液晶显示器(LCD).ppt

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1、液晶显示器（液晶显示器（LCD）广东工业大学广东工业大学王王 衢衢显示技术显示技术一、发展历程与特点一、发展历程与特点某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段会经历一个不透明浑浊的液态阶段，在该阶该阶段物体还兼具有晶体的性质段物体还兼具有晶体的性质，继续加热才成为各项同性的液态这就是世界上第一次发现的热致液晶热致液晶胆甾醇苯甲酸酯胆甾醇苯甲酸酯1961年，美国无线电公司（RCA）的电子学专家G.H.Heilmeier把电子学应用于有机化学，发现在液晶两端加上电压，会出现各种各样的电光效应，由此想到把液晶应用到显示领域1968年RCA公布液晶发明1969年，日本开始把大规模集成电路与液晶相

2、结合日本人从液晶手表、计算器等低档产品起步，直到开发出多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器1888年奥地利植物学家Reinitge首次观察液晶现象1.发展历程发展历程2.主要特点主要特点n低功耗：23v 工作电流几个微安n平板结构两片导电玻璃，中间夹着液晶高开口率、面积可做大做小、便于大规模生产、器件很薄n被动显示液晶本身不发光，靠调节外光而达到显示目的。被动显示更适合人类的视觉特性，不易引起眼部疲劳。n显示信息量大像素之间没有隔离，同样显示窗口可容纳更多像素n易于彩色化液晶通常无色，可加滤色膜实现彩色n长寿、无辐射、污染3.主要缺点主要缺点n 显示视角小 液晶显示利用了液晶的各向异性，不同方

3、向光的反射率不同。随视角变大，对比度下降n响应速度慢电场作用下，液晶排列发生变化。响应速度收粘滞度影响很大零下几十度就不能个工作，温度过高液晶也会受到影响动态特性较差n暗时看不清4 液晶的分类液晶的分类液晶又被称为物质的第四态既具有液态的流动性，又具有晶体的各向异性，具有双折射特性各向异性，具有双折射特性晶体之所以有各向异性，是因为晶体分子是按一定规则排列的n热致液晶当液晶物质受热时，在某温度内呈现各向异性的。用于显示的都是可在室温下工作的热致液晶。多呈细棒状细棒状（1）近晶相液晶（层状、S型）分子排成层，层内分子长轴互相平行，可能垂直于层面，或倾斜排列排列规整，接近晶体，二维有序。有16种，

4、SA，SB，SC等等T1熔点熔点T2 清亮点清亮点中介相态中介相态（2）向列相液晶（丝状、S型）SASCSA分子长轴垂直层面SC每层分子长轴均匀倾斜一个角度。每层倾斜方位角可以任意，也可以沿层法线方向呈螺旋分布粘度大、不易转动，响应速度慢。一般不适宜做显示器件。用于显示，厚度要小于24微米，工艺要求较高由长径比大的棒状分子构成。分子不排成层，可上下、左右、前后滑动。所有液晶长轴大体指向一个方向。流动性强，粘度小，相互作用力小，易于控制。是显示器件中最常使用的液晶材料是显示器件中最常使用的液晶材料（3）胆甾相液晶（螺旋状，CH型）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

5、。不同层分子稍有变化，沿层的法线方向列成螺旋状。长轴指向沿螺旋方向经历360度变化后，又回到原来的取向。这个周期的层间距离称为胆甾相液晶的螺距螺距P P螺距螺距P P这里显示了半个周期这里显示了半个周期螺距通常螺距通常300nm，与可见光波，与可见光波长同量级长同量级方向可以是左旋或右旋n溶致致液晶将溶质溶于溶剂而形成的液晶态物质。显示技术上尚无应用二、二、晶体光学简介晶体光学简介1 双折射现象双折射现象冰冰洲洲石石光在晶体里变成了两束，折射程度不同。与普通玻璃的单折射完全不同垂直入射到冰洲石上的光被折射为两束。偏离的那一束明显违反折射定律，而另一条遵守折射定律晶体内的两条折射光线，一条总是遵

6、守折射定律，称为寻常光寻常光（o光光），另一条经常经常违反折射定律，称为非寻常光非寻常光（e光光）2 晶体光轴晶体光轴冰洲石中存在一个特殊方向，光沿这个方向传播时o、e光不分开。这个特殊方向叫做晶体的光轴（与几何光学与几何光学中的光轴不是一个概念中的光轴不是一个概念）AB两个顶点的连线方向就是光轴方向光轴是方向，不是某条特定直线。与光轴是方向，不是某条特定直线。与光轴方向平行的所有直线都叫光轴光轴方向平行的所有直线都叫光轴把AB两个顶点磨平，并使磨平表面与光轴方向垂直，再让光垂直入射到该平面上。折射光线不会分开折射光线不会分开冰洲石天然晶体冰洲石天然晶体入射面入射面：入射光线与入射表面的法线构

7、成的平面，根据折射定律，折射光（寻常光）和入射光都在这个入射面内。主截面主截面：光轴与入射表面的法线构成的平面。当入射光线在主当入射光线在主截面内时，两个折射光线都在主截面内截面内时，两个折射光线都在主截面内o、e光都是线偏振光，并且偏振方向垂直光都是线偏振光，并且偏振方向垂直3 双折射的成因双折射的成因晶体的物理性质是各向异性各向异性的，在不同方向上，物理量的值不相同。冰晶石只有一个光轴方向，称为单轴晶体单轴晶体（还包括红宝石、石英）。还有一些晶体有两个光轴方向，称为双轴晶体双轴晶体（云母、橄榄石、蓝宝石等等）。我们只研究单轴晶体，用于显示的液晶基本都是用于显示的液晶基本都是单轴的单轴的各向

8、同性均匀介质中，一个点光源发出的光波速度是相同的光波速度是相同的c 真空光速，n 折射率折射率显然与方向无关在单轴晶体中，o光规律与各向同性介质中完全相同，沿光规律与各向同性介质中完全相同，沿各方向传播速度相同。各方向传播速度相同。o光光速o光折射率e光在光轴方向传播速度与o光一样，为 。但是在垂直光轴方向是另一个值o光波面球面旋转椭球面在光轴方向，两个波面相切晶体的主折射率晶体的主折射率主平面：主平面：晶体内的光线与光轴构成的平面 o光的偏振方向垂直于主平面光的偏振方向垂直于主平面 e光的偏振方向在主平面内光的偏振方向在主平面内负负晶晶体体正正晶晶体体由于由于e光不遵循折射定律，如何判断其在

9、晶体中的传播方光不遵循折射定律，如何判断其在晶体中的传播方向成为一个问题！向成为一个问题！4 使用惠更斯作图法判定使用惠更斯作图法判定e光的传播方向光的传播方向使用同样方法也可确定e光的传播方向纸面就是主截面，两束折射光线肯定都在纸面内。显然，主平面与纸面也是重合的。o光偏振方向垂直纸面 e光偏振方向在纸面内在学习物理光学时，我们已经知道在各向同性介质中如何通过惠更斯作图法判定折射方向，并推出折射定律。单单轴轴晶晶体体几个最常见的实例A 光轴垂直于晶体表面入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现o光e光不会分离，并且传播速度也相同B 光轴平行于晶体表面，入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现

10、o光e光也不会分离，但是传播速度有差异。出射后o光和e光出现位相差C 光轴平行于晶体表面，入射光斜入射，且垂直于光轴o光、e光分离，但两种光都遵循折射定律，折射率分别为5 晶体中介电常数的各向异性晶体中介电常数的各向异性折射率的各向异性与介电常数的各向异性有密切的联系。介电介电常数反映了电场下介质的极化程度常数反映了电场下介质的极化程度各向同性介质中D、E方向相同在各项异性晶体中，介电常数是一个张量通过坐标变换，在晶体中，我们总能找到三个主轴，使这个张量对角化。假如 ，则晶体为双轴晶体假如 ，则晶体为单轴晶体，光轴就在则晶体为单轴晶体，光轴就在z轴上轴上显然 和 方向不一定相同6 折射率椭球折

11、射率椭球折射率椭球具有如下性质：可以用来表示晶体折射率在晶体空间各个 （电位移矢量）振振动方向的取值分布动方向的取值分布。折射率和介电常数满足如下关系现在设就是矢量 在三个主轴方向的折射率在此基础，引入折射率椭球的概念n从椭球中心出发任意矢径 ，其方向表示光波 矢量的方向。矢径长度就是矢量矢径长度就是矢量 在该方向振动（偏振方向）在该方向振动（偏振方向）的光波的折射率的光波的折射率。n过椭球中心作垂直于某方向 的平面，截面是一个椭圆。椭圆长短轴方向就是光波沿 方向传播时，两种可能的偏振方向，长短轴一半的长度就是两种偏振方向对应的折射率。单轴晶体的折射率椭球（以单轴晶体的折射率椭球（以z轴为光轴

12、）轴为光轴）对于单轴正晶体，这是个旋转长椭球面这是个旋转长椭球面kk0DeDoz光轴n 假如光波在k0方向上传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个圆。由于无长短轴之分，这说明沿k0方向上传播的光波的偏振方向垂直于z轴，但无特定指向，折射率为半径 ，无双折射现象n当光波沿k方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是一个椭圆。长短轴的方向就是光波可能的偏振方向。其中短轴的半长度是固定的，就是 ，因此短轴就是o光的偏振方向。而长轴就是e光振动方向，其半长度就是折射率。n如果光波沿垂直于光轴（z轴）方向传播，与之垂直的平面与椭球的截面是也是个椭圆，其中长轴与光轴重合，半长度为 。短轴半长度为 ，方向垂直于

13、光轴。这意味着，沿光轴垂直方向传播的光波，存在两个可能偏振方向。一个偏振方向与光轴平行，折射率为 ，这就是e光。另一个偏振方向与z轴垂直，折射率为 。这就是o光。单轴正晶体的折射率椭球中，椭圆截面的长轴方向是椭圆截面的长轴方向是e光偏振光偏振方向，短轴方向是方向，短轴方向是o光偏振方向，短轴长度固定，半长为光偏振方向，短轴长度固定，半长为no结论结论三、三、液晶的物理特性液晶的物理特性1.有序参量有序参量向列相液晶具有各向异性的形态。液晶体系存在着一个主轴方向存在着一个主轴方向，棒状液晶分子的长轴都倾向于平行这个主轴方向。平行于这个主轴，向列相的各种物理量为一套数值，垂直于该轴线方向，则又有另

14、外一套值z光轴kk0单轴负晶体n 假如光波在k0方向上传播，结论与单轴正晶体相同n另两种情况与正晶体也类似，只不过这时截面椭圆的长轴方向是o光偏振方向，短轴是e光偏振方向 就是液晶体系的主轴方向上的单位矢量（分子长轴的择优方向），叫做指向矢指向矢个别液晶分子的长轴方向。有序参量有序参量S：用来衡量分子体系有序性的重要参数如果分子没有择优取向 S=0对应各向同性液体S=1对应各向异性晶体分子有严格指向择优方向液晶有序参量 S=0.30.8液晶的有序性介于晶体和液体之间，且与温度有密切关系Tc 清亮点温度；K 比例系数2.液晶的各向异性液晶的各向异性一般称平行于液晶分子长轴方向称为平行方向平行方向

15、（），垂直与液晶分子长轴方向为垂直方向垂直方向（）n介电常数的各向异性介电常数的各向异性平行于液晶分子长轴方向的介电常数垂直于液晶分子长轴方向的介电常数我们把 定义为液晶介电常数的各向异性介电常数的各向异性正性液晶（Np）1020液晶分子的感生电偶极矩方向平行平行于分子长轴方向负性液晶（Nn）-1-2液晶分子的感生电偶极矩方向垂直垂直于分子长轴方向NP和和Nn液晶分子在电场作用下的分子行为液晶分子在电场作用下的分子行为正性液晶正性液晶Np负性液晶负性液晶Nnn电阻率电阻率 和电导率和电导率电阻率接近于绝缘体与半导体之间，也具有各项异性电阻率越小，杂质离子越多，通电场后，液晶分子结构会被破坏。n

16、光学折射率各项异性光学折射率各项异性向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向，也就是大部分液晶分子的长轴方向。平行于分子长轴（指向矢）的折射率垂直于分子长轴（指向矢）的折射率液晶折射率的各向异性液晶折射率的各向异性与偏振、旋光、折射、干涉等电光效应有密切关系正性液晶负性液晶n弹性系数弹性系数由以上可以看出，在电场作用下，液晶会发生形变。描述形变，需要引入弹性系数和粘滞系数。液晶的弹性系数也是各向异性的。（Z为分子长轴方向）n粘滞系数粘滞系数描述了液晶的粘稠性。n自由能自由能当液晶处于平衡状态时，自由能处于极小值当液晶处于平衡状态时，自由能处于极小值。在外场作用下，液

17、晶的自由能会增加，增加的部分就是使液晶形变所需的能量对于正性液晶（）对其施加电场作用（）要使自由能最小，分子长轴会发生与电场平行的再排列对于负性液晶（）对其施加电场作用（）要使自由能最小，分子长轴会发生与电场垂直的再排列临界电场强度临界电压对于正性液晶，未施加电场时，假如沿玻璃基板面排列，且长轴沿x轴。通z方向电场后将沿电场平行排列，所需要的临界电场强度和临界电压为：在电场作用下胆甾型液晶可与向列相转换，临界电场强度、临界电压为：胆甾相液晶螺距未加电场时螺距 四、四、液晶的光学特性液晶的光学特性绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作n在向列相和近晶相液晶中分子长轴

18、方向就是光轴方向分子长轴方向就是光轴方向主折射率 代表振动方向与光轴垂直的o光的折射率，所以主折射率 代表振动方向与光轴平行的e光的折射率，所以正性液晶在光学上性质类似单轴正晶体负性液晶在光学上性质类似单轴负晶体即即向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶类似单轴正晶体类似单轴正晶体n在胆甾相液晶中，光轴是螺旋轴光轴是螺旋轴，与分子长轴取向垂直与分子长轴取向垂直我们有如下的关系在这里，仍然有这意味着胆甾相液晶类似于单轴负晶体胆甾相液晶类似于单轴负晶体几种最有用的液晶光学特性几种最有用的液晶光学特性n 特性一特性一：如果入射光以如下方式正入射到向列相液晶上时，入入

19、射光有向光轴方向倾斜的趋势射光有向光轴方向倾斜的趋势偏振方向偏振方向垂直纸面垂直纸面偏振方向平偏振方向平行纸面行纸面可以使用惠更斯定理画图证明入射光o光e光界面e光包络面光轴方向o光波面夹角不同的时候偏振状态的变化入射光为线偏振光，为偏振方向与x轴的夹角x轴为光轴方向n特性二特性二：当入射光以如下方式射入液晶时，偏振状态会发生变化此时o光与e光不会分开，但传播速度可能不相同，由此产生相位差不同z处位相差不同，导致偏振状态也发生变化n特性三特性三：当入射光（线偏振光）以如下方式正入射到指向矢扭曲的向列相液晶时，偏振方向会发生变化这里的向列相液晶的指向矢由上到下做螺旋式转动，很象胆甾相液晶，但注意

20、这里螺距重要条件重要条件现象一现象一如果线偏振光的偏振方向与入射面处液晶的指向矢一致，偏振方向将会随着指向矢的旋转而旋转。在出射处其偏振方向与液晶指向矢方向一致【扭曲向列相（扭曲向列相（TN）液晶）液晶】现象二现象二如果线偏振光的偏振方向与入射面处液晶的指向矢有夹角，可把偏振方向分解为垂直于指向矢的分量和平行于指向矢的分量，分别研究。出射光将会因光程差不同，出现不同的偏振态（线偏振、圆偏振、椭圆偏振）n特性四特性四：胆甾相液晶是一种旋光物质旋光物质旋光物质：某些光轴垂直于表面切取的晶体，当垂直入射的线偏振光在光轴上传播时，偏振方向会随距离而转动偏振方向会随距离而转动。这种现象叫旋旋光现象光现象

21、。这类物质叫旋光物质（石英）旋光物质（石英）。对于一般的单轴晶体，是不应出现旋光现象的。如左图所示。入射后，无e光、o光差异，偏振状态也不应有任何变化。旋转角度在晶体中的传播距离旋光系数旋光系数 ：与波长平方接近反比，换句话说，不同波长的光旋转角度不同，这叫做旋光色散旋光色散对着光传播方向观察，顺（逆）时针转动右（左）旋右（左）旋菲涅耳对旋光现象的解释：菲涅耳对旋光现象的解释：在晶体光轴方向上传播的线偏振光可以分解为两个频率相同两个频率相同，传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光。位相差合成之后的线偏振光转过的角度为石英的旋光系数：10度/毫米50度/毫米（可见光

22、波段）胆甾相液晶的旋光特性：强旋光物质：20000度/毫米胆甾相液晶的特有现象胆甾相液晶的特有现象：如果入射圆偏振光的旋转方向与胆甾相液晶的旋光方向相同，并且波长满足如下关系，将被反射。被反射光的频带：螺距与温度有关，改变温度，胆甾相液晶就会反射不同的颜色。其他波长成分的光，或者偏振旋转方向与液晶相反的光都将透射螺距入射光线与螺旋轴（光轴）的夹角五、五、液晶的沿面排列方式液晶的沿面排列方式在外场作用下，液晶分子从初始的排列方式转为其他排列方式，光学特性也发生变化。因此均匀稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础第三行表格反映了在上下两层玻璃基板处液晶指向矢与基板的位置关系。要形成以上的排列，

23、就需要对上下的导电玻璃基板做分子取向预处理n垂直取向处理n平行取向处理n倾斜取向处理六、六、液晶显示器主要性能参量液晶显示器主要性能参量1 电光特性电光特性液晶在电场作用下，透射光强会发生变化透射光强与外加电压的关系就是电光特性曲线负负电电光光特特性性曲曲线线正正电电光光特特性性曲曲线线阈值电压阈值电压该值越小，则显示器所需的工作电压越低。饱和电压饱和电压该值较小表明比较容易比较容易达到良好的对比效果对比度对比度最大透过强度最小透过强度陡度陡度越陡越趋近于1，反之越大比陡度比陡度越陡该值越大在无源矩阵驱动液晶显示中，陡度越小，能驱动的路数（行数）越大。电光响应曲线电光响应曲线如果电光曲线是正型

24、的上升时间施加电压之后，液晶响应所需时间在各种显示技术中，液晶液晶的响应时间比较长的响应时间比较长下降时间撤去电压之后，液晶响应所需时间合称响应时间响应时间响应时间与液晶盒厚、粘滞系数接近正比对液晶施加右图电压产生对液晶施加右图电压产生右下的电光响应曲线右下的电光响应曲线扭曲向列相 TN宾主 GH电控双折射 ECB动态散射DS相变PC常见液晶显示器件的响应时间常见液晶显示器件的响应时间等对比度曲线CrCr=2 图像勉强可辨Cr=5 图像相当好对比度和视角对比度和视角TN液晶的视角和对比度液晶的视角和对比度2 温度特性温度特性使用温度范围狭窄，温度效应严重。温度高于清亮点，液晶态消失温度过低，响

25、应速度变慢，直至结晶3 伏安特性伏安特性普通型（静态驱动）：040摄氏度 （动态驱动）：540摄氏度 宽温型：两端各扩展1020摄氏度电阻率高 1010欧姆/平方厘米液晶器件可以看成是容抗型负载七、七、常见的液晶显示器件常见的液晶显示器件1 液晶器件的典型结构液晶器件的典型结构TN型液晶型液晶前后玻璃都会做定向处理，是液晶分子按一定方式排列2 液晶器件显示依赖的物液晶器件显示依赖的物理效应理效应n电场效应：利用介电常数的各向异性扭曲向列型（TN）、超扭曲向列型（STN）、宾主型（GH）、相变型（PC）、电控双折射型（ECB）、铁电效应型、聚合物分散型（PDLC）n电流效应：利用介电常数和电导率

26、各向异性动态散射型（DS）几大部件构成示意几大部件构成示意3 液晶器件显示的三种方式液晶器件显示的三种方式n反射式n透射式n投影式利用外光，节省功率需用背光源4 动态散射液晶器件（动态散射液晶器件（DS-LCD）有机电介质（导体）被掺入到液晶中阈值电压液晶分子沿面排列方式。液晶盒透明。液晶分子环流状排列。液晶盒出现周期性条纹（威威廉斯筹廉斯筹）实现条件：实现条件：n液晶盒比较厚（6微米）n电阻值低n介电各向异性为负缺陷缺陷u电流大u对比度小u边缘轮廓不清晰u液晶质量差，工作寿命低DS-LCD是世界上第一个实用化的液晶显示器件，也是唯一的电流型器件。1968年被G.Heilmeier发明。现已不

27、再使用。出现紊流状分子排列。光被强烈动态散射。液晶盒呈乳白状不透明继续增大电压5 扭曲向列相液晶器件（扭曲向列相液晶器件（TN-LCD）导电玻璃基片间充入Np液晶，但分子长轴方向在上下基板间连续扭曲90度，形成扭曲（TN）排列不通电时，在液晶内，偏振方向随分子长轴旋转而旋转。通电后，不再扭曲正性显正性显示示意示示意图图正性显示时，上下偏振片的偏振方向正交。若为负性显示，两者平行实现条件：螺距此时偏正方向的扭曲与光波波长无关扭曲与光波波长无关液晶盒的厚度正好为P/4阈值电压阈值电压介电常数各向异性23v电光效应原理图（正性显示）电光效应原理图（正性显示）低档液晶显示器件中的只要是笔段式显示，基本

28、都使用TN-LCD 液晶手表、计算器、数字仪器TN-LCD主要参量主要参量TN-LCD的缺点的缺点n 电光特性曲线不陡（电光特性曲线不陡（1.41.6），如果使用无源点阵驱动会出现严重交叉效应。驱动行数（路数）越多，交叉效应越大。最多驱动最多驱动816路路。n 电光响应速度慢，仅适用静止或缓变画面n光透过或关闭不彻底。只能显示灰纸黑字，对比度不理想6 电控双折射液晶显示器件（电控双折射液晶显示器件（ECB-LCD）偏振方向垂直纸面的线偏振光正入射到液晶上，在液晶中只有o光偏振方向平行纸面的线偏振光正入射到液晶上，在液晶中只有e光e光折射方向向光轴（液晶分子长轴）方向靠拢注意注意：这里使用的是正

29、性向列相（Np）液晶（）如果使用负性向列相（Nn）液晶 ，e光折射方向将偏离光轴（液晶分子长轴）方向n 垂直排列方式垂直排列方式（DAP-ECB-LCD）前后偏振片偏振方向正交无电压时，分子垂直基片排列这里使用的负性向列相负性向列相液晶（液晶（Nn）出射光的光强是波长的函数，因此该液晶显示可用于彩显该液晶显示可用于彩显无电场时，没有双折射。线偏振光无法透过后面的偏振片。液晶盒不透光有电场时，液晶分子长轴趋于垂直电场方向液晶分子长轴趋于垂直电场方向。出现双折射。由于位相差，使出射光变为椭圆偏振光，能够透过偏振片。缺陷：缺陷：n可获得的彩色范围很窄可获得的彩色范围很窄n不稳定，受温度影响很不稳定，

30、受温度影响很大大n显示的彩色强烈依赖观显示的彩色强烈依赖观察视角察视角时时间间延延迟迟入射光入射光为白光为白光时，不时，不同电压同电压下，出下，出射光的射光的色调变色调变化化电压电压n 沿面排列方式沿面排列方式 此时使用正性向列相液晶（Np）无电压时，分子沿基片面排列特点：特点：色调显示顺序与垂直方式相反，阈值电压较低，色纯度较好原理与垂直排列方式完全类似。原原理理示示意意7 宾主效应液晶显示器件（宾主效应液晶显示器件（GH-LCD）有些有机染料具有光吸收的各向异性。它们对振动电矢量方向与其分子长轴平行（垂直）的某种彩色光的吸收要大于振动电矢量方向与其分子长轴垂直（平行）的彩色光的吸收。这类染

31、料分子叫做正性（负性）二色染料分子正性（负性）二色染料分子把这样的染料分子掺杂到液晶分子中，其分子长轴将倾向于与液晶分子长轴平行。液晶为主，液晶为主，染料为宾染料为宾。客随主便，在电场作用下，染料分子会随液晶分子一起转动，故称为宾主型液晶器宾主型液晶器件件正性二色染料分子的光吸收特性正性二色染料分子的光吸收特性根据被掺杂液晶的种类和排列方式，宾主液晶显示器件又分为很多种类型平面型宾平面型宾主液晶显主液晶显示器件示器件被掺杂液晶是正性向列相液晶（Np）。染料分子为正性。无电压时，液晶分子和染料分子长轴沿面排列。染料分子与偏振方向平行。大部分线偏振光被吸收，只有一个很窄波段的光透射，透射光带深彩色

32、。色调与染料种类有关工作原理：工作原理：平面型宾主液晶显示器件原理图平面型宾主液晶显示器件原理图带电压时，液晶分子和染料分子垂直基片排列，染料分子与偏振方向垂直。对线偏振光不再吸收，透射光为无色。缺陷：缺陷：n电光特性差，随电压上升，电光曲线变化缓慢。n工作电压高 1015vn加偏振片，亮度大幅度降低，不加偏振片，对比度很低n响应时间比较长。一百多毫秒一直未被广泛使用，多用于双色显示场合。8 相变液晶显示器件（相变液晶显示器件（PC-LCD）把向列相液晶和胆甾相液晶适当混合可以构成一种具有相变效应的胆甾相液晶。这种液晶螺距很长，在电场作用下会变成垂直排列或沿面排列的向列相液晶。这种混合型液晶分

33、为：正型（Chp）负型（Chn）使用Chp型胆甾相液晶无电压时，液晶螺旋轴平行于基片面，呈焦锥状排列。入射光通过会被强烈散射。液晶盒呈乳白色加电压后，液晶螺距松弛伸长，液晶分子趋于平行电场方向，电压超过阈值电压，则胆甾相液晶完全变为向列相液晶，液晶长轴平行于电场。光完全透过，液晶盒透明。去掉电场，液晶分子恢复原状工作原理工作原理1：n只有透过、浑浊两种状态，无灰度n对温度敏感工作原理工作原理2：无电压时：螺旋轴垂直于基片，透射光为圆偏振光，液晶盒透明加3伏电压：螺旋轴被打乱，入射光强烈散射，液晶盒不透明加十几伏电压：液晶分子方向与电场一致，变为向列相液晶。液晶盒再变透明。此时突然切断电压，液晶

34、将会变成焦锥状排列（螺旋轴平行于基片面），液晶盒呈浑浊状。PC液晶盒具有双稳态，即具有存储功能双稳态，即具有存储功能9 超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）以上的液晶显示器件电光特性曲线陡度不够陡度不够。使用无源矩阵驱动，容易产生交叉效应，驱动行数（路数）必须小于100线。将传统将传统TN液晶显示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡液晶显示器件的液晶分子扭曲角加大可改善陡度。扭曲角大于度。扭曲角大于90度，一般在度，一般在180360度的液晶器件称度的液晶器件称为超扭曲向列（为超扭曲向列（STN）液晶器件。）液晶器件。液晶材料：液晶材料：在普通的向列相液晶中掺入一些旋光

35、材料之后，向列相液晶将具有天生的扭曲结构，从而维持大于90度的扭曲角。这样的向列相液晶叫做手性向列手性向列相液晶。相液晶。手性向列相液晶的螺距与掺杂浓度成正比。不同扭曲角的液晶盒中央部分液晶分不同扭曲角的液晶盒中央部分液晶分子长轴倾斜角随外加电压的变化曲线子长轴倾斜角随外加电压的变化曲线扭曲角270度时，曲线陡度接近无穷大。此时无源矩阵驱动的STN液晶显示器可以驱动可以驱动480路（行）以上路（行）以上STN-LCD和和TN-LCD的工作原理的工作原理区别区别n TN 液晶盒扭曲角90度，STN液晶盒扭曲角270度n TN液晶盒起偏镜偏光轴与上基片表面液晶分子长轴平行，检偏镜偏光轴与下基片表面

36、液晶分子长轴平行，STN液晶盒中，液晶盒中，上下偏光轴与上下表面液上下偏光轴与上下表面液晶分子长轴都不平行，而晶分子长轴都不平行，而是成是成30度角度角n TN液晶盒利用分子旋光特性工作液晶盒利用分子旋光特性工作。由于STN液晶盒经起偏镜的光偏振方向与上表面分子长轴成夹角，可以分解为o光（偏振方向与分子长轴垂直）和e光（偏振方向与分子长轴平行）。通过液晶盒，两者产生位相差，在检偏镜上产生干涉。因此STN-LCD是利用双折射性质工作的是利用双折射性质工作的n TN液晶盒工作于黑白模式液晶盒工作于黑白模式。STN液晶盒在无电压时，出射光一般呈黄色。当 ，白光从液晶中通过，但在检偏镜处减弱，变为黑色

37、。因此STN-LCD是黑黄模式是黑黄模式。STN-LCD是高档无源矩阵液晶显示器件最有用的材料，高档无源矩阵液晶显示器件最有用的材料，但成本比较高10 铁电液晶显示器件（铁电液晶显示器件（FLCD）与以上介绍的液晶器件相比，铁电液晶显示器件具有很高的响铁电液晶显示器件具有很高的响应速度。应速度。铁电体铁电体：在没有电场作用时，介质正负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象称为电解质的自发极化。呈现自发极化并且自发极化的方向因外施加电场而改变的物质叫做铁电体。铁电液晶铁电液晶：是一种呈现铁电性的近晶近晶C相相液晶（Sc），这种液晶是由某些手性液晶分子手性液晶分子构成分子排列成层，每一层分子长轴彼此平

38、行，但是与层表面的法线有倾角 ，另一个方位角 任意近晶近晶C相液晶的分子排列相液晶的分子排列手性液晶分子：手性液晶分子：分子具有手性，指分子的镜像分子无法通过平移和面内旋转与原来的分子本身重合。就像左右手如果不翻转，就不能重合一样。铁电液晶的特点：铁电液晶的特点：n具有与分子指向矢垂直的固定偶极矩（图上箭头所标方向）n分子的长轴指向矢具有螺旋结构n每层分子排列如同Sc相n每层分子的倾角 不变，但旋转角 每层转过一个角度，因此偶极矩也做螺旋转动铁铁电电液液晶晶分分子子的的排排列列结结构构n对于向列相液晶，外电场对液晶分子的作用是外电场与外电场引起的分子感生偶极矩之间的作用，为弱作用；弱作用；对于

39、铁电液晶，外电场对分子的作用是外电场与分子固有偶极矩之间的作用，为强作用强作用，因此铁电液晶显示的响应速度为微秒量级响应速度为微秒量级单稳态铁电液晶显示的工作原理单稳态铁电液晶显示的工作原理 1：双折射模式：双折射模式每一层都有一个固有的电偶极矩，即自极化方向，以层法线为轴做螺旋转动注意注意：上下基片与纸面平行，上下基片间距远大于液晶螺距（），上下基片都做了平行取向处理无电场时铁电液晶排列无电场时铁电液晶排列基片间通直流电场，使自极化方向趋于与电场一致，螺距拉长。一旦超过临界电场，则液晶分子排列如图所示如果电场反向，则自极化方向也转向把液晶盒夹在两块偏光轴方向正交的偏光片之间。上偏振片偏光轴与

40、 时光轴方向一致。此时在液晶中只有e光通过，不会发生双折射，最后光被下偏振片挡住，故为暗态暗态暗态暗态亮态亮态偏振片的偏偏振片的偏光轴方向光轴方向当 光轴转动 ，此时液晶中既有e光，又有o光，两者干涉，形成圆偏振光，有光透过下偏振片，构成亮亮态态单稳态铁电液晶显示的工作原理单稳态铁电液晶显示的工作原理 2：宾主模式：宾主模式只使用一个上偏振片只使用一个上偏振片，偏光轴方向与 时光轴一致，液晶中掺入正性二色染料分子。此时入射偏振光的振动方向与染料分子长轴一致，被选择吸收。出射光为某种彩色。当 时，光轴旋转 。染料分子长轴也转动了 。染料吸收能力减小，光接近无色总结：总结：双折射模式双折射模式亮态

41、亮态暗态暗态宾主模式宾主模式带色态带色态无色态无色态可用于快速光开关表面稳定铁电液晶显示的工作原理表面稳定铁电液晶显示的工作原理把单稳态铁电液晶盒厚度变薄，使 。由于上下基片附近强烈的界面效应，即使在即使在E=0，螺旋结构都消失了。，螺旋结构都消失了。在 和 时，会产生与单稳态一样的效果。区别是：电场撤去之后，状态将保持不变。这意味着这种液晶盒具有这种液晶盒具有双稳态存储功能双稳态存储功能。11 固态液晶膜液晶显示器（固态液晶膜液晶显示器（LPLCD）将液晶做成微米量级的微囊。微囊壁是水溶性固体膜，薄膜内包着液晶颗粒。液晶为Np向列相液晶这些微囊与环氧树脂混合，夹在聚酯塑料膜之间。塑料膜上面镀

42、着控制电极。工作原理工作原理无电压时，液晶分子随机排列，胶囊折射率不等于树脂折射率，光入射后产生散射，LCD呈乳白状施加电压，液晶分子随电场方向分布。此时液晶o光折射率与树脂折射率相等，光将直接透过。LCD变透明可挠曲，响应速度快，1ms，厚度薄 0.5mm 成本低 利用光散射原理不用偏振片，透射率高，耐振动，但分辨率不高另外还可以把液晶和树脂直接混合在一起，从而进一步简化制作工艺用于分辨率要求不高的大面积显示器，如公共场所广告、标识12 液晶聚合物显示器（液晶聚合物显示器（PNLCD）使用的是高分子液晶聚合物，不同于前面的小分子液晶。高分子液晶被夹在镀有电极的塑料膜之间。工作方式工作方式1：

43、无电压无电压：液晶分子无序排列，光射入后被散射，显示器呈暗白色施加电压施加电压：液晶分子按电场方向排列，对入射光不散射，显示器呈透明工作方式工作方式2（具有存储性）：（具有存储性）：首先把液晶加热到清亮点以上，变为各向同性，然后逐渐冷却，同时施加电压，在电场作用下，液晶分子按电场方向排列。然后，突然撤去电场，这种状态就被“冻结”。此时用光照射，呈透明状施加电压施加电压无电压无电压初始状态（透明）初始状态（透明）激光写入激光写入信息再现信息再现分辨率：线宽5微米 写入速度：5s/cm激光写入：用激光束照射某一部分，该部分温度超过清亮点，液晶分子无序排列，立即停止照射，迅速冷却，这种状态被“冻结”

44、。再用光照射，原来被激光照射出不再透明。信息实现记录。13 多稳态液晶显示器（多稳态液晶显示器（MLCD）液晶在外电场作用下，其分子会重新排列，当电场撤去后，又会恢复成原来的排列方式。所谓多稳态液晶指的是电场所谓多稳态液晶指的是电场撤去后，液晶的排列保持不变。所加电场强度不同，液晶撤去后，液晶的排列保持不变。所加电场强度不同，液晶排列不同，如果撤去电场后液晶状态能够保持下来，这就排列不同，如果撤去电场后液晶状态能够保持下来，这就意味着液晶具有无限多个稳态意味着液晶具有无限多个稳态。多稳态液晶使用的材料多稳态液晶使用的材料：胆甾相液晶晶畴的集合图中黑线表示晶畴中胆甾相液晶的螺旋对称轴，在集合中，

45、对称轴的分布可以大体一致，也可以完全无序。如果整个系统的能量在对称轴如果整个系统的能量在对称轴有序和对称轴完全无序时，都大致有序和对称轴完全无序时，都大致一样，那么无论对称轴处于什么状一样，那么无论对称轴处于什么状态，系统都会处于稳定态态，系统都会处于稳定态加上强电场加上强电场，液晶分子将与电场方向一致，即垂直于基片，此时螺旋轴大致为无序状态，此时入射光方向大致与分子长轴一致（类似向列相液晶），全被黑涂层吸收，显示器为暗态暗态上下基片事先做了沿面处理，因此在无电场无电场时，大部分晶畴的螺旋轴基本垂直于基片。由于胆甾相液晶为旋光物体，只有满足关系 并且旋光方向与液晶旋光方向一致的光被反射，其余光

46、被黑涂层吸收。此时为亮态亮态工作原理：工作原理：强电场强电场无电场无电场弱电场弱电场 n电压不管加多长时间，撤去电压，显示器恢复为无电场时的状态不同电压下的状态：阈值电压相变电压n加上一段时间电压后，撤去电压，状态被保留下来。显示器变黑的程度取决于所加电压的多少。n加上一段时间电压后，撤去，显示器迅速跳回为亮态。优点：优点：n在无电场，每个像素可以长期稳定在不同的状态，加不同的电压脉冲，就可实现不同稳态之间的转换。不用耗电，就可长期保持显示内容n不用偏振片、背光源，属于纯反射型。阳光下反射光更强n不用滤光片，只用改变液晶配方，利用干涉色就可实现彩色n响应速度快，灰度容易实现八、液晶显示器件的驱

47、动技术八、液晶显示器件的驱动技术液晶显示驱动需要注意三个特点：n液晶在直流作用下会发生分解作用，必须用交流驱动必须用交流驱动，直流分量不能大于几十毫伏n液晶在电场作用下响应的时间通常比较长，交流电压作用的效果不取决于峰值不取决于峰值，而是有效值而是有效值n液晶单元是容性负载，液晶电阻可忽略不计。加正压和负压，作用效果一样1 液晶显示器件驱动的分类液晶显示器件驱动的分类根据显示像素的不同段型显示无源矩阵驱动有源矩阵驱动点阵寻址方式不同动态驱动静态驱动显示像素为长棒型行电极称为扫描电极扫描电极列电极称为寻址（信寻址（信号）电极号）电极电压直接加到像素上，也称直接驱动法直接驱动法笔段式驱动笔段式驱动

48、无源矩阵驱动无源矩阵驱动有源矩阵驱动有源矩阵驱动每一个像素与一个有源器件（二极管、三极管、场效应管）连接2 段型和无源矩阵液晶器件的静态驱动技术段型和无源矩阵液晶器件的静态驱动技术静态驱动静态驱动：像素前后电极上施加电压信号时呈现显示状态，不施加时，呈非显示状态。多用于电极引线比较少的情况每个像素都有一个背背电极（电极（BP）和一个段段电极（电极（SEG），所有像素的背电极是连在一起的，又被称为公公共电极共电极像素连接方式像素连接方式：在不要求显示的笔段的段电极上施加一个与背电极同位相、幅值相等、频率相同的方波脉冲，总效果就是两电极间电压恒为零在需要显示的笔段的段电极上施加一个与背电极波形相反

49、、幅值相等、频率相同的方波脉冲，总效果为一个幅值为两倍的方波脉冲电压工作原理工作原理A=1 显示A=0 不显示控制电路控制电路异或门异或门方波发生器方波发生器3 无源矩阵液晶器件的动态驱动技术无源矩阵液晶器件的动态驱动技术水平电极（X电极）按时间顺序施加一串扫描脉冲电压。垂直电极（Y电极、寻址电极）输入选通电压波形和非选通电压波形（波形类似静态驱动）。两者将在交点像素上构成一个驱动波形。所有行被扫描一遍，所有被选通的像素构成一幅画面。这个画面上不同行上的像素是在不同时段被选通的这个画面上不同行上的像素是在不同时段被选通的工作原理：工作原理：动态驱动技术：m+n条引线如果矩阵由m行n列构成静态驱

50、动技术：mn+1条引线引线数大大减少，减小外围驱动电路的成本占空比占空比：每行扫描时间/帧周期，即扫描电极数N的倒数交叉效应交叉效应如果被扫描选通的像素上施加的电压远远超过vth，而且电光曲线又不够陡峭时，附近未被扫描或选通的像素也呈现出显示状态。这是无源矩阵驱动固有的现象。交叉效应来自于像素和像素之间的耦合干扰交叉效应来自于像素和像素之间的耦合干扰。随着扫描电极数（N）增加，交叉效应会变得越来越严重，甚至一些未选择点的电压跟被选择点的电压近似相等。交叉效应会使图像对比度降低、色彩不均匀如果提高液晶电光曲线的陡度，可以减缓交叉效应的影响，提如果提高液晶电光曲线的陡度，可以减缓交叉效应的影响，提