液晶电光效应特性研究

液晶电光效应特性研究早在上世纪70年代，液晶已作为物质存在的第四态开始写入各国学生的教科书。至今已成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域，在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如：光导液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、各种传感器、微量毒气监测、夜视仿生等，尤其液晶显示器件早已广为人知，独占了电子表、手机、笔记本电脑等领域。其中液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等均是利用液晶电光效应的原理制成的。因此，掌握液晶电光效应从实用角度或物理实验教学角度都是很有意义的。【实验目的】1.测定液晶样品的电光曲线；2.根据电光曲线，求出样品的阈值电压Uth饱和电压Ur、对比度Dr、陡度β等电光效应的主要参数；3.了解最简单的液晶显示器件(TN—LCD)的显示原理；4.自配数字存储示波器可测定液晶样品的电光响应曲线，求得液晶样品的响应时间。【实验仪器】FD-LCE-1型液晶电光效应实验仪【实验原理】1．液晶液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子有取向序，但无位置序；晶体则既有取向序又有位置序。就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶又可分为近晶相、向列相和胆甾相。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。2．液晶电光效应液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场(电流)，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型(DS)、扭曲向列相型(TN)、超扭曲向列相型(STN)、有源矩阵液晶显示(TFT)、电控双折射(ECB)等。其中应用较广的有：TFT型───主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品；STN型───主要用于手机屏幕等中档产品；TN型───主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。TN型液晶显示器件显示原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。本仪器所使用的液晶样品即为TN型。3．TN型液晶盒结构TN式液晶盒结构如图1所示。图1TN型液晶盒结构图在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90o，所以称为扭曲向列型。4．扭曲向列型电光效应无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距，当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90o，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出(见图2(a)中不通电部分，其中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出)；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子轴；当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列(见图2中通电部分)，TN型液晶盒90o旋光性随之消失。图2TN型液晶显示器件显示原理示意图若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90o，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图3；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(Uth)，标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉)，阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(Ur)，标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，Ur小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。对比度Dr=Imax/Imin，其中Imax为最大观察(接收)亮度(照度)，Imin为最小亮度。陡度β=Ur/Uth即饱和电压与阈值电压之比。图3液晶电光曲线图6．TN—LCD结构及显示原理TN型液晶显示器件结构参考图2，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向总是与上表面分子取向相同。自然光入射后，经过偏振片形成与上表面分子取向相同的线偏振光，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴旋转90o，以平行于下表面分子取向的线偏振光射出液晶盒。若下表面所附偏振片偏振方向与下表面分子取向垂直(即与上表面平行)，则为黑底白字的常黑型，不通电时，光不能透过显示器(为黑态)，通电时，90o旋光性消失，光可通过显示器(为白态)；若偏振片与下表面分子取向相同，则为白底黑字的常白型，如图2所示结构。TN-LCD可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。【实验仪器介绍】FD-LCE—I型液晶电光效应实验仪具有以下优点：(1)仪器导轨、滑块、转盘等均采用高强度铝合金制作，立杆材料为不锈钢。具有体积小、重量轻、不会生锈等优点，转盘经特别设计，可细调。导轨采用燕尾型结构，移动时直线定位好，固定时牢固可靠;(2)用框架型结构固定液晶样品，牢固美观；采用接线柱方式给样品通电，方便安全;(3)所用装置配件均为光学通用配件(含常用光功率计)，除可做液晶电光效应实验外，还可用于光偏振等光学实验或用于测定半导体激光器工作电流与出射光强的关系;如图4所示，液晶电光效应实验仪主要由控制主机、导轨、半导体激光器、液晶样品盒(包括起偏器及液晶样品)、检偏器、可调光阑及光电探测器组成。I/μWU/VU/V1.激光器2.液晶样品盒3.检偏器4.可调光阑5.光电探测器图4液晶电光效应实验仪装置图【实验内容及步骤】1．光学导轨上依次为：半导体激光器-液晶样品盒-检偏器-光电探测器(带可调光阑)。其中液晶样品盒带接线柱的一面面向激光器。液晶样品盒包括液晶样品及起偏器，起偏器附在液晶片的一面(带接线柱的一面)，其偏振方向与所附表面的液晶分子取向相同。打开半导体激光器，调节各元件高度，使激光依次穿过液晶盒、检偏器，打在光电探测器的光阑上。2．接通主机电源，将光功率计调零，用话筒线连接光功率计和光电探测器旋转检偏器，可观察到光功率计数值大小变化，若最大透射光强小于200μW，可旋转半导体激光器机身，使最大透射光强大于200μW最后旋转检偏器至透射光强值达到最小。3．将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从0开始逐渐增大电压，观察光功率计读数变化，电压调至最大值后归零。4．从0开始逐渐增加电压，0—2．5V每隔0.2V或0.3V记一次电压及透射光强值，2.5v后每隔0.1v左右记一次数据，6.5V后再每隔0.2或0.3V记一次数据，在关键点附近应多测几组数据。5．作电光曲线图，纵坐标为透射光强值，横坐标为外加电压值。6．根据作好的电光曲线，求出样品的阈值电压Uth（最大透光强度的10%所对应的外加电压值)、饱和电压Ur(最大透光强度的90%对应的外加电压值)、对比度Dr(Dr=Imax/Imin)及陡度β(β=Ur/Uth)。7．演示黑底白字的常黑型TN-LCD。拔掉液晶盒上的插头，光功率计显示为最小，即黑态；将电压调至6至7V左右，连通液晶盒，光功率计显示最大数值，即白态。注：可自配数字或字符型液晶片演示，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。8．自配数字存储示波器，可测试液晶样品的电光响应曲线，求得样品的响应时间。【数据记录及处理】测量点123456……U/V……I/μW……根据所测数据作电光曲线图并计算Uth(阈值电压)、Ur(饱和电压)、Dr(对比度)及β(陡度)。【注意事项】1．不能挤压液晶盒，注意日光灯对光功率计数据的影响。2．驱动电压不能为直流。3．切勿直视激光器。4．液晶样品受温度等环境因素的影响较大，如TN型液晶的阈值电压在20℃±20℃范围内漂移达15％到35％，因此每次实验结果有一定出入为正常情况。也可比较不同温度下液晶样品的电光曲线图。【思考题】1．如何实现常黑型、常亮型液晶显示。2．实验中液晶样品盒采用单面附着偏振片，能否完成实验？如果能，应将附着偏振片的一面朝向哪边？