第三章液晶显示

★ 1889年，德国物理学家D·Leimann也发现了这 种粘稠液体，将其命名为“液晶”，简称为“LC”。
★ 1961年，美国无线电公司（RCA）普林斯顿研究 所的一位年轻工作者海麦尔将电子学知识用于液晶的 光学特性研究，取得了很大进展。
★ 1968年，海麦尔及其研究小组制成了世界上第一 台液晶平板显示器，从此开始了液晶显示的新纪元。
3.2 液晶的物理特性
一、液晶的有序参量
S 1 (3cos2 1)
2
其中，n为全体液晶分子的择优取向方 向，θ为个别液晶分子长轴方向与n的偏 离角。
S与温度T的关系：
z,n θ
S = K[(TC - T)/TC ]
S为有序参量，K为比例系数，TC为向列型液晶的清亮点。
二、液晶的各向异性
个振动的磁场强度矢量 H， E 和 H互相垂直，且都与
光速 c的方向垂直。
★ 电磁波的传播速度： v 1

介质的折射率：

n c / v = rr
ELeabharlann ★ E与 B的关系：E v B

称 E 为光矢量。 H
c
1、自然光和偏振光 ⑴自然光：光在各方向上振动的振幅相同的光。
没有优势方向 自然光的分解 ⑵线偏振光：在垂直于传播方向的平面内，光矢量只
n n// n
向列液晶和近晶液晶有n// n ，所以Δ n>0，即向列
液晶和近晶液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。
no n n
ne n
光轴
胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为：
no

1 2
(n// 2

1/ 2
n2
)

ne n
n ne no 0
等）折射后分成两束的现象。
寻常光：折射光线遵守折射 定律，折射率为常数，其折 射光线总在入射面内，简称 o 光（ordinary）；
非寻常光：折射光线不遵守折射定律， 折射率不为常数，其折射线不一定在入 射面内，简称 e 光（extrordinary） 。
o光 e光
晶体有一个（或多个）方向，沿该方向寻常光与非 寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。晶体 按光轴数量分可分为单轴晶体和双轴晶体。
光轴
光轴
ve vO
vO
ve
正晶体
负晶体
三、偏振光的干涉
单色自然光经P1后成为线偏振光，通过晶片C后， 又成为两束不相干的线偏振光，再经P2 后，就成为 频率相同，振动方向相同而相位差恒定的相干光， 从而产生偏振光干涉。
偏振片P1 单色自然光
晶片C
Ae 偏振片P2
d AO
偏振化方向
光轴方向
光轴方向
T

1 2
sin2 (
2 1
1
2
2
)
式中＝2d
n

4、弹性系数 描述液晶分子弹性形变的物理量。在不同方向有不
同形式的形变和弹性系数。
k33 k11 k22
k11展曲弹性系数，k22扭曲弹性系数，k33弯曲弹性系数
主要影响液晶显示器件的响应速度和多路驱动能力。
5、粘滞系数 粘滞系数小则液体易流动，分子排列易改变。液晶
3、折射率各向异性
n n// n
Δn>0，其光学各向异性等同于正单轴晶体 Δn<0，其光学各向异性等同于负单轴晶体
Δn与偏振、旋光、折射及干涉所引起的电光效应有 直接关系，特别对彩色显示液晶来说，显示各种波长 的强度与Δn有关。
液晶显示器的光透过率与液晶折射率各向异性和 液晶盒厚度的关系：
主平面：光的传播方向与晶体光轴构成的平面。
主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。
光轴
光轴
法线
光线 主平面
光线 主截面
o光和e光都是线偏振光，但o光的振动方向垂直于 自己的主平面，而e光的振动平行于自己的主平面。 当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，o光与e光 的主平面相重合，o光与e光的振动方向相互垂直。
no 螺旋轴
无论是光学正液晶还是 光学负液晶，都满足：
n// n
ne n
光轴
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：
⑴能使入射光的前进方向向液晶分子长轴的方向偏转；
当入射光线与液晶分子长轴夹角为θ时，将进入液 晶的光沿平行长轴和垂直长轴的方向分解：
v //
c//
⑵向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶
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。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自 由移动，像液体一样富于流动性。光学特性像单轴晶体， 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。
⑶胆甾相液晶（Cholesteric），也称螺旋状液晶
当螺距和波长相当时，若入射的偏振光的旋光方向与 液晶的旋光方向相同，则入射光将被反射，若入射的偏 振光的旋光方向 与液晶的旋光方向不同，则入射光将 透过液晶层。
液晶的电阻率ρ的数量级在 108 1012 cm，接近绝 缘体。电阻率越高，液晶材料的稳定性越好，功耗电流 越低。
电阻率的倒数称为电导率，电导率越大导电性越好， 同时液晶的电导还与它的纯度有关，纯度越高导电性越 差。
液晶的电导率各向异性用平行于长轴方向的电导率与 垂直于电导方向的电导率的比值来表示。
θ≈0，正性液晶，NP
θ≈π/2，负性液晶，Nn
液晶短轴 方向ε⊥
液晶的各向异性：
//
P型液晶（Δε>0） N型液晶（Δε<0）
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。
E Np
＋
＋
E
－
－
Nn
2、电导各向异性
沿一个固定方向振动。
传 播方向
E 振动 面
从面对光传播的方向看
⑶部分偏振光：光波中虽然包括一切方向的振动，但 不同方向上的振幅不等，某些方向振动强，某些方 向振动弱。

⑷椭圆偏振光
y´
可由两列频率 相同，振动方向
出射光
Ao
互相垂直，且沿
θ
同一方向传播的
线偏振光叠加得
到。
π＞δ ＞0
y´
入射光 出射光
2、溶致液晶和热致液晶 溶致液晶：某些有机物溶解在水或有机溶剂中显示出 液晶态， 热致液晶：某些有机物要在一定的温度范围内呈现出 液晶状态。 互变相变（可逆相变）：
单变相变：
热致液晶分类： ⑴近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶
棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子 长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。 层与层之间的作用力较弱，易滑动，具有二维的流动 性。近晶相液晶的粘度与表面张力较大，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。 光学上显示正双折射性。
1

2
(nO

ne )d
若A1O与A2e方向相反，产生附加相位差 2


1

2

2
(nO

ne )d

两束光叠加后总光强：
I

A12
sin2
2
sin2

2
450
I A12 (1 cos )
2


2k (2k 1)
减弱 加强
二、液晶显示的特点
1、低电压、低功耗
2、平板结构 3、被动显示 优 4、显示信息量大 点 5、易于彩色化 6、长寿命 7、无辐射、无污染
1、显示视角小
缺 点
2、响应速度慢
3、亮度由背光源决定。
三、液晶的分类 1、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。
液晶即具有液体一样的流动性和连续性，又具有晶体 一样的各向异性。
向分解为E// 和 E，由于 n// n ，经过液晶后 E//和 E
产生的相位滞后不同，叠加后偏振状态或偏振方向发 生变化。
当线偏振光入射到指向矢有扭曲的液晶（如手征
丝状相液晶）上时的情况：
当p 时，通过手征丝状相液
y
晶传播的光仍为线偏光，且偏振方 向跟随指向矢转动，被称为沿螺旋
k 1，2，3
在偏振光干涉中：
（1）对一定波长的入射光来说，屏幕上的明暗由晶体 厚度d 决定；
（2）用白光进行实验时在晶体中厚度均匀的情况下， 屏上出现一定色彩合成的混合色。
3.3 液晶的光学特性
对于向列液晶和近晶液晶，分子长轴的指向矢 n 的方
向就是单轴晶体的光轴，用n⊥表示no，n∥表示ne。 折射率各向异性：
12
轴传播的波导区域。
x
⑶使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。 某些光轴垂直于表面切取的晶体，当入射线偏振光
在晶体内沿着光轴传播时，光矢量振动方向随传播距 离逐渐转动的现象为旋光现象。
d
为旋光度，d为传播距离。
旋光现象除了与晶体有关外还与入射光的波长有关 （可由菲涅尔理论推导），旋光现象有左旋和右旋之 分。
（1）通过P2 产生一束线偏振光。 （2）通过C 产生o光、e光
AO A1 sin Ae A1 cos
（3）通过P2 两束相干光的振幅分别为：
A2O AO cos A2e Ae sin
(若P1 P2, 则A2O＝A2e )
P1 A1

C Ae
AO
P2
A2O
A2e
两束光在晶片C中产生的相位差
Ao
Ae
θ
x´
-π＜δ ＜0