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液晶显示器的工作原理与生产技术1. 液晶显示器件的基本结构玻璃基板ITO电极PI膜液晶盒内隔子边框边框隔子图1 无源驱动液晶显示器件的基本结构偏光片 其中 偏光片、玻璃基板、液晶称为液晶显示器件的三大主材（因为它们占液晶显示器件材料成本的大头），PI膜、边框胶、隔子等为辅材2. 液晶显示器件的分类液晶显示器件 (LCD)无源驱动液晶显示器件TN-LCDHTN-LCDSTN-LCD有源驱动液晶显示器件二端器件型(MIM-LCD)三端器件型(TFT-LCD)3. 偏光片的结构与工作原理自然光与偏振光光是电磁波,其电波与磁波是相依相存不能分开的,电场(E)、磁场(H）与电磁波行进方向(K)三者呈相互垂直关糸(图2)为简单起见，我们只考虑其电场矢量E的情况EHK图2 电磁波的电场(E)、磁场(H)与电磁波的行进方向三者呈相互垂直关糸 对自然光,电场E在E—H所组成的平面上振动,并在各方向振动的机会均等,如图3所示图3 自然光的电场矢量E在E—H平面上各方向振动机会均等 当E在各方向的分布不匀时就称之为偏振光呈线性分布称线偏振光，呈椭圆分布称椭圆偏振光，如图4所示线偏光椭圆偏光图4 线偏振光和椭圆偏振光的E矢量分布图 对于自然光，若将图3所示的E矢量分布投影到X和Y两个相互垂直的坐标轴上，则可分解成二条大小相等、相互垂直的线偏振光，即自然光可分解成二条大小相等并相互垂直的线偏振光组成，如图5所示。

图5 自然光可分解成二条大小相等相互正交的线偏振光 线性偏振片的功能就是只让一个方向的线偏振光通过，而阻挡与之垂直方向的线偏振光通过阻挡的方式可以是吸收，也可以是反射，前者称为吸收型偏振片，即普通的偏振片，后者称为反射型偏振片，即通常所说的DBEF偏振片偏振片的结构与工作机理LCD所用的普通偏振片是用聚乙烯醇(PVA)薄膜作偏光材料,其工作机理是,将聚乙烯醇(PVA)薄膜浸渍在I2和KI的水溶液中,使碘离子扩散渗入到PVA内,然后将PVA膜拉伸；PVA分子本来是任意角度无规则分布的，受力拉伸后就逐渐一致地转向作用力的方向，附着在PVA上的碘离子也跟随着有方向性排列，由于碘离子会吸收平行于其排列方向的光束电场分量，只让与之垂直方向的光束电场分量通过，这样就实现了偏光的功能 这种由PVA与碘离子所组成的偏光膜，称为碘糸偏光膜；如果将具有二色性的有机染料吸附在PVA上构成的偏光膜，称为染料糸偏光膜 由于PVA耐湿热性能较差，在湿热环境中很快因变形、收缩、松驰、褪色、强度下降而失效，因而在其两面贴附透明的三醋酸纤维素（TAC）膜，作为保护层然后，在一面加一层保护膜，另一面涂一层压敏胶，加一层剥离膜，就构成了透射型的偏振片，如图6所示。

若将保护膜换成反射膜或半反半透膜，就构成反射型或半反半透型偏振片，如图7所示保护膜（Protective Film）三醋酸纤维素膜（TAC）聚乙烯醇膜（PVA）三醋酸纤维素膜（TAC）压敏胶（Adhesive）剥离膜（Release Film）图6 透射型偏振片剥离膜（Release Film）压敏胶（Adhesive）三醋酸纤维素膜（TAC）聚乙烯醇膜（PVA）三醋酸纤维素膜（TAC）胶（Adhesive）反射膜(Reflective Film)半反半透膜(Transflective Film)图7 反射型和半反半透型偏振片4. 液晶4.1什么是液晶我们知道物质有三态：固态、液态和气态有些有机物质在固态和液态之间还存在一种状态，它既有液体的流动性又有晶体的各向异性，具有这种状态的物质称为液态晶体或简称液晶 液晶的分类：从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶，即由于温度变化而出现的液晶相把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。

显示用的液晶都是属于热致液晶 4.2 液晶分子结构与排列类型 显示用的液晶分子形状为棒状，象“香烟”一样分子的长度约为直径的4～8倍，分子量一般在200～500范围棒状分子的基本结构如图8所示图中X为连接两个苯环的基团，位于分子的中心，称为中央基团；Y、Y，位于分子的两端，称为末端基团，其特点是具有极性或容易变成极性基团例如西佛碱（Schiff base）类液晶的中央基团X为-CH=N-（苄叉基），酯基（ester）类液晶的X为-CO2-（酯基），氧化偶氮基（azoxy）类液晶的X为-N=N-（氧化偶氮基），联苯（biphenyl）类液晶和苯基环已烷（PCH）类 ‖ O液晶则没有中央基团常用的末端基团有CH3(CH2)n-（正烷基）,CH3(CH2)n○-（烷氧基）,-CN（氰基）,-NO2（硝基），-F、-CF3、-OCF3、-OCHF2（含氟基团）等液晶的各种物理、化学性质主要由这些基团决定的，因而，可以通过改变分子中某个基团的种类来改善液晶的某种性质图9给出了一些单体液晶的结构例子. XYY，图8 液晶分子的基本结构RR，ROR，RR，RRFRFFRFFFROCF3RFOCHF2FR,R，—烷基 OR，—烷氧基 F、OCF3、OCHF2—含氟基团 图9 单体液晶分子结构实例 LCD实际使用的液晶材料通常由10—25种单体液晶组成。

液晶分子都是有序排列的，根据排列的不同，可将液晶分为向列相、近晶相和胆甾相三种液晶相，如图10所示显示主要是用向列相液晶 由于液晶分子中含有极性基团，使分子具有极性，如果其电荷偶极矩与液晶分子长轴方向平行，我们把这种液晶称为正性液晶；如果其电荷偶极矩与液晶分子长轴方向垂直，则称这种液晶为负性液晶LCD用的液晶大多为正性液晶，但也有用负性液晶的，如为了获得宽的视角，有一种方案采用垂直取向技术，用的就是负性液晶 图10 液晶的结构类型 4.3 液晶的性能与电光效应4.3.1 液晶的温度性能 一般,向列相液晶随温度从低到高有图11所示的状态变化固态近晶相向列相各向同性液体TsnTcT图11 向列相液晶状态随温度的变化 Tsn—相变温度 Tc—清亮点4.3.2 液晶的物理特性1． 有序参数 向列液晶是圆柱对称的，体系中存在一根轴线，通常称这根轴线为主轴（其方向通常用指向矢表示），向列相液晶分子的轴线择优倾向于平行于主轴，但并非完全平行主轴，衡量其平行程度用有序参数S表示 S＝(3cos2θ-1)/2 有序参数与液晶材料、温度有关。

温度上升，序参数下降， S＝K(Tc-T)/Tc Tc： 向列液晶清亮点（℃） T ： 向列液晶的温度（℃） K ： 比例常数 液晶的S=0.3~0.8 2． 液晶的各向异性 1）介电各向异性△ε ε∥＝C∥/C0 ；ε┴＝C┴/C0 ； △ε＝ε∥－ε┴＝(C∥－C┴)/C0 C∥： 外加电场与液晶主轴平行时测得的液晶电容 C┴ ： 外加电场与液晶主轴垂直时测得的液晶电容 C0 ： 无液晶时测得的极板间电容 2）电阻率ρ 液晶的电阻率表示了液晶的纯度，越大越好，一般为108～1012Ω-m 3）光学折射率各向异性△n △n=n∥- n┴ n∥: 平行于分子长轴的折射率 n┴ ： 垂直于分子长轴的折射率 △n一般在0.1～0.3左右 4）弹性常数 K 一般 K＝10-11～10-12N K分为K11、K22、K33 (K11—展曲弹性常数，K22—扭曲弹性常数，K33—弯曲弹性常数)K33 >K11 > K22 5）粘滞系数η η一般为10-2～10-3Pa.s4.3.3 液晶的电光性能1. 电光效应 在电场作用下，由于液晶分子的偶极矩要按电场方向取向，会使液晶分子的原有排列方式受到破坏，从而使液晶的光学性能发生变化，如原来是透光变成不透光，或相反。

我们把这种因外加电场作用导致液晶的光学性能发生变化的现象称为液晶的“电光效应”迄今，已发现液晶的多种电光效应，如负性液晶的动态散射效应（DS）、电控双折射效应（ECB），正性液晶的扭曲效应（TN）、超扭曲效应（STN）等目前，在显示上应用最广泛的是向列型液晶的扭曲效应和超扭曲效应2. 扭曲效应这种效应是1971年开发的在两块具有氧化铟锡（ITO）透明电极的玻璃基板上，涂复称为取向层的聚合物薄膜，如聚酰亚胺然后，用绒布沿一定方向摩擦，使在取向层表面形成方向一致的微细沟槽在保证两块玻璃基板上取向层沟槽方向正交的条件下，密封成一个盒，盒间隙一般控制在几个微米，如9µm盒留有一个小口灌液晶用，一般用抽真空压注的办法灌入正性向列型液晶然后，用堵口胶把口密封，在玻璃基板外表面上粘贴上线性偏振片，使起偏振片的偏振轴与该玻璃片上取向层的摩擦方向一致或垂直起偏振片与检偏振片的偏振轴相互正交或平行，如图12所示利用向列型液晶的扭曲效应可实现白底显黑字(常白型或称正显示)或黑底显白字(常黑型或称负显示)常白型的电光特性如图13所示，纵坐标T表示透光率，横坐标Vrms表示加在液晶盒上的电压方均根值（即有效值）。

V10表示透光率变化10%对应的电压，称为阈值电压（Vth），V90表示透光率变化90%对应的电压，称为饱和电压（Vsat）T（%）Vrms1001090V10 V90图13 常白型TN-LCD的电光特性由于温度和视角不同，Vth和Vsat也不同，因此，在资料上会看见这样的表示：V10，0，25和V90，0，25，下标10、90表示透光率变化10%、90%；下标0表示视角为正视测量；下标25表示是在25℃温度条件下测量的数据5. 无源驱动液晶显示器件扭曲向列型液晶显示器件（TN-LCD）这种显示器件的结构在上节已作介绍,它利用液晶的旋光性实现显示，其工作原理如图14所示自然光 偏振片 液晶盒偏振片OFFON亮暗 图14 TN-LCD的工作原理超扭曲向列型液晶显示器件(STN-LCD) STN-LCD是利用液晶的双折射效应实现显示的，如图15所示当电极上未加电压时，液晶分子呈扭曲排列入射白光经线性偏光片变为线偏光，线偏光在液晶层内传播时，其行进速度可分解成二个分量，一个分量平行液晶分子，一个分量垂直液晶分子由于液晶的各向异性特性，两个方向的传播速度不一样，这样，出液晶层时合成结果不再是线偏光，而变成椭圆偏光了，通过线性偏光片呈色光输出。

当电极上加上足够高的电压时，在电埸作用下，液晶沿电埸方向排列，此时线偏光通过液晶层不受影响，仍为线偏光，被线性偏光片吸收呈暗态输出这样，可实现在色底上显黑字的显示通常设计成黄绿底显黑字或其补色蓝紫底显白字，对比度最大前者俗称黄模式，后者俗称蓝模式白 光线性偏光片白 光线偏光液晶盒椭圆偏光。