专题一：液晶显示技术(上)1

1、 专题一：液晶显示（专题一：液晶显示（LCDLCD）技术）技术 专题一：专题一： 液晶显示（液晶显示（LCDLCD）技术）技术1.1.液晶概述液晶概述 1.1 1.1 液晶的物理特性液晶的物理特性 1.2 1.2 液晶的光学特性液晶的光学特性1.3 1.3 液晶的电光效应液晶的电光效应 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 2.2.液晶显示器件液晶显示器件 2.1 2.1 液晶显示器件的结构及工作原理液晶显示器件的结构及工作原理 2.2 2.2 液晶显示器件的分类液晶显示器件的分类2.3 2.3 液晶显示器件的驱动技术液晶显示器件的驱动技术 2.4 2.4 有源矩阵液晶显示器件有源矩阵液晶显示

2、器件 2.5 2.5 液晶显示器件的主要材料及制造工艺液晶显示器件的主要材料及制造工艺3.3.液晶显示器的技术参数、特点及新近展液晶显示器的技术参数、特点及新近展 3.1 3.1 液晶显示器的技术参数液晶显示器的技术参数 3.2 3.2 液晶显示器的特点液晶显示器的特点 3.3 3.3 液晶显示技术的新进展液晶显示技术的新进展 1 1 液晶的概述液晶的概述 液晶显示器件（液晶显示器件（Liquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display，LCDLCD）的主要）的主要构成材料为液晶。构成材料为液晶。 什么是液晶？什么是液晶？ 物质在自然界中通常以物质在自然界中

3、通常以固态、液态和气态固态、液态和气态形式存在，即常形式存在，即常说的说的三相态三相态。在外界条件发生变化时（如压力或温度发生变。在外界条件发生变化时（如压力或温度发生变化），物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的化），物质可以在三种相态之间进行转换，即发生所谓的相变相变。大多数物质发生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中大多数物质发生相变时直接从一种相态转变为另一种相态，中间没有过渡态生成。间没有过渡态生成。固态固态液态液态气态气态 1 1 液晶的概述液晶的概述液晶态液晶态结晶状的固态结晶状的固态(Crystalline Solid) (Crystalline Solid) 各向同

4、性的液各向同性的液体体(Isotropic Liquid) (Isotropic Liquid) 液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性流动性的液体，的液体，同时又具有晶体的同时又具有晶体的各向异性各向异性的物质。液晶也是物质的一种形态，有人的物质。液晶也是物质的一种形态，有人称其为物质的第四态。称其为物质的第四态。问题：液晶是怎么被发现的？问题：液晶是怎么被发现的？ 什么是液晶？什么是液晶？ 有些有机材料加热至熔点不是直接从固体转变为液体，而是先有些有机材料加热至熔点不是直接从固体转变为液体，而是先要经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间

5、状态的要经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间状态的外观是流动性外观是流动性的混浊液体的混浊液体，但仍然，但仍然保留着结晶态物质分子的有序排列保留着结晶态物质分子的有序排列，从而在物理，从而在物理性质上表现为晶体的性质上表现为晶体的各向异性各向异性，形成一种兼有晶体和液体部分性质的，形成一种兼有晶体和液体部分性质的过渡中间相态，这种中间相态被称为过渡中间相态，这种中间相态被称为液晶态液晶态，处于这种状态下的物质，处于这种状态下的物质称为称为液晶液晶（liquid crystalsliquid crystals）。）。液晶的发现液晶的发现 液晶的发现可追溯到液晶的发现可追溯到1919世纪末，世

6、纪末，18881888年奥地利的植物学年奥地利的植物学家家FReinitzerFReinitzer在作在作加热加热胆甾醇的胆甾醇的苯甲酸脂苯甲酸脂实验时发现，当实验时发现，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，而是一种化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体呈混浊态的粘稠液体，并发，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？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

7、镜下观察，发他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体现这种液体具有双折射特性具有双折射特性。 德国物理学家德国物理学家DLeimannDLeimann将其命名为将其命名为“液晶液晶”，简称为，简称为“LC”LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCDLCD。问题：液态分子的排列与固体和液体有什么不一样呢？问题：液态分子的排列与固体和液体有什么不一样呢？ 1 1 液晶的概述液晶的概述 1 1 液晶的概述液晶的概述化。伴随这种排列的变化，液晶的双折射性、旋光性、二色性、光散射化。伴随这种排列的变化，液晶的双折射性、旋光性、二色性、光散射

8、性、旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉变化，实现图像和数性、旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉变化，实现图像和数字的显示。字的显示。 液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。问题：问题：怎样让物质出现液晶态怎样让物质出现液晶态？液晶与其固态、液态分子排列对比液晶与其固态、液态分子排列对比 液晶的分子排列结构并液晶的分子排列结构并不像晶体结构那样坚固，因不像晶体结构那样坚固，因此在此在磁场、温度、应力磁场、温度、应力等外等外部刺激下，其部刺激下，其分子分子容易发生容易发生再排列再排列，液晶的各种，液晶的各种光

9、学性光学性质质会发生会发生变化。变化。液晶所具有液晶所具有的这种柔软的分子排列正是的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件的基础。其用于显示器件的基础。液液晶这种特定的初始分子排列，晶这种特定的初始分子排列，在电压及热的作用下发生有在电压及热的作用下发生有别于其它分子排列的变别于其它分子排列的变 1 1 液晶的概述液晶的概述固态固态液晶液晶液态液态熔点熔点清亮点清亮点加热加热冷却冷却冷却冷却加热加热 通常用于液晶显示器件的多是互变性液晶。通常用于液晶显示器件的多是互变性液晶。两种方式：两种方式： 将一种溶质溶于溶剂而形成的液晶相的物质。（溶致液晶）将一种溶质溶于溶剂而形成的液晶相的物质。（溶致液

10、晶） 通过加热或冷却的方式，出现液晶相的物质。（热致液晶）通过加热或冷却的方式，出现液晶相的物质。（热致液晶） 目前显示技术上所采用的液晶材料均是热致液晶。目前显示技术上所采用的液晶材料均是热致液晶。热致液热致液晶随温度变化而引发的物质变化过程中存在两种变化形式：晶随温度变化而引发的物质变化过程中存在两种变化形式：（1 1）互变液晶）互变液晶 变化过程：变化过程： 1 1 液晶的概述液晶的概述（2 2）单变液晶）单变液晶 变化过程：变化过程：晶体晶体液晶相液晶相各向同性的液体各向同性的液体T1T1T2T2 在相变中，只有冷却才能形成液晶相，可用作具有存储效在相变中，只有冷却才能形成液晶相，可用

11、作具有存储效应的液晶显示器件。应的液晶显示器件。 问题：所有的物质都存在液晶态吗？问题：所有的物质都存在液晶态吗？研究发现研究发现绝大多数绝大多数液晶分子具有以下两个特点：液晶分子具有以下两个特点：液晶分子结构呈细长液晶分子结构呈细长棒状棒状或扁平或扁平圆盘圆盘状；状；液晶分子是液晶分子是极性极性的。的。分子中分子中正负电荷中心不重合正负电荷中心不重合，从整个分子来看，电荷的分从整个分子来看，电荷的分布是布是不均匀不均匀的，的，不对称不对称的，的，这样的分子为极性分子这样的分子为极性分子 目前发现的具有液晶态的物质都是有机物，因目前发现的具有液晶态的物质都是有机物，因为有机物的分子容易满足液晶

12、分子的两个条件。为有机物的分子容易满足液晶分子的两个条件。问题：液晶具有哪些物理特性呢？问题：液晶具有哪些物理特性呢？ ) 1cos3 (212s温度上升，温度上升，S S减小减小 1.1 1.1 液晶的物理特性液晶的物理特性n为指向矢量。为指向矢量。为个别液晶分子长轴方向为个别液晶分子长轴方向a相对于指向矢量的偏离角。相对于指向矢量的偏离角。1.1.1 1.1.1 有序参量有序参量 液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，使液晶分子集液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，使液晶分子集合在一起时，分子长轴总是相互平行或有一个择优方向。合在一起时，分子长轴总是相互平行或有一个择优方向。 液晶分

13、子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液晶的液晶分子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液晶的指向矢量指向矢量。 液晶分子排列有序程度：液晶分子排列有序程度：S S向列相液晶分子向列相液晶分子长轴在直角坐标系长轴在直角坐标系中的取向位置中的取向位置 1.1.1 1.1.1 有序参量有序参量S=0S=0S=1S=1S=0.3-0.8S=0.3-0.8 1.1.2 1.1.2 液晶的各向异性液晶的各向异性 由于液晶分子头尾、侧面所接的分子基团不同，使液由于液晶分子头尾、侧面所接的分子基团不同，使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质。晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质。 一般称沿分子长轴平均方向

14、为一般称沿分子长轴平均方向为平行（平行（）方向）方向； 称沿分子短轴平均方向为称沿分子短轴平均方向为垂直（垂直（）方向）方向。 沿分子长轴平行方向的物理量称之为沿分子长轴平行方向的物理量称之为平行方向的物理平行方向的物理量量，如平行的折射率，如平行的折射率n； 与分子长轴垂直方向的物理量称之为与分子长轴垂直方向的物理量称之为垂直方向的物理垂直方向的物理量量，如垂直的折射率，如垂直的折射率n 。 下面讲下面讲介电常数介电常数和光学和光学折射率折射率的各向异性。的各向异性。 1.1.2 1.1.2 液晶的各向异性液晶的各向异性/表示介电各向异性大小表示介电各向异性大小 液晶分子是极性分子，在电场作

15、液晶分子是极性分子，在电场作用下相当于一个用下相当于一个电偶极子电偶极子。 液晶分子电偶极距的方向与该方液晶分子电偶极距的方向与该方向上的介电常数紧密相关。向上的介电常数紧密相关。1.1.介电各向异性介电各向异性 介电常数介电常数是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。 介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能，代表了电介质的介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能，代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷极化程度，也就是对电荷

16、的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。的束缚能力越强。 电偶极子（电偶极子（electric dipoleelectric dipole）是）是两个两个相距很近相距很近的的等量异号点电荷等量异号点电荷组成的组成的系统。电偶极子的特征用系统。电偶极子的特征用电偶极距电偶极距Plq描述，其中描述，其中l是两点电荷之间的距离，是两点电荷之间的距离，l和和P的方向规定由的方向规定由- -q指向指向+ +q。电偶极子。电偶极子在外电场中受力矩作用而旋转，使其电在外电场中受力矩作用而旋转，使其电偶极矩转向外电场方向。偶极矩转向外电场方向。 1.1.介电各向异性介电各向异性n 当当 0 0时，液晶

17、分子的电偶极距方向平行于长轴方向，具时，液晶分子的电偶极距方向平行于长轴方向，具有该性质的液晶称为有该性质的液晶称为正性液晶正性液晶，一般用，一般用Np表示。表示。1010 2020n 在外电场作用下，液晶分子将趋向在外电场作用下，液晶分子将趋向平行于平行于电场方向。电场方向。E 1.1.2 1.1.2 液晶的各向异性液晶的各向异性1.1.介电各向异性介电各向异性n当当 0 0时，液晶分子的电偶极距方向垂直于长轴方向，具时，液晶分子的电偶极距方向垂直于长轴方向，具有该性质的液晶称为有该性质的液晶称为负性液晶负性液晶，一般用，一般用Nn表示。表示。 （1 1 2 2）在外电场作用下，液晶分子将趋

18、向在外电场作用下，液晶分子将趋向垂直于垂直于电场方向。电场方向。E问题问题: : 取消外加电场后液晶分子将如何变化取消外加电场后液晶分子将如何变化? ? 1.1.2 1.1.2 液晶的各向异性液晶的各向异性2.2.液晶的折射率各向异性液晶的折射率各向异性/nnnn/n表示折射率各向异性大小表示折射率各向异性大小 1.1.2 1.1.2 液晶的各向异性液晶的各向异性/nn表示平行于分子长轴方向的折射率。表示平行于分子长轴方向的折射率。表示垂直于分子长轴方向的折射率。表示垂直于分子长轴方向的折射率。 n0 0表示单轴表示单轴正正晶体，晶体，n ( ( 为为入射光波长）入射光波长）时，振动方向与入时

19、，振动方向与入射口处的射口处的n平行的入射光随着平行的入射光随着n的的扭曲而旋转，在出射口以与扭曲而旋转，在出射口以与n平平行的振动方向射出。行的振动方向射出。 而振动方向与而振动方向与n垂直的入射光，垂直的入射光，在出射口以与在出射口以与n垂直的振动方向垂直的振动方向射出。射出。 对于以其他方向振动的入射光，对于以其他方向振动的入射光，对应于从入射口到出射口液晶的对应于从入射口到出射口液晶的位相差位相差 (n/-n ) d/c，出射光可，出射光可以椭圆、圆、直线偏光中任一种以椭圆、圆、直线偏光中任一种偏光状态射出。偏光状态射出。(3)(3)根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射根据入射

20、偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。 偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴偏振光通过某种物质后，其振动面将以光的传播方向为轴线转过一定的角度，这种现象叫做线转过一定的角度，这种现象叫做旋光现象旋光现象。旋转的角度称为。旋转的角度称为旋光度旋光度。具有这种性质的物质，称作。具有这种性质的物质，称作旋光物质旋光物质。 不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。对着光的传播方向观察，使光矢量逆时针方向旋转的物质称为对着光的传播方向观察，使光矢量逆时针方向旋转的物质称为左旋物质左旋物质；使；使光矢量光矢量顺时针方向旋转的物质称为

21、顺时针方向旋转的物质称为右旋物质右旋物质。 1.2.3 1.2.3 液晶的光学特性液晶的光学特性 1.2.3 1.2.3 液晶的光学特性液晶的光学特性 实验表明，线偏振光通过旋光物质时，光矢量转过的角度实验表明，线偏振光通过旋光物质时，光矢量转过的角度与通过旋光物质的距离与通过旋光物质的距离l成正比，即：成正比，即：为为1 1mm长度的长度的旋光物质上光矢量旋转的角度，称为旋光物质上光矢量旋转的角度，称为旋光系数旋光系数。旋光系数与波长的平方成反比，即不同波长的光波在同一旋光旋光系数与波长的平方成反比，即不同波长的光波在同一旋光物质中其光矢量旋转的角度不同，这种现象称为物质中其光矢量旋转的角度

22、不同，这种现象称为旋光旋光色散色散。 对于扭曲螺距对于扭曲螺距p与光的波长与光的波长 相差不大的胆甾相液晶来说，相差不大的胆甾相液晶来说，表现为旋光物质。当偏振光入射时，与液晶的旋光方向相同的表现为旋光物质。当偏振光入射时，与液晶的旋光方向相同的入射偏光的旋光成份发生入射偏光的旋光成份发生反射反射，与其相反（如一个为左旋光，与其相反（如一个为左旋光，一个为右旋光）的旋光成份发生一个为右旋光）的旋光成份发生透射透射。这种反射是一种二色性。这种反射是一种二色性选择光散射选择光散射，使胆甾相液晶呈现出干涉彩虹颜色。，使胆甾相液晶呈现出干涉彩虹颜色。l指复色光分解为单色光指复色光分解为单色光而形成光谱

23、的现象。而形成光谱的现象。 1.3 1.3 液晶的电光效应液晶的电光效应 通过电学方法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效通过电学方法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效应，简称应，简称电光效应电光效应（Electro-Optic EffectElectro-Optic Effect）。）。 液晶的电光效应主要包括以下几种液晶的电光效应主要包括以下几种: :1.1.电控双折射效应电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶分子的排列方向：对液晶施加电场，使液晶分子的排列方向发生变化，因为分子排列方向的改变，按照一定的偏振方向入发生变化，因为分子排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶

24、中发生双折射现象。射的光，将在液晶中发生双折射现象。2.2.动态动态散射散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数这些平行条纹彼此间隔数1010mm，可以用作光栅。，可以用作光栅。 进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复了透明状态，这就是液晶

25、的动态散射（了透明状态，这就是液晶的动态散射（dynamic scatteringdynamic scattering）。）。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。 光束通过不均匀媒质时，部分光光束通过不均匀媒质时，部分光束将偏离原来方向而分散传播，从束将偏离原来方向而分散传播，从侧向也可以看到光的现象。侧向也可以看到光的现象。 3.3.旋光效应旋光效应：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻璃片绕在与：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻璃片绕在与它们互相垂直的轴相扭转它们互相垂直的轴相扭转9090，向列型液晶的内部就发生了扭，向列型液晶的内部就发生了

26、扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前、后放置起偏振片和检偏器，并使其偏振化在这样的液晶盒前、后放置起偏振片和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，液晶盒会使入方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转9090。4.4.宾主效应宾主效应：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢量方向排列。处在液晶分子中的染料分子

27、将顺着液晶指向矢量方向排列。 在电压为零时，染料分子与液晶分子都平行于基片排列，对在电压为零时，染料分子与液晶分子都平行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，加外电场就能改变液晶低，使透射光的光谱发生变化。可见，加外电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。盒的颜色，从而实现彩色显示。 由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为“宾宾”，液晶，液晶则为则为“主主”，因此得名，因此得名“宾主（宾主（guest-hostguest-host，

28、G-HG-H）”效应。效应。 1.3 1.3 液晶的电光效应液晶的电光效应Thermotropic (Thermotropic (热热致液晶致液晶) ) Lyotropic (Lyotropic (溶致液晶溶致液晶) )因因温温度度的改的改变而产生相变变而产生相变 因溶因溶于于溶溶剂中浓度剂中浓度比例比例的改的改变变而产生相变而产生相变 棒状棒状 圆盘状圆盘状 1. Nematic (1. Nematic (向列相向列相) )2. Cholesteric (2. Cholesteric (胆甾胆甾相相) ) 3. Smectic (3. Smectic (近晶相近晶相) ) 以以产生相变产生相

29、变之原因之原因来区来区分分ThermotropicThermotropic ( (热热致液晶致液晶) )分子形狀分子形狀排列方式排列方式 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类（1 1）近晶相液晶）近晶相液晶又称层状液晶又称层状液晶 a) 液晶分子液晶分子分层排布分层排布，同一层内的分子互相平行；，同一层内的分子互相平行；b)分子长轴垂直于层面，或与层面倾斜排列。分子长轴垂直于层面，或与层面倾斜排列。 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 层与层之间的作用较弱，容层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张性。近晶相液晶的粘度与表面

30、张力都较大，用手摸有似肥皂的滑力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。化都不敏感。一般一般不适宜制作显不适宜制作显示器件。示器件。 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 （1 1）近晶相液晶）近晶相液晶又称层状液晶又称层状液晶 因为近晶相液晶的因为近晶相液晶的高度有序性高度有序性，所以它经常出现在较，所以它经常出现在较低温低温度区域内。目前已经发现十多种近晶相，用度区域内。目前已经发现十多种近晶相，用S SA A、S SB B、S SC C表表示，最常见的是前三种。示，最常见的是前三种。 S SA A相相 S SA A相具有层状排列结构，

31、相具有层状排列结构，分子长轴在层内彼此平行，并分子长轴在层内彼此平行，并垂直于层平面，垂直于层平面，层内无序层内无序。分。分子可以绕长轴自由旋转，层厚子可以绕长轴自由旋转，层厚度与分子长度相当，光学上具度与分子长度相当，光学上具有单轴晶体特征，光轴垂直于有单轴晶体特征，光轴垂直于层平面。层平面。 S SA A相是热致液晶化合物近相是热致液晶化合物近晶结构的最高温度下的相态。晶结构的最高温度下的相态。近晶近晶S SA A相分子排列示意图相分子排列示意图 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 S SB B相相 S SB B相分子排列成层，在分子相分子排列成层，在分子轴矢量方向上无长程有序性。在轴矢

32、量方向上无长程有序性。在层内层内分子质心排列成分子质心排列成六角面心形六角面心形状状，分子轴成，分子轴成六角层状六角层状结构，垂结构，垂直于层平面，层厚度与分子长度直于层平面，层厚度与分子长度相当，具有正光性单轴晶体特征。相当，具有正光性单轴晶体特征。 S SC C相相 S SC C相液晶相液晶每层分子的指向矢每层分子的指向矢都均匀地倾斜一个角度都均匀地倾斜一个角度，分子倾，分子倾斜的这个方位角可以是斜的这个方位角可以是任意任意的，的，也可以沿层的法线方向呈也可以沿层的法线方向呈螺旋螺旋分分布。布。近晶近晶S SB B相分子排列示意图相分子排列示意图近晶近晶S SC C相分子排列示意图相分子排

33、列示意图近晶近晶C C* *相分子排列示意图相分子排列示意图（2 2）向列相液晶）向列相液晶又称丝状液晶又称丝状液晶（显示器件使用最多）（显示器件使用最多）n ：表示液晶分子的平均排列方向。表示液晶分子的平均排列方向。nl 分子的长轴分子的长轴指向有序指向有序，分子之间趋于彼此互相平行排列。，分子之间趋于彼此互相平行排列。l 液晶分子具液晶分子具有流动性有流动性，即分子重心是无序的，即分子重心是无序的, ,并容易顺着并容易顺着长轴方向自由移动。长轴方向自由移动。n 指向矢指向矢 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类（2 2）向列相液晶）向列相液晶又称丝状液晶又称丝状液晶（显示器件使用最多）（显

34、示器件使用最多）特点：特点：向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围内向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围内移动，表现出液体的特征移动，表现出液体的特征可流动性；可流动性；所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶单轴晶体的光学特性体的光学特性；在电学上又具有明显的在电学上又具有明显的介电各向异性介电各向异性，可以利用外加电场对，可以利用外加电场对具有各向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的排具有各向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的排列状态，从而改变液晶的光学性能，实现液晶对外界光的调列状态，从而改

35、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；制，达到显示目的； 由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且分子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、分子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类（3 3）胆甾相液晶）胆甾相液晶也称螺旋状液晶也称螺旋状液晶Cholesteric Cholesteric 相液晶的分子排列。相液晶的分子排列。L Ln nn nn nn nx xy yz zq qo o

36、0 0 表液晶分子表液晶分子为为右旋排列，右旋排列，q qo o 0 0 表液晶分子表液晶分子为为左旋排列。左旋排列。 螺距螺距( (Pitch) = 2LPitch) = 2Ln nx x = cos(q = cos(qo o z + z + )n ny y = sin(q = sin(qo o z + z + )n nz z = 0 = 0l 液晶分子液晶分子分层排列分层排列，同一平面内分子互相平行，分子长轴平，同一平面内分子互相平行，分子长轴平行于层平面；行于层平面；l 分子的指向矢在空间成分子的指向矢在空间成连续的螺旋变化。连续的螺旋变化。 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 一定强

37、度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液一定强度的电场、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。主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。 向列液晶与胆甾液晶可以互相转换。向列液晶与胆甾液晶可以互相转换。 胆甾相液晶大量用于向列液晶的添加剂。胆甾相液晶大量用于向列液晶的添加剂。 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类向列相液晶加入旋光物质加入消旋物质胆甾相液晶 1.4 1.4 液晶的分类液晶的分类 盘形分子液晶盘形分子液晶 19771

38、977年，印度年，印度S.ChandrasekharS.Chandrasekhar等合成了盘形分子液晶。等合成了盘形分子液晶。这些分子均具有一个这些分子均具有一个扁平的圆形扁平的圆形或或椭圆形椭圆形刚性中心部分，周围刚性中心部分，周围有长而柔软的脂肪族链。盘形分子液晶具有有长而柔软的脂肪族链。盘形分子液晶具有向列相、胆甾相向列相、胆甾相和和柱状相柱状相3 3类结构。盘形分子的向列相和胆甾相与上述长形分子类结构。盘形分子的向列相和胆甾相与上述长形分子相似，只需把长形分子的长棒轴用盘形分子的法向轴代替即可。相似，只需把长形分子的长棒轴用盘形分子的法向轴代替即可。柱状相柱状相是盘形分子所是盘形分子所

39、特有特有的结构，盘形分子在柱状相中堆积成的结构，盘形分子在柱状相中堆积成柱，在同一柱中分子间隔可以柱，在同一柱中分子间隔可以是规则有序的，当然，柱状相是规则有序的，当然，柱状相也可以是不规则无序的，不同也可以是不规则无序的，不同柱内的分子质心位置无相关性。柱内的分子质心位置无相关性。各分子柱可以排列成各分子柱可以排列成六角形六角形或或长方形长方形，如图所示。，如图所示。柱状相液晶柱状相液晶1、液晶有哪些主要的物理特性？、液晶有哪些主要的物理特性？2、自然光和偏振光的区别是什么？简述偏振光的分、自然光和偏振光的区别是什么？简述偏振光的分类及线偏振光的特点。类及线偏振光的特点。3、解释液晶的双折射

40、现象。、解释液晶的双折射现象。4、简述液晶的光学异向性使液晶具有哪些主要有用、简述液晶的光学异向性使液晶具有哪些主要有用的光学性质？的光学性质？ 5、简述热致液晶分类与特点。、简述热致液晶分类与特点。 1. 1.液晶概述液晶概述 作业作业 2.1 2.1 液晶显示器件的基本结构及工作原理液晶显示器件的基本结构及工作原理2.1.1 2.1.1 液晶显示器件的基本结构液晶显示器件的基本结构典型典型LCDLCD结构截面图结构截面图TN-LCDTN-LCD的工作原理的工作原理 2.1.2 2.1.2 液晶显示的工作原理液晶显示的工作原理透射式透射式TN-LCDTN-LCD显示方式显示方式直观式直观式L

41、CDLCD面板本身为显示面面板本身为显示面投影式投影式将将LCDLCD面板的图像放大投面板的图像放大投影到投影屏，以供观看。影到投影屏，以供观看。透射式透射式、反射式、反射式、透射反射兼用式透射反射兼用式前投型前投型背投型背投型 2.1.3 LCD 2.1.3 LCD的显示方式的显示方式2.2.反射式反射式 2.1.3 LCD 2.1.3 LCD的显示方式的显示方式反射式反射式TNTN型液晶显示器件结构图型液晶显示器件结构图特点：特点：节省功率节省功率（因利用外光），在阳光直射下也（因利用外光），在阳光直射下也不会被不会被冲刷冲刷，对于环境，对于环境光线的依赖较强光线的依赖较强。 2.1.3

42、LCD 2.1.3 LCD的显示方式的显示方式3.3.透射反射兼用型透射反射兼用型 反射式反射式LCDLCD对于环境光线的依赖较强。在环境光线充足的对于环境光线的依赖较强。在环境光线充足的情况下显示清晰明亮，但是在环境光线不足的情况下，显示情况下显示清晰明亮，但是在环境光线不足的情况下，显示效果就下降很多。若此时打开背光，屏幕虽然会清晰起来，效果就下降很多。若此时打开背光，屏幕虽然会清晰起来，但但是其亮度并不均匀，这是因为照明光源一般为线光源。是其亮度并不均匀，这是因为照明光源一般为线光源。4.4.投影式投影式 主要有主要有LCDLCD（液晶投影机（液晶投影机Liquid Crystal Di

43、splayLiquid Crystal Display）、）、LCOSLCOS( (反射式液晶投影机反射式液晶投影机Liquid Crystal on Silicon)Liquid Crystal on Silicon)两种类两种类型。型。三片式三片式LCDLCD的结构的结构 2.1.3 LCD 2.1.3 LCD的显示方式的显示方式 无论哪种液晶显示器件，都是在电场、热等外场的作用下，无论哪种液晶显示器件，都是在电场、热等外场的作用下，是液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，是液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，随着分子排列的变化，液晶元件的光学特性发生变化，从

44、而变随着分子排列的变化，液晶元件的光学特性发生变化，从而变换为视觉变化。因此，换为视觉变化。因此，均匀、稳定均匀、稳定的的液晶分子排列液晶分子排列是液晶元器是液晶元器件的工作基础。件的工作基础。分子排列的种类（典型的分子排列的种类（典型的7 7种）种）1.1.垂直排列垂直排列：所有液晶分子相对两侧基片面作垂直排列；：所有液晶分子相对两侧基片面作垂直排列；2.2.沿面排列沿面排列：所有液晶分子相对两侧基片面作平行的，且按同：所有液晶分子相对两侧基片面作平行的，且按同一方向排列；一方向排列；3.3.倾斜排列倾斜排列：所有液晶分子相对两侧基片面以一定角度倾斜，：所有液晶分子相对两侧基片面以一定角度倾

45、斜，且沿同一方向排列；且沿同一方向排列； 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列垂直排列垂直排列沿面排列沿面排列倾斜排列倾斜排列4.4.混合排列：混合排列：液晶分子相对一侧基片面作垂直排列，而在另一液晶分子相对一侧基片面作垂直排列，而在另一侧基片面沿同一方向作平行排列；因而液晶分子的排列在两块侧基片面沿同一方向作平行排列；因而液晶分子的排列在两块基片之间连续地基片之间连续地弯曲弯曲9090o o。5.5.扭曲排列：扭曲排列：所有液晶分子相对两侧基片面作平行排列，但两所有液晶分子相对两侧基片面作平行排列，但两块基片面上的排列方向互成块基片面上的排列方向互成9090o o；因

46、而液晶分子的排列在两块基；因而液晶分子的排列在两块基片之间连续地片之间连续地旋转旋转9090o o。6.6.沿面螺旋排列：沿面螺旋排列：液晶分子排列的螺旋轴与两侧基板表面呈垂液晶分子排列的螺旋轴与两侧基板表面呈垂直排列；直排列；7.7.焦锥排列：焦锥排列：液晶分子排列的螺旋轴相对于两侧基板面呈平行液晶分子排列的螺旋轴相对于两侧基板面呈平行的分子排列，但螺旋轴的方向是不确定的。的分子排列，但螺旋轴的方向是不确定的。问题：如何得到特定的液晶分子排列状态？问题：如何得到特定的液晶分子排列状态？ 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列截面图截面图俯视图俯视图 利用利用3 3种经过

47、基本种经过基本取向处理取向处理的导电玻璃，进行不同组合，可的导电玻璃，进行不同组合，可以得到以上介绍的以得到以上介绍的7 7种液晶分子排列状态。种液晶分子排列状态。（1 1）垂直取向处理垂直取向处理：使液晶分子长轴与基片表面垂直：使液晶分子长轴与基片表面垂直取向（取向（）的）的基片表面处理基片表面处理；（2 2）平行取向处理平行取向处理：使液晶分子长轴与基片表面平行：使液晶分子长轴与基片表面平行取向（取向（）的）的基片表面处理基片表面处理；（3 3）倾斜取向处理倾斜取向处理：使液晶分子长轴与基片表面构成一定角度的倾：使液晶分子长轴与基片表面构成一定角度的倾斜斜取向（取向（）的基片表面处理）的基

48、片表面处理。 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列垂直垂直取向取向处理处理平行取向处理平行取向处理 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列定向处理基板的组合定向处理基板的组合不同的分子排列方式不同的分子排列方式垂直排列（垂直排列（/）沿面平行排列（沿面平行排列（/）倾斜排列（倾斜排列（/)/)混合排列混合排列(/)(/)扭曲排列扭曲排列(/(/) )问题：用什么方法来实现三种基本取向处理？问题：用什么方法来实现三种基本取向处理？ 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列液晶分子排列取向的处理方法（三种）液晶分子排列取向的处理方法

49、（三种）1.1.基板表面直接取向处理法基板表面直接取向处理法 用具有用具有垂直取向垂直取向能力或能力或平行取向平行取向能力的能力的取向剂取向剂对基片表面对基片表面进行直接处理。在取向剂与液晶分子之间产生的范德华力、偶进行直接处理。在取向剂与液晶分子之间产生的范德华力、偶极子之间的引力和氢键等物理化学的相互作用力是液晶分子的极子之间的引力和氢键等物理化学的相互作用力是液晶分子的主要作用力。主要作用力。具体方法：具体方法： 在基片表面在基片表面涂敷取向剂涂敷取向剂溶液，然后通过溶液，然后通过加热干燥加热干燥等去除溶等去除溶剂，从而在基板表面形成剂，从而在基板表面形成取向剂的薄层取向剂的薄层。垂直取

50、向垂直取向平行取向平行取向卵磷脂、硬脂酸等卵磷脂、硬脂酸等聚氧化乙烯、聚乙烯醇等聚氧化乙烯、聚乙烯醇等 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列等离子体放电聚合法等离子体放电聚合法 将有取向能力的低分子量物质（如六甲基二甲硅烷、乙炔等）通将有取向能力的低分子量物质（如六甲基二甲硅烷、乙炔等）通过等离子放电而在基片表面上聚合而形成有吸附能力的取向层。过等离子放电而在基片表面上聚合而形成有吸附能力的取向层。喷涂取向处理法喷涂取向处理法 将具有取向能力的高分子量物质（如聚四氟乙烯），在高电场作将具有取向能力的高分子量物质（如聚四氟乙烯），在高电场作用下在基片表面上形成有吸附能力的

51、取向层。用下在基片表面上形成有吸附能力的取向层。2.2.基板表面间接处理法基板表面间接处理法 将取向剂（如卵磷脂、二元脂肪酸等）溶入液晶中，使其随液晶将取向剂（如卵磷脂、二元脂肪酸等）溶入液晶中，使其随液晶一起注入液晶盒，溶于液晶中的取向剂被基板表面吸附，形成取向剂一起注入液晶盒，溶于液晶中的取向剂被基板表面吸附，形成取向剂层。层。 优点：取向工艺很简单。优点：取向工艺很简单。 缺点：在液晶中加入较多的取向剂，会使液晶性能劣化，而其取缺点：在液晶中加入较多的取向剂，会使液晶性能劣化，而其取向效果的可靠性和耐久性一般比基片直接取向处理法差。向效果的可靠性和耐久性一般比基片直接取向处理法差。 2.

52、1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列3.3.基板表面变形处理法基板表面变形处理法 将原来光滑的基片表面变成不光滑表面，通过不光滑面与将原来光滑的基片表面变成不光滑表面，通过不光滑面与液晶弹性的相互作用，使液晶分子成一定的排列方向而固定下液晶弹性的相互作用，使液晶分子成一定的排列方向而固定下来。本方法的主要作用是可以使液晶分子的来。本方法的主要作用是可以使液晶分子的平行排列平行排列和和倾斜排倾斜排列列方向方向固定固定下来，这是前两种方法所不能实现的。下来，这是前两种方法所不能实现的。 先在基本表面涂覆一层取向层，然后用棉花、绒布、毛刷先在基本表面涂覆一层取向层，然后用棉花、绒

53、布、毛刷等顺着一定方向轻轻摩擦取向层表面等顺着一定方向轻轻摩擦取向层表面，可使液晶分子的平行排，可使液晶分子的平行排列方位取向一致，这种方法称为列方位取向一致，这种方法称为摩擦法摩擦法。摩擦取向机理：摩擦取向机理：摩擦使表面受伤而产生细沟，液晶分子沿沟的摩擦使表面受伤而产生细沟，液晶分子沿沟的方向一致排列。方向一致排列。 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列缺点：当液晶密封是用有机玻璃料进行高温处理时，取向效缺点：当液晶密封是用有机玻璃料进行高温处理时，取向效果会受到破坏。果会受到破坏。问题：是否有别的方法可以克服这个缺点？问题：是否有别的方法可以克服这个缺点？工业上常

54、采用裹有绒布的辊压在缓慢移动的玻璃基板上进行摩擦工业上常采用裹有绒布的辊压在缓慢移动的玻璃基板上进行摩擦倾斜蒸镀法倾斜蒸镀法 用氧化硅等取向剂相用氧化硅等取向剂相对于基板表面以一定倾斜对于基板表面以一定倾斜方向蒸发沉积到基片上，方向蒸发沉积到基片上，镀层厚为镀层厚为10101 110102 2nm。蒸镀法蒸镀法如图所示，当蒸镀如图所示，当蒸镀角小角小(5(52020 ）时，可时，可实现液晶分子的倾斜排列，实现液晶分子的倾斜排列，液晶分子长轴沿着蒸镀射液晶分子长轴沿着蒸镀射束方向排列束方向排列 ； 2.1.4 2.1.4 液晶分子的沿面排列液晶分子的沿面排列液晶分子在斜液晶分子在斜蒸的定向薄膜蒸

55、的定向薄膜上的排列方向上的排列方向当蒸镀角大当蒸镀角大(20(204545 ）时，可实现平行排列，液晶分子长轴时，可实现平行排列，液晶分子长轴的方位与蒸镀射束方向垂直排列。的方位与蒸镀射束方向垂直排列。 经过经过倾斜蒸镀以后，倾斜蒸镀以后，在基片表面上形成的波纹表面与液晶在基片表面上形成的波纹表面与液晶分子的相互作用能实现特定的分子排列分子的相互作用能实现特定的分子排列。 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能参量 1 1、电光特性、电光特性 液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度与外液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度与外加电压的关系，称为加电压的关

56、系，称为电光特性电光特性。 液晶的电光特性曲线液晶的电光特性曲线（1 1）阈值电压阈值电压Vth 标志了液晶光电效应有可观察反应的起标志了液晶光电效应有可观察反应的起始电压值，值越小则显示器件工作电压越低，各种液晶显示始电压值，值越小则显示器件工作电压越低，各种液晶显示器件的器件的Vth相差很大。相差很大。（2 2）饱和电压饱和电压VS 标志了显示器件得到最大对比度的外加电标志了显示器件得到最大对比度的外加电压值，压值，VS小则易获得良好的显示效果，且降低功耗，小则易获得良好的显示效果，且降低功耗，对显示对显示寿命有利。寿命有利。 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能

57、参量 两偏振两偏振片平行片平行两偏振两偏振片垂直片垂直（3 3）对比度对比度= = 式中：式中：Tmax为透过最大光强度；为透过最大光强度；Tmin为透过最小光强度。为透过最小光强度。（4 4）陡度陡度和和比陡度比陡度minmaxTTthsVV11thsthVVV 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能参量 正型电光响应曲线正型电光响应曲线（5 5）电光响应曲线电光响应曲线 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能参量 上升时间上升时间下降时间下降时间（6 6）对比度与视角对比度与视角对比度和视角的关系对比度和视角的关系 液晶显示液晶显示器件显示图

58、像器件显示图像的对比度随视的对比度随视角变化很厉害。角变化很厉害。 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能参量 2.2.温度特性温度特性 液晶显示器件的使用液晶显示器件的使用温度范围较窄温度范围较窄，温度效应也较为严，温度效应也较为严重，这是液晶器件的主要重，这是液晶器件的主要缺点缺点之一。之一。 目前商品化液晶显示器件的使用温度分为目前商品化液晶显示器件的使用温度分为普通普通型和型和宽温宽温型两种。普通型静态驱动型使用温度稍宽，也仅有型两种。普通型静态驱动型使用温度稍宽，也仅有0 0 4040 ，在在-5-5时，勉强可用，但响应速度变慢。而动态驱动型，由时，勉强可用，

59、但响应速度变慢。而动态驱动型，由于多路驱动所要求的特性较严，故使用温度范围则仅在于多路驱动所要求的特性较严，故使用温度范围则仅在5 5 4040。宽温宽温度的器件一般为度的器件一般为1010 5050。 工作温度对阈值电压和响应时间工作温度对阈值电压和响应时间均有较大影响。均有较大影响。 问题：什么样的液晶才适合制作问题：什么样的液晶才适合制作液晶显示器？液晶显示器？阈值电压的温度特性阈值电压的温度特性 2.1.5 LCD 2.1.5 LCD的主要性能参量的主要性能参量 2.1.6 2.1.6 液晶材料的要求液晶材料的要求 虽然各种液晶显示器件使用不同的液晶材料，但都必须满虽然各种液晶显示器件

60、使用不同的液晶材料，但都必须满足下列要求：足下列要求：（1 1）在使用和存储的温度环境下都）在使用和存储的温度环境下都表现为液晶相表现为液晶相；（2 2）具有优良的）具有优良的化学稳定性、光化学稳定性化学稳定性、光化学稳定性及及热稳定性热稳定性，使，使用用寿命长寿命长；（3 3）粘度低粘度低，具有，具有优良的响应特性优良的响应特性；（4 4）介电各）介电各向异性大向异性大，适于，适于低电压工作低电压工作； 对于对于TNTN型显示器件：型显示器件： 阈值电压阈值电压VthVth与介电各向异性与介电各向异性成反成反比，即比，即大，则大，则VthVth小，工作电压低。小，工作电压低。 （5 5）双折