实验46液晶电光效应

液晶电光效应

【实验简介】

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，即具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的特性。当光通过液晶时，会产生像晶体那样的偏振面旋转及双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的棒状极性分子，在外电场作用下，偶极子会按电场方向取向，使分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶电光效应。

液晶电光效应的应用很广，利用液晶电光效应可以做成各种液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等，尤其是利用液晶电光效应制成的液晶显示器件，由于具有驱动压低(一般为几伏)，功耗小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势，因此，研究液晶电光效应具有很重要的意义。常用的液晶显示器件类型有：TFT型（有源矩阵液晶显示）、STN型（超扭曲液晶显示）、TN型（扭曲向列相液晶显示），其中TN型液晶显示器件原理比较简单，是TFT型、STN型液晶显示的基础，因此本实验研究TN型液晶材料，希望通过一些基本现象的观察和研究，对液晶有一个基本了解。

【实验目的】

1．了解液晶的结构特点和物理性质。

2．了解液晶电光效应、液晶光开关的工作原理及简单液晶显示器件的显示原理。

3．通过液晶电光特性和时间响应特性曲线的观测，测量液晶的一些性能参数。

【预习思考题】

1．扭曲向列相液晶具有那些物理特性，如何利用其电光效应制成液晶光开关？如何利用液晶光开关进行数字、图形显示？

2．如何在示波器上显示驱动信号波形和时间响应曲线，如何测量响应曲线的上升时间和下降时间？

【实验仪器】

液晶盒及液晶驱动电源、二维可调半导体激光器、偏振片（两个）、光功率计、光电二极管探头、双踪示波器、白屏、光学实验导轨及元件底座、钢板尺

【实验原理】

1．液晶分类

大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。热致液晶按照液晶分子排列方式不同又可分为近晶相、向列相和胆甾相。近晶相液晶，结构大致如图4.6.1（a），这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平行，且垂直与层面。向列相液晶，结构如图4.6.1（b），这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同，光学性质上有点像单轴晶体。胆甾相液晶，结构大致如图4.6.1（c），分子也是分层排列，每一层内的分子长轴方向基本相同并平行于分层面，但相邻的两层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度，总体来看长轴方向呈现一种螺旋结构。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。

（a）(b) (c)

图4.6.1

2．TN型液晶及其电光效应

TN型液晶又称扭曲向列相液晶，是将向列相液晶材料夹在涂覆透明电极的两块玻璃基板之间，四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。两玻璃基板内侧覆盖着一层定向处理层（配向膜），经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面并沿定向处理的方向排列，两玻璃基板内侧面的定向处理方向互相垂直。由于液晶分子间范德瓦尔斯力的作用，使得盒内液晶分子的取向平行于玻璃板表面并自一侧到另一侧逐渐扭曲，从一侧玻璃板到另一侧玻90，如图4.6.2（a），所以称为扭曲向列相液晶，这种装置称为液晶盒。

璃板扭曲了0

（a）(b)

图4.6.2

理论和实验证明：扭曲向列相液晶具有类似于晶体的旋光效应，当入射的线偏振光通过扭曲排列的液晶传播到另一侧时，其偏振方向会顺着分子扭曲的方向转过一定的角度。线偏振光通过液晶材料，其偏振方向转过的角度称为液晶的扭曲角，理想情况为090。

对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子在电场作用下长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到某一数值（本实验12V ）时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列，如图4.6.2(b)，旋光效应随之消失，这时，线偏振光垂直入射到液晶盒上，通过液晶盒其偏振方向将不发生变化，这种在电场作用下液晶旋光效应消失的现象，称为扭曲向列相液晶电光效应。

3．液晶光开关工作原理及显示数字、图形的原理

利用液晶的这种电光效应可以制成液晶光开关和各种显示器件。将两个偏振片置于液晶盒的两侧，其中一侧偏振片用作起偏器，其透振方向与液晶盒左侧分子轴向平行，另一侧偏振片用作检偏器，其透振方向与起偏器透振方向平行或垂直，就构成液晶光开关。若检偏器2P 透振方向与起偏器1P 透振方向垂直，不加电压时，入射光通过起偏器形成线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴向旋转0

90，偏振方向与检偏器透振方向相同，有光通过检偏器；施加足够电压后，旋光效应消失，通过液晶合后光偏振方向不变，与检偏器透振方向垂直，光不能通过检偏器。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场光被关断，因此叫做常白模式液晶光开关，如图4.6.3所示。若检偏器透振方向与起偏器透振方向平行，则没有电场的情况下，光被关断，加上电场的时候，有光通过，称为常黑模式液晶光开关。 光断

入射光

光通

图4.6.3

利用液晶光开关对外界光线的开关控制可以实现信息显示。TN 型液晶光开关主要用于数字、简单字符及图案显示，主要有笔段式显示和矩阵式显示方式。笔段式显示比较简单，主要用于数码显示，笔段式TN 液晶显示屏是通过段形显示像素实现显示的。段形显示像素是指显示像素为一个长棒形，也称笔段形，在数字显示时，常采用七段电极结构，即每位数字由一个“8”字形公共电极和构成“8”字图案的七个段形电极组成，如图4.6.4(a)所示，分别设置在液晶显示屏的两个玻璃基板内侧，通过控制电路和驱动电路有选择地在各电极段上加上电压，来显示不同的数字，例如，在a 、b 、g 、e 、d 电极段上加上电压可以显示数字“2”。如图4.6.4（b ）所示。

(a) (b)

图4.6.4

矩阵式显示屏的两个玻璃基板内侧分别由行电极和列电极组成，行和列的交叉点组成像素点，通过分别在行电极、列电极上加扫描信号和控制电压信号，逐行扫描让每一个液晶光开关处于关断或选通，所有行被扫描一遍，处于选通的像素点组成文字、图形和图像。

4．液晶电光特性

液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度随外加电压的变化关系称为液晶电光特性。对于常白模式的液晶光开关，其液晶电光特性曲线如图4.6.5所示。

a

g e

d

c f