液晶显示器的技术原理

（2）垂直入射时的透射率
数学方法：Jones矩阵法 连续扭曲并倾斜的结构→N个等厚单轴晶片的叠加 光轴在每一晶片中是一致的，在不同晶片中不同 每个晶片为一传输矩阵→改变在其中光的偏振状态 整个层的总透射率由这些矩阵相乘来计算
图15
三、TN-LCD的电光曲线和电光响应
1.电光曲线的定义和特点
(1)定义——透射光强随施加电压变化的函数关系
向列相液晶分子在不同强度向错线周围排列的情况
s=1/2
s=-1/2
s=-1
s=3/2
s=+1
s=+1
s=+1
s=+2
向列相中向错线的显微照片
2.介电各向异性
在向列相中分别沿与液晶指向矢平行和垂直的方向进 行测量，可以得到两个不等的介电常数 // 和 。 对液晶沿某一方向加电场E，相应的电位移矢量D为：
液晶显示器的技术原理
孙政民
2012年10月
(一)
序言
一、对显示器的要求
1.性能好且稳定（高亮度、高对比度、 宽视角、快速响应等） 2.高密度信息量 3.可擦除 4.使用方便、安全、可靠 5.寿命长 6.适宜的价格（低成本）
二、液晶显示的原理
基片的表面处理
液晶分子呈有序排列 有一定的光学状态
加电场
响应时间
弹性常数越大 → 响应速度越快
电光曲线
K33 /K11越小 → 该液晶的电光曲线越陡 → 多 路驱动能力越强 对于多路驱动的电光器件，要求液晶材料 K33 /K11 = 1.1 K22 /K11 ＝ 0.4 ~ 0.8
6. 边界效应
(1)强锚定 界面对分子的作用称之为“锚定”。 在大多数实际情形下，表面作用力足够强，能 使分子在表面有确定的方向，这种情形称之为 “强锚定”。与之对应的则称为“弱锚定”。
平移运动
流动
分子排列 定向排列
破坏排列 排列的变化 流动
(2)液晶的体积粘滞系数η
η是利用粘度计测量混乱无序液晶的粘滞系数，即把液 晶当作普通流体来处理。 ◆温度越高， η 越小 ◆ η直接影响液晶的响应时间T， η 越小，T越小
粘滞系数随温度的变化
N
H3CO
1 .0
V is c o s ity (p o is e )
弹性常数K22与温度之间的关系
7
P-
K 2 2 (x 1 0 -1 2 N e w to n )
6
az
ox
yp
he
ne
to
le
5
P4
az
ox
ya
n is
o le
(P
AA
)
图8
3 2 -3 0 -2 0 -1 0 T -T N I (° ) C 0
（2）弹性常数对显示的影响 阈值电压
弹性常数越大 → 阈值电压也越大
二、液晶分子的结构
化学家的观点 物理学家的观点
• 形状各向异性, 长度 > 4倍宽度 • 分子长轴有一定刚性 • 分子末端含有极性或可极化的基团
CH3 - (CH2)4 C N
上述分子(5CB) 是 ~2 nm × 0.5 nm
三、液晶的定义

通常物质有三态：固体 液体 气体 液晶是物质的第四态——介乎于各向同性液体 和晶体之间的中间相（mesophase）
（e）透射光强在很宽的频率范围内只与驱动电压的
均方根值有关，而与电压波形无关； （f）电光曲线会随环境温度变化。
2.重要参量的意义
（1）相对透光率Lt= 透射光强 （2）阀值电压
×100%
入射光强 Vth——当V>Vth时，Lt才发生变化
（9）
Vth与△∈成反比，即△∈越大，Vth越小，液晶分子越易沿电场 排列 Kii 越小，Vth越小，液晶分子越“软”，则也越易沿电场排列 Vth与盒厚d无关
晶体 液晶 （各向同性）液体 气体


具有液晶相的物质都是有机化合物
四、液晶的特点
表1
(各向同性)液体 液晶 晶体
wk.baidu.com宏观
流动性、各向同性
流动性、各向异性
有一定形状、各向异性
微观
位置短程序
位置短程序、方向序
位置长程序
液 晶 相
晶体
向列相液晶
各向同性相
温
图1 度
五、液晶的分类
1922年法国G.Friedel将液晶分成三大类
2.激活态的光学性质
当对TN-LCD施加电场时，n沿E排列→分子分布产生畸变（垂直 排列），透射光沿长轴（即光轴）传播，不发生双折射，偏振动面 不变，为检偏器所阻→不透光（显示）
图14
（1）光轴分布
在不同的电压下，倾角分布由平坦→弓形曲线（相对于层中心对称） 低电压——正弦曲线 高电压——近似方形
(2)指向矢的性质
• n 满足： n 1 n • n = -n
即n 是一个无量纲的单位矢量
• 多畴 —— 整个液晶层有多个n方向 • 单畴 —— 整个液晶层只有一个 n 方向 • 奇点 —— 空间中某些点或线上 n 可以有 多个方向（或 n 不确定） 缺陷（向错点、向错线）
液晶分子排列 发生变化
光学状态发生变化
撤除电场
产生对比度→显示
三、液晶显示的模式
电流效应型 动态散射型（DS）
扭曲向列型（TN） 超扭曲向列型（STN）
显示模式
介电各向异性型
电控双折射型（ECB） 宾主型（GH）
电场效应型 铁电型（FLC） 反铁电型（AFLC） 胆甾型（CH）
相变型（PC）
(二)
(2)易取向方向 液晶分子沿界面某一方向排列时表面能量为最 小，该方向称为易取向方向。
表面锚定
N 极化锚定 Wq n
q f
图9 强锚定 弱锚定 10-4 J/m2 10-7 J/m2
方位锚定 Wf
Wq,f是将指向矢n从其易取 向方向移动所需的能量
外部介质是单晶体，液晶的易取向方向总是平行于 某些简单的晶轴。 摩擦玻璃表面，液晶的易取向方向即为摩擦方向。 各向同性介质，易取向方向可以沿各种方向，有时 是连续分布的。 设指向矢 n 与表面法线之间的角度为θ， θ＝0 垂直排列（HTAB,卵磷脂处理） 0＜θ＜90° 倾斜排列 θ＝90° 平面排列
（5） （6） （7）
（8）
0 .5
0 .4
u
2d n
T (% )
0 .3

0 .2
u
3
15
0 .1
35
0 0 2 4 6 8 10 12 14
u
图12
0 .5
0 .4
35
T (% )
0 .3
u
3
15
0 .2
0 .1
u
2d n

8 10 12 14
0 0 2 4 6
u
图13
螺距
P
手性向列相
通常向列相
向列相 胆甾相
位置无序 位置无序
指向有序 指向有序 图3
指向矢倾向沿某一方向 指向矢排列呈螺旋状
六、液晶的物理性质
1.指向矢
n
(1)定义
图4
在宏观上把液晶当作连续体来处理的理论中，常引用一个平滑 的矢量场来描述液晶分子的排列状态。更确切地说，即在一个无限 小的体积内将大量分子的长轴方向的平均取向作为一个择优取向， 这个择优取向常常用单位矢量 n 来表示,它被称为指向矢 (director)。
图16
图17
(2)特点：
(a)两偏光片的偏光轴正交，并且分别与紧邻玻片内侧上 的的摩擦 方向（即液晶分子排列方向)平行或垂直—— 正性显示（白底黑字-常白型） 若两偏光片的偏光轴互相平行，且与任一玻片内侧 上的摩擦方向相一致——负性显示（黑底白字-常黑型）
正性比负性对比度高
图18
(b）有阀值，有饱和，Vth、Vsat都很低，易于低 电压使用； （c）由于是场效应 而造成LCD的损坏； 低电流、微功耗； （d）电压为交变电压，避免电极处的电化学反应从
结构：ITO玻璃——制盒，电极图形
液晶——利用其电光效应
偏振片——起偏片和检偏片→产生正交偏光
结构特点：扭曲90° 结构参数：K、△∈、△n、ρ、d、θ、摩擦方向→指向矢→光轴


手性添加剂
作用: 使液晶分子形成扭曲结构
次开发 H T P Pc 1
(对稀溶液)
HTP (mm)-1 -14 -13.6
所以I与△n· d的曲线上有一系列极值，第一极小、第二极小等，通常
在TN-LCD 中△n· = 0.48 m 、1.05m 、1.64 m …… d
对于白底黑字，透射光强与△n· d的关系恰好相反，即I具有一系列 极大值，为了提高对比度和视角，通常希望背底明亮，即I在关态时
具有极大值，在实际使用的TN-LCD中通常使用△n· d在第二极大处。
（4）(4) 对 0.1% 掺杂的 S-811
手性添加剂 S-811 IS-4651
P = 71.4 mm -1
负号表示左螺旋方向
表2
二、显示模式
1.非激活态（不加电场）的光学性质
90°扭曲→导波效应→偏振面旋转90°， 但必须满足Mauguin条件△n· d 这样使得通过该液盒时其偏振面产生的扭曲与光波长无 关，即出射光是线偏振光 如果上述条件不满足，则出射光为椭圆偏振光，透射强 为
D E ( n E )n
（1）
定义 为液晶的介电各向异性。 //
分子具有与其长轴平行的永久偶极距 > 0 分子具有与其长轴垂直的永久偶极距 < 0
由于介电各向异性，导致向列相分子被电场强迫取向： 2 2 E (n E ) W D dE （2） 2 2 （2）式中第一项与取向无关，第二项对取向非常重要 当Δ >0时，若 即分子倾向沿电场排列
向列相 胆甾相 分子沿某一择优方向取向，分子重心无序分布 分子在空间形成连续的螺旋结构，在垂直于螺旋 轴的平面内分子排列类似向列相 近晶相 层状结构，分子垂直或斜交于层平面，层内分子 重心无序分布（A、C、C*…）或有序分布（B、G、F、 G…）
近晶C相
近晶A相
图2
向列相
•向列相&胆甾相
指向矢
n
（3）V10和V90（以负性显示为例）
V10——相对透光率为最大值的10%时的外加电压 V90——相对透光率为最大值的90%时的外加电压
（4）陡度γ
γ=V90/V10 (负性显示) ，γ>1，γ越小，则陡度越好
（5）对比度和视角
对比度Cr 视角 视角特性 视角锥 30° 显示状态和非显示状态相对透光率的比值 人眼观察的角度 对比度随视角变化的特性 对比度大于某一个最小可接受值的视角范围，通 常视角锥为Cr=2 上视-10°，下视40°，左右视角
什么是液晶
一、液晶的发现及命名
1888年奥地利植物学家 F.Reinitzer 在加热胆甾醇 苯甲酸酯结晶试验时发现： 结晶 酯 加热 冷却
乳白色 浑浊液体
加热 冷却
透明 液体
Krystalle(德语)
德国物理学家 O.Lehmann 将其称为：Fliessende 英文为：Liquid Crystal 中文即：液晶
●向列相中可以只产生其中一种形变，因此每一个Kii （i=1,2,3）都必须是正的。 ●Kii的量纲是尔格/厘米（或达因） ●
K ii 的 数 量 级 ～ U （分子间相互作用能） a（分子线度） ～ 10
6
达因
● K 33 K 11， K 33 K 22， K 11 K 22
●温度增高 Kii减少
一定（单向倾斜）
有多个值（锥形简并）
微沟槽表面均匀排列 (//) 磨擦 polyimide
键合垂直排列 () 表面活性剂
图10
（3）摩擦取向机制

沟槽理论
n 平行沟槽
能量最低

切应变理论
摩擦聚合物 聚合物分子择优结构
n 平行择优方向
7. 液晶的粘滞性
(1)各向异性流体的特点
耦合
2 n // E ，则 ( n E ) 为最大，W为最小；
当Δ <0时，若 即分子倾向垂直电场排列
2 n E，则 ( n E ) 0，
W为最小；
图5
3.电阻率与电极效应


液晶的电阻率ρ的 数量级为 10 8 ~ 10 12 cm，近乎半导 体和绝缘体的边界。ρ作为液晶纯度的表征量， ρ小→ 直流分量大 → 电化学分解 → LCD的寿命降低 ρ大 → 质量好，但ρ太大，则难以制备（产率太低） 电极效应 直流电 → 电极处发生电化学反应 → 液晶材料发生 分解 → LCD损坏 防止办法：利用低频交变电场驱动
C4H9
对于各向同性液体
2
0 .7
is o 0 e x p

K BT E
（3）
0 .4
3 1 TNI
E是分子运动的扩散激活能
0 .2
0 .1 20
图11
30 40 50 60 T e m p e ra tu re ( ° ) C
(二)
TN—LCD的基本原理
一、TN—LCD的结构及结构参数
4.光学各向异性: 双折射
△n =
ne - no
冰洲石
图6
光在向列相中的传播 液晶分子长轴的方向——光轴
双折射现象、光波的叠加、干涉等现象均同 样在液晶中发生，只要将液晶作为单轴正晶 体就可作类似的分析。
5.弹性各向异性: 向列相的三种形变
展曲 K11
扭曲 K22
图7
弯曲 K33
(1)关于弹性常数的讨论