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1、1、液晶显示的物理光学知识液晶的概念及其分类液晶的物理性质液晶的光学特性分析(*)液晶分子的排列方式液晶器件的电光响应(*)第1页/共66页1液晶的概念及其分类 它是相对晶体和液体而言的，简单地说，液晶是处于一种介于晶体和液体之间的物质，一方面它具有象液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有晶体的各向异性。1）液晶的概念：第2页/共66页2）液晶的分类：从成分和出现中介相的物理条件来看，液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热致液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体，热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为向列相液晶、近晶
2、相液晶、胆甾相液晶三大类。第3页/共66页第4页/共66页向列液晶：它的分子排列成层，能上下、左右、前后滑动，它具有明显的电学、光学各向异性，加上其粘度较小，使向列相液晶成为目前显示器件中应用最为广泛的的一类液晶。第5页/共66页近晶相液晶：由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴互相平行，方向可以垂直于层面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在层内无序，可以自由平移，具有流动性，但粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不适宜制作显示器件。第6页/共66页胆甾相液晶：因其来源于胆甾醇衍生物而得名的，此类液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴
3、方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。胆甾相液晶在显示技术中十分有用，它大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导液晶在液晶盒内形成沿面180o、270o等扭曲排列，制成超扭曲（STN）显示。第7页/共66页溶致液晶：它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质，肥皂水就是一种溶致液晶。溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中，与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受重视。溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。第8页/共66页2液晶的物理性质1、液晶的有序参量 向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根轴线，我们把平行于该轴的
4、方向（分子长轴）称为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于平行于主轴方向。为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器件显示质量下降。第9页/共66页anyxzo各向同性液体的各向同性液体的S=0S=0，理想晶体的，理想晶体的S=1S=1液晶的有序参量液晶的有序参量S S。第10页/共66页2、液晶的各向异性 液晶的分子一般都是刚性的棒状分子，由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质，液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，液
5、晶分子集合在一起时，分子长轴总是互相平行的，或有一个择优方向，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。沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。第11页/共66页第12页/共66页（1）介电各向异性 介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度，的数值可正可负，根据实验发现：不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方向）。我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液晶称为正性液晶（NP）；垂直于分子长轴的那一类液晶称为负性液晶（Nn），这两类液晶的电光效应是不同的，在大部分LCD显示屏中，我们加入的是正性液晶。第13页/共6
6、6页（2）电阻率和电导率 液晶的电阻率的数量级一般为1081012cm，它接近于半导体和绝缘体的边界。电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶纯度的一个检测值，小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度差，一般当0的正性液晶施加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会发生与电场E平行的再排列；对于 Vth，所以 1，由电光曲线可知：Vs离Vth越近，则电光曲线越陡，此时趋近于1，从理论上来说 值越越接近1越好。在无源驱动中由于液晶器件的 值不可能为1，因此交叉效应不可避免，不能完全消除，因而严重影响了无源驱动的图像显示质量。一般TN效应液晶的1.41.6。第59页/共66页响应时
7、间：液晶器件的响应时间通常用三个参数来表征：延迟时间 ，上升时间 和下降时间 。一般情况下我们认为响应时间是上升时间与下降时间之和。由于液晶的粘滞系数具有负负温温度度特特性性，所以响应时间随着环境温度的降低而增大，因此液晶器件不适宜工作在低温下。第60页/共66页 视觉 当背光偏振玻璃、液晶及取向膜后，最终的输出光就有了特定的方向特性，而其中绝大多数的光俱备了垂直的方向性，这样当我们从非垂直的方向上去观看液晶显示器的时候，往往因为射出光的垂直方向性，并不是所有光都能通过我们的眼睛，于是这时候往往液晶显示器会呈现一片漆黑或者是颜色失真，这也就是困扰液晶显示器的视角问题。不过，现在针对LCD的视角
8、问题已经有了众多改进的技术，譬如采用MVA技术等。第61页/共66页3）液晶器件的温度特性 液晶显示器件的使用温度范围较窄，温度效应也较为严重，这是液晶器件的主要缺点之一，当温度较高时，液晶态消失，不能显示；当温度过低时，响应速度会明显变慢直至结晶使器件损坏。工作温度对阀值电压、响应时间、对比度和伏安特性均有较大的影响，如TN液晶，在10oC时阀值电压为3V，当温度升至40oC，阀值电压降为2V。第62页/共66页4）液晶器件的伏安特性 除了DS型液晶器件，使用的液晶显示器件都是电场效应器件，以TN型为例，其内阻很高，电阻率在1010cm2以上，而容抗只有几个PFcm2，所以工作电流不到1微安
9、cm2，是典型的微功耗器件（不含背光源）。TN器件基本上是容抗性的，因此交流驱动时刷新频率对驱动电流影响很大，如刷新频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加510倍，所以刷新频率一般控制在不发生闪烁的临界的频率，一般在60Hz75Hz。第63页/共66页5）液晶器件的电能蓄积效应 它指的是液晶盒的透光率并不与外加电压同时增加，而要经过几个脉冲序列后才开始增加，并且还要多加一定序列的脉冲才能使透光率达到最大值，这个效应称为液晶器件的电能蓄积，也就是说，只有外场作用在液晶像素上的时间越长，液晶器件的响应就越充分，透光率就越大，亮度、对比度就越好。第64页/共66页第65页/共66页感谢您的观看！第66页/共66页