华中科技电子显示技术03-液晶与LCD显示原理
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正是基于液晶所具有的上述物理性质的各向异性，再与其通 过施加电压及加热等，分子排列容易发生再排列的现象相组合， 才展现了以液晶显示为代表的液晶的各式各样、丰富多彩的应用。
液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列，在处理 液晶物理性质的各向异性时十分重要。参照图2-3
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第二章 液晶与液晶显示器
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第二章 液晶与液晶显示器
4 属于非主动发光型显示，即使在明亮的场所，显 示也是鲜明的；
5 容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及 显示的多样化
6 可以进行投影(扩大)显示及组合(集成)显示，因 此容易实现大画面显示(对角线为数米的显示)。
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第二章 液晶与液晶显示器
第二章 液晶与液晶显示器
2.1 液晶与液晶显示器(LCD) 2.2 液晶用于显示的物理性能 2.3 LCD的各种显示方式及其工作原 理和特性
2.4 各种类型的液晶材料 2.5 LCD的构造与制作 2.6 LCD的各种驱动方式 2.7 LCD的技术发展动向
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第二章 液晶与液晶显示器
晶体（固态）各向 T1
异性
熔点
液晶态有 序流体
T2 液态各 清亮点 向同性
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第二章 液晶与液晶显示器
液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般 为细长的棒状或扁平的板状。液晶相中这些分子的排列 状态一般取图2-2所示的特殊的排列方式，即按图中所示 排列方式的不同，液晶可分为层列(smectic)液晶、向列 (nematic)液晶、胆甾相(cholesteric)液晶等几大类。
Z
a
图中n为着眼于全体液晶分
n
子时，分子长wk.baidu.com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
0
φ
Y 方向a相对于n的偏离角。
X
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液晶分子排列的有序程度，由下式所定义 的分子排列的有序化参数S来表述:
S1 3co2s1
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第二章 液晶与液晶显示器
像各向同性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合， S=0；所有分子完全平行取向的理想液晶,S=1。通常，向 列液晶的有序化参数S也与温度相关，取值有一定范围， 一般S=0.3~0.8。
LCD在具有上述优点的同时，也存在实用上的缺点： 1.由于属于非主动发光型，在采用反射方式进行
显示时，在比较暗的场所，显示不够鲜明； 2.在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背
置光； 3.一般说来，显示对比度与观察方向相关，因此，
视角的扩大受到限制； 4.响应时间与周围温度有关，低温(-30℃~-40℃)
时工作不能充分保证。
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第二章 液晶与液晶显示器
2.2.1 物理性质的各向异性
液晶分几大类(参照图2-2)，但无论哪一类，在分子的长轴相 互平行排列这一点上是共同的。从而，液晶物质的折射率ｎ，介 电常数ε，磁化率χ，电导σ，粘度η等各种物理性质，在液晶分子 长轴的方向(∥)和与其垂直的方向(⊥)有很大的不同，即存在各向 异性(n∥≠n⊥，ε∥≠ε⊥，χ∥≠χ⊥，η∥≠η⊥)。
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第二章 液晶与液晶显示器
层列(smectic)液晶
在层列液晶中，棒状分子排成 层状结构，层内分子长轴互相平行， 每层厚度约2～8埃，与层面近似垂 直。这种分子层间的结合较弱，层 与层间易于相互滑动，用手模，有 肥皂的滑腻感，因此，层列液晶显 示出二维液体的性质。但与通常的 液体相比，其粘度要高得多。在光 学上具有正性双折射性。
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第二章 液晶与液晶显示器
胆甾相(cholesteric)液晶
胆甾相液晶与层列液晶同样 形成层状结构，分子长轴在层面 内与向列液晶相似呈平行排列。 但是相邻层面间分子长轴的取向 方位多少有些差别，整个液晶形 成螺旋结构，螺距约为300nm。 胆甾相液晶的各种光学性质，例 如旋光性、选择性光散射、圆偏 光二色性等都是基于这种螺旋结 构。
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第二章 液晶与液晶显示器
向列(nematic)液晶
在向列液晶中，棒状分子都以相同 的方式平行排列，每个分子在长轴方向 可以比较自由地移动，不存在层状结构。 因此，富于流动性，粘度较小。
可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。
在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列，在电 压及热等的作用下，其分子排列发生有别于其他分子排列的变化。 伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、二色性、 光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化。 也就是说，液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动 发光型(受光型)显示。
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第二章 液晶与液晶显示器
2.1.3 LCD的特征
LCD最大的特征是兼备薄型、轻量、低功耗、低工 作电压等。 LCD优点如下： 1 由于低功耗(几至几十微瓦每平方厘米)，利用电池即 可长时间运行，属于省能源型； 2 低电压运行(几十伏[特])，可由IC直接驱动，驱动电 子回路小型、简单。 3 元件为薄型(几毫米)，而且从大型显示(对角线长几十 厘米)到小型显示(对角线长几毫米)都可以满足，特别适 用于便携式装置；
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第二章 液晶与液晶显示器
2.1.2 液晶与显示
通过上述讨论可以看出，液晶的分子排列结构，并不像晶体结 构那样坚固。因此，在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响 下，其分子容易发生再排列，由此液晶的各种光学性质发生变化。 液晶所具有的这种柔软的分子排列，正是其用于显示器件、光电器 件、传感器等的基础。
2.1.1 液晶
液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的主要构材料为液晶。所谓液 晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是 具有光学双折射性的晶体。这大概便是液晶这个名词的来源。1888年奥地 利的植物学家F．Reinitzer在胆甾醇的苯（甲）酸及醋酸酯化合物中发现了 液晶状态。
液晶分子到底有多大程度的有序或单一方向的排列，在处理 液晶物理性质的各向异性时十分重要。参照图2-3
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第二章 液晶与液晶显示器
4 属于非主动发光型显示，即使在明亮的场所，显 示也是鲜明的；
5 容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及 显示的多样化
6 可以进行投影(扩大)显示及组合(集成)显示，因 此容易实现大画面显示(对角线为数米的显示)。
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第二章 液晶与液晶显示器
2.1 液晶与液晶显示器(LCD) 2.2 液晶用于显示的物理性能 2.3 LCD的各种显示方式及其工作原 理和特性
2.4 各种类型的液晶材料 2.5 LCD的构造与制作 2.6 LCD的各种驱动方式 2.7 LCD的技术发展动向
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晶体（固态）各向 T1
异性
熔点
液晶态有 序流体
T2 液态各 清亮点 向同性
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第二章 液晶与液晶显示器
液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般 为细长的棒状或扁平的板状。液晶相中这些分子的排列 状态一般取图2-2所示的特殊的排列方式，即按图中所示 排列方式的不同，液晶可分为层列(smectic)液晶、向列 (nematic)液晶、胆甾相(cholesteric)液晶等几大类。
Z
a
图中n为着眼于全体液晶分
n
子时，分子长wk.baidu.com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
0
φ
Y 方向a相对于n的偏离角。
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液晶分子排列的有序程度，由下式所定义 的分子排列的有序化参数S来表述:
S1 3co2s1
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第二章 液晶与液晶显示器
像各向同性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合， S=0；所有分子完全平行取向的理想液晶,S=1。通常，向 列液晶的有序化参数S也与温度相关，取值有一定范围， 一般S=0.3~0.8。
LCD在具有上述优点的同时，也存在实用上的缺点： 1.由于属于非主动发光型，在采用反射方式进行
显示时，在比较暗的场所，显示不够鲜明； 2.在需要鲜明的显示及彩色显示的场合，需要背
置光； 3.一般说来，显示对比度与观察方向相关，因此，
视角的扩大受到限制； 4.响应时间与周围温度有关，低温(-30℃~-40℃)
时工作不能充分保证。
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第二章 液晶与液晶显示器
2.2.1 物理性质的各向异性
液晶分几大类(参照图2-2)，但无论哪一类，在分子的长轴相 互平行排列这一点上是共同的。从而，液晶物质的折射率ｎ，介 电常数ε，磁化率χ，电导σ，粘度η等各种物理性质，在液晶分子 长轴的方向(∥)和与其垂直的方向(⊥)有很大的不同，即存在各向 异性(n∥≠n⊥，ε∥≠ε⊥，χ∥≠χ⊥，η∥≠η⊥)。
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第二章 液晶与液晶显示器
层列(smectic)液晶
在层列液晶中，棒状分子排成 层状结构，层内分子长轴互相平行， 每层厚度约2～8埃，与层面近似垂 直。这种分子层间的结合较弱，层 与层间易于相互滑动，用手模，有 肥皂的滑腻感，因此，层列液晶显 示出二维液体的性质。但与通常的 液体相比，其粘度要高得多。在光 学上具有正性双折射性。
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第二章 液晶与液晶显示器
胆甾相(cholesteric)液晶
胆甾相液晶与层列液晶同样 形成层状结构，分子长轴在层面 内与向列液晶相似呈平行排列。 但是相邻层面间分子长轴的取向 方位多少有些差别，整个液晶形 成螺旋结构，螺距约为300nm。 胆甾相液晶的各种光学性质，例 如旋光性、选择性光散射、圆偏 光二色性等都是基于这种螺旋结 构。
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第二章 液晶与液晶显示器
向列(nematic)液晶
在向列液晶中，棒状分子都以相同 的方式平行排列，每个分子在长轴方向 可以比较自由地移动，不存在层状结构。 因此，富于流动性，粘度较小。
可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。
在用于液晶显示的情况下，液晶的特定的初始分子排列，在电 压及热等的作用下，其分子排列发生有别于其他分子排列的变化。 伴随这种分子排列的变化，液晶盒的双折射性、旋光性、二色性、 光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可以转变为视觉变化。 也就是说，液晶显示是利用液晶盒的光变换进行显示，属于非主动 发光型(受光型)显示。
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第二章 液晶与液晶显示器
2.1.3 LCD的特征
LCD最大的特征是兼备薄型、轻量、低功耗、低工 作电压等。 LCD优点如下： 1 由于低功耗(几至几十微瓦每平方厘米)，利用电池即 可长时间运行，属于省能源型； 2 低电压运行(几十伏[特])，可由IC直接驱动，驱动电 子回路小型、简单。 3 元件为薄型(几毫米)，而且从大型显示(对角线长几十 厘米)到小型显示(对角线长几毫米)都可以满足，特别适 用于便携式装置；
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第二章 液晶与液晶显示器
2.1.2 液晶与显示
通过上述讨论可以看出，液晶的分子排列结构，并不像晶体结 构那样坚固。因此，在电场、磁场、温度、应力等外部刺激的影响 下，其分子容易发生再排列，由此液晶的各种光学性质发生变化。 液晶所具有的这种柔软的分子排列，正是其用于显示器件、光电器 件、传感器等的基础。
2.1.1 液晶
液晶显示器(liquid crystal display，LCD)的主要构材料为液晶。所谓液 晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是 具有光学双折射性的晶体。这大概便是液晶这个名词的来源。1888年奥地 利的植物学家F．Reinitzer在胆甾醇的苯（甲）酸及醋酸酯化合物中发现了 液晶状态。