液晶显示原理

②介电各向异性
介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度。
Δε > 0
正性液晶(一般用Np表示)：偶极矩平行于分子长轴 负性液晶(一般用Nn表示)：偶极矩垂直于分子长轴 正性液晶和负性液晶在电场作用下其分子的行为
Δε < 0
③电导各向异性
液晶的电导各向异性表现为平行于分子轴方向的 电导率与垂直于分子轴方向 的电导率不一致 ，可以用二者的比值来定量描述 ：
直线偏光的偏光状态完全不发生变化。
θ =π 4
伴随入射直线偏光向z方向行进的同时，其偏光状态将按直线、圆、椭圆、 直线偏光的顺序依次变化，而且线偏光的振动力向也发生变化。
③能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者透射。
■晶体中的旋光现象及选择性反射 当入射平行线偏振光在晶体内沿着光轴方向传播时，线偏振光的光矢量随传播 距离逐渐转动，称这种现象为旋光现象。
②溶致液晶
某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶相。
（3）液晶用于显示的机理
液晶显示原理是在两块玻璃基板间注入液晶材料，通过外界电场等条件控制液 晶分子的排列取向，以影响液晶单元的透光率，从而影响它的光学性质，产生具 有不同灰度层次及颜色的图像。
要想了解液晶显 示的基本原理，首先 要对液晶的物理特性 及其光学特性有个清 楚的认识。
这类液晶分子呈 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，不同层的分子长 轴方向稍有变化，沿 层的法线方向排列成 螺旋状结构
近晶相液晶由棒 状或条状分子组成， 分子排列成层，层内 分子长轴互相平行， 其方向可以垂直于层 面，或与层面成倾斜 排列，如图 所示。因 分子排列整齐，其规 整性接近晶体，具有 二维有序
⑦粘度
液晶粘度是液晶显示中的一个十分重要的特性，其对显示器件的响应时间 和下降时间(或余辉)有比较大的影响。
液晶的粘度
τ r = (4πη z )
2
外加电压
( Δε U 2 − 4 K i π 2 )
液晶弹性系数
(Cη z 2 ) τd =
C：液晶的厚度
液晶材料的物理性质与显示技术的关系
旋转角度
θ = al
旋光系数
通过旋光物 质的距离
右旋：对着光的传播方向观察，使光矢量顺时针方向旋转。 左旋：对着光的传播方向观察，使光矢量逆时针方向旋转。
当入射的偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向相同(如都是右旋光)，则入射光将 被反射；当入射偏振光的旋光方向与液晶的旋光方向不同(如一个为左旋光，一个为右 旋光)，则入射光将可以透过液晶层。
①能使入射光的前进方向向液晶分子长轴（即指向矢n)方向偏转；
v⊥
C⊥
v //
C //
C// C cos θ = v// = n⊥ n⊥
某一折射率所 对应的振动方向同 传播方向垂直
C C sin θ v⊥ = ⊥ = n// n//
②能改变入射光的偏振状态(线偏振、圆侗振、椭圆偏振)或偏振的方向
θ = 0, π 2
σ //
σ //
σ⊥
这反映了在向列型液晶中 离子沿分子轴方向的运动比垂 直于分子轴方向的运动要容易 很多
向列型液晶：
σ⊥ >1
近晶型液晶：
σ //
σ⊥ <1
易
这反映了在近晶型液晶中 离于运动在分子层隙间比较容
④磁各向异性
在磁场中，液晶分子的长轴是沿磁场方向还是垂直于磁场方向与分子结构有关。 抗磁各向异性：
（4）液晶的物理特性
①有序参数
液晶分子的整齐有序排列达到什么程度，这对液晶的使用是一个极其重要的问 题。这是因为液晶的极化率，介电常数、磁化率等物理性质的各向异性，直接依 赖液晶分子的排列的有序程度。
n为着眼于全体液晶分 子时，分子长轴的择优取 向方向，即主轴方向的单 位矢量，θ为个别液晶分 子长轴方向相对于n的偏 离角 。
■Mauguin定律（导波现象）
当液晶盒的厚度要比光的波长小得多，而且光的波长又远远小于螺距，那么 通过液晶盒（胆甾型，手征向列相）传播的光仍保持线偏振，而且偏振方向直 接跟随着在结构中的指向矢而转动。
4、液晶显示器件及原理
作为显示电信号的液晶显示器件，就其本质来说都是液晶分子在电场作用下 改变其分子排列和造成分子变形，进而对光进行调制的结果。 电光效应
1969年2月日本NHK向国内进行了液晶发明报导，引起日本科技、工业界的极大重 视。日本将当时的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”’市场为导向，很 快打开了液晶的应用局面。日本人从液晶于表、液晶计算器等低档产品起步，发展 到小尺寸无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到目前多晶硅有源矩阵 高分辨率彩色液晶显示器，不但促进了日本微电子工业的惊人发展，还一直领导着 世界液晶工业的发展方向，掌握着液晶工业最前端的技术。
液晶的光学各向异性 ■向列液晶和近晶液晶:
分子长轴的指向矢n的方向 晶体（单轴）的光轴
ne
n//
Δ n = ne − no = n // − n ⊥
Δn ≥ 0
向列和近晶液晶 具有正的光学性质
no
n⊥
n// ≥ n⊥
no
*
ne
vo no
ve ne
■胆甾液晶： 光轴 螺旋轴(与液晶分子长轴取向矢n的方向垂直)
第五章 液晶显示
（LCD: Liquid Crystal Display ）
液晶在显示技术信息技术中的应用， 液晶是自然界中一个神奇的 物相。自1888年发现以来，由 于它的神奇，成为生物学、化 学和物理学的一个重要研究领 域。
创造了一个五彩缤纷的世界，推动了
信息技术的发展。液晶显示器件是众多平 面显示器件中发展最成熟、应用面最广、 已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显 示器件。
1、液晶的发现与发展过程简介
1888年奥地利的植物学家（莱尼茨尔）F．Reinitzer在测定有机物熔点时，发现 某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊液态阶段，继续加热，才成为透明的各向同 性液态。 1889年，德国物理学家O.Lehmann观察到同样的现象，并发现呈浑浊状液体的中 间具有和晶体相似的性质．故称为“液晶”。这是世界上首次被发现的一种热致液晶： 胆甾醇苯甲酸脂。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视，只是把液晶用在压 力和温度的指示器上。 液晶的发展在1963年出现了转折点。该年，美国无线电公司(RCA)普林斯顿研究 所的一个从事微波固体元件研究已两年的年轻技术工作者G．H．Heimeier，即将完 成他的博土学位答辨。他有一个朋友正在从事有机半导体的研究工作，在上下班路上 向Heimeier介绍他所从事的研究工作，使他发生了浓厚的兴趣。就这样，这位电子学 专家改变了自己的专业,进入了有机化学领域，他把电子学应用于有机化学，仅一年就 发表了五篇论文。他将染料与向列液晶混合，夹在两片透明导电玻璃基片之间，只施 加几伏电压，功率不到几个微瓦每平方厘米，液晶盒就由红色变成透明态。Heimeier 心想到这不就是平板彩色电视吗?兴奋的小组成员日以继夜地工作，相继发现了动态 散射、相变等一系列液晶的电光效应，并且研究出一系列数字、字符显示器件以及液 晶钟表、驾驶台显示器等应用产品。RCA公司领导对有关液晶的发明极为重视，将其 列为企业的重大秘密。1968年RCA公司向世界公布这些液晶发明。
有序参数：
S=
1 3cos 2 θ − 1 2
●液晶的分子一般都是刚性的棒状分子。由于分子头尾、侧面所接的分子集团不 同，使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质（各向异性）； ●液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，使液晶分子集合在一起时，分子 长轴总是互相平行的，或有一个择优方向。液晶分子长轴的平均趋向的单位矢量 称为该液晶的指向矢。
Δχ = χ // − χ ⊥
液晶分子长轴总是沿磁场取向
Δχ = χ / / − χ ⊥ >0
Δχ = χ / / − χ ⊥ <0
⑤光学折射率各向异性
液晶分子的长轴沿垂直于磁场的方向取向
液晶是一种各向异性的物质，所以光在液晶中传播时会发生双折射。根据液晶 寻常光折射 no和非寻常光折射率 ne的不同，可以把液晶分为正光性液晶和负光性液 晶。 ne > no (ve < vo ) 正光性液晶： 负光性液晶：
不同类型的液晶显示器件 ①动态散射型（DS）
在不通电的情况 下，液晶盒是透明 的
当电压大于威廉斯畴阈值 电压时，产生周期性的液晶 分子环流，呈现出与液晶盒 厚度相同间隔的周期性的静 态条纹图案，称这种图案为 威廉斯畴。
当电压大于再增加 时，就形成紊流，结果使 光变成强烈地向前散射。
动态散射型虽是一种已过时，被淘汰了的液晶显示器件，但它是惟一的电流型器件，而且是历 史上第一个实用化的液晶显示器件，（1968年首先由G.Heilmeier所发现）在液晶历史上有过重要 的地位。因为它开创了液晶显示的时代，所以还是应该对它有所了解。
经过近30年的发展，液晶巳形成一个独立的学科。液晶 知识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、 微电子、精细加工、色度学、照明等。
2、液晶基础
（1）物质的第四态-------液晶 一般常识：
物质像水一样都有三态：固体、液体和气体，通常固体加热至熔点就变成透明的 液体，温度再升高就变成气体。
其实：
向列相液晶由长径比很大的捧状分子所组成，分子质心没有长程有序性， 具有类似于普通液体的流动性，分子不能排列成层，它能上下、左右、前后滑 动，只在分子长铀方向上保持相互平行或近于平行。 从宏观整体上看，向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序，可以象液体一 样流动，所有液晶分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的 光学特性。而在电学上，又具有明显的介电各向异性。这样可以利用外加电场 对具有各向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改 变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示目的。向列液晶这种 明显的电学、光学各向异性，加上其粘度较小，使向列液晶成为显示器件中应 用最为广泛的一类液晶。