液晶技术与制备课件

第四章液晶的应用基础第四章液晶的应用基础14.1可应用于液晶显示的电光效应液晶的电光效应是指液晶在外电场下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，在此仅从应用于液晶显示元件的观点出发，将其中比较重要的列于下表：

扭曲向列型（TN）效应宾主（GH）效应电场效应型电控双折射（ECB）效应相变（PC）效应电光效应电流效应型动态散射（DS）效应近晶型效应热效应型胆甾型效应4.1可应用于液晶显示的电光效应液晶的电光效应是24.1.1扭曲向列型(TN)效应

在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间,夹入厚约10μm具有正介电各向异性的向列型液晶(以下简称NP液晶),做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续扭曲90°的扭曲(TN)排列盒.入射光偏光镜偏光镜TN排列盒液晶分子（a）无外加电压（V=0）入射光偏光镜偏光镜（b）有外加电压（V>Vth）透射光光遮断4.1.1扭曲向列型(TN)效应在涂布了透明电极3然而，一旦90°扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电压Vth起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜。但是，在施加的电压为Vth的两倍时，除了电极近旁的分子以外，其它分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致90°的旋光性消失。这种状态下，液晶盒在两块平行偏振片之间时，光线能通过，而放在两块垂直偏振片之间时，光线就不能通过，与不施加电场的情况完全相反。因此,这种TN盒具有如下功能:即它在两块平行偏振片之间时,光线就不能通过,而放在两块垂直的偏振片之间时,光线就可以通过.

由于这种TN排列盒的扭矩远远大于可见光的波长,所以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过程中,其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转90°(即旋光度为90°).然而，一旦90°扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电4对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透过率。下图显示了透过率与电场作用关系图。考虑到偏光片的作用使反射型TN显示屏的最大透过率只有50%。垂直线代表液晶盒的开或关状态时的电压。对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透过率。5响应时间上升响应时间

r:施加电场下产生的电光现象达到稳定值的90%时所需要的时间。下降响应时间

d:停止施加电场之后，电光现象减少到稳定值的10%时所需要的时间。响应时间上升响应时间r:施加电场下产生的64.1.2宾主（GH）效应入射光(白色）偏光镜GH盒透射光(有色）入射光(白色）透射光(无色）(a)无外加电压(V=0)（b）有外加电压（V>Vth）(a)(b)吸光度(相对值)波长(nm)染料分子液晶分子GH电光效应原理4.1.2宾主（GH）效应入射光(白色）偏光镜GH盒透射7一旦把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸收具有各向异性的两色性染料（宾），溶解于特定排列的液晶（主）中，则一般呈棒状的两色性染料就会与液晶分子相互平行地排列。因此，在施加电场的情况下，作为“主”的液晶的分子排列发生变化。这样，就可以通过电控的方式来控制染料对可见光的吸收量。这种电光效应就叫做宾主效应。根据所用的分子排列的类型、液晶的种类、染料的种类、盒的结构等组合情况，宾主效应可分为多种方式。一旦把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸收具有各向84.1.3动态散射（DS）效应把有机电解质等异电性物质溶解，配制成电阻率约小于5×1010Ω·cm的Nn液晶。将这种液晶夹在两片透明电极之间，做成液晶膜厚约为10μm沿面排列的液晶盒。对这种液晶盒施加交流电场，则在改变其激发频率f和施加电压v大小的同时，用偏光显微镜观察这时形成的电不稳定性的光学图案，并记录产生该图案的阈值电压Vth。以某一特定的激发频率fc为界，在此前后的频率区域，可明显地观察到两种不同类型的光学图案。在低频区域（f<fc），当电压V超过某一阈值电压Vw时，就呈现出具有与液晶盒厚度相同间隙的周期性的静态条纹状图案（这种图案称为威联斯畴）。4.1.3动态散射（DS）效应把有机电解质等异电9若再增加电压，就变成不规则的复杂图案，结果使光变成强烈地向前散射的湍流状态以致混乱状态.这种现象称为动态散射.即使在施加直流电场时也能看到同样现象.这种DS效应就是液晶显示主要方式之一的DS型显示的工作原理.入射光非散射光入射光非散射光入射光散射光(a)沿面分子排列V<Vw

(b)威联斯畴V>Vw

(c)动态散射(DS)V>>Vw

产生动态散射(DS)现象全过程的液晶分子排列状态的变化若再增加电压，就变成不规则的复杂图案，结果使光变成强104.1.4电控双折射（ECB）效应通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生。偏光镜偏光镜入射光（白色）入射光（白色）无透射光（黑）透射光（有色）V=0V>VthNn液晶垂直排列4.1.4电控双折射（ECB）效应通过外加电场控制液晶盒11外加电压V透射光强度外加电压V相位差红黄蓝红黄白灰

m=452nmMBBA,盒厚10m,正交偏振片I=Iosin22sin2dn(v)

Vth=[k33/

o(-

)]1/2外加电压V透外加电压V相12沿面排列Np液晶EVth=[k33/

o(

)]1/2沿面排列Np液晶EVth=[k33/o()]113特点：1.外加电压产生的干涉色的色调变化顺序，与垂面排列的顺序相反。2.Np的介电各向异性一般较大，使阈值电压降低。3.色调变化清晰。4.不会产生动态散射现象。特点：14混合排列Np,NnNpNn无阈值电压混合排列Np,NnNpNn无阈值电压15STN效应扭角中间层倾角度STN效应扭角中度16入射偏光片液晶盒出射偏光片270度扭转入射偏光片液晶盒出射偏光片270度扭转17倾角扭角层中距离倾扭层中距离184.1.5相变效应入射光入射光散射光（乳白）透射光（透明）V=0V>Vth4.1.5相变效应入射光入射光散（乳白）透射光（透明）V19特点：阈值电压与盒厚有关。Vth=

2d/po(k22/)1/2无需偏光片。特点：204.1.6热光效应液晶的光学性质随温度的变化而变化的现象,一般称为液晶的热光效应.热光效应以加热或冷却的手段来改变液晶分子的排列状态.作为能显著地显示这种效应的液晶,可举出近晶型液晶和胆甾型液晶等.下面仅以前者为例加以叙述.在两块透明基片之间放入经过垂直取向处理的近晶型A(SA)液晶,做成夹芯型的液晶盒.将此液晶盒加热,一旦温度上升到使盒内液晶成为各向同性液体的温度以上时,立即进行冷却.这时,如果是急冷,则液晶盒整体呈现白色浑浊状态;若是缓慢冷却,则液晶盒整体将变成透明状态.

4.1.6热光效应液晶的光学性质随温度的变化而变21这种白色浑浊状态和透明

状态,分别是因为SA液晶在

骤冷时形成紊乱的焦锥排

列和在缓慢冷却时形成垂

面排列所致.实际上前一种状态大致上等同于将各向同性液体中无规则的分子排列状态用迅速冷却的方法固定(冻结)下来.这种SA液晶盒的热光效应,已经被应用于以激光束照射作为加热手段的热写入方式的大容量显示.透明光散射急冷慢冷这种白色浑浊状态和透明

状态,分别是因为SA液晶在22热光效应+电场电热光效应V=VsV=0光散射透明电压消除后，两种状态并不消失，可储存。热光效应+电场电热光效应V=VsV=0光散23对用于液晶显示器的液晶材料的要求:液晶的温度范围广;化学和光化学性质稳定;粘度低;介电各向异性大;双折射性适中;弹性模数均衡;分子排列的有序度高等等.4.2液晶混配对用于液晶显示器的液晶材料的要求:液晶的温度范围广;24单个液晶不能满足所有要求，一般采用混配的方法，选择多个液晶单体，取各个所长，在混融状态下混合。但各个物性常数并不是简单的代数之和。CrNIso温度0C单个液晶不能满足所有要求，一般采用混配的方法，CrNIso温25有加和性：

，

n,1/p，K11,K22,K33（极性-非极性混合液晶除外）,TNI（极性-非极性混合液晶除外）.

无加和性:TCN.TNI=X1

H1+X2

H2X1

H1+X2

H2=(X1/N1)

1+(X2/N2)

2

(X1/N1)+(X2/N2)(Kii)1/2=X1(Kii,1)1/2+X2(Kii,2)1/2有加和性：，n,1/p，无加和性:TCN.26物理参数的调节介电各向异性

光学各向异性n液晶材料相变温度TCN,TNI多路驱动能力响应速度驱动电压对比度视角工作温度区间弹性系数粘度螺距螺距有序参数物理参数的调节介电各向异性光学各向异性n液晶材料相27基本组份40~50%低粘度组份30~40%高温组份20~30%基本组份40~50%低粘度组份30~40%高温组284.3胆甾液晶的热色效应液晶薄膜温度计紫蓝绿黄橙红4.3胆甾液晶的热色效应液晶薄膜温度计紫29红橙黄绿蓝紫红橙黄绿蓝紫30液晶混配微囊化印刷覆膜液晶混配314.4液晶的显示方式一般使用的液晶显示器件,有段型显示和矩阵型显示两种.段型显示器件结构简单,容易组装.组装时是将安有段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置,两极之间的距离为几至10μm,四周密封,只留一个液晶注入孔,组装成空的盒状容器,然后从液晶孔向空盒中注入液晶材料,再把液晶孔密封.矩阵型显示器件则在任何一个电极基片上都安装复数的带状电极,双方的带状电极要垂直相交.除了上述的液晶显示器件,还有其他一些类型的液晶显示器件.例如光寻址型液晶显示器件、热寻址型液晶显示器件.4.4液晶的显示方式一般使用的液晶显示器件,有段324.4.1段型显示及其驱动方式段型显示适用于限定数目的符号和数字等反复显示的场合.它广泛应用于电子计算器、钟表、竞赛电子计时器、计价仪器等显示装置.段型显示的驱动方法有两种方式,显示的文字数目比较少的用静态驱动,显示的文字数目很多时,应用多路传输驱动.4.4.1段型显示及其驱动方式段型显示适用于限定33静态驱动方式静态驱动上段显示的最基本的驱动方式.这是把所有的段电极逐个分别驱动的方式.所有段电极和公共电极之间,仅在要显示的时间内才施加电压.液晶显示器件如用直流电驱动,在液晶盒里诱发的电化学反应就会显著缩短显示器件的寿命.因此,一般在段电极和公共电极间波峰值为V0时,施加相位差仅为π/2的方波电压.因为液晶没有极性,所以液晶就被施加波峰值为2V0的电压.在这种条件下,施加给液晶的平均电压就成为零了,因此可以防止液晶的变质.静态驱动方式的各段,必须单独安装驱动元件,因而,电子计算器等需要显示的数目太多时,连接各段的接头和驱动元件数就很多,这一点是其欠缺的.静态驱动方式静态驱动上段显示的最基本的驱动方式.这是34公共电极段电极计算器+译码静态驱动电路的结构公共电极段电极计算器+译码静态驱动电路的结构35多路传输驱动方式多路传输驱动方式，是在显示数字的数目比较多时使用的驱动方式。多路传输驱动方式也叫做分时操作驱动方式，或者动态驱动方式。多路传输驱动方式，是将全部段电极分为数组，然后将它们分时驱动。应用这种多路传输方式，当数码的位数多而需要增加分时的数目时，可以大幅度地减少对应于分时数目的驱动接点和驱动元件。然而随着分时数的增加，将因交叉失真效应引起工作宽容度（最低选择点电压和最高选择点电压之比）a逐渐减小而难于驱动。因此，分时的数目必须限于某一必要的最小限量。多路传输驱动方式多路传输驱动方式，是在显示数字的数目36C1

C2C3S1S2S3S4S5S6SmSn

公共电极段电极多路传输驱动的电极结构图现在把多路传输驱动的段电极和公共电极的联结绘成简明的图形，如上图所示的矩阵变换电路显示的电极结构。这样就可以把公共电极看成是扫描电极，把段电极看作是显示电极。C1S1S2S3S4S5S637TN、HTN、STN的结构TN、HTN、STN的结构38FSTN、ECB-Mul