显示课课件5之液晶显示器(lcd) 2014.11.14

液晶显示器（LCD）,广东工业大学 王 衢,显示技术,一、发展历程与特点,某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段，在该阶段物体还兼具有晶体的性质，继续加热才成为各项同性的液态,这就是世界上第一次发现的热致液晶胆甾醇苯甲酸酯,1961年，美国无线电公司（RCA）的电子学专家G. H. Heilmeier把电子学应用于有机化学，发现在液晶两端加上电压，会出现各种各样的电光效应，由此想到把液晶应用到显示领域,1968年RCA公布液晶发明,1969年，日本开始把大规模集成电路与液晶相结合,日本人从液晶手表、计算器等低档产品起步，直到开发出多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器,2. 主要特点,低功耗： 23v 工作电流几个微安,平板结构,两片导电玻璃，中间夹着液晶,高开口率、面积可做大做小、便于大规模生产、器件很薄,被动显示,液晶本身不发光，靠调节外光而达到显示目的。被动显示更适合人类的视觉特性，不易引起眼部疲劳。,显示信息量大,像素之间没有隔离，同样显示窗口可容纳更多像素,易于彩色化,液晶通常无色，可加滤色膜实现彩色,长寿、无辐射、污染,3. 主要缺点,显示视角小 液晶显示利用了液晶的各向异性，不同方向光的反射率不同。随视角变大，对比度下降,响应速度慢,电场作用下，液晶排列发生变化。响应速度收粘滞度影响很大,零下几十度就不能个工作，温度过高液晶也会受到影响,动态特性较差,暗时看不清,4 液晶的分类,晶体之所以有各向异性，是因为晶体分子是按一定规则排列的,（1）近晶相液晶（层状、S型）,分子排成层，层内分子长轴互相平行，可能垂直于层面，或倾斜排列,排列规整，接近晶体，二维有序。有16种，SA，SB，SC等等,（2）向列相液晶（丝状、S型·）,粘度大、不易转动，响应速度慢。一般不适宜做显示器件。用于显示，厚度要小于24微米，工艺要求较高,由长径比大的棒状分子构成。分子不排成层，可上下、左右、前后滑动。所有液晶长轴大体指向一个方向。流动性强，粘度小，相互作用力小，易于控制。是显示器件中最常使用的液晶材料,（3）胆甾相液晶（螺旋状，CH型）,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。不同层分子稍有变化，沿层的法线方向列成螺旋状。,这里显示了半个周期,二、 晶体光学简介,1 双折射现象,冰洲石,光在晶体里变成了两束，折射程度不同。与普通玻璃的单折射完全不同,垂直入射到冰洲石上的光被折射为两束。偏离的那一束明显违反折射定律，而另一条遵守折射定律,晶体内的两条折射光线，一条总是遵守折射定律，称为寻常光（o光），另一条经常违反折射定律，称为非寻常光（e光）,2 晶体光轴,冰洲石中存在一个特殊方向，光沿这个方向传播时o、e光不分开。这个特殊方向叫做晶体的光轴（与几何光学中的光轴不是一个概念）,AB两个顶点的连线方向就是光轴方向,光轴是方向，不是某条特定直线。与光轴方向平行的所有直线都叫光轴,把AB两个顶点磨平，并使磨平表面与光轴方向垂直，再让光垂直入射到该平面上。折射光线不会分开,冰洲石天然晶体,入射面：入射光线与入射表面的法线构成的平面，根据折射定律，折射光（寻常光）和入射光都在这个入射面内。,主截面：光轴与入射表面的法线构成的平面。当入射光线在主截面内时，两个折射光线都在主截面内,o、e光都是线偏振光，并且偏振方向垂直,3 双折射的成因,晶体的物理性质是各向异性的，在不同方向上，物理量的值不相同。,冰晶石只有一个光轴方向，称为单轴晶体（还包括红宝石、石英）。还有一些晶体有两个光轴方向，称为双轴晶体（云母、橄榄石、蓝宝石等等）。我们只研究单轴晶体，用于显示的液晶基本都是单轴的,各向同性均匀介质中，一个点光源发出的光波速度是相同的,在单轴晶体中，o光规律与各向同性介质中完全相同，沿各方向传播速度相同。,e光在光轴方向传播速度与o光一样，为 。但是在垂直光轴方向是另一个值,旋转椭球面,在光轴方向，两个波面相切,晶体的主折射率,负晶体,正晶体,由于e光不遵循折射定律，如何判断其在晶体中的传播方向成为一个问题！,4 使用惠更斯作图法判定e光的传播方向,使用同样方法也可确定e光的传播方向,在学习物理光学时，我们已经知道在各向同性介质中如何通过惠更斯作图法判定折射方向，并推出折射定律。,单轴晶体,几个最常见的实例,A 光轴垂直于晶体表面入射光垂直入射,利用惠更斯左图法很容易发现o光e光不会分离，并且传播速度也相同,B 光轴平行于晶体表面，入射光垂直入射,利用惠更斯左图法很容易发现o光e光也不会分离，但是传播速度有差异。出射后o光和e光出现位相差,C 光轴平行于晶体表面，入射光斜入射，且垂直于光轴,o光、e光分离，但两种光都遵循折射定律，折射率分别为,5 晶体中介电常数的各向异性,折射率的各向异性与介电常数的各向异性有密切的联系。介电常数反映了电场下介质的极化程度,各向同性介质中,D、E方向相同,在各项异性晶体中，介电常数是一个张量,通过坐标变换，在晶体中，我们总能找到三个主轴，使这个张量对角化。,假如 ，则晶体为双轴晶体,假如 ，则晶体为单轴晶体，光轴就在z轴上,显然 和 方向不一定相同,6 折射率椭球,折射率椭球具有如下性质：,可以用来表示晶体折射率在晶体空间各个 （电位移矢量）振动方向的取值分布。,折射率和介电常数满足如下关系,现在设,就是矢量 在三个主轴方向的折射率,在此基础，引入折射率椭球的概念,从椭球中心出发任意矢径 ，其方向表示光波 矢量的方向。矢径长度就是矢量 在该方向振动（偏振方向）的光波的折射率。,过椭球中心作垂直于某方向 的平面，截面是一个椭圆。椭圆长短轴方向就是光波沿 方向传播时，两种可能的偏振方向，长短轴一半的长度就是两种偏振方向对应的折射率。,单轴晶体的折射率椭球（以z轴为光轴）,对于单轴正晶体，这是个旋转长椭球面,假如光波在k0方向上传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个圆。由于无长短轴之分，这说明沿k0方向上传播的光波的偏振方向垂直于z轴，但无特定指向，折射率为半径 ，无双折射现象,当光波沿k方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个椭圆。长短轴的方向就是光波可能的偏振方向。其中短轴的半长度是固定的，就是 ，因此短轴就是o光的偏振方向。而长轴就是e光振动方向，其半长度就是折射率。,如果光波沿垂直于光轴（z轴）方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是也是个椭圆，其中长轴与光轴重合，半长度为 。短轴半长度为 ，方向垂直于光轴。这意味着，沿光轴垂直方向传播的光波，存在两个可能偏振方向。一个偏振方向与光轴平行，折射率为 ，这就是e光。另一个偏振方向与z轴垂直，折射率为 。这就是o光。,三、 液晶的物理特性,假如光波在k0方向上传播，结论与单轴正晶体相同,另两种情况与正晶体也类似，只不过这时截面椭圆的长轴方向是o光偏振方向，短轴是e光偏振方向,就是液晶体系的主轴方向上的单位矢量（分子长轴的择优方向），叫做指向矢,个别液晶分子的长轴方向。,有序参量S：用来衡量分子体系有序性的重要参数,液晶有序参量 S=0.30.8,液晶的有序性介于晶体和液体之间，且与温度有密切关系,Tc 清亮点温度；K 比例系数,2. 液晶的各向异性,一般称平行于液晶分子长轴方向称为平行方向（ ），垂直与液晶分子长轴方向为垂直方向（ ）,介电常数的各向异性,我们把 定义为液晶介电常数的各向异性,NP和Nn液晶分子在电场作用下的分子行为,正性液晶Np,负性液晶Nn,电阻率 和电导率,电阻率接近于绝缘体与半导体之间，也具有各项异性,电阻率越小，杂质离子越多，通电场后，液晶分子结构会被破坏。,光学折射率各项异性,向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向，也就是大部分液晶分子的长轴方向。,液晶折射率的各向异性,与偏振、旋光、折射、干涉等电光效应有密切关系,弹性系数,自由能,当液晶处于平衡状态时，自由能处于极小值。在外场作用下，液晶的自由能会增加，增加的部分就是使液晶形变所需的能量,临界电场强度,临界电压,对于正性液晶，未施加电场时，假如沿玻璃基板面排列，且长轴沿x轴。通z方向电场后将沿电场平行排列，所需要的临界电场强度和临界电压为：,在向列相和近晶相液晶中分子长轴方向就是光轴方向,主折射率 代表振动方向与光轴垂直的o光的折射率，所以,主折射率 代表振动方向与光轴平行的e光的折射率，所以,在胆甾相液晶中，光轴是螺旋轴，与分子长轴取向垂直,我们有如下的关系,在这里，仍然有,这意味着胆甾相液晶类似于单轴负晶体,几种最有用的液晶光学特性,特性一：如果入射光以如下方式正入射到向列相液晶上时，入射光有向光轴方向倾斜的趋势,可以使用惠更斯定理画图证明,夹角不同的时候偏振状态的变化,特性二：当入射光以如下方式射入液晶时，偏振状态会发生变化,此时o光与e光不会分开，但传播速度可能不相同，由此产生相位差,不同z处位相差不同，导致偏振状态也发生变化,特性三：当入射光（线偏振光）以如下方式正入射到指向矢扭曲的向列相液晶时，偏振方向会发生变化,特性四：胆甾相液晶是一种旋光物质,旋光物质：某些光轴垂直于表面切取的晶体，当垂直入射的线偏振光在光轴上传播时，偏振方向会随距离而转动。这种现象叫旋光现象。这类物质叫旋光物质（石英）。,对于一般的单轴晶体，是不应出现旋光现象的。如左图所示。入射后，无e光、o光差异，偏振状态也不应有任何变化。,旋光系数 ：与波长平方接近反比，换句话说，不同波长的光旋转角度不同，这叫做旋光色散,位相差,合成之后的线偏振光转过的角度为,石英的旋光系数：10度/毫米50度/毫米（可见光波段）,胆甾相液晶的特有现象：,如果入射圆偏振光的旋转方向与胆甾相液晶的旋光方向相同，并且波长满足如下关系，将被反射。,被反射光的频带：,螺距与温度有关，改变温度，胆甾相液晶就会反射不同的颜色。,其他波长成分的光，或者偏振旋转方向与液晶相反的光都将透射,五、 液晶的沿面排列方式,在外场作用下，液晶分子从初始的排列方式转为其他排列方式，光学特性也发生变化。因此均匀稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础,第三行表格反映了在上下两层玻璃基板处液晶指向矢与基板的位置关系。,要形成以上的排列，就需要对上下的导电玻璃基板做分子取向预处理,六、 液晶显示器主要性能参量,在无源矩阵驱动液晶显示中，陡度越小，能驱动的路数（行数）越大。,在各种显示技术中，液晶的响应时间比较长,响应时间与液晶盒厚、粘滞系数接近正比,对液晶施加右图电压产生右下的电光响应曲线,常见液晶显示器件的响应时间,对比度和视角,TN液晶的视角和对比度,2 温度特性,使用温度范围狭窄，温度效应严重。,3 伏安特性,宽温型：两端各扩展1020摄氏度,七、 常见的液晶显示器件,1 液晶器件的典型结构,TN型液晶,前后玻璃都会做定向处理，是液晶分子按一定方式排列,2 液晶器件显示依赖的物理效应,电场效应：利用介电常数的各向异性,扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）、宾主型（GH）、相变型（PC）、电控双折射型（ECB）、铁电效应型、聚合物分散型（PDLC）,电流效应：利用介电常数和电导率各向异性,动态散射型（DS）,几大部件构成示意,3 液晶器件显示的三种方式,4 动态散射液晶器件（DS-LCD）,有机电介质（导体）被掺入到液晶中,液晶分子环流状排列。液晶盒出现周期性条纹（威廉斯筹）,DS-LCD是世界上第一个实用化的液晶显示器件，也是唯一的电流型器件。1968年被G.Heilmeier发明。现已不再使用。,5 扭曲向列相液晶器件（TN-LCD）,导电玻璃基片间充入Np液晶，但分子长轴方向在上下基板间连续扭曲90度，形成扭曲（TN）排列,不通电时，在液晶内，偏振方向随分子长轴旋转而旋转。通电后，不再扭曲,正性显示示意图,正性显示时，上下偏振片的偏振方向正交。若为负性显示，两者平行,电光效应原理图（正性显示）,低档液晶显示器件中的只要是笔段式显示，基本都使用TN-LCD