331122kkk112233kkk展曲弹性系数，扭曲弹性系数，弯曲弹性系数5、粘滞系数主要影响液晶显示器件的响应速度和多路驱动能力。粘滞系数小则液体易流动，分子排列易改变。液晶沿不同方向流动粘滞性不同，粘滞系数影响显示器件的响应速度。2d光的偏振、晶体光学DBHEtt，00DB，一、光的偏振Maxwell方程组：jjkkBHDE，介质的折射率：在光波中每一点都有一个振动的电场强度矢量和一个振动的磁场强度矢量，和互相垂直，且都与光速的方向垂直。EHHEcEHc电磁波的传播速度：1v/rncrv=与的关系：EBEBv称为光矢量。E★★★1、自然光和偏振光⑴自然光：光在各方向上振动的振幅相同的光。没有优势方向自然光的分解⑵线偏振光：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只沿一个固定方向振动。播E传方向振动面从面对光传播的方向看⑶部分偏振光：光波中虽然包括一切方向的振动，但不同方向上的振幅不等，某些方向振动强，某些方向振动弱。⑷椭圆偏振光可由两列频率相同，振动方向互相垂直，且沿同一方向传播的线偏振光叠加得到。出射光入射光y´θx´AoAeπ＞δ＞0y´出射光入射光θx´AoAe-π＜δ＜02、偏振度——描述光线偏振化程度的物理量maxminmaxminIIPII自然光：P=0线偏振光：P=1部分偏振光：0P13、马吕斯定律：光强为I0的线偏振光入射到起偏振器，若振动方向与起偏器的偏振方向间的夹角是，透射光的光强I为：20cosII4、偏振器的消光比实际应用中，用偏振器得不到完全的线偏振光，而是部分偏振光。用检偏器来检查起偏后的偏振光，转动检偏器，用透过检偏器的最小光强与最大光强的比值来衡量起偏器的起偏性能，这个比值称为消光比。二、晶体光学1、晶体的双折射现像o光e光入射光经各向异性介质（如石英晶体，方解石晶体等）折射后分成两束的现象。寻常光：折射光线遵守折射定律，折射率为常数，其折射光线总在入射面内，简称o光（ordinary）；非寻常光：折射光线不遵守折射定律，折射率不为常数，其折射线不一定在入射面内，简称e光（extrordinary）。主平面：光的传播方向与晶体光轴构成的平面。主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。主平面光轴光线主截面光轴光线法线晶体有一个（或多个）方向，沿该方向寻常光与非寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。晶体按光轴数量分可分为单轴晶体和双轴晶体。o光光轴o光的主平面e光光轴e光的主平面o光和e光都是线偏振光，但o光的振动方向垂直于自己的主平面，而e光的振动平行于自己的主平面。当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，o光与e光的主平面相重合，o光与e光的振动方向相互垂直。晶体的双折射现象表明了晶体在光学上的各向异性。2、单轴晶体光学特性的几何表示单轴晶体的折射率椭球方程：2222201exyznneOeOeOeO,,nnnn如方解石负单轴晶体若如石英正单轴晶体若vvvv设vO为o光传播速度，ve为e光在垂直于光轴方向上的传播速度，则vevO光轴vevO光轴正晶体负晶体三、偏振光的干涉d晶片C单色自然光偏振片P1偏振化方向光轴方向AeAO光轴方向偏振片P2单色自然光经P1后成为线偏振光，通过晶片C后，又成为两束不相干的线偏振光，再经P2后，就成为频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光，从而产生偏振光干涉。11sincosAAAAOe（3）通过P2两束相干光的振幅分别为：22cossinOOeeAAAA1222,)PPAAOe(若则＝（2）通过C产生o光、e光P2P1CA1AeAOA2OA2e（1）通过P2产生一束线偏振光。两束光在晶片C中产生的相位差dnn)(2eO1若A1O与A2e方向相反，产生附加相位差2122()nndOe两束光叠加后总光强：2221sin2sin2IA04521(1cos)2AI2123(21)kkk减弱，，加强在偏振光干涉中：（1）对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体厚度d决定；（2）用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下，屏上出现一定色彩合成的混合色。向列液晶和近晶液晶有，所以Δn0，即向列液晶和近晶液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。nn//3.3液晶的光学特性折射率各向异性：//nnn对于向列液晶和近晶液晶，分子长轴的指向矢的方向就是单轴晶体的光轴，用n⊥表示no，n∥表示ne。n光轴nonnenn胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：0eonnn1/222//1()2onnnnneon光轴螺旋轴enn无论是光学正液晶还是光学负液晶，都满足：//nn由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：⑴能使入射光的前进方向向液晶分子长轴的方向偏转；当入射光线与液晶分子长轴夹角为θ时，将进入液晶的光沿平行长轴和垂直长轴的方向分解：//cos/ccnn//v////sin/ccnnv由于，液晶中光速合成方向与长轴夹角变小，即向长轴方向靠拢。//nn⑵使入射光的偏振状态，及偏振方向发生变化；xyznθθ=0θ=π/4θ=π/2液晶偏光方向θ入射直线偏光将入射光的电场矢量沿平行长轴和垂直长轴的方向分解为和，由于，经过液晶后和产生的相位滞后不同，叠加后偏振状态或偏振方向发生变化。E//EE//nn//EE当线偏振光入射到指向矢有扭曲的液晶（如手征丝状相液晶）上时的情况：12xy当时，通过手征丝状相液晶传播的光仍为线偏光，且偏振方向跟随指向矢转动，被称为沿螺旋轴传播的波导区域。p⑶使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。某些光轴垂直于表面切取的晶体，当入射线偏振光在晶体内沿着光轴传播时，光矢量振动方向随传播距离逐渐转动的现象为旋光现象。dd为旋光度，为传播距离。旋光现象除了与晶体有关外还与入射光的波长有关（可由菲涅尔理论推导），旋光现象有左旋和右旋之分。当螺距和波长相当时，若入射的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，若入射的偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向不同，则入射光将透过液晶层。3.4液晶分子的沿面排列和主要参量一、液晶显示器件的基本结构（TN－LCD）两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒，再帖一对正交的偏振片。图1液晶显示器件的基本结构（TN）玻璃基片涂导电层光刻电极表面定向层封接真空注液加偏振片测试图2制作过程二、液晶分子的排列液晶器件的基本工作原理：液晶分子在电场作用下改变其分子排列状态，从而使液晶分子的光学特性发生变化。故均匀、稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础。液晶盒内分子排列种类：（1）垂直分子排列，⊥/⊥（2）沿面分子排列，∥/∥（3）混合分子排列，⊥/∥（4）扭曲分子排列，∥/＝通过玻璃基片上的定向层来控制液晶分子的排列取向，即边界对液晶分子的锚定。1、垂直取向处理定向处理的方式：2、平行取向处理3、倾斜取向处理定向层有两层，分别与液晶层的上下表面接触，这两层可相同，可不同，即可以实现不同取向的组合，得到不同排列类型的LCD。根据定向层制作工艺或形成方法的不同，取向处理分为三种：1、直接取向处理将取向剂利用喷涂或等离子放电聚合的方