液晶显示实验(共12页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上实验一、液晶取向与TN模式判断实验目的1、了解液晶技术行业中用于制备液晶盒的导电玻璃（ITO）表面的各种取向技术；2、掌握液晶显示器件中导电玻璃基片表面的取向技术，比较不同表面处理技术对液晶排列的影响；了解不同的取向技术对向列型液晶和胆甾型液晶在液晶盒中排列的影响定性认识。实验原理液晶显示器制造工艺中，取向是一个关键工艺。液晶盒内基片表面直接与液晶接触的一薄层材料被称之为取向层，它的作用是使液晶分子按一定的方向和角度排列，这个取向层对于液晶显示器来说是必不可少的，而且直接影响显示性能的优劣。液晶显示器所用的取向材料及取向处理方法有多种，如摩擦法、斜蒸SiO2方法等等。摩擦法是沿一定的方向摩擦玻璃基片，或是摩擦涂覆在玻璃基片表面的无机物或有机物覆盖膜，再进行摩擦，以使液晶分子沿摩擦方向排列，这样可以获得较好的取向效果。无机膜一般为SiO2,MgO和MgF2等，需要用硬度较大的物质进行摩擦。有机膜一般为表面活性剂、硅烷耦合剂、聚酰亚胺树脂等。最常用的是在玻璃表面涂覆一层有机高分子薄膜，再用绒布类材料高速摩擦法来实现取向。其中聚酰亚胺树脂具有突出的优点，不仅涂布方便，对液晶分子有良好的取向效果，而且还具有强度高、耐腐蚀、致密性好等优点，因此，目前在液晶显示器制造业中广泛用作取向材料。聚酰亚胺（简称PI）PI膜有很好的化学稳定性，优良的机械性能、高绝缘性、耐高温、高介电强度、耐辐射、和不可燃。聚酰亚胺优异的性能是由其结构决定的。它通过二酐与二胺在低温下聚合反应合成，生成聚酰亚胺膜，是用浸泡、旋涂、或印刷的方法，将PI溶液涂覆在玻璃表面，经高温固化后制得。1. 要得到性能优良的PI膜，固化反应必须进行完全。工业上广泛使用的聚酰亚胺()在摩擦取向处理条件下诱导液晶分子的取向,但是在工业中用的聚酰亚胺稀释后在ITO表面旋涂一层薄薄的溶液后，需在250下烘烤5小时，然后在此表面摩擦处理。然后用粘贴长纤维布高速旋转的金属辊,让真空吸附在样品台上的基板触着布辊匀速平移通过,获得定向摩擦，如图1-1所示。 因在液晶工业中使用的使用有机物材料涂覆ITO表面进行取向时需要用至少5小时来固化有机材料，用在学生实验中周期太长，而选取用棉布等纤维材料摩擦玻璃基片表面，即可以实现对液晶分子取向的约束。因本实验是让学生了解ITO表面的微结构对液晶分子排列的影响，对ITO表面的清洁度要求比较小，故为简化实验步骤，缩短实验周期，在本次实验中我们选用洁净的面巾纸作为摩擦材料直接在玻璃表面摩擦。 实验仪器 偏光显微镜一台、数码相机一只、摩擦机一台 实验材料 向列液晶C80A、胆甾液晶、玻璃片若干、毛细管、塑料微粉间隔子、纸巾 实验内容1、无摩擦情况下液晶的排列情况取洁净玻璃片两块向，其中一块玻璃表面上撒少许玻璃微粉，作间隔子。再将另一块玻璃片盖在玻璃微粉上，玻璃两边留2mm左右的空隙，用毛细管吸取10毫克左右的液晶滴在玻璃一边的空隙上，在毛细作用下，液晶向玻璃盒中浸润。等在整个盒子中浸润完。将此灌注好的液晶盒小心拿到偏光显微镜下观察其形貌。将两偏光片在正交与平行情况下各一张显微图片。1. 向列液晶在无摩擦的两玻璃片之间的织构 由于上下玻璃片是没有经过取向处理，所以液晶分子的取向不是全部朝着一个方向而是在一个很小区域那的液晶指向矢朝某一方向，另一小区域液晶指向矢朝着另一个方向，形成所谓的畴。在偏光显微镜下，这些畴光轴方向的不同而使偏振光干涉颜色不同，看起来就是花纹或图案。呈现丝状的原因在于向列相液晶分子具有长程有序，局部地区的分子趋于沿同一方向排列。当两个不同取向区的交界处，在偏光显微镜下显示为丝状条纹。如图1-2。2）胆甾液晶在无摩擦的两玻璃片之间的织构胆甾型液晶，当玻璃未均匀取向时，在正交偏光显微镜下呈现所谓焦锥织构。呈现焦锥织构的液晶的螺旋轴杂乱排列。由于液晶折射率的空间紊乱，将入射光向各方向散射，宏观地看时呈不透明。偏光照片如图1-3所示。2、平行摩擦情况下液晶的排列情况取洁净玻璃片两块，用纸巾压在玻璃表面朝一个方向用力摩擦47遍，向其中一块玻璃表面上撒少许玻璃微粉，作间隔子。再将另一块已摩擦好的玻璃片的表面盖在已撒上玻璃微粉的玻璃片上，玻璃两边留2mm左右的空隙。如图所示，用毛细管吸取高度为1cm左右的液晶（分别为向列液晶和胆甾液晶）滴在玻璃一边的空隙上，在毛细作用下，液晶向玻璃盒中浸润。等在整个盒子中浸润完。将此灌注好的液晶盒小心拿到偏光显微镜下观察其形貌，将两偏光片在正交与平行情况下各一张显微图片。1）、两玻璃片摩擦方向平行（记作“/”） 1. 向列液晶在两片摩擦方向平行的玻璃片之间的织构 当上下两片玻璃片取向处理，当取向很好时，不存在缺陷，丝状条纹消失可出现均匀的干涉色。如图1-4所示。1. 胆甾液晶在两片摩擦方向平行的玻璃片之间的织构 当上下两玻璃片经沿面取向处理，显微镜下能够看到因缺陷与盒厚的误差而引起的纹路。如图1-5。1. 两玻璃片摩擦方向垂直情况（记作“/”） A、向列液晶在两摩擦方向垂直的玻璃片之间的织构1. 将两片已摩擦好的玻璃片中一片，撒上少量的玻璃微粉，将另一片玻璃按照摩擦方向垂直互叠，将向列液晶灌注到两玻璃之间，在偏光显微镜下观察。其图像大致如图1-6所示。 B、胆甾液晶在两摩擦方向垂直的玻璃片之间的织构边界平行排列的液晶分子和胆甾液晶的周期螺旋结构而在某些区域造成周期的缺陷，但对于液晶盒整体来说，液晶螺旋轴并不是都朝一个方向，各处螺旋轴方向不一致，形成许多微米量级的畴，小畴内部液晶指向矢的螺旋轴指向一致，不同畴的螺旋轴方向不一致，因而在畴边产生向错等缺陷如图1-7。实验结果分析 1、比较向列液晶在摩擦（包括“/”与不摩擦情况下，偏光显微图像的区别，并说明原因。2、比较向列液晶在两玻璃片按“/”和“/”时，偏光片正交和平行情况下，显微图像的差异。 3、比较胆甾液晶在摩擦（包括“/”和“/”）与不摩擦情况下，偏光显微图像的区别，并说明原因。 实验注意事项： 1、使用偏光显微镜时，灯泡光强不宜调得过大，应及时关闭灯泡电源，以延长灯泡的试样寿命。2、在摩擦玻璃表面时，需用力适中，需要同学们在实验过程中多做几次，摸索出适当的压力。用力过度，就容易将玻璃片的划痕太深，偏光下看到大量的划痕而非液晶分子的排列。3、因实验条件的差异，以上图片仅作为参照。思考题： 1、液晶在不同表面取向的作用下为什么会呈现不同的图形？为什么在液晶制造业中需要ITO表面需要取向？2、查阅相关的资料，总结现代液晶生产工艺中，制盒工艺流程以及相关的关键技术。3、在本次实验中除了我们使用的手纸可作为摩擦工具外，还可以用哪些材料作来摩擦平行取向？.实验二、液晶电光特性研究 实验目的1、在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性，将液晶光关的定性概念和定量的测量参数结合起来，从而深入了解和掌握液晶光开关的物理内容。2、测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度。3、了解液晶光开关的工作条件和视角问题的成因。实验原理1、液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，仅以常用的（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。液晶光开关的结构如图4-1所示。在涂有透明电极的两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃10纳米），直径为46埃。液晶层厚度一般为5-8微米，玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先用软绒布朝一个方向摩擦，这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里，（也可在电极表面涂取向剂）这一过程叫做液晶分子的定向。使电极表面上的液晶分子按一定方向排列，液晶光开关的定向方向与电极面的法向垂直，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向上看，液晶分子的排列从上电极的沿45度方向排列逐步地、均匀地、扭曲到下电极的沿45度方向排列，整个扭曲了90度。如图4-左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振方向平行于上电极的定向方向的偏振光，当通过扭曲排列起来的液晶时，偏振方向与液晶的扭曲结构同步旋转，到下电极表面时，光的偏振方向与下电极的定向方向相同，此时光的偏振方向转过了90度。另取两张偏振片P1和P2贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交（标记为P1P2）。当未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，线偏振光射入液晶层以光波导方式在液晶层传播，即该光在传播中，其偏振方向随分子扭曲结构同步旋转。光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下(一般为12伏)，棍状的液晶分子在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其它液晶分子趋于平行于电场排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。当光通过液晶时，从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述液晶光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。2、液晶光开关的电光特性液晶分热致液晶和溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前有于显示器件的都是热致液晶，它的电光特性跟温度的改变有一定的关系。由图4-2为光线垂直入射本实验所用液晶屏时的相对透射率（以不加电场时的透过率为100）与外加电压的关系。由图4-2可知对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低。在一定的电压下达到最低点，此后略有变化。出现该极点的原因，简单的说，可以认为表征液晶光学各向异性的透射率椭圆的光轴方向正好与入射光的方向重合。更详细的分析见文献1 。 3、液晶光开关的视角特性 液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。图4-3表示 了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4-3中，有与原点的距离表示垂直视角（入射方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小，图4-3中同心圆分别表示垂直视角30，60，90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图4-3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。由图4-3可以看出，对比度与垂直和水平视角都有关。我们在不同的方向上看液晶屏幕时，可观察到对比度有较大的变化。对比度的视角特性归因于液晶的各向异性，详细的分析可见文献2。实验仪器简介 1、仪器的构成和原理本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，其电气构成和结构的示意图如图4-5所示。 其中：1为激光器电源，2为矩阵驱动器，3为电流放大显示器，4为中央控制器，5为开关矩阵板（用于字符点阵的输入）。以上构成了液晶光开关电光特性综合实验仪的电路部分。6为激光器，7为16 x 16的液晶光开关单元构成的显示器。8为激光探测器。9为底座。图4-5. 液晶光开关电光特性综合实验仪 激光器电源1为激光器6供电，使激光器发出波长为633nm的单色准直光。准直光穿过液晶光开关后被探测器8接收，转化为微弱的电流信号，经电流放大器8放大后由显示器11显示出来。此时，中央控制器4控制矩阵驱动器2向液晶光开关7输出幅度可以被手动调节的供电电压。实验时调节供电电压的幅度以改变光开关的透过率，所加电压的幅度被中央控制器4上的数字电压表显示出来，透过率由3显示出来。外部结构如图4-6所示。正面：图4-6液晶光开关电光特性综合实验仪面板示意图2、面板上的按钮和旋钮的功能液晶光开关电光特性综合实验仪面板上的按钮开关和旋钮的排列如图4-6所示。其中，10和11分别为电压显示器和相对光强显示器。12、13、14分别为液晶光开关的电压调整、相对透过率调零、相对透过率100调节。7为 TN型16X16液晶显示器，5为用于字符点阵输入的矩阵开关板，17为半导体激光器、光探测器与直流放大器一体化模块。仪器可工作于静态全屏（模式转换开关弹出）或图像显示（模式转换开关按下）两种工作模式之一。3、工作模式模式1：液晶电光特性测试选择静态全屏模式，此时液晶屏上所有显示单元（共有16X16显示单元）均工作于同一状态。通过供电电压调节旋钮可调节加到液晶屏光开关上的电压，其数值由供电电压显示窗口显示作电光特性测量时，调节液晶屏的位置使激光垂直液晶屏入射。准直半导体激光穿过液晶开关后被探测接收，其强度由相对透过率显示窗口显示，测量相对透过率随光开关像素电压的变化关系，即可绘出液晶光开头的电光特性曲线。作视角特性测量时，在水平方向转动液晶屏，测量不同光线入射角时光开头打开（电压为0伏）和关断（电压为2伏）时的光透过率，由此可计算出水平方向对比度与视角的关系。液晶屏在相互垂直的方向上有两个插口，将液晶屏的另一方向插入，即可测量垂直方向对比度与视角的关系。实验步骤1、做实验之前，请仔细阅读实验讲义；2、液晶像素光开关器静态电光特性测量1）将TN型16X16点阵液晶屏金手指1，如图4-7所示，插入插槽；2）插上电源，打开电源总开关和激光器电源开关；使激光器预热1015分钟；3）将液晶屏旋转台置于零刻度位置，使得准直激光垂直入射到液晶屏上；4）将模式转换开关弹出，将TN型16X16点阵液晶屏像素开关置于光关断状态，即置于静态全屏模式；5）进行透过率100，和0调节：A、透过率0调节将入射微光探测器的激光挡住，调100旋钮不动，调节调0旋钮使得透过率显示为0（注：调节致0.5以内都可视为误差允许范围内）。B、透过率100调节让激光入射微光探测器，将像素步电压置于最低，此时液晶像素开关处于光开通态，调0旋钮不动调节100旋钮使得透射率显示为100。图4-76）液晶像素光开关透过率的测量A、在调整好100和0以后，B、按表1第1行的数据改变像素电压，使得电压值从0V到6V变化，读出并记录相应电压下的透过率数值。重复实验3次并计算3次相应电压下透过率的平均值，依据实验数据绘制电光特性TV曲线。C、将液晶屏旋转，使用金手指2，重复上述步骤依据实验数据绘制电光特性TV曲线。讨论测量误差。D、将上述两个方向所测得的TV曲线进行比较，并且讨论它们的异同。表1? 0度视角下液晶光开关电光特性测量电压（伏） 0000508101214161820222530? 40 5060透过率1               2               3               平均               （7）不同电压下液晶像素光开关水平方向和垂直方向光透过率（视角）特性的测试A、水平视角特性的测试（液晶屏长方向在水平方向如下图4-6.a所示）A）、透射率100、0调节。（注意：必须防止液晶屏处于闪烁状态）B）、供电电压值0伏，按照表2第1所列的角度调节液晶屏与入射激光的角度，要每一角度下测量光强度透过率最大值Tmax.。然后将像素电压置于2伏，再次调节液晶屏的角度测量光透过率最小值T，并计算出其对比度。以角度为横坐标，对比度为纵坐标，绘制出水平方向对比度随入射光入射角而变化的曲线。表2角度（度） -50-40-30-20-1001020304050水平方向视角特性Tmax（）           Tmin（）           Tmax/Tmin            垂直方向视角特性Tmax（）           Tmin（）           Tmax/Tmin           3、垂直视角特性的测试（液晶屏长方向在竖直方向如下图4-7.b所示）1）关断电源后，取下液晶屏，将液晶屏旋转90度，用金手指2插入，将液晶屏置于图4-7b状态。重新开启总电源后，按照现上面同样的方法和步骤，可测量垂直方向的视角特性。2）关断电源。 思考题1、如何在本实验中涉及到的光波导的原理基础上构造常断型光开关（常黑模式）。2、讨论：为什么当电压为比较高时，还有光透过？3、讨论：液晶显示器件的对比度随视角变化为什么呈现出不对称性且视角较窄？参考文献1 朱新羽等 TN-LCD电光特性曲线的凸起现象J。液晶与显示。 1998，13 （4），262-2672程鸿飞 TN、STN和FSTN液晶显示器件的视角特性J，2002，（3），54-483应根裕 平板显示技术 人民邮电出版社4黄子强 液晶显示基础： 理论、设计与应用专心-专注-专业