液晶基础知识

1、液晶基础知识1、今天我们将要讨论的是关于液晶的基础知识。2、我们先大致了解一下液晶分子，然后仔细研究一下使液晶工作的电特性和光 特性：先讲电介质的各向异性；再谈液晶对电场的响应；之后是液晶分子的 双折射光学特性；然后是偏光镜，最后再了解一下三种最具商业价值的工作 模式：扭曲向列型、IPS、MVA。3、液晶分子有很多种，这是其中的一种。总体上讲，在一个液晶面板中由是很 多种液晶分子组成的混合物，提供许多附加的特性，但本质上都是一个具有 坚硬头部和柔韧尾部的长圆柱体分子。它坚硬的头部在室温下是结晶态，但 由于那个柔韧的尾部在室温下的摆动阻止液晶分子凝结成为固体。这种结构 赋予它与众不同的熔融特性，

2、它是介于晶体和液体之间的状态。4、液晶有许多种类，这里的几种是最主要的，近晶型、胆甾型和向列型。我们 将主要的精力集中在向列型液晶上，就是右边的这种。它是到目前为止用在 显示技术上最重要的原材料，包括扭曲向列型、IPS和MVA模式。5、向列型液晶的排列：如图中左侧的这幅图所示：这是一个椭圆柱形的液晶 分子。它可以在任何方向平移，它可以如图所示在x轴方向自由的向前或向 后的横向移动，包括纸面所示的向上和向下以及向里和向外的方向。它甚至 可以在长轴方向旋转。它在图中y轴和z轴方向不可以自由的摆动和旋转。它 被它邻近的分子所限制。这个分子所有的邻近都是顺着它排列的，当它试图 在y和z方向摆动时，会撞

3、到它的邻居，所以受到了限制。这就是基本的模型， 你所看到的这些是它的液体方面的特性。首先，它可以在任何方向平移，它 可以在其中的一个方向旋转，但在另外两个方向的旋转被限制，这就决定了 它的晶体特性，所以它是液晶，在两者之间的混合物。6、现在让我们讨论一下液晶分子的电特性模型。分子在电场中通常会充电，之 后被极化。在电场的影响下分子产生的特殊电子云分布会使分子产生形变。当对分子加一个横向的电场，它将会极化。对于各向同性的介质，在各个方 向的极化是相等的，不会考虑电场的方向性。可以得到相同的极化结果，所 以这个极化结果在这幅图中称为定。它是一个矢量，充电后最终得到一个对 准电场方向的正、负两极。有

4、些分子可以极化，几乎所有分子的极化在不同 方向是不同的，但通常在一种液体或非晶体中，所有的分子是随机指向任何 方向的，所以总体上得到一个各向同性的结果。7、但是在晶体中可以得到各向异性的结果。在三个有效方向中可以得到其中一 个方向的极化效果好于另外两个方向。Two of them, its going to turn out to averagetogether, well see that in a minute.你能看到的是：当电场方向平行于长轴方向时，分子的极化效果非常的好； 但当电场方向平行于分子短轴方向时，它的极化效果并不是很好。这就是引起液晶许多特性的电介质各向异性。8、它是怎样工

5、作的呢？当一个液晶分子可以自由的旋转，它有一个主要轴和两 个次要轴。分子的旋转允许它的两个次要轴相互平均，这就是这副图试图展 示给你的：垂直介电常数是两个垂直介电常数的平均值。它可以极化，并且 它通常是极化的，这两个中的一个稍微好于其它的方向。但是因为它的自由 旋转，它的平均化，使得它实际上具有两个介电常数，这就是液晶分子所具 有的特性。这个阶电常数是，或者是平行于长轴的parallel，或者是垂直于长 轴的 perpendicular。9、那么现在我们该怎样做呢？首先，我们认识到这个分子在电场中会经历转动，因为它在长轴方向的极 化要好于其它方向。我们来看转动是怎样产生的。在这种情况下，当这个

6、 分子稍微横向于电场时，由于分子极化，其中一端会带正电，并且由于库 仑力（qE）的作用，会被吸引到电场的负极方向。相反的，分子的负极一 端会被吸引到电场的正极。这就会造成分子的转动。事实上，由于有两个 介电常数、两个极化轴，将会产生一个转动的竞争。所以会产生一个使长 轴平行于电场方向的转动和一个使短轴平行于电场方向的转动，由于长轴 方向极化效果更好，所以这个方向的转动会获胜。10、在这幅图中可以看到一个你所期待的描述转动的公式。我们来看详细资料: 首先，要依靠两个介电常数的不同。如果两个轴的介电常数是相同的，那就 不会得到转动效果，因为试图从两个方向拉它的力相同，而最后只能得到都 拉不动的结果

7、。知道了这个结论后，就可以推出两个方向的介电常数的差别越大，两个 方向的极化矢量差别就越大，在相同电场下得到的转动就越多。这样，我们 可以通过扩大两个介电常数的方法以低电压驱动液晶。插一句：液晶有温度依赖性：当温度升高后液晶分子的摆动会更多，顺 便提一下，当温度升高过多，液晶会旋转而变成液体，这个温度称为清亮点。 在低于清亮点高于结晶温度时，液晶是在一个中间状态，当温度上升后它有 了更多的摆动，致使有效介电常数下降。所以液晶有一定的温度依赖性。同 时我们可以从这个等式中看到它依赖于电场强度的平方。这是一个重要的结 论。它意味着液晶的极化不取决于电场的极性。因为转动取决于电场的平方， 所以无论电

8、场的分布是从上到下还是从下到上，都会得到同样的结果。它说 明我们可以将这些转动都平均，我不仔细讲这里了，但大体上我们可以认为 液晶依赖于均方根值。它的转动可以由施加的电场强度的均方根值得出。 因此，因为液晶感应电场，液晶分子的排列、转动取决于施加电压的平方或 均方根值。这是一个重要的特性，因为我们可以通过对液晶施加正极性和负 极性的电压而得到相同的转移特性。下面我们将要细致的讨论光学传输特性，但是它的响应不依赖于电压的极性，我们能够改变电压的极性，这就意味着可以使施加于液晶电压的直流 分量为零。这就可以使悬浮在纯净液晶中微粒变纯，但是通常会有一些离子 的存在而不纯。and that keeps

9、 particles that are suspended in this intended to be pure liquid crystal，这些离子是由于电离产生的。电离的结果使会影响电光特性曲线，会产生称之为“图像暂留”或“图像保 持”的现象。最终我们看到的是角度关系而影响画质。显然，由于电场使得分子的角度转动。特殊情况是，当分子顺着电场时， 不会发生转动；而当它垂直于电场时也不会发生转动。所以，需要给分子一 个预倾角，使得较大的极化矢量，那个长轴，当它加上电压时具有产生一个 强有力的转动。这些要素是理解液晶特性的重要要素。11、现在，我描述了为了使液晶分子转动需要什么：施加一个外部电

10、场我们可 以使液晶分子转动。但什么可以使液晶恢复？它是一个弹性系统，分子有一 个稳态位置，必须增加一个转动力矩使它偏离稳态位置。向列型液晶在稳态 位置就像雪茄放在盒子里一样，有三个弹性常量确保它固定在这个位置，液 晶分子在电场作用下发生形变后，这三个弹性常量使液晶分子恢复到稳态位 置。12、这三个弹力是：弯曲、扭曲、张力。由这张图可以看到这三个弹力。你可 以想象一下，将一条液晶分子弯曲，它会像一条橡皮一样弹回到原来的位置。 你同样可以想象将它扭曲，也会弹回原来的位置。对于张力不容易想象，但 如果你可以试着拉一条橡皮使它分离，这就是张力。这三个弹性常量是使被 外部电场转动的液晶分子恢复稳态的恢复

11、弹力。由此我们可以很合理的理解一个液晶分子如何在外部电场作用下转动， 之后又在没有外部电场的情况下恢复到它的初始位置的。13、但是我们如何使它显示？现在我们就必须先将分子电特性模型放在一边， 来研究一下光学领域，即电光传输特性。14、我们先回顾一下折射。当光线穿过一种材料，由于折射率的关系，它的传 播速率会变化。有传播速率慢的材料也有传播速率快的材料，这个原理在光 学上用来改变光线传播方向。有一个界面，在界面一边是低折射率的材料， 如空气；另一边是高折射率的材料，如玻璃。可以让光线从界面上穿过，一 部分光线的速率不变，另外一部分光线的速率下降，并引起光线传播方向的 改变。但这并不是我们用在液晶

12、上的，我们使用的是偏光面。首先我们先了 解一下光通过一种材料时的它的波长变化。在这幅图中我们可以看到从两个相同光源发出的两束相干光波通过折射率为N0的材料，它们是同频同相的。在这幅图上部的这束光在X方向通过折射率为n1的材料；在下部是同样的光波通过折射率为n2的材料。当它们从折射率为n1和n2的材料中传出，回到原来的材料中。这时你注意到了什么？如 果你仔细看的话？光线通过界面时的点不同。换句话说，上下两个波形在穿 过界面时的相位是不同的。这个相位的不同正是我们用在液晶方面的。我们想说的是它有一个不同 的光学轨迹。也就是说，如果光学轨迹相同，则相位是相同的。我们假设在 两个波长不同的光波中，其中

13、一个的光学轨迹长或短于另外一个，就能得到 不同的相位。15、现在，让我们再回头谈一下液晶分子。就像我们前面说过的，液晶分子有 三个轴方向的介电常数，其中两个的介电常数近似的相等。对于穿过液晶分 子光波的波长具有同样的原理。两个方向的折射率是不同的，沿着长轴方向 的折射率要比沿着短轴方向的折射率大。就像介电常数一样，我们将这种现 象称为双折射现象。液晶分子具有两个折射率，在电学领域我们称为电介质的各向异性，而 在光学领域我们称为双折射。无论如何,当光波穿过时，在不同方向具有不同 的速率这是液晶分子的一种自然属性。我们将要利用这种性质来旋转偏振光 的偏振面。16、让我们先来了解偏振光是如何穿过一种

14、介质的。偏振光的意思是指光波的 振动方向是沿着一个轴振动的。光波的振动分为电场分量和磁场分量，在这 里我们只对它的电场分量感兴趣，我们仅需要注意光的这种电场特性。偏振 光的振动只在一个方向，也就是仅在一个偏振面上。如果将这个偏振面注入 到一种具有慢速轴和快速轴的介质中，这个偏振面就会发生旋转。我们可以 将电场分量分为快速轴方向和慢速轴方向的两个矢量。由于快速轴的竞争能 力强与慢速轴，所以就会将偏振面旋转。这副图想要说明的是，当光波最初 进入这种介质时，它的振动方向是45 ,而当它通过这种介质后，它的振动 方向旋转到了 +45，当它射出这种介质时它的偏振面旋转了90o所以，具 有快、慢两种折射率

15、的介质，具有双折射现象，它能够旋转偏振面。17、现在让我们了解一下白色随机偏振光。从白炽灯泡或者其他光源发出的光 波都是在所有方向振动，具有所有方向的偏振角度。我们需要使用的仅是其 中的一个偏振角度。我们可以用偏光片使在所有方向振动的光波变为只在一 个方向振动的偏振光。现在我们看一下偏光片的效果。偏光片仅能通过一个 振动方向的光，换句话说，它会让一个振动方向的光波通过而吸收与它的振 动方向垂直的光波。18、换句话说，线性偏光片会让在一个方向振动的光通过而吸收与它的振动方 向成90 的光波。可以将任意方向振动的光波分为平行和垂直于偏振方向的两 个分量，平行分量会通过偏光片而垂直分量会被偏光片吸收

16、。这幅图中所展示的就是相对偏光片偏振方向来说是不同振幅不同振动方向的光波通过偏光片后只有平行于偏光方向的分量通过。理论上会有50%的光通过而有50% 的光被吸收。但实际上，只有接近42%的光透过。对于LCD，我们首先需要 做的，是由一个背光系统产生白光，让这些白光通过偏光片，会有50%以上 的光被吸收。19、用这种方法我们就可以制作一个显示器了：我们要有一个在所有方向振动 的白色光源，让它通过一个线性偏光片后变成仅在一个方向振动的线性偏振 光。这种线形偏振光是将自然光变为线形偏振光的。在这种光波中，少于初 始值50%的光波通过偏光片。之后进入一种具有双折射性质的介质中。这种 介质具有慢速轴和快

17、速轴。当光波进入这种介质后，会有沿着慢速轴方向的 分量和沿着快速轴方向的分量。当光波穿过这种介质后，我们就会看到前面 讲过的偏振面的旋转。光波在进入介质前的偏振面是线形偏光片的方向，但 由于液晶这种具有双折射性质的作用，当它射出液晶层之前，它的偏振面方向 已经被液晶旋转了一定的角度。这时，如果液晶层的另外一端有一个在光学 上称之为检偏片的偏光片，光波的一部分就会被吸收。同样也可以将光波分 为两个相互垂直的分量，一个分量平行于检偏片的方向，另外一个分量垂直 于它。当然，垂直于检偏片方向的分量会被吸收，而另外一个分量通过了检 偏片。由此我们得到了通过第二个偏光片的光波，这个光波的振动方向与初始的振

18、动平面相同，但由于部分被吸收，它的振幅降低了。由此可知，如果我们想办法将光波在液晶层旋转的角度调制为90，那么 光波将会在第二片偏光片处被完全吸收，从外面看起来就是暗场。如果完全 不旋转光波的偏振面，那它会完全透过第二个偏光片，从外面看起来就是亮 场。控制偏振面旋转角度的就是具有双折射性质的液晶层，是液晶层相对光 波传播方向的排列方式。20、现在让我们看一看如何构造一个液晶显示系统。在这副图中是液晶层的表 面，这里具有液晶的取向结构。这个取向层是在一层有机高分子薄膜（聚酰 亚胺）上，用绒布类材料高速摩擦得到的。可以将它想象为一些槽，这些槽 有的很宽，并不起作用，但有些槽的宽度与液晶的宽度是相近

19、的，这样就可 以起到将液晶分子固定取向的作用。之后就是制造一层液晶，将液晶灌注到 取向层的表面，液晶的长轴会自然的对准取向层上摩擦出来的方向。这个将 液晶分子固定取向的过程是制造液晶显示器的第一步。现在，这个附加层固 定在表面后，向列型液晶层就建立起来了。下一层液晶分子将要铺在这层液 晶上面。就像这样，第一层液晶分子以固定的取向铺在取向层上，第二层液 晶分子铺在第一层上，逐步积累，形成一个立体的液晶层，形成了这种向列 型规则。21、现在来看一看扭曲向列型液晶显示器的结构。在底部将液晶分子对准取向 层的表面，分子的长轴的方向是垂直于纸面的。而在顶部液晶分子有了 90 的扭曲，它的长轴方向是平行于

20、纸面的。这里我们不过多的讨论这个90 的扭 曲。这个扭曲属于力学的扭曲，不是偏光面的旋转。从这幅图中可以看出，可以将这个空间划分出不同的区域，可以用电场 控制每一个区域，这些不同的区域称之为象素或者叫子象素。可以将彩色滤 光片放在每个子象素的后面，当光透过时，可以得到不同的颜色。当放上红、 绿、蓝三种颜色的滤光片后，就可以组成全彩色的显示器了。22、从这副图可以看到液晶分子对准取向层，并没有扭曲。但是你可以想象到 经过摩擦的取向层使液晶层能够顺着取向槽排列。两个表面有45 的交叉，所 以偏振角度与液晶分子的夹角是45。所以光波射入液晶层后，由于顺着长轴 振动的分量和顺着短轴振动的分量的不同，使

21、得偏振面旋转了90o当光波通 过底部透过液晶层后，随着偏光片方向的不同，光波要么透过要么停止。由 于我们让上、下两个偏光片的方向相互垂直，当光波通过液晶层被旋转了90 后，通过了第二个偏光片，这种模式成为常亮模式。这种模式下，在未加电 场的情况下，液晶分子处于稳态位置，它将光波旋转了90，让光波通过。23、在另外一种状态下，当我在两层偏光片之间加上电场之后，就可以使液晶 分子竖直起来，垂直于偏光片。这样，就不会发生双折射，进入液晶层的光 波就不会发生旋转。由于光波的偏振面没有发生旋转，所以光波在通过液晶 层到达第二个偏光片后就会被完全吸收，这样从外面看来就是暗场。所以我 们就得到了两种情况，第

22、一种情况下，光波透过，是亮场；第二种情况下， 光波被吸收，是暗场。由此我们就可以做成一个显示器件了，可以对显示器 上的某个区域进行控制，让它透过或吸收，让它变成亮场或暗场。通过R、G、 B滤色片，我们就可以通过吸收不同波长的光波，来显示出不同色彩，让液 晶显示器不仅能够显示黑和白，还能够显示出不同的颜色。另外当我们可以 寻找到一些中间点，可以是一部分光波被旋转而另一部分不旋转，就可以作 出有不同灰阶的显示器。24、现在让我们回头仔细看一下扭曲向列型液晶。如前所述，将取向层摩擦后， 靠近它的液晶就会顺着它排列。在另外一端，将摩擦的方向垂直于前一层， 靠近这一层的液晶会顺着这个方向排列。而液晶分子

23、就会在两层之间自动的 旋转90 o另外要做的一件事就是要在取向层上设置一定的预倾角。回顾刚才讲的 分子的转动状况，为了让沿着长轴和短轴的分量的合力能够使分子转动，需 要使分子的初始角度与电场间的角度不是零。这个预倾角不仅起这个作用， 还可以使液晶分子能够更快的对电场响应。25、扭曲向列型液晶是显示器件的一个创新，但它并不完美，它的视角并不好， 如果能够使它的视角有所改善，它将会有更多的应用。但是这正是扭曲向列 型相对于非扭曲向列型的功能差别所在，它产生了宽视角。如果我们将视角 看为一种功能，视角，就是指当你可以正常观看画面的角度，当你超过这个角度去观看， 就会发现本来的亮画面变暗了；本来的暗画

24、面变亮了。同样，灰阶也会变化， 不再是你想要呈现的那个灰阶了。这是液晶一个不受欢迎的特点。由于它平面显示、高亮度以及全彩色的特点，液晶显示是一种很好的显 示器。但由于它的视角问题使得它并不理想。我们可以通过损失垂直视角来 改进水平视角。对同一个显示器，当观察点在垂直方向移动时，会有不同的 效果。将显示器垂直向上移动时，所有中间灰阶和最暗阶的亮度都会升高， 但不包括最亮阶。也就是说，将显示器下移，所有灰阶会变暗；将显示器上 移，所有灰阶会变亮。所以，随着视角的变化，会有很大的亮度不稳定性， 这是由对显示器的定向来决定。我们可以通过损失垂直视角来增大水平视 角。如果你有笔记本电脑，你会注意到这个特

25、性的。如果我将笔记本电脑放 的很低，画面会很暗；而当我将它抬高后，会变亮。这样可以得到一个比较 满意的适中的角度。液晶的视角是一个重要的特性，因为它的存在，限制了它在许多场合的 应用。它能够比较好的应用于笔记本电脑。如果没有这种全彩色平板显示器件，就很难做出这么小的电脑来。所以不得不在这方面做出一些让步.但是，当我们想做大尺寸的显示器或者大屏幕的液晶电视的时候，那些非常挑剔的人 就会说：“我想要一个高质量的显示器”。26、这个是观看时合适的距离，18英寸或者20英寸。大屏幕的会有一个完全不 同的视角。这个视角意味着做不到一一对于每种颜色、每个点来说，做的完 全一样的亮度是不可能的。因为彩色是由

26、R/G/B三基色组成的，当视角增加 时，很难让每种颜色保持稳定，所以不同视角的亮度一致性差会带来颜色的失 真。为了补偿这种不稳定性进行了许多的努力。27、我们先对怎样进行改进了解一点原理。对于液晶来说，在不同的视角下会 有不同的光学路径。我们想做的就是使不同视角下的光学路径相同，就是让 不同视角下光波的偏振面相同，就得到了一个均匀的显示器。具体实施的，就是构建一个与TN型互补的结构与TN型一前一后的排列。 如图中所示，将一个左手扭曲型和一个右手扭曲型结合起来，就可以得到互 相补偿，消除了视角问题。但是，在上面一层和下面一层间的界面不可能无限制的变薄。它是由两 层玻璃组成的，在不加层的情况下是无

27、法使液晶变厚的。当它工作时，必须 经过一段较长的距离，要想从中得益必须要付出很大的代价。很显然，这种 做法是不可行的。28、对于TN型液晶，还有一种做法就是用一种成为负极性延迟薄膜的物质贴在 液晶层的下面。这样就可以增大视角。加上这种称为延迟器的补偿薄膜，它 是具有双折射性质的材料，它相对液晶来说是负极性的，会将偏转面向相反 的方向旋转。这样就增大了视角。这种方法应用于15英寸和17英寸的显示器上。因为 补偿膜是负极性而液晶是正极性的，将它们叠加后改变了双折射。但这种调 制双折射的方法,对于灰阶的视角扩展的作用相对还是比较窄的。29、我们要使接近黑色的灰阶的视角扩展，这样可以有效的提高显示器的

28、对比 度，这种方法对于17英寸的显示器来说，具有很好的性价比。但是对于大屏幕的显示器和液晶电视来说，这种方法就不合适了。而另 外两种解决这个问题的方法已经发展起来了。其中之一就是IPS模式，IPS模式不同于TN型液晶。在这种模式中，所有 的液晶分子都指向同一个方向。这个方向与一边的偏光片的方向平行而与另 一边偏光片的方向垂直。在这种模式下，与TN型不同之处，液晶分子始终都是平行于偏光片的， 所以称为平面控制模式。当施加了一个平面电场后，就可以使偏振面也就是 液晶分子在一条带中旋转，所以在右手旋转这一边所施加的电场要更强烈一 些。这样就可以使下半部分的液晶分子由稳态旋转90到垂直态；而上半部分由

29、垂直态旋转90回到稳态。这样，上下两部分将会相互补偿。本质上，我们所做的就是让上下两半部分精确的相互补偿。IPS模式理论上在各级灰阶下对通过液晶的光波都进行了补偿，是一种本 质上的修正方法。但是，这种方法也有缺陷，因为它可以实现，所以就多讨 论一下。理论上，理想化的平面控制模式材料可以完全补偿光学路径。我们先来 看看IP S模式的制造技术。如图所示,左右两个电极是排列在液晶的同一侧的。 当没有施加电场时，所有的分子都指向同一个方向。当在两个电极间施加了 电场之后，你所看到的就是之前那幅图中实施所示的，液晶的排列分为上下 两部分。30、但因为电极是排列在同一侧的，就会带来一些损失。由于电极是不透明的， 所以电极部分就不能够透过光。这样，就会影响到开口率。如果想得到同样 的亮度，就需要更亮的背光灯。31、另外一种宽视角技术称为垂直取向技术。自始至终我都谈到过液晶分子的长轴方向的偏振要好于短轴方向。但是，有 可能使液晶的短轴方向的偏振好于长轴方向，这种称为垂直取向。32、如果具有了垂直取向的液晶，就可以制造出具有商业价值的产品，具有不 同变量的MVA模式。我们需要做的就是让所有的分子站立起来。在静止状态下，使双折射参数中较低的那个的方向（长轴）平行于光波方向。这样就使分子站立起来，使它具有不同的垂直特性。当然，我们需要使它具