第一章 液晶基础知识

TN-LCD工作原理
用TN-LCD制作的常用液晶显示器件
• 1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器, 日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成 本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产， 从而成为主流产品。在1979 年～1984年间，其 产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年增 长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次于 CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业界的极 大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱 增。 • TN-LCD的信息容量小，只能用于笔段式数字显 示及低路数（16线以下）驱动的简单字符显示。
• 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⊥
外场作用下的取向
• 在外电场作用下，分子的排列极易发生变 化，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。 • 目前液晶显示器主要应用P型液晶。 • 使液晶分子排列发生变化的临界电场强度 1 为 E ( K / ) 2
图3.6 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系
• 1985年～1990年,LCD销售额年均增长率 达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它 从发明到批量生产仅用了五年时间。 • 由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、 对比度好等特点 ,很快在大信息容量显示的 膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文 打字机、图形处理机、电子翻译机及其它 办公和通信设备（手机）中获得广泛应用, 并成为该时代的主流产品。 • 1990年销售额15亿美元,占整个LCD市场的 83%。
3 超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)
超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD） （1985～1990年）
• 第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭 曲”即扭曲角大于90°。 • TN型液晶显示器件缺点： 电光响应前沿不够陡峭， 反应速度慢， 阈值效应不明显。 使得大量显示和视频显示等受到了限制。
• 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。
• 近晶相液晶（Smectic）又称层 状液晶
隧道显微镜下的近晶相 层状液晶
• 近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分 子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相 互平行，其方向可以垂直于层面或与层面 成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容 易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶 相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸 有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温 度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正 的双折射性。
向列型液晶: 正的双折射效应 近晶型液晶: 正的双折射效应 胆甾型液晶: 负的双折射效应
1.2 液晶的物理特性
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
//
• 玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰 亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向 一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正 交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。 • 由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻 璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层 定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃 之间呈90°扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称 的由来。
3 液晶的电光效应
动态散射效应 电流效应 存储效应 排列相畸变效应 电光效应 混合排列相畸变效应 电场效应扭曲向列效应（TN） 相转变效应（PC） 宾主效应(GH )
1.4 液晶显示器件简介
1 动态散射型液晶显示器件(DS-LCD) 2 扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD) 3 超扭曲向列液晶显示器件(STN-LCD)
液晶的电光效应
• 液晶材料在施加电场（电流）时，其光学 性质会发生变化，这种效应称为液晶的电 光效应。 • 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被 广泛采用。目前发现的电光效应种类很多， 产生电光效应的机理也较为复杂，但就其
本质来讲都是液晶分子在电场作用下 改变其分子排列或造成分子变形的结 果。
1 液晶的各向异性
2 扭曲向列液晶显示器件(TN-LCD)
扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD） （1971年～1984年）
• 属第二代液晶显示器件。它是最常见的一 种液晶显示器件。
• 将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有 介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约 为数微米。
th C
• 即阈值电压 Vth (Kii / )
1 2
液晶的双折射
• 以P型为例，长轴为光轴 ne n// n0 n • 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
1 2 2 2 nO (n // n ) 2
图3.5 TN-LCD响应速度
• 80年代初，人们经过理论分析和实验发现， 只要将分子的扭曲角增加到180°~270°时， 就可大大提高电光特性的响应速度。 • 随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当 扭角达到270°时，斜率达到无究大。 • 曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可 获得敏锐的锐度和宽的视角。
C
d
ii
• 式中K ii为弹性常数，d为液晶盒的厚度。当 液晶分子沿液晶合玻璃表面排列 Kii K11 时， K K ；当液晶分子垂直于玻璃表面 ii 33 时， ；而当液晶分子扭曲排列 时， K ii K11 ( K 33 2K 22。4 )/ • 换算为电压 V E d
• 这种黑色的显示称正显示。同样如果将偏 振片平行放置，则可得到负显示。扭曲效 应的阈值电压为 1 2 2 U th [ K11 ( K 33 2 K 32 ) 0 ] 0
K K 式中， 11为弯曲弹性常数； 22为扭曲弹性常 K 数； 33为展面弹性常为； 0 为上下玻璃基板 U th U 平行处理后的扭曲角。由式可知 越大， th 越小，有几种 很大的液晶，可使 下 降到1.0V左右。
• 胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶
– 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层 内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在 层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每 层分子都会旋转一个角度。 – 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波 长的数量级。 – 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左 旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时， 会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色 彩。 – 胆甾型液晶具有负的双折射性质。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。 – 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感， 由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液 晶随温度改变颜色。
1 动态散射型液晶显示器件(DS-LCD)
动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件 （1968年～1972年）
• 在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。 • 当通过低频交流电时，当电压超过阈值电 压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动 而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增 加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰 动，并对光产生强烈的散射。 • DS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较 大，一般在背面衬以黑色衬底。.
• 2. 单变相变
液晶分类（按热致液晶分子排列状 态） • 向列相液晶（Nematic）
又称丝状液晶
向列液晶在偏光显微镜下的图
• 向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成， 保持与轴向平行的排列状态。因为分子的 重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由 移动，所以像液体一样富于流动性。正由 于向列型液晶分子的这种一致排列，使得 它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折 射性。对外界的电、磁、温度、应力都比 较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。
第一章 液晶基础知识
第一章 液晶基础知识
1.1 液晶的类型及结构 1.2 液晶的物理特性 1.3 液晶的光电特性 1.4 液晶显示器件简介
1.1 液晶的类型及结构
1 向列型液晶(丝状液晶) 2 近晶型液晶(层状液晶) 3 胆甾型液晶(螺旋状液晶)
ห้องสมุดไป่ตู้ • 什么是液晶？
液晶的发现
• 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的 植物学家F· Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂 实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后， 结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体， 而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美 丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明 的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ • 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观 察，发现这种液体具有双折射性。 • 于是德国物理学家D· Leimann将其命名为“液 晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显 示器件被称为LCD。
液晶态是物质的一种形态
• 液晶实际上是物质的一种形态，也有人称 其为物质的第四态。 • 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。 前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液 晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈 现出液晶状态。 • 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。
3.1、液晶基本知识
• 1. 互变相变（可逆相变）
ne n
n ne nO 0
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。
P型液晶 N型液晶 阈值电压
2 液晶的双折射
向列相液晶 胆甾相液晶 正单轴晶体光学性质 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.