第五章3液晶显示器件

使液晶分子排列发生变化的临界电场强度Ec
EC

d
( K ii / )
弹性常数
1 2
介电各向异性Δε
液晶盒厚度
使液晶分子排列发生变化的临界阈值电压Uth
Uth=Ecd
（2）液晶的双折射 光在各向异性液晶中的传播与光在各向异性的单轴晶 体中的特性相同
双折射 Double Refraction
第二代液晶显示器件：扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）
通电：电场大于阈值电压后，液晶盒内液晶分子长轴均沿电场 方向排列，入射的线偏振光不能得到旋转，无法通过检偏器 呈暗态
第二代液晶显示器件：扭曲向列信息容量小，只能用于笔段式数字显示 及低路数驱动的简单字符显示
不通电情况下：透明 通电情况下：液晶分子各向异性、电导率各向异性，液晶内出现紊流，引起 入射光的强烈散射，于是变混浊了，在透明背景下，产生与电极 图案相对应的混浊图像
第一代液晶显示器件：动态散射型液晶显示器件（DS-LCD）
对比度低，一般在背面衬以黑色衬底 由于散射出现的紊流使图像边缘不清晰 离子型电解质溶液的添加使得液晶材料质量变差
Δn=n∥－n⊥=ne－no
Δn>0, Ve<Vo,正单轴晶体
Δn<0, Ve>Vo,负单轴晶体
三：液晶显示器件
第一代液晶显示器件：动态散射型液晶显示器件（DS-LCD）(1968-1972) 将涂有透明导电层的玻璃刻上一定图形，在两块玻璃板中间夹持一层液晶材料， 并掺入一定比例的离子型有机电解质材料，主要目的是增大液晶电导率 四周密封，构成一个液晶盒
液晶的电光响应通常滞后几十毫秒，透光率并不和外电压同时增加，而要 经过几个脉冲序列后才行始增加，并在经历一定序列脉冲后，达到最大值。 停止施加外电压后，透光率也并行立即下降到零而是经过一定时间才达到 较小值，极大限制了它的使用范围 液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：延迟时间τd，定 义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间；上升时间τr，定义为透 光率从10％增加到90％所用的时间；下降时间τf，定义为透光率从90％下 降到10％所用的时间。
胆甾相液晶：是由胆甾醇衍生出来的 液晶，分子排列成层，层内分子相互 平行，分子长轴平行于层平面，不同 层的分子的分子长轴方向稍有变化， 相邻两层分子，其长轴彼此有一轻微 的扭角（约为１５角分），多层扭转 成螺旋形，旋转3600的层间距离称螺 距，螺距大致与可见光波长相当，胆 甾相实际上是向列相的一种畸变状态， 一定强度的电场、磁场也可使胆甾相 液晶转变为向列相液晶。胆甾相易受 外力的影响，特别对温度敏感，温度 能引起螺距改变，而它的反射光波长 与螺距有关，因此，胆甾相液晶随冷 胆甾相 热而改变颜色。 光学上显示负双折射
三端有源矩阵—TFT液晶显示器件结构
三端有源矩阵液晶显示 三端有源矩阵液晶显示的结构和等效电路如图.每 个像素上都串入一个薄膜晶体管（TFT）。它的栅极Ｇ接扫描电压，漏极D 接信号电压，源极S接TTO像素电极，与液晶像素串联。液晶像素可以等效 为一个电阻RLC和一个电容CLC的并联。
扫描电压
信号电压
近晶相液晶分子呈二维有序性，分子排列成层，层内 分子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一平面内， 其方向可以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚 度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子 只能在层内前后、左右滑动，但不能在上下层之间移 动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外界 电、磁、温度等的变化不敏感。
1) 双折射现象
e-光 calcite 方解石 O光
unpolarized light 自然光
The “double-bending” of a beam transmitted through calcite, is called double refraction. 2）the ordinary ray (O-ray) and the extraordinary ray (e-ray).（1687年惠更斯研究） a）two beams are polarized light with their planes of vibration at right angles to each other.
e光
O光
方解石
sin sin i C i0 （与入射角无关 对O光： no const e光在晶体中传播， n 为什么？ 且为定值） sin sin r v r0 光速是一变值。 对e光： sin ie ne (i ) const（与入射角有关 且不为定值） sin re
因O光沿各向传播的速度是相同的，故O光的波面是球面。 而e光在晶体内沿各向传播的 速度不相同，所以e光的波面 是椭球面。 78º
第二代液晶显示器件：扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）
在液晶盒玻璃基板外表面粘贴上线偏振片，使起偏振片的偏振 轴与该基片上的摩擦方向一致，并使检偏振片与起偏振片的偏 振轴相互正交,就构成了最简单的扭曲向列液晶盒。
第二代液晶显示器件：扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）
不通电：线偏振光经过扭曲向列液晶时，由其旋光特性决定 偏振光旋转90° 顺利通过检偏器，呈透光态
液晶：液态晶体的简称。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，但同时又是 具有光学双折射的的晶体。 液晶：是物质的一种形态，除气、液、固的又一态 溶致液晶：溶解在水中或有机溶剂中才显示 出液晶状态，
热致液晶：在一定的温度范围内呈现出液晶状态。
热致液晶可分为近晶相、向列相和胆甾相三种类型
热致液晶仅在一定的温度范围内才呈现液晶特性，此时为浑浊 不透明状态，其稠度随不同的化合物而有所不同，从糊状到自 由流动的液体都有，即粘度不同，如图7－15所示，低于温度T1， 就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔点，高于温度T2就变成 清澈诱明各向同性的液态，称T2为液晶的清亮点。LC能工作的 极限温度范围基本上由T1和T2确定。
b）O-ray obey the refraction law. The crystal has a single index of refraction no. c）The e –ray index of refraction varies with direction from no自然光 to a smaller value (for calcite) ne.
等效电阻RMIM非线性
MIM液晶显示器件等效电路
当扫描电压、信号电压 同时作用在像素单元时
MIM 断态，RMIM大 超过MIM器件阈值时 RMIM小，对CLC充电 ULC大于液晶阈值时， 液晶显示 扫描电压移至下一像素
CLC通过RLC缓慢放电 可在一帧时间内维持 ULC>Uth
解决了简单矩阵液晶显示器随着占空比下降，对比度下降的弊病
§5.3 液晶显示
一：什么是液晶
1888年，奥地利叫莱尼茨尔的科学家， 合成了一种奇怪的有机化合物， 它有两个熔点。
固态晶体加热到145℃时，便熔成液体， 只不过呈混浊状的粘稠液体，并发出多彩而 美丽的珍珠光泽，并具有双折射的特性。 如果继续加热到175℃时，它似乎再次熔化， 变成清澈透明的液体。后来，德国物理学家 列曼把处于“中间地带”的浑浊液体叫做液晶 (Liquid Crystal).
二端有源矩阵—MIM液晶显示器件电极排列结构
MIM与液晶单元呈串联电路 二端有源器件是双向性二极管，正、反方向都具有开关特性。
MIM液晶显示器件等效电路 RLC, CLC 液晶单元等效电阻、 等效电容
RMIM,CMIM 二端器件等效电阻 等效电容 MIM面积相对液晶的面积 小得多，CMIM<<CLC
近晶相 光学上显示正双折射
向列相液晶分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但 不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长 轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作 用微弱，向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外 界电、磁场、温度、应力都比较敏感，目前是显示器件 的主要材料。
向列相 光学上显示正双折射
扫描电压
信号电压
三端器件通态电流大，开路电阻高，因此开关特性更陡峭， 比二端器件显示性能更好
目前基本淘汰，第一个实用化的液晶显示器件 开创了液晶显示时代
第二代液晶显示器件：扭曲向列液晶显示器件 (TN-LCD)(1971-1984)
填充向列 相液晶
用摩擦方法在表面开成方向一致的微细沟槽， 两块基板上沟槽方向正交
第二代液晶显示器件：扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）
定向层：在盒内液晶分子沿玻璃 表面平行排列，因为两个内表面 做了沿面定向处理，使盒表面上 的向列相液晶分子方向互相垂直， 液晶分子在两片玻璃之间呈90° 扭曲，即构成扭曲向列液晶，
ˆ n
正晶体-- v0 ve 负晶体-- v0 ve
光轴
78º
光轴
e光
在晶体内一个点波 源发光的波阵面：
o光
负晶体 正晶体
沿着Ｐ型向列液晶长轴方向振动的光波有一个最大的折 射率n∥，而对于垂直这个方向振动的光波有一个最小 的折射率n⊥，按照晶体光学理论，这种液晶为单轴的， 分子的长轴方向就是光轴，寻常光折射率no＝n⊥，非寻 常光折射率ne＝n∥，其折射率的各向异性Δn为：
二．液晶的光电特性 如果不考虑由干热而引起液晶分子有序排列 的起伏，则利用传统的晶体光学理论完全可以描述光在液晶中的 传播，在外电场的作用下，液晶的分子排列极易发生变化，液晶 显示器件就是利用液晶的这一特性设计的。 （1）电场中液晶分子的取向 液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量ｎ称为指向矢量，设ε∥ 和ε⊥分别为当电场与指向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。 定义介电各向异性Δε：Δε＝ε∥－ε⊥ ， Δε›０的液晶称为Ｐ型液晶，它具有正的介电各向异性， Δε‹０的液晶称为Ｎ型液晶，它具有负的介电各向异性。 在外电场作用下，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。目前的液晶显示器件主要 使用Ｐ型液晶。