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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FReinitzer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DLeimann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,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：,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。,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。,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,一、液晶的有序参量,z,n,其中，n为全体液晶分子的择优取向方向，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,液晶短轴方向,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。,1、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。,E,E,2、电导各向异性,液晶的电阻率的数量级在，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。,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,n0，其光学各向异性等同于正单轴晶体n0，其光学各向异性等同于负单轴晶体,n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n有关。,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。,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。,光的偏振、晶体光学,一、光的偏振,Maxwell方程组：,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。,电磁波的传播速度：,与的关系：,称为光矢量。,1、自然光和偏振光,自然光：光在各方向上振动的振幅相同的光。,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。,从面对光传播的方向看,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。,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。,2、偏振度描述光线偏振化程度的物理量,自 然 光： P = 0 线偏振光： P = 1部分偏振光：0 P 1,3、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：,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,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。,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：,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,三、偏振光的干涉,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。,（3）通过P2 两束相干光的振幅分别为：,（2）通过C 产生o光、e光,（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,若A1O与A2e方向相反，产生附加相位差,两束光叠加后总光强：,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n0，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。,3.3液晶的光学特性,折射率各向异性：,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。,无论是光学正液晶还是光学负液晶，都满足：,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：,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时，将进入液晶的光沿平行长轴和垂直长轴的方向分解：,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。,使入射光的偏振状态，及偏振方向发生变化；,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。,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：,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。,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。,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（TNLCD）,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）,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法直接在玻璃基片上做出定向层。如图为偶联剂在基片表面脱水形成膜层。,2、间接取向处理,将取向剂溶解在液晶中，注入到液晶盒中后，取向剂从液晶中析出而吸附在基片表面上。,3、表面变形取向处理,若液晶分子与基片倾斜取向可通过倾斜蒸镀法蒸镀SiO在玻璃基片上，形成一层折皱状的膜层，利用膜层与液晶分子的弹性相互作用达到取向的目的。,若液晶分子沿面排列可用摩擦法。,三、液晶显示器的主要性能参量,1、电光特性：透光强度与外加电压的关系,阈值电压Vth,引起最大透光强度的10%（负型）或90%（正型）的外电压值。,饱和电压Vs,最大透光率90%(负型)或最小透光率10%(正型)处对应的外电压值。,阈值电压Vth和饱和电压Vs之间，是液晶工作的区间。,对比度,陡度和比陡度,VS越接近Vth，电光曲线越“陡”，趋于1 ，可以实现多路驱动，显示的灰度级越多。,一般TN1.41.6，只能实现816路驱动，STN1.021.2，可以实现128240路驱动。,电光响应时间,对比度与视角,液晶的阈值电压Vth及响应时间随温度而变化，温度越高，Vth越低，响应时间越快。,2、温度特性,液晶材料在熔点Tf和清亮点Tc之间才是液晶态，故液晶显示器件有一定的工作温度范围。,3、伏安特性（频率特性）,液晶显示器件几乎是电场效应器件，是典型的微功耗器件。,LC器件是容抗性的，交流驱动时，频率对驱动电流影响很大，如驱动频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加510倍，故驱动频率控制在不发生闪烁的最低临界值上。,3.5 常见的液晶显示器件,电光效应：指在外电场作用下液晶分子的排列状态发生变化，从而引起液晶的光学性质也发生变化的一种电光调制现象。,液晶显示器可依靠液晶的电光效应和热光效应工作。,热光效应：指通过改变温度使液晶的光学性质发生变化的现象。,除动态散射型是利用液晶的电流效应外，其余都是利用电场效应。,常见的液晶显示器件：,一、液晶显示的三种方式,反射式,TN液晶器件一般工作在反射式。在液晶下基板的外表面加反光板，将外界进入液晶层的光线反射出，通过对入射光和反射光的调制进行显示。,投影式,透射式,用电光效应调制透射光进行显示。两偏振片可平行放置，也可正交放置。,二、动态散射型液晶显示器（DS-LCD，dynamic scatter）,世界上第一个液晶显示器就是动态散射型的，它是将离子型有机导电材料掺入液晶材料中，并将液晶分子沿面排列，制成液晶盒。,能产生动态散射效应的液晶必须满足：,液晶层必须足够厚，否则散射不明显。,液晶材料的电阻率要低。,液晶材料必须是负介电各向异性。,由于其驱动电流大，对比度差，用于图像显示时清晰度不高；液晶中加入电解质杂质，使液晶的稳定性变差，缩短了工作寿命，故很快就被淘汰了。,三、扭曲向列型液晶显示器(TN-LCD,twisted nematic),Np型液晶分子沿面排列，分子长轴在上下基板之间连续扭曲90，夹入两电极基板之间，制成液晶盒，上下表面的偏振片可以垂直也可以平行。,扭曲效应的阈值电压为：,式中， 为展曲弹性系数； 为扭曲弹性系数； 为弯曲弹性系数，由式可知 越大， 越小，一般为23V，有的可达1.0V左右。,常黑模式下波长555nm的黄绿光透过率与nd之间的关系：,TN盒关态特性：,当nd0.48，1.05，1.64时，T0。,TNLCD滞后效应：,TNLCD的多路驱动能力：,它的电光特性不“陡”，在点阵显示方式下交叉效应严重，目前最好的TN液晶器件也只能实现816路驱动显示。,由于以上缺点，TNLCD一般只能用于液晶手表、计算器、电子钟、数字仪表等低档电子产品中。,扭曲向列液晶显示器件的缺点：, TNLCD的透光和不透光都不彻底，它的显示只能得到灰底黑字而得不到白底黑字。,响应速度慢，视角窄。,四、 电控双折射液晶显示器（ECBLCD,electrically controlled birefringence）,由于液晶存在介电各向异性，给液晶盒施加电压，液晶分子的排列发生变化，液晶的双折射率发生变化，若将液晶盒置于两偏振片之间，双折射率的变化就表现为光透过率及颜色的变化，这就称作ECB效应。,根据液晶盒中液晶分子排列方式不同，可分为垂直排列相畸变、沿面排列和混合排列三种。,1、垂直排列相畸变（DAP）,将0 的Nn向列液晶注入液晶盒，液晶分子垂直排列。,透过第二个偏振片的光强I：,I0为入射光强，为液晶分子指向矢与偏振面的夹角，d为液晶盒的厚度，（V）为液晶分子的倾角。,DAPLCD的色调随温度及视角变化大，不宜用于单色及彩色显示。,指向矢倾角的改变存在阈值电压：,与盒厚无关。,2、沿面排列方式,将0 的Np向列液晶注入液晶盒，液晶分子沿面排列。,（1）随着外加电压的增加，所产生的干涉色调变化的顺序，刚好与DAP方式相反。（2）与Nn型液晶相比，Np型液晶的介电常数各向异性比较大，此种方式阈值电压低。（3）沿面排列分子预倾角易保持恒定，所以色纯比DAP方式好。（4）视角范围窄。,特点：,3、混合排列（HAN）,采用Np或Nn型液晶，液晶层上表面的分子长轴垂直于玻璃基片表面，下表面的液晶分子长轴平行于玻璃基片。,特点：彩色峰值分的较开，透光较DAP好，工作电压低，彩色较均匀，但无明显的阈值，不能用无源驱动。,五、宾主效应液晶显示器（GH-LCD,guest host LCD）,在向列相液晶中加入吸收系数各向异性的二色性染料，做成的液晶显示器件。在电场作用下，染料分子随液晶分子的转动而转动。,P型染料：吸收与分子轴平行的偏振分量。,原理如图，液晶盒中为Np型液晶，并掺有P型二色性染料。,染料分子大小与形状与液晶分子相似，故染料分子也具有取向有序性，其有序参量用S表示。染料分子的吸收各向异性与S有关。以P型染料分子为例：,设在透射状态光的透过率为0.5，即：,表1有序度与对比度的关系,负性DGHLCD,六、 相变液晶显示器件（PCLCD，phase changed ）,采用胆甾型液晶，利用外加电场使液晶从胆甾型转变为向列型，撤掉电场后，又转变为胆甾型，这种效应称为相变效应。,在胆甾型液晶中掺入向列型液晶，使胆甾型液晶螺旋结构的螺距加长，即得到具有相变效应的液晶。,相变液晶可分为正型和负型两种：,PCLCD无需偏振片，显示亮度高，视角宽，但对温度敏感，且只能用于黑白显示。,七、超扭曲向列液晶显示器件（STNLCD）,在向列相液晶中加入旋光材料，使液晶盒内的液晶分子扭曲180360就可以制成超扭曲液晶显示器件。目前使用的最多的STNLCD扭曲角为2700。,不同扭转角条件下电压对中心液晶分子倾角的作用,超扭曲液晶显示器件的电光特性非常陡峭，这大大提高了它的多路驱动能力，当扭曲角270时，曲线的陡度趋于无限大，理论上可以驱动无数路。,STNLCD这种优良的特性大大扩展了液晶显示器件的应用领域。,TN盒液晶分子扭曲90，STN扭曲180270；,TN盒中，偏振片的偏光轴与上、下基板表面液晶分子长轴平行；STN盒中，上下偏光轴与上下基板液晶分子长轴成一个夹角，一般为30；,TN盒是利用液晶分子的旋光性而工作的，STN盒是利用液晶的双折射特性工作的；,TN盒工作于黑白模式，STN盒工作于有色模式。,特点：,八、铁电液晶显示器件（FLCD，ferroelectric）,在没有外电场作用下，介质的正负电荷重心不重合而呈现电偶极矩，即自发极化，加外电场后自发极化的方向发生改变，这种电介质就称为铁电体。,手性近晶C相液晶即为铁电液晶（S*c ）。,1、非存储型铁电液晶,上、下基片进行平行取向处理，近晶C相液晶的层面与基片表面垂直，液晶的厚度比手性液晶螺距大得多。,在液晶盒上加直流电场，自发极化强度与电场作用，使液晶分子自极化方向指向电场，使螺距变长，当电场超过临界值Ec时，螺旋结构消失。电场反向时，分子极化方向也反向，液晶分子在基片面内变化2角度。,图1关态,图2开态,2、表面稳定铁电液晶显示器件,将非存储型铁电液晶盒厚度d变薄，即dp。盒的边界条件使得基片表面的分子平面取向，加上铁电液晶分子斜锥的约束，使层内分子取向处于均匀的扭曲状态。,在施加电场时，可能在极化矢量向上和向下两个状态之间切换。如果所有分子都已切换，则器件是双稳态，分子可以从一个方向切换到另一个方向，并保持此方向。厚度为1-2m的液晶盒可通过施加低电压，以几微秒的速度切换“开”和“关”状态。,铁电液晶的最大优点是响应速度快，可达微秒级，可用它实现动态显示，铁电液晶最大的困难是如何实现稳定的分子取向技术。,透光强度：,当液晶的锥角22.5o时，光的透过率最大，其次为得到最好的显示特性，o光和e光在液晶层中的有效光程差应满足：,九、固态液晶膜显示器件（PDLCD，polymer dispersed）,将液晶与环氧树脂混合后再固化，形成一层极薄的固化液晶膜，在膜内液晶分子像聚合物一样呈现微粒状分布，将其夹在两层镀有ITO的透明塑料膜之间，未加电压时呈乳白色，不透明，加电压后则呈透明状，可用于分辨率要求不高的大面积显示。,十、多稳态液晶显示器件（MLCD，multi）,液晶在外电场作用下，分子指向矢会沿着与电场方向平行排列，所加电场大小不同，液晶分子排列状态不同，若电场撤去后液晶排列状态保持下来，则液晶有无限多种稳态，这就是多稳态液晶显示。,十一、液晶显示器小结,DS型只有历史价值，ECB和GH型只在多色显示中有少量应用，PC型应用也不多，TN型在低档液晶显示中是主流，FLCD由于其响应速度快，被认为是解决液晶显示响应速度慢的希望所在，AFLCD由于工艺复杂，至今尚未流水线生产，PDLCD工艺简单，适用于中低档液晶显示，MLCD优点很多，希望能代替有源矩阵液晶显示，尚待发展。,十二、显示器件对液晶材料的要求,各种液晶显示器件要求使用不同类型的液晶材料，但是它们都必须满足下列共同要求：,1、在使用和储存的温度环境下都表现为液晶相。,2、具有优良的化学稳定性、光化学稳定性及热稳定性，使用寿命长。,3、粘度低，具有优良的响应特性。,4、介电各向异性大，适于低电压工作。,5、双折射率大小适合于显示对比度的增加。,6、弹性模量均衡，适合于多路传输驱动。,7、分子排列有序度高。,液晶物理特性和光学特性总结,1、液晶的分类,液晶,溶致液晶,热致液晶,近晶相液晶,向列相液晶,胆甾相液晶,3、液晶的光学特性,向列液晶和近晶液晶：,胆甾型液晶：,使入射光的偏振状态，及偏振方向发生变化；,使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。,能使入射光的前进方向向液晶分子长轴的方向偏转；,4、液晶显示器的主要性能参量,电光特性,温度特性,伏安特性,5、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， /,6、入射光偏振光通过液晶盒后偏振特性的改变,（1）入射光沿分子指向矢方向传播，偏振状态不发生变化。,作业：,1、从液晶形成的机制来说，可用于显示的是哪种液晶？它又可以分为哪几类？各有什么特点？,2、液晶的各向异性表现在哪些方面？,3、液晶显示是根据液晶的光学特性而设计制造的，液晶的光学特性主要表现在哪些方面？,