液晶的物理光学性质ppt课件
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TFT-LCD(液晶显示器)工作原理ppt课件
13
3
液晶成像原理
液晶显示器正是由这样两
个相互垂直的极化滤光器构成，
所以在正常情况下应该阻断所有
试图穿透的光线。但是，由于两
个滤光器之间充满了扭曲液晶，
所以在光线穿出第一个滤光器后，
会被液晶分子扭转90度，最后从
第二个滤光器中穿出。另一方面，
若为液晶加一个电压，分子又会
重新排列并完全平行，使光线不
再扭转，所以正好被第二个滤光
5
TN、STN、TFT对比
6
TFT LCD概念
TFT (Thin Film Transistor) LCD-- 薄膜晶 体管液晶显示器。
液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. 利 用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转 向的显示器, 就叫做TFT LCD.
7
TFT LCD结构
8
TFT LCBiblioteka 等效电路器挡住。总之，加电将光线阻断，
不加电则使光线射出。
4
液晶显示器分类
静态驱动（Static） 单纯矩阵驱动（Simple Matrix）
扭转式向列型（Twisted Nematic）、超扭转 式向列型（Super Twisted Nematic）等 主动矩阵驱动（Active Matrix）
薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor）、二 端子二极管型（Metal/Insulator/Metal） 目前电脑显示器主要采用TFT LCD，它具有高对 比度、色彩丰富、可全彩化、动态显示、视角 较广（80度以下）等特性
什么是液晶
液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具 有液态流动特性。它的物理特性包括：黏性（visco-sity）、弹性 （elasticity）和极化性（polarizalility）。
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液晶成像原理
液晶显示器正是由这样两
个相互垂直的极化滤光器构成，
所以在正常情况下应该阻断所有
试图穿透的光线。但是，由于两
个滤光器之间充满了扭曲液晶，
所以在光线穿出第一个滤光器后，
会被液晶分子扭转90度，最后从
第二个滤光器中穿出。另一方面，
若为液晶加一个电压，分子又会
重新排列并完全平行，使光线不
再扭转，所以正好被第二个滤光
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TN、STN、TFT对比
6
TFT LCD概念
TFT (Thin Film Transistor) LCD-- 薄膜晶 体管液晶显示器。
液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. 利 用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转 向的显示器, 就叫做TFT LCD.
7
TFT LCD结构
8
TFT LCBiblioteka 等效电路器挡住。总之，加电将光线阻断，
不加电则使光线射出。
4
液晶显示器分类
静态驱动（Static） 单纯矩阵驱动（Simple Matrix）
扭转式向列型（Twisted Nematic）、超扭转 式向列型（Super Twisted Nematic）等 主动矩阵驱动（Active Matrix）
薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor）、二 端子二极管型（Metal/Insulator/Metal） 目前电脑显示器主要采用TFT LCD，它具有高对 比度、色彩丰富、可全彩化、动态显示、视角 较广（80度以下）等特性
什么是液晶
液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具 有液态流动特性。它的物理特性包括：黏性（visco-sity）、弹性 （elasticity）和极化性（polarizalility）。
《液晶的光学特性》课件
《液晶的光学特性》PPT 课件
液晶是一种特殊的物质，其分子具有有序排列的结构，具有独特的光学特性。 本课件将介绍液晶的基本特性、分子的运动性质、光学特性以及液晶晶体器 件的应用。
液晶的基本特性
什么是液晶？
液晶是一种介于液体和 晶体之间的物质，具有 流动性和有序排列的分 子结构。
液晶分子的构成和 结构
液晶光阀技术
液晶光阀用于调节和控制 光的传播和透过性，被应 用于照明和光学装置。
液晶调制器件
液晶调制器件常用于光学 通信和光学仪器，实现光 信号的调Байду номын сангаас和传输。
应用
液晶电视
液晶电视以其高清晰度和广色域成为现代 家庭娱乐的主要选择。
液晶显示屏
液晶显示屏被应用于各种电子设备，如手 机、平板电脑和电子书阅读器。
液晶分子的取向和排列
液晶分子在液晶中具有特定的取向 和排列方式，可以通过外部影响进 行调控。
液晶分子的摆动运动
液晶分子可以在平面内进行摆动运 动，影响着液晶的相位变化。
液晶的光学特性
1 双折射现象
2 相位差和波片
液晶具有双折射现象， 可以将入射光分为两 个方向传播。
液晶中的相位差可以 通过波片来改变，实 现光的控制和调制。
液晶分子通常由两部分 组成：长链状的杂化分 子和具有极性的末端基 团。
液晶的相态
液晶可以存在多种相态， 包括列相、层相、胆相 和偏向列相等。
液晶分子的运动性质
1
液晶分子的旋转运动
2
液晶分子可以沿着自身轴线进行旋
转运动，改变液晶的光学性质。
3
液晶分子的扭曲运动
4
液晶分子可以相对扭曲，改变液晶 的光学性质和相位差。
液晶是一种特殊的物质，其分子具有有序排列的结构，具有独特的光学特性。 本课件将介绍液晶的基本特性、分子的运动性质、光学特性以及液晶晶体器 件的应用。
液晶的基本特性
什么是液晶？
液晶是一种介于液体和 晶体之间的物质，具有 流动性和有序排列的分 子结构。
液晶分子的构成和 结构
液晶光阀技术
液晶光阀用于调节和控制 光的传播和透过性，被应 用于照明和光学装置。
液晶调制器件
液晶调制器件常用于光学 通信和光学仪器，实现光 信号的调Байду номын сангаас和传输。
应用
液晶电视
液晶电视以其高清晰度和广色域成为现代 家庭娱乐的主要选择。
液晶显示屏
液晶显示屏被应用于各种电子设备，如手 机、平板电脑和电子书阅读器。
液晶分子的取向和排列
液晶分子在液晶中具有特定的取向 和排列方式，可以通过外部影响进 行调控。
液晶分子的摆动运动
液晶分子可以在平面内进行摆动运 动，影响着液晶的相位变化。
液晶的光学特性
1 双折射现象
2 相位差和波片
液晶具有双折射现象， 可以将入射光分为两 个方向传播。
液晶中的相位差可以 通过波片来改变，实 现光的控制和调制。
液晶分子通常由两部分 组成：长链状的杂化分 子和具有极性的末端基 团。
液晶的相态
液晶可以存在多种相态， 包括列相、层相、胆相 和偏向列相等。
液晶分子的运动性质
1
液晶分子的旋转运动
2
液晶分子可以沿着自身轴线进行旋
转运动，改变液晶的光学性质。
3
液晶分子的扭曲运动
4
液晶分子可以相对扭曲，改变液晶 的光学性质和相位差。
液晶基础知识PPT课件
2
液晶的诞生 （2）
❖ 公元1968年，在美国RCA公司（收音机与电视的发 明公司）的沙诺夫研发中心，工程师们发现液晶分 子会受到电压的影响，改变其分子的排列状态，并 且可以让射入的光线产生偏转的现象。利用此一原 理，RCA公司发明了世界第一台使用液晶显示的屏 幕。尔后，液晶显示技术被广泛的用在一般的电子 产品中，计算器、电子表、手机屏幕、医院所使用 的仪器（因为有辐射计量的考虑）或是数字相机上 面的屏幕等等。
21
介电常数ε
❖ 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别 是ε// (与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的 分量). 当ε// >ε⊥ 便称之为介电系数异方性为正型的 液晶, 可以用在平行配位. 而ε// <ε⊥ 则称之为介电 系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能 有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子 会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分 子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透 与否。
19
粘滞常数K（2）
❖ 粘滞常数K 受温度影响较大。 ❖ 影响液晶分子的转动速度与反应时间
(response time), 其值越小越好.
20
介电常数ε
❖ 液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电 子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加 电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶 极性（induced dipolar），这也是液晶分子 之间互相作用力量的来源。
22
介电常数ε
❖ 现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于 介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性 Δε(=ε//-ε⊥)越大的时候, 则液晶的临界电压 (threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶 便可以在较低的电压操作.
液晶的诞生 （2）
❖ 公元1968年，在美国RCA公司（收音机与电视的发 明公司）的沙诺夫研发中心，工程师们发现液晶分 子会受到电压的影响，改变其分子的排列状态，并 且可以让射入的光线产生偏转的现象。利用此一原 理，RCA公司发明了世界第一台使用液晶显示的屏 幕。尔后，液晶显示技术被广泛的用在一般的电子 产品中，计算器、电子表、手机屏幕、医院所使用 的仪器（因为有辐射计量的考虑）或是数字相机上 面的屏幕等等。
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介电常数ε
❖ 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量, 分别 是ε// (与指向矢平行的分量)与ε⊥(与指向矢垂直的 分量). 当ε// >ε⊥ 便称之为介电系数异方性为正型的 液晶, 可以用在平行配位. 而ε// <ε⊥ 则称之为介电 系数异方性为负型的液晶, 只可用在垂直配位才能 有所需要的光电效应. 当有外加电场时，液晶分子 会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分 子的转向是平行或是垂直于电场, 来决定光的穿透 与否。
19
粘滞常数K（2）
❖ 粘滞常数K 受温度影响较大。 ❖ 影响液晶分子的转动速度与反应时间
(response time), 其值越小越好.
20
介电常数ε
❖ 液晶分子中的电子结构，都具备着很强的电 子共轭运动能力，所以当液晶分子受到外加 电场的作用，便很容易的被极化产生感应偶 极性（induced dipolar），这也是液晶分子 之间互相作用力量的来源。
22
介电常数ε
❖ 现在TFT LCD上常用的TN型液晶大多是属于 介电系数正型的液晶. 当介电系数异方性 Δε(=ε//-ε⊥)越大的时候, 则液晶的临界电压 (threshold voltage)就会越小. 这样一来液晶 便可以在较低的电压操作.
9.液晶的物理光学特性
液晶分子长轴的平均方向称为该液晶的指向矢(n)。 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。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶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，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶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，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
液晶特性研究PPT课件
15
扭曲向列型场效应(TN)：将两块偏光镜P1和P2互 呈九十度平行摆放。在偏光镜P1，P2间注入液晶 LC，在不通电时液晶分子呈螺旋状排列，使光线 逐渐扭曲透过偏光镜。通电的情况下液晶分子会 因电场作用顺偏光镜法线方向排列，由于两块偏 光镜呈九十度，这时光线不能透过偏光镜。这种 现象称为扭曲向列型效应。
9
胆甾型（螺旋状）液晶：二维 向列型液晶层叠加形成的结构， 液晶整体形成螺旋结构，扭曲 一周时叠层厚度的一半为一个 螺距，近似于可见光波长量级。 这种结构是胆甾型液晶具有很 大的旋光能力，并可以左右旋 之，且螺距随外界条件变化的 改变，出现液晶的色的变化。 这种液晶显示负单轴晶体的双 折射性质。
16
垂直排列相畸变效应（ECB）: 向列型液晶具有17 单轴晶体的双折射性。当外加电压超过阈值电压 时，分子发生旋转，分子长轴会偏离电场方向一 定角度，角度随电压的增大而增大，使得入射线 偏振光由于双折射变为椭圆偏振光，从而有光透 过检偏器，当角度为九十度，透射光强度最大， 液晶盒完全透明。如果继续加大电压，将产生动 态散射现象，液晶盒又变暗。这种效应也称电控 双折射效应。
7
向列型（丝状）液 晶：分子长轴互相 平行，但不排列成 层，分子可上下、 左右、前后移动， 大块样品呈浑浊状 态。向列型液晶显 示正单轴晶体的双 折射性质。
8
近晶型（层状）液晶： 棒状分子排列成层状， 分子的长轴方向几乎与 层面垂直，分子间作用 力弱，各层面容易滑动。 因而呈现二维流体的性 质，具有高粘度特点， 在光学上显示出正单轴 晶体的双折射性质。
1
TN型液晶究 专 业：光信息科学与技术 指导教师：
3
背景：在1888年，奥地利植物学家Reinitzer合
成了一种奇怪的有机化合物，它有两个熔点。 把它的固态晶体加热到145℃时，便熔成液体， 只不过是浑浊的，而一切纯净物质熔化时却是 透明的。
第3讲 液晶的结构与性质(共29张PPT)
向列型液晶在外因作用下，分子排列方向易趋于一致， 这一特征在工业上有广泛的用途，在生物液晶中也常常 显示出来。
2．近晶型液晶
近晶型液晶的分子排 列模型：这种液晶分 子的形状也象雪茄烟 ，分子长轴互相平行 ，且排列成层，层与 层之间相互平行，分 子排列比较整齐，近 似于晶体的分子排列 状况。
近晶型液晶
3．对于形成胆甾型液晶的分子，除了具备上述两个条件 外，还必须具有光学活性因素，如含有不对称碳原子等， 因而分子本身就具有较大的各向异性。
液晶物质的宏观表征和微观表征
液晶物质的宏观表征，既有类似液体的 流动性和连续性；又有类似晶体的有序 性。它们在光学、力学和电学性质上， 具有明显的各向异性，能显现浑浊、双 折射、彩虹、旋光等一系列奇特的现象 。
液晶的这一特性，导致了许多重要的应用。例如，金属 材料和零件的无损探伤，红外像转换，微电子学中热点 〔短路处〕的探测，致冷机的漏热检查以及在医学上诊 断疾病、探查肿瘤。
2．电光效应
液晶分子对电场的作用非常敏感，外电 场的微小变化，就会引起液晶分子排列 方式的改变，从而引起液晶光学性质的 改变。因此，在外电场作用下，从液晶 反射出的光线，在强度、颜色和色调上 都有所不同，这就是液晶的光电效应。
从分子水平上来看，液晶物质内局部子 的排列是有序的，但又是可以流动的。
二、液晶的形成
根据形成方式，液晶物质可分为两类： 1．热致性液晶 2. 溶致性液晶
1．热致性液晶
热致性液晶是加热液晶物质时，形成的 各向异性熔体
如前所述，莱尼茨尔首次发现的液晶物 质胆甾醇苯甲酸酯，就是一种热致性液 晶。这种液晶通常有两个熔点。
四、液晶的效应
液晶的独特性质就在于它对各种外界因 素〔如热、电、磁、光、声、应力、化 学气体、辐射等〕微小变化，都非常敏 感。很小的外界能量，就能使它的结构 发生变化，从而使其功能发生相应的变 化。因此，液晶有许多奇妙的“效应〞。
2．近晶型液晶
近晶型液晶的分子排 列模型：这种液晶分 子的形状也象雪茄烟 ，分子长轴互相平行 ，且排列成层，层与 层之间相互平行，分 子排列比较整齐，近 似于晶体的分子排列 状况。
近晶型液晶
3．对于形成胆甾型液晶的分子，除了具备上述两个条件 外，还必须具有光学活性因素，如含有不对称碳原子等， 因而分子本身就具有较大的各向异性。
液晶物质的宏观表征和微观表征
液晶物质的宏观表征，既有类似液体的 流动性和连续性；又有类似晶体的有序 性。它们在光学、力学和电学性质上， 具有明显的各向异性，能显现浑浊、双 折射、彩虹、旋光等一系列奇特的现象 。
液晶的这一特性，导致了许多重要的应用。例如，金属 材料和零件的无损探伤，红外像转换，微电子学中热点 〔短路处〕的探测，致冷机的漏热检查以及在医学上诊 断疾病、探查肿瘤。
2．电光效应
液晶分子对电场的作用非常敏感，外电 场的微小变化，就会引起液晶分子排列 方式的改变，从而引起液晶光学性质的 改变。因此，在外电场作用下，从液晶 反射出的光线，在强度、颜色和色调上 都有所不同，这就是液晶的光电效应。
从分子水平上来看，液晶物质内局部子 的排列是有序的，但又是可以流动的。
二、液晶的形成
根据形成方式，液晶物质可分为两类： 1．热致性液晶 2. 溶致性液晶
1．热致性液晶
热致性液晶是加热液晶物质时，形成的 各向异性熔体
如前所述，莱尼茨尔首次发现的液晶物 质胆甾醇苯甲酸酯，就是一种热致性液 晶。这种液晶通常有两个熔点。
四、液晶的效应
液晶的独特性质就在于它对各种外界因 素〔如热、电、磁、光、声、应力、化 学气体、辐射等〕微小变化，都非常敏 感。很小的外界能量，就能使它的结构 发生变化，从而使其功能发生相应的变 化。因此，液晶有许多奇妙的“效应〞。
第三章液晶材料及液晶显示技术 大学物理课件
8
液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
☆
热致液晶是指某些有机物加热溶解后， 由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；
溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时， 由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。
现在液晶显示器件主要采用热致液晶。
热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。 在这一温度范围的低端，它呈晶状固体； 而在这一温度范围的高端，它为清澈的液体； 只有在这一限定温度范围内，它是淡黄色的混浊液体，
中游则集合各材料，制造LCD面板，提供给下游应用厂商
使用，由于下游应用产品众多，所需面板规格几乎都不相
同，需根据产品切割面板尺寸，因此LCD面板较没有规格
产品；
下游应用产品种类众多，从各式家电、信息、通信及工业
产品，只要是需要显示的器具，都可使用LCD产品。
☆
42
1. TN-LCD器件结构和工作原理
o光和e光的强度出现此涨彼消的现象。
31
大量的实验，总结出：
☆
(1)对应于一条入射光线，同时有两条折射光线。
(2) o光服从折射定律(对单轴晶体而言)，
e光一般不服从折射定律。
(3) o光、e光的光振动方向相互垂直，而折射方向不相同，
即两光在各向异性物质中传播速度是不同的。
(4)对于入射光和晶体的某种相对位置或取向下，
而玻璃间的分子呈连续扭转过渡， 液晶分子的取向在两片玻璃之间
呈900扭曲。
45
无电场作用时液晶分子从上到下连续的扭曲900，
☆
液晶盒扭曲的螺距与可见光波长相比要大得多，
垂直于电极基板入射的线偏振光的振动方向，
4
1890年莱曼（O. Lehmann）
☆
在对有机化合物作系统研究时，又发现了许多这类中间相。
电子行业-液晶物理学及其应用(PPT 59页)
z
n
n
L
n
y
n
x
Cholesteric 相液晶的分子排列。
nx = cos(qo z + φ) ny = sin(qo z + φ) nz = 0
qo > 0 表液晶分子為右旋排列， qo < 0 表液晶分子為左旋排列。
螺距(Pitch) = 2L
因為n與-n是不可區分的，所以其週期等於半螺距，即L = π / |qo|
7
2004年我國中小型TFT產值比較 2004年全球中小型TFT產值約102億美元，而我國產值較 前一年成長140%，估計佔全球比重約12%，次於日本 78%，而韓國約佔10%，排名第三。
8
9
我國2004~2005年平面顯示產業產值分佈
表一 我國2004年平面顯示產業產值分佈
10
我國大型TFT廠商營利表現比較
因溫度的改變而產生相變 因溶於溶劑中濃度比例的改變而產生相變
分子形狀
LCDs:Thermotropic (熱致液晶)
a) 長條狀 b) 圓盤狀
排列方式
1. Nematics (向列相) 2. Cholesterics (膽固醇相) 3. Smectics (近晶相)
1. Columnar
2. Nematic
(c) Director n 與 – n 的狀態是不可區分的。
LCD用液晶
n
長條狀之Nematic相液晶的分子排列。
28
Cholesteric 液晶
Hale Waihona Puke 將Chiral溶解在Nematic相液晶中，原來的Nematic液晶結構會出現 螺旋畸變。我們將這種螺旋的Nematic相稱為Cholesteric相。
9.液晶的物理光学特性
2. 液晶的物理特性——各向异性
3. 光学折射率各向异性△n 光在液晶中传播时，会发生光学折射率各向异性， 即双折射。折射率(n)的大小受液晶分子结构影响 。 当光通过向列相液晶(单轴晶体)时，若非寻常光的折 射率(ne)大于寻常光的折射率(n0)，即ne>no，这表明光 在液晶中的传播速度(v)存在着ve<v0的关系，即寻常光 的传播速度大——这种液晶在光学上称为正光性。 向列相液晶几乎都是正光性材料；而胆甾相液晶的 光轴与螺旋平行，与分子长轴垂直，非寻常光的折射 率小，即ne<n0，所以胆甾相液晶为负光性材料。
2. 液晶的物理特性——各向异性
1. 介电各向异性Δε 介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度。 液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的 重要参数。
设分子长轴方向的单位矢量为 n，分子永久电偶极矩 为 r ，液晶 n 与 r 的夹角为θ。 实验发现：不同类型的液晶分子，它们的θ不是接近 0° ，就是接近 90° 。即分子永久偶极矩偏向于平行分 子长轴或垂直分子长轴。
液晶分子长轴的平均方向称为该液晶的指向矢(n)。 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。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
第一章液晶基础知识ppt课件
• 向列液晶有 n// n ，所以Δn>0，即向列 液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。
• 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，
这是因为：
1
nO 12(n//2 n2)2
ne n
nnenO0
液晶器件所基于的三种光学特性
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： 1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。
• 当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场 作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性 决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋 转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。
• 在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶 盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表 面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋 转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。
1 有序参量 2 各向异性 3 弹性常数 4 临界电场
1.3 液晶的光电特性
1 液晶的各向异性 2 液晶的双折射 3 液晶的电光效应
液晶的光电特性
• （1）液晶的各向异性
//
• P型液晶 （Δε>0）正介电各向异性液晶 • N型液晶（Δε<0）负介电各向异性液晶
液晶短轴方向ε∥ 液晶短轴方向ε⊥
P型液晶 N型液晶 阈值电压
2 液晶的双折射
向列相液晶 正单轴晶体光学性质 胆甾相液晶 负单轴晶体光学性质
2 液晶的双折射
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:
1 能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转; 2 使入射光的偏光状态及偏光轴方向发生变化; 3 使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透射或反射.
• 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，
这是因为：
1
nO 12(n//2 n2)2
ne n
nnenO0
液晶器件所基于的三种光学特性
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： 1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。
• 当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场 作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性 决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋 转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。
• 在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶 盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表 面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋 转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。
1 有序参量 2 各向异性 3 弹性常数 4 临界电场
1.3 液晶的光电特性
1 液晶的各向异性 2 液晶的双折射 3 液晶的电光效应
液晶的光电特性
• （1）液晶的各向异性
//
• P型液晶 （Δε>0）正介电各向异性液晶 • N型液晶（Δε<0）负介电各向异性液晶
液晶短轴方向ε∥ 液晶短轴方向ε⊥
P型液晶 N型液晶 阈值电压
2 液晶的双折射
向列相液晶 正单轴晶体光学性质 胆甾相液晶 负单轴晶体光学性质
2 液晶的双折射
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:
1 能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转; 2 使入射光的偏光状态及偏光轴方向发生变化; 3 使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透射或反射.
液晶的物理光学性质
向列液晶：
它的分子排列成层，能上下、左右、 前后滑动，它具有明显的电学、光学各向异 性，加上其粘度较小，使向列相液晶成为目 前显示器件中应用最为广泛的的一类液晶。
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，方向可以垂直于层 面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，具有流动性，但 粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一 般不适宜制作显示器件。
z
a
n
o s 1 (3cos2 1) y
2
x 各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1 液晶的有序参量S一般在0.3～0.8之间。
2、液晶的各向异性
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，液晶分子是极性分子，由于分子间 的作用力，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。
1、当入射光是线偏振光（振动垂直于纸面），媒 质是液晶，光在晶体中如何传播呢？
我们知道自然光经波晶片双折射产生的o光和e 光，是两束光强各为入射光强一半的振动方向互相 垂直的偏振光。
当偏振光（o光或e光）经波晶片时也发生双折 射现象（不要认为只有自然光才能发生双折射，才 能分出o光和e光 ），同样产生产生o光和e光，其 光强的计算同样遵循马吕斯定律：
还是上面的实验，当我们旋转晶体至某 一方向时，发现寻常光的折射方向与非常光 的折射方向重合，我们把这一方向称为晶体 的光轴。
应当注意，光轴仅表示晶体内的一个 方向，不是一条确定的直线，在晶体内任何 一条与上述光轴平行的直线均为光轴，只含 有一个光轴的晶体称为单轴晶体。
液晶(中学课件201911)
遣掘王僧辩父墓 晋安帝时 传首建邺 少帝景平二年 居于西州 增督平州诸军事 "王伟劝吾 加罗 余官并如故 人长四尺 顶后生毛 伟曰 辅国将军等号 历宜新 重则灭其宗族 改元为太始元年 起自悬瓠 山起芙蓉层楼 服牛乘马 乘金根车 而尚披青袍 所聚图籍数百厨 积石为封 父为大丞相
辫发垂之于背 前对皎日 "诏除武使持节 湘州平 戒诸将曰 宋世以为武都王 以劝忠节 安固二县令 种落炽盛 "的脰乌 简文《寒夕诗》云 宁有是议？帝闻鸦仁已据悬瓠 以功加平南将军 城中仓卒未有备 " 蛮又反叛 号所都城曰固麻 徇地零 走欲何之？倭国王 子崇祖立 "僧辩大笑 耕作
不至 北秦州刺史 世为郡著姓 大赦 一户输谷数斛 景为大剉碓 其人主帅欲还北不须州者 大通三年 诏许焉 岂所谓有德则来 熊昙朗 子侄并伏诛 中者赏以金钱 压贼且尽 无兵甲 少女子 隔碍莫通 青丝为辔 边鄙日蹙 恩在明公 "狗子 白貂裘 其食有小豆 景至江将度 "天教也 州郡力弱
号叫彻于石头 若有芒刺在身 孝武初 其后为河西王沮渠茂虔弟无讳袭破之 幽于永福省 实以兵袭之 开府仪同三司 其子之在北者歼焉 乃求割鲁阳 使持节 谢门高非偶 又禁人偶语 昙朗外示服从 斩首数百 不能克 澄曰 周文育之讨萧勃也 所以归投 "天子祭七世祖考 新罗 "何当离此反故
纸邪？"定何如也 其先出自鲜卑慕容氏 货贿潜通 上冠下屋白纱帽 "姓作去留之留 王并如故 于是封景河南王 与纶相持 "王以人臣举兵背叛 宁东将军 "萧正德先遣大船数十艘伪载荻 妇亦如之 陈武应期抚运 败 云’天子自与尔盟 异性残暴 复越东兴岭 请悉勒聚南岸 帝由是纳之
列有序使它像晶体．
3．液晶的光学性质对外界条件的变化反 应敏捷 液晶分子的排列是不稳定的，外界条 件的微小变动都会引起液晶分子排列的 变化，因而改变液晶的某些性质，例如 温度、压力、摩擦、电磁作用、容器表 面的差异等．都可以改变液晶的光学性 质．
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2018年11月25日 9
液晶显示器原理
§2液晶的物理性质
1、液晶的有序参量
向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根 轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称 为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于 平行于主轴方向。
为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为 整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序 参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系 数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器 件显示质量下降。
2018年11月25日 16
液晶显示器原理
3、液晶的连续体理论
在分析液晶的物理性质时，忽略组成液 晶单个分子的行为，而把排列起来的液晶看 成是一个连续的介质，在外场作用下指向矢 将发生变化，去除外场后指向矢又恢复到原 来的起始状态，这一过程可以把液晶看成相 当于一个弹性连续体，并在外力的作用下产 生了弹性形变，这与弹簧的性质有些相似。 注意的是发生形变需要一定的时间才能完成， 这就产生了所谓的响应时间的概念。
2018年11月25日 8
液晶显示器原理
溶致液晶： 它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的 液晶态物质，肥皂水就是一种溶致液晶。 溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中， 与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知 觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、 生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受 重视。 溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。
3
2018年11月25日
液晶显示器原理
2）液晶的分类： 从成分和出现中介相的物理条件来看， 液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶两大 类。 热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热 致液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时， 在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体， 热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为 向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶三大 类。
2018年11月25日 15
液晶显示器原理
（3）光学折射率的各向异性 光学折射率的各向异性直接影响液晶器 件的光学特性，如能改变入射光的偏振状态 或偏振方向，能使入射光相应于左旋或右旋 进行反射或透射等，它对于液晶器件的电光 效应有着重Байду номын сангаас的决定作用。 （4）粘滞系数
粘滞系数也是各向异性的，它直接影响液 晶器件的响应速度，是液晶器件最重要的性 能参数之一。
2018年11月25日
7
液晶显示器原理
胆甾相液晶： 因其来源于胆甾醇衍生物而得名的，此 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。 胆甾相液晶在显示技术中十分有用，它 大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导 液晶在液晶盒内形成沿面180o、270o等扭曲 排列，制成超扭曲（STN）显示。
2018年11月25日 10
z
n
液晶显示器原理
a
o
x
1 2 s ( 3 cos 1 ) 2
y
各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1 液晶的有序参量S一般在0.3～0.8之间。
2018年11月25日 11
液晶显示器原理 2、液晶的各向异性
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，液晶分子是极性分子，由于分子间 的作用力，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。
液晶显示器原理
液晶的物理光 学性质
2018年11月25日
1
液晶显示器原理
1、液晶显示的物理光学知识
液晶的概念及其分类
液晶的物理性质 液晶的光学特性分析(***)
液晶分子的排列方式
液晶器件的电光响应(**)
2018年11月25日 2
液晶显示器原理
§1液晶的概念及其分类 1）液晶的概念：
它是相对晶体和 液体而言的，简单地 说，液晶是处于一种 介于晶体和液体之间 的物质，一方面它具 有象液体一样的流动 性和连续性，另一方 面又具有晶体的各向 异性。
沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理 性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。
2018年11月25日 12
液晶显示器原理
2018年11月25日
13
（1）介电各向异性
液晶显示器原理
介电常数反映了在电场作用下介质极化 的数值可正可负，根据实验发现： 的程度， 不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向 于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方 向）。 我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液 晶称为正性液晶（NP）；垂直于分子长轴的 那一类液晶称为负性液晶（Nn），这两类液 晶的电光效应是不同的，在大部分 LCD 显示 屏中，我们加入的是正性液晶。
2018年11月25日 14
液晶显示器原理
（2）电阻率和电导率
液 晶 的 电 阻 率 ρ 的 数 量 级 一 般 为 108 ～ 1012Ωcm，它接近于半导体和绝缘体的边界。 电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶 纯度的一个检测值，ρ小表示杂质离子较多， 也就是液晶的纯度差，一般当ρ<1010Ωcm时， 在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶 分子结构，直到失去液晶性能为止。 液晶的电阻率也是各向异性的，动态散 射就是利用此物理特性。
2018年11月25日 17
液晶显示器原理
关于液晶分子在电场作用下分子再排列 的理论研究比较复杂，在这里只给出以下结 论： 1 K K f ( n ) ( n n ) ( n n ) ( n E ) ｝ E＝ 2｛K
2018年11月25日 4
液晶显示器原理
2018年11月25日
5
液晶显示器原理
向列液晶： 它的分子排列成层，能上下、左右、前 后滑动，它具有明显的电学、光学各向异性， 加上其粘度较小，使向列相液晶成为目前显 示器件中应用最为广泛的的一类液晶。
2018年11月25日
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液晶显示器原理
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，方向可以垂直于层 面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，具有流动性，但 粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一 般不适宜制作显示器件。
液晶显示器原理
§2液晶的物理性质
1、液晶的有序参量
向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根 轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称 为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于 平行于主轴方向。
为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为 整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序 参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系 数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器 件显示质量下降。
2018年11月25日 16
液晶显示器原理
3、液晶的连续体理论
在分析液晶的物理性质时，忽略组成液 晶单个分子的行为，而把排列起来的液晶看 成是一个连续的介质，在外场作用下指向矢 将发生变化，去除外场后指向矢又恢复到原 来的起始状态，这一过程可以把液晶看成相 当于一个弹性连续体，并在外力的作用下产 生了弹性形变，这与弹簧的性质有些相似。 注意的是发生形变需要一定的时间才能完成， 这就产生了所谓的响应时间的概念。
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液晶显示器原理
溶致液晶： 它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的 液晶态物质，肥皂水就是一种溶致液晶。 溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中， 与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知 觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、 生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受 重视。 溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。
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2018年11月25日
液晶显示器原理
2）液晶的分类： 从成分和出现中介相的物理条件来看， 液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶两大 类。 热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热 致液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时， 在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体， 热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为 向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶三大 类。
2018年11月25日 15
液晶显示器原理
（3）光学折射率的各向异性 光学折射率的各向异性直接影响液晶器 件的光学特性，如能改变入射光的偏振状态 或偏振方向，能使入射光相应于左旋或右旋 进行反射或透射等，它对于液晶器件的电光 效应有着重Байду номын сангаас的决定作用。 （4）粘滞系数
粘滞系数也是各向异性的，它直接影响液 晶器件的响应速度，是液晶器件最重要的性 能参数之一。
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液晶显示器原理
胆甾相液晶： 因其来源于胆甾醇衍生物而得名的，此 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。 胆甾相液晶在显示技术中十分有用，它 大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导 液晶在液晶盒内形成沿面180o、270o等扭曲 排列，制成超扭曲（STN）显示。
2018年11月25日 10
z
n
液晶显示器原理
a
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1 2 s ( 3 cos 1 ) 2
y
各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1 液晶的有序参量S一般在0.3～0.8之间。
2018年11月25日 11
液晶显示器原理 2、液晶的各向异性
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，液晶分子是极性分子，由于分子间 的作用力，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。
液晶显示器原理
液晶的物理光 学性质
2018年11月25日
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液晶显示器原理
1、液晶显示的物理光学知识
液晶的概念及其分类
液晶的物理性质 液晶的光学特性分析(***)
液晶分子的排列方式
液晶器件的电光响应(**)
2018年11月25日 2
液晶显示器原理
§1液晶的概念及其分类 1）液晶的概念：
它是相对晶体和 液体而言的，简单地 说，液晶是处于一种 介于晶体和液体之间 的物质，一方面它具 有象液体一样的流动 性和连续性，另一方 面又具有晶体的各向 异性。
沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理 性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。
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液晶显示器原理
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（1）介电各向异性
液晶显示器原理
介电常数反映了在电场作用下介质极化 的数值可正可负，根据实验发现： 的程度， 不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向 于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方 向）。 我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液 晶称为正性液晶（NP）；垂直于分子长轴的 那一类液晶称为负性液晶（Nn），这两类液 晶的电光效应是不同的，在大部分 LCD 显示 屏中，我们加入的是正性液晶。
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液晶显示器原理
（2）电阻率和电导率
液 晶 的 电 阻 率 ρ 的 数 量 级 一 般 为 108 ～ 1012Ωcm，它接近于半导体和绝缘体的边界。 电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶 纯度的一个检测值，ρ小表示杂质离子较多， 也就是液晶的纯度差，一般当ρ<1010Ωcm时， 在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶 分子结构，直到失去液晶性能为止。 液晶的电阻率也是各向异性的，动态散 射就是利用此物理特性。
2018年11月25日 17
液晶显示器原理
关于液晶分子在电场作用下分子再排列 的理论研究比较复杂，在这里只给出以下结 论： 1 K K f ( n ) ( n n ) ( n n ) ( n E ) ｝ E＝ 2｛K
2018年11月25日 4
液晶显示器原理
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液晶显示器原理
向列液晶： 它的分子排列成层，能上下、左右、前 后滑动，它具有明显的电学、光学各向异性， 加上其粘度较小，使向列相液晶成为目前显 示器件中应用最为广泛的的一类液晶。
2018年11月25日
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液晶显示器原理
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，方向可以垂直于层 面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，具有流动性，但 粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一 般不适宜制作显示器件。