平板显示技术：第三章-液晶与液晶显示器

液晶显示的特点低压、微功耗平板结构被动显示显示信息量大易于彩色化长寿命无辐射、无污染显示视角小响应速度慢1采用降温的方法,即将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态．有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶．熔致液晶热致液晶按照液晶的形成条件分类以分子结构來区分3.1.2液晶的分类小分子液晶高分子液晶PolymericLC2Thermotropic(热致液晶):(a)一定温度范围内才呈液晶态的物质，因温度的改变而产生相变(b)具有显著的光电特性，应用于显示器Lyotropic(溶致液晶):(a)将某些物质溶于另一物质时形成的液态物质，因溶於溶剂中浓度比例的改变而产生相变(b)特别存在于生物体组织中(c)对温度反应敏感，在生物科技领域占重要地位3LiquidCrystalPolymer高分子液晶又称为聚合物液晶，其基本单体是由长条狀或圆盘状的液晶分子形成液晶基元(Mesogens)，再与聚合物相連接形成主链(mainchain)，或嵌在聚合物兩侧形成侧链(sidechain)。主链型侧链型4分子形狀排列方式长条状(Rod-like)圆盘狀(Disc-like)3.胆固醇相(Cholesteric)1.向列相(Nematic)2.近晶相(层列相)(Smectic)1.圆柱相(Columnar)2.向列相(Nematic)Thermotropic(热致液晶)板条状(Lath-like)热致液晶分类5液晶分子的排列6层列（近晶）相(S型）液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有流动性，但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。根据晶型的细微差别，近晶型液晶还可以再分成9个小类。按发现年代的先后依次计为SA、SB……SI。近晶型液晶结构上的差别对于非线性光学特性有一定影响。7向列相（N型）液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序，但分子（杆）的指向矢n大体一致，即杆不是一头尖，一头圆。这个等价性是向列相液晶与其他液晶（如近晶相）的一个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列，却使向列相物质的光学与电学性质，即折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。8正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常数各向异性，使得用电来控制光学性能，即液晶显示成为了可能。与近晶相液晶相比，向列液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液晶显示器，例如扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。9胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾（胆固醇）相液晶（CH型）。这类液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。当不同的分子长轴排列沿螺方向经历360°的变化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距（P）。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。10坚硬部柔软部分缝隙部末端部刚性部缝隙部末端部液晶的混合技术：通过混合多种单质材料，可以得到单质液晶中得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带、降低黏度使响应速度加快、获得合适的光学各向异性等。amixtureoftwoLCcompoundscanofferamuchlargertemperaturerangethatexhibitsthenematicphaseforLCDapplications。themeltingpoint,clearingpoint,De,elasticconstants,Dn,andviscositydependonthemixtureratio。显示用液晶材料通常由10种左右的分子组成11相变温度（熔点mp、清亮点cp），介电各向异性（Δε），折光各向异性（Δn）粘度（η），弹性常数（K）等。3.1.4液晶显示材料的物理性能一般单化合物液晶分子（单体液晶）具有下列物理性质：任何有机化合物的性能取决于其分子结构，液晶化合物也不例外，液晶化合物的特性由液晶化合物的分子结构决定，即，液晶分子结构的各向异性决定液晶性质的各向异性。12A.相变温度（熔点mp、清亮点cp）液晶相（介晶相）：指化合物从熔点到清亮点之间的温度。清亮点：化合物从液晶态到各向同性的液态的转化温度。熔点清亮点13B.介电各向异性（Δε）Δε=ε∥-ε⊥14C.折光各向异性（Δn）Δn=ne-no15D.弹性常数展曲扭曲弯曲介电常数和弹性常数共同决定阈值电压。16针对不同运动方式，液晶有几个粘度D.粘度粘度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。粘度越小，显示器的响应速度越快。粘度、盒厚、驱动电压和温度决定响应时间。17液晶材料的常用检测方法在研制某种混合液晶材料中，通常要使用许多测试方法来评价混合液晶材料的性能指标是否达到要求，如果评价不符合要求，即返回基础配方，重新选择添加剂进行配制，经过往复数次才能实现配方的最后定型。一般相变温度测试用DSC或温台+POM法。组成测定用GC或HPLC方法。电阻率测试用微电流计加电极。光电性能测试用液晶综合参数测试仪。粘度测试用粘度测试仪。光学各项异性用偏光折射仪。183.1.5液晶的各向异性液晶分子一般都是刚性棒状的，由于分子头尾所接分子团不同，在长轴与短轴方向上具有不同的性质。这些性质包括：折射率n，介电率ε，导电率ρ，磁化率x，粘滞系数η等。由于液晶本身的弹性常数很小，其分子排列在外电场、磁场、应力、热能等作用下极易变动，从而使这种各向异性改变。液晶在显示方面的应用原理正是从这种特性出发的。19介电异向性＝//-是液晶显示器件原理的基础。液晶1.介电各向异性1、正性液晶（NP)：偶极矩平行于分子长轴。2、负性液晶（Nn)：偶极矩垂直于分子长轴。3、介电转换液晶（DT)：在低频电场或高频电场作用下，分子长轴方向与分子永久电偶极矩的夹角可由0到/2变化。正负性液晶在电场作用下分子的行为00202.折射率的各向异性双折射率:光线进入液晶分子内部以后会被分成两条折射线（液晶的双折射）。△n=n//-n⊥，△n＞0表示单轴正晶体（正型液晶），沿着长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率；△n0表示单轴负晶体（负型液晶）。△n与偏振、旋光、折射、干涉所引起的电光效应有直接关系。当入射光与液晶分子长轴方向成一定角度进入液晶时，液晶中光速的合成方向与液晶分子的长轴的夹角将变小，也就是说，光线进入液晶分子之后，其方向将向液晶分子长轴方向靠拢。21LCD用液晶的光学各向异性使入射光的前进方向向液晶分子长轴方向偏转改变入射光的偏振状态或偏振方向使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或透射液晶的光学性质：223.电阻率和电导率的各向异性液晶的电阻率的数量级一般为108-1012•cm，它接近于半导体和绝缘体的边界。小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度较差，一般1010•cm时，在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶分子结构。23TFT-LCD用液晶材料•高电阻率•对紫外光的高稳定性（无分解）如果电阻率不高盒内电压降减小电压保持率（液晶上实际电压的维持效果）劣化材料在紫外光下的分解会产生离子，也会使实效电压下降。24折射率差值折射率差值过大，大视角处会出现色反转；折射率差值过小，对比度低下。一般0.08为宜。介电常数的各向异性大，驱动电压低。25IPS模式的液晶材料视角特性优良、电压保持特性好的显示模式。使用氰基化合物。VA模式的液晶材料加电场时液晶分子为平行基板面的排列。分子长轴方向的介电率小于分子短轴方向的。263.2液晶显示原理3.2.1液晶显示器的主要性能参量1.电光特性液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度与外加电压的关系，称为电光特性。2、温度特性当温度过高，液晶态会消失，不能显示。而温度过低时，响应速度会明显变慢，直至结晶，致使液晶显示器件损坏。普通型静态驱动型使用温度稍宽，也仅有040℃，在-5℃时，勉强可用，但响应速度变慢。而动态驱动型，由于多路驱动所要求的特性较严，故使用温度范围则仅在540℃。宽温度的器件一般为－1050℃。3、伏安特性27电光特性(1)阈值电压Vth：引起的最大透光强度的10％（负性）或90％（正性）的外加电压。它标志了液晶电光效应有可观察反应的起始电压值。（2)饱和电压Vs：对应于最大透光度90％（负性）或10％（正性）处的外加电压。Vs大小标志了获得最大对比度所需的外加电压的数值，Vs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。28（3）对比度：Tmax：透过的最大强度，Tmax：透过的最小强度。（4）对比度随视角的变化对于大多数液晶显示器视角为40°左右。如果（dn）约为0.5m，器件视角特性会有较大改善。minmaxTT对比度29（5）陡度和比陡度：thsVV由于Vs＞Vth，所以总是大于1的数值，的极限值为1。在电光曲线中，Vs越接近Vth时，则电光曲线越陡。一般TN效应液晶的＝1.41.6。11thsthVVV30（6）响应时间对于正型电光曲线，上升时间r为透光强度由90％降到10％所需的时间；下降时间d为透光强度由10％上升到90％所需的时间。r和d与液晶材料、粘滞系数、弹性常数k、液晶盒厚度、螺距P、外电压V大小、不同的表面处理等有关。31液晶显示的方式反射式反射式TN型液晶显示器件结构图反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面上。特点：可以利用外界光，节省功耗，在阳光下图象不会被冲刷。323.2.2LCD的工作原理和特性液晶分子在其某种排列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变化，液晶盒的光学性质也随之变化。这种通过电学方法，产生光变换的现象，称为液晶的电气光学效应，简称电光效应。即在电的作用下，液晶分子的初始排列改变为其他的排列形式，从而使液晶盒的光学性质发生变化。也就是说，以“电”通过液晶对“光”进行了调制。目前已发现的电光效应，包括电场效应、电流效应、电热写入效应和热效应等四种。33液晶的电气光学效应液晶结构特性介于晶体和液体之间，是有序的流体。液晶能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应。在外场作用下会产生热光、电光或磁光效应。当液晶盒充入向列相液晶，把两玻璃片绕在他们互相垂直的轴扭转90°，向列相液晶的内部就发生扭曲，形成具有扭曲排列的向列型液晶盒。在上述液晶盒前后放置起偏器和检偏器，并使其偏振化方向平行。不施加电场时，白光射入后，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90°。旋光效应34双折射现象对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将发生双折射。双折射现象是液晶的重要特性，与晶体特性相似。单轴晶体有两个不同的主折射率，△n=n//-n⊥液晶的光轴可以由外电场改变，双折射光束间的相位差也随之变化。入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因为具有双折射性，当入射光的前进方向偏于分子长轴方向：能够改变入射光的偏振状态或方向能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。35液晶显示的种类363.3LCD的典型种类37偏振片的应用偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个偏