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1、液晶材料及液晶显示技术液晶材料及液晶显示技术电电子子表表MP4GPS掌上电脑掌上电脑1液晶液晶是指在某一温度范围内，是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的从外观看属于具有流动性的液体液体，但同时又是具有光学双折射性的但同时又是具有光学双折射性的晶体晶体。由于液晶具有低电压、微功耗、高对比度等优点，由于液晶具有低电压、微功耗、高对比度等优点，目前正广泛应用于显示器的制作。目前正广泛应用于显示器的制作。我们经常看到的各种显示器，我们经常看到的各种显示器，如体育场馆中的记分牌、如体育场馆中的记分牌、计算器、计算器、电子钟表、电子钟表、手提电脑、手提电脑、数字仪表的显示屏、数字仪表的显示屏、商
2、场中的广告屏等，商场中的广告屏等，多是用液晶制成。多是用液晶制成。2液晶的液晶的发现发现可以追溯到可以追溯到19世世纪纪，早在早在1888年，年，奥地利植物学家莱尼茨奥地利植物学家莱尼茨尔尔（F.Reinitzer）在研究胆甾醇在研究胆甾醇酯类酯类在植物中的生理作用在植物中的生理作用时时，观观察到了一种奇怪的察到了一种奇怪的现现象，象，把胆甾醇苯甲酸脂加把胆甾醇苯甲酸脂加热热到到145.5时时晶体熔化了，晶体熔化了，熔化以后的液体是熔化以后的液体是浑浊浑浊不清的，不清的，当把当把这这种种浑浊浑浊的液体的液体继续继续加加热热到到178.5时时，这这种液体突然种液体突然变变得清亮透明，得清亮透明，
3、这这就是人就是人类类首次首次观观察到的察到的液晶相液晶相。第二年，第二年，发现这类发现这类白而混白而混浊浊的液体外的液体外观观上上虽虽然属于液体，然属于液体，但却能但却能显显示出各向异性晶体特有的双折射性，示出各向异性晶体特有的双折射性，因而命名因而命名为为“液晶液晶”。进一步的实验又发现，进一步的实验又发现，光在这类物质中传播时可以发生光在这类物质中传播时可以发生双折射双折射现象。现象。说明这类物质的光学性质与一般的液体不同，完全类似于说明这类物质的光学性质与一般的液体不同，完全类似于晶体晶体。莱尼采尔发现的现象是物质形态莱尼采尔发现的现象是物质形态 从晶体到液晶再到液体的典型的从晶体到液晶
4、再到液体的典型的相变现象相变现象。31890年莱曼（年莱曼（O.Lehmann）在对有机化合物作系统研究时，又发现了许多这类中间相。在对有机化合物作系统研究时，又发现了许多这类中间相。这类事实说明，液晶相只能存在于一定的温度范围内，这类事实说明，液晶相只能存在于一定的温度范围内，其下限温度被称为其下限温度被称为“熔点熔点”，上限温度被称为，上限温度被称为“清亮点清亮点”。4液晶显示是利用液晶的光学各向异性的特性，液晶显示是利用液晶的光学各向异性的特性，在电场作用下对外界光进行调制而实现信息显示的。在电场作用下对外界光进行调制而实现信息显示的。液晶显示的种类很多，液晶显示的种类很多，按光源的配置
5、分，有反射型、透射型和透射反射型；按光源的配置分，有反射型、透射型和透射反射型；按不同的工作原理分，主要有按不同的工作原理分，主要有 扭曲向列型（扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（）、超扭曲向列型（STN）、）、二端有源矩阵型和三端有源矩阵型。二端有源矩阵型和三端有源矩阵型。前两种属于简单矩阵，像素直接由电压驱动，此类显示器件制作简单，显示前两种属于简单矩阵，像素直接由电压驱动，此类显示器件制作简单，显示质量一般。后两种属于有源矩阵，每个像素上接有一个二端或三端开关器件，质量一般。后两种属于有源矩阵，每个像素上接有一个二端或三端开关器件，通过控制单元器件的开和关实现对像素的驱动，此类显示器件制
6、作工艺复杂，通过控制单元器件的开和关实现对像素的驱动，此类显示器件制作工艺复杂，但显示质量优良。但显示质量优良。近年来，人们又发现了液晶与近年来，人们又发现了液晶与生命生命现象有联系，现象有联系，探索液晶性质及生物液晶特殊功能的课题日渐深入，探索液晶性质及生物液晶特殊功能的课题日渐深入，投入也日益增加。投入也日益增加。6一一 液晶的物理形态液晶的物理形态液晶液晶是介于完全规则状态（如是介于完全规则状态（如固态晶体固态晶体）与不规则状态（如与不规则状态（如各向同性液体各向同性液体）之间的中间态物质。）之间的中间态物质。目前已发现的液晶物质近万种，几乎都是有机物。目前已发现的液晶物质近万种，几乎都
7、是有机物。液晶材料结构的液晶材料结构的主要特点主要特点是：是：分子都具有细长条状结构，分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。分子取向与液晶表面状态和其他分子有关。当外界的电场、磁场或温度稍有变化，当外界的电场、磁场或温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化，分子的运动便会发生紊乱，分子的排列方向也随之变化，分子的运动便会发生紊乱，从而使光学性质发生变化。从而使光学性质发生变化。7液晶可分为液晶可分为热致液晶热致液晶和和溶致液晶溶致液晶。热致液晶热致液晶是指某些有机物加热溶解后，是指某些有机物加热溶解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶；溶
8、致液晶溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。现在液晶显示器件主要采用现在液晶显示器件主要采用热致液晶热致液晶。热致液晶热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；在这一温度范围的低端，它呈晶状固体；而在这一温度范围的高端，它为清澈的液体；而在这一温度范围的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，它是淡黄色的混浊液体，只有在这一限定温度范围内，它是淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光
9、学特性。并具有固体和流动液体的某些光学特性。根据根据热致液晶热致液晶的分子结构，又可以分为三个亚类的分子结构，又可以分为三个亚类：向列相液晶向列相液晶，胆甾相液晶胆甾相液晶和和近晶相液晶近晶相液晶。8向列相液晶向列相液晶具有具有正单轴晶体正单轴晶体的光学性质，的光学性质，目前它是显示器件的主要材料。目前它是显示器件的主要材料。102胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶胆甾相液晶也称也称螺旋型液晶螺旋型液晶，具有层状结构，具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的。分子长轴在层内是相互平行的。具有旋光性、选择性光散射性具有旋光性、选择性光散射性 和偏振光二色性、负单轴晶体的双折射性和偏振光二色性、负单轴
10、晶体的双折射性这类液晶广泛存在于动植物的体内，这类液晶广泛存在于动植物的体内，大部分为胆甾醇的衍生物，故称胆甾相液晶。大部分为胆甾醇的衍生物，故称胆甾相液晶。11二二 液晶的相变液晶的相变既可以通过固相加热获得液晶，也可以通过液相冷却获得液晶。既可以通过固相加热获得液晶，也可以通过液相冷却获得液晶。热致液晶的这三种亚态类或三种结构只是液晶的三个不同的相。热致液晶的这三种亚态类或三种结构只是液晶的三个不同的相。随着温度的变化，液晶材料在不同的温度区域呈现出不同的相。随着温度的变化，液晶材料在不同的温度区域呈现出不同的相。温度越高，热运动越激烈，液晶分子的有序程度越低；温度越高，热运动越激烈，液晶
11、分子的有序程度越低；温度越低，液晶分子的相互作用越占优势，温度越低，液晶分子的相互作用越占优势，分子排列的有序程度越高。分子排列的有序程度越高。13只要外界给予很小的能量干扰，如轻微的扰动，只要外界给予很小的能量干扰，如轻微的扰动，或与液晶所接触的玻璃表面有一点不均匀，或与液晶所接触的玻璃表面有一点不均匀，都会使液晶的结构发生明显的改变。都会使液晶的结构发生明显的改变。当改变液晶所处的外界环境，如改变外界的当改变液晶所处的外界环境，如改变外界的电场和磁场电场和磁场，液晶分子就会在外界诱导力的作用下发生趋向的变化，液晶分子就会在外界诱导力的作用下发生趋向的变化，会立即呈现不同的相结构。会立即呈现
12、不同的相结构。15三三 液晶显示的光学基础液晶显示的光学基础存在存在各向异性各向异性液晶的这种各向异性又由于液晶本身的弹性系数很小而使其分子液晶的这种各向异性又由于液晶本身的弹性系数很小而使其分子排列在外电场、磁场、应力和热能等作用下极易发生变动。排列在外电场、磁场、应力和热能等作用下极易发生变动。16（1）线偏振光）线偏振光对线偏振光而言，对线偏振光而言，振动面是平面，振动面是平面，所以叫所以叫平面偏振光平面偏振光。18（2）自然光）自然光普通光源直接发出的光是普通光源直接发出的光是自然光自然光。对于自然光，对于自然光，沿不同方向振动的各光矢量的沿不同方向振动的各光矢量的振幅和相位都是随机的
13、、互不相关的振幅和相位都是随机的、互不相关的。所以自然光可以等效成两个所以自然光可以等效成两个 振幅相等、振动方向相互垂直、不相干的两个线偏振光。振幅相等、振动方向相互垂直、不相干的两个线偏振光。19两束线偏振光的光强均为自然光光强的一半两束线偏振光的光强均为自然光光强的一半202.偏振片偏振片偏振片偏振片是一种能使自然光通过后成为是一种能使自然光通过后成为线偏振光线偏振光的的光学薄膜光学薄膜。偏振片允许通过的光矢量方向称为该偏振片的偏振片允许通过的光矢量方向称为该偏振片的透光方向透光方向，或者称为或者称为偏振化方向偏振化方向。21马吕斯定律马吕斯定律223.旋光旋光在很多晶体中，当一束单色线
14、偏振光沿光轴方向通过晶体后，在很多晶体中，当一束单色线偏振光沿光轴方向通过晶体后，光矢量的方向随着传播距离的增大逐渐转动。光矢量的方向随着传播距离的增大逐渐转动。这种现象称为晶体的这种现象称为晶体的旋光现象旋光现象，相应的晶体称为旋光物质。，相应的晶体称为旋光物质。很多非晶体也是旋光物质，很多非晶体也是旋光物质，其中以某些溶液的旋光现象最为明显。其中以某些溶液的旋光现象最为明显。2425大多数物质的旋光本领很弱，显示不出旋光现象。大多数物质的旋光本领很弱，显示不出旋光现象。2628那束满足折射定律的光，称为那束满足折射定律的光，称为寻常光寻常光，简称为，简称为o光光；那束不服从通常折射定律的光
15、，称为那束不服从通常折射定律的光，称为非常光非常光简称为简称为e光光。用不同振动方向的线偏振光入射时，用不同振动方向的线偏振光入射时，线偏振光的振动在某一方向上只出现线偏振光的振动在某一方向上只出现o光，而无光，而无e光；光；在与此相垂直的方向上只出现在与此相垂直的方向上只出现e光，而无光，而无o光；光；当线偏振光的振动力向取其他方向时，当线偏振光的振动力向取其他方向时，o光和光和e光的强度出现此涨彼消的现象。光的强度出现此涨彼消的现象。29大量的大量的实验实验，总结出：，总结出：(1)对应于一条入射光线，同时有两条折射光线。对应于一条入射光线，同时有两条折射光线。(2)o光服从折射定律光服从
16、折射定律(对单轴晶体而言对单轴晶体而言)，e光一般不服从折射定律。光一般不服从折射定律。(3)o光、光、e光的光振动方向相互垂直，而折射方向不相同，光的光振动方向相互垂直，而折射方向不相同，即两光在各向异性物质中传播速度是不同的。即两光在各向异性物质中传播速度是不同的。(4)对于入射光和晶体的某种相对位置或取向下，对于入射光和晶体的某种相对位置或取向下，只有两个可允许的振动方向的光线通过晶体，只有两个可允许的振动方向的光线通过晶体，或者说通过晶体后的光线的振动只有两个可允许的方向，或者说通过晶体后的光线的振动只有两个可允许的方向，即即e光和光和o光的振动方向。光的振动方向。31实验实验和和理论
17、理论分析指出，分析指出，光在晶体中双折射所产生的光在晶体中双折射所产生的o光和光和e光是光是 振动（偏振）方向相互垂直振动（偏振）方向相互垂直的的线偏振光线偏振光。323334绝大多数液晶都呈现光学各向异性，即它们都有双折射性质。绝大多数液晶都呈现光学各向异性，即它们都有双折射性质。向列相和近晶相液晶具有向列相和近晶相液晶具有正单轴正单轴光学特性光学特性对对胆甾相胆甾相液晶液晶胆甾相液晶为胆甾相液晶为负单轴晶体负单轴晶体355.偏振光的干涉偏振光的干涉偏光干涉是利用晶体的双折射效应，偏光干涉是利用晶体的双折射效应，将同一束光分成振动方向相互垂直的两束线偏振光，将同一束光分成振动方向相互垂直的两
18、束线偏振光，再经检偏器将其振动方向引到同一方向上进行干涉，再经检偏器将其振动方向引到同一方向上进行干涉，即通过晶片和一个检偏器即可观察到偏振光干涉现象。即通过晶片和一个检偏器即可观察到偏振光干涉现象。36光波通过晶片时，一般分成光波通过晶片时，一般分成o、e两光波，两光波，但叠加时不产生干涉现象，原因是两光波振动方向相互垂直。但叠加时不产生干涉现象，原因是两光波振动方向相互垂直。若能使其同方向振动，则将出现干涉现象（若能使其同方向振动，则将出现干涉现象（o、e两光波，通过两光波，通过晶片后的频率不变，而且相位差恒定）。晶片后的频率不变，而且相位差恒定）。这种通过晶片后产生的干涉，就是这种通过晶
19、片后产生的干涉，就是偏振光干涉偏振光干涉。37相位差相位差设有两个偏振化方向相互垂直的偏振膜（片），中间夹有液晶，设有两个偏振化方向相互垂直的偏振膜（片），中间夹有液晶，液晶的厚度为液晶的厚度为d，液晶分子的长轴（即光轴）为，液晶分子的长轴（即光轴）为Z。通过起偏器的偏振光在液晶中分解为通过起偏器的偏振光在液晶中分解为 平行于平行于Z轴的轴的“e”光和光和 垂直于垂直于Z轴的轴的“o”光，光，由于由于o光和光和 e光在液晶中的光在液晶中的 折射率不同，折射率不同，因此通过中间夹有厚度为因此通过中间夹有厚度为d的的 液晶的偏振膜后，将产生相位差液晶的偏振膜后，将产生相位差38如果考虑到液晶的旋光
20、性，如果考虑到液晶的旋光性，那么只要调整起偏膜和检偏膜偏振化方向间的夹角，那么只要调整起偏膜和检偏膜偏振化方向间的夹角，同样能实现上述效果。同样能实现上述效果。3940图图3.1 向列相液晶向列相液晶41图图3.2胆甾相液晶胆甾相液晶 图图3.3近晶相液晶近晶相液晶42加热加热加热加热加热加热加热加热冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却冷却固相固相 近晶相近晶相 胆甾相胆甾相 向列相向列相 各项同性各项同性43极性分子长轴方向极性分子长轴方向极性分子短轴方向极性分子短轴方向图图3.5 液晶物理性质的各向异性液晶物理性质的各向异性44图图3.6 线偏振光及其表示线偏振光及其表示(a)(b)45(a)(c
21、)(b)图图3.7 自然光及其表示和分解自然光及其表示和分解46图图3.8 自然光通过偏振片自然光通过偏振片47图图3.9 马吕斯定律马吕斯定律48入入射射光光偏偏振振片片偏偏振振光光偏偏振振片片输输出出光光有光输出有光输出无光输出无光输出有光输出有光输出（a）（b）（c）图图3.10 线偏振光通过偏振片线偏振光通过偏振片49图图3.11 旋光性实验旋光性实验5051图图3.13 o光和光和e光在晶体中的传播光在晶体中的传播光轴光轴光轴光轴(a)(b)52图图3.14 偏振光的干涉光路偏振光的干涉光路53光轴光轴图图3.15 偏振光的干涉偏振光的干涉54图图3.16 扭曲向列型液晶盒构造扭曲向列型液晶盒构造 图图3.17 液晶分子的排列液晶分子的排列55（a）（b）（c）5657（d）（e）585960图图3.20 XY电极矩阵电极矩阵图图3.19 电极与亮、暗态电极与亮、暗态 吸光层吸光层背电极背电极段电极段电极正交检偏振片正交检偏振片显示图形显示图形起偏振片起偏振片图图3.21 点阵式矩阵点阵式矩阵61626364图图3.22 液晶彩色电视显示原理液晶彩色电视显示原理 图图3.23 液晶屏周边电路框图液晶屏周边电路框图65图图3.24 OLED器件原理器件原理6667图图3.5 液晶方向与分子取向的空间关系液晶方向与分子取向的空间关系68697071