毕业论文液晶的光电效应.doc

液晶的电光效应摘要：迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，早在1963年，威廉斯就发现了对向列相液晶施加电场时所形成的电光学纹影图案。以此为开端，在1968年，首先由威索斯基发表了相变效应(PC：Phase Change Effect)；同一年，海麦尔又发现了动态散射效应(DS：Dynamic Scattering Effect)和宾主效应(GH：Guest-Host Effect)。在继1968年以后的几年里，人们以上述的DS效应及其在显示元件上面的应用为中心，做了大量的研究工作，随之发现了一些新的电光效应。其中最引人注目的，是1971年谢德特等发现的扭曲向列相效应(TN：Twisted Nematic Effect)和希凯尔与阿朗几乎在同时发表的电控双折射效应(ECBElectrically Controlled Birefringence Effect)。关键字：向列相、电光效应、多色显示液晶的电光效应(Electro-Optic Effect)是指液晶在外电场作用下的分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制，同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光学性质。本文将会描述论证几种典型电光效应。1.动态散射效应(DS-LCD)动态散射(DS)型液晶显示器件实际是一种已经过时，被淘汰的液晶显示器件。但由于它是唯一电流型液晶显示器件，而且是第一个实用化的液晶显示器件，所以读者还应对它有所了解。DS型液晶显示器件也是由两片带透明导电电极图形的玻璃基板构成一个液晶盒为主体结构的，只不过液晶盒中的液晶材料中掺入了一定比例的离子型有机电解质材料。因此，在不通电的情况下，液晶盒呈透明状，而通过一定频率交流电时，会随着电压的升高，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴”。如果电压继续提高，最终会使液晶层内形成紊流和搅动。这种紊流、搅动使液晶层对光产生强烈的光散射作用，我们称这种现象为动态散射。图2-3-1为DS型液晶显示器件的工作原理示意图。DS型液晶显示器件不用偏振片，但电流较大。使用时，一般在背面辅以黑色衬底，并制作一黑色反射遮光板。DS型液晶显示器件的驱动电压受液晶掺杂后的导电率及液晶本身介电异性决定。其阈值电压与驱动频率、介电迟豫时间等参数的关系如图1 DS型液晶显示器件工作原理式(1)所示。 (1)式中 f驱动频率；介电迟豫时间；g海尔夫利希参数；工作电压。DS型液晶显示器件的动态散射效应只有在一定频率条件下才会产生。其临界频率为 (2)式中g和的物理意义同式(1)。2. 宾主效应(GH-LCD)GH型液晶显示器件是最初引起人们重视并寄予厚望的一种液晶显示类型。但是，由于它本身的一些缺点，如对比度不高而工作电压偏高，故一直未能得到广泛应用。然而这种显示器件花样繁多，在一些特定条件下有其独到的优点，如可不要偏振片、能够显示多种单彩色等，因而还有其价值。特别值得注意的是近年利用相变式宾主(PCGH)液晶材料研制的反射式显示器件，具有一定的发展前景。GH型液晶显示器件原理如图2所示。其基本原理是在液晶层的液晶材料中掺进一定量的二色性染料。由于二色性染料(如蒽昆类染料)在分子的长轴方向和短轴方向对光的吸收不一样，平时二色性染料混在液晶图2 GH型液晶显示器件工作原理中，会“客随主变”的与液晶分子呈同向有序排列，观察者看到的是吸光较多的短轴方向，因而色彩较重。若此时施加一定的电压，液晶分子变为沿电场方向呈垂直排列的状态，此时，观察者看到的是吸光较少的长轴方向，因而色彩很淡，浓淡对比，形成显示。我们将占主体的液晶材料称为主体材料，将掺入的二色性染料称为客体材料。宾主，即缘此而来。GH型液晶显示器件的阈值电压基本由混合染料后的液晶材料决定。当液晶为Nn时 (3)当液晶为Np和Sp时 (4)当液晶为Ch时 (5)其中，N为向列相，S为近晶相，Ch为胆甾相。n代表负介电异性，p代表正介电异性。，。d为液晶盒厚度，为螺距。GH型液晶显示器件也可以再附加偏振片以提高对比度，它不仅能进行彩色显示，而且其视角也远比TN型大得多，这是一种还未开发尽善的一类液晶显示器件。3. 电控双折射效应(ECB-LCD)电控双折射型液晶显示器件是一种可以由电压控制显示多种颜色的彩色液晶显示器件。按内部结构原理的不同，ECB-LCD又分为DAP型和HAN型两种，其中：DAP型液晶显示器是由具有负介电各向异性的向列液晶垂直于液晶盒表面排列构成；HAN型液晶显示器是由具有正介电各向异性的向列液晶一侧垂直于液晶盒表面排列，而另一侧平行于液晶盒表面排列构成。它们的结构原理如图3和图4所示。图3 DAP型液晶显示器件工作原理ECB型液晶显示器件在通电时，液晶分子长轴与电场之间的夹角因电压大小不同而变化，故使液晶盒的双折射率发生变化。当入射的白色直线偏振光入射该液晶盒后，在不同的折射率下会形成不同的椭圆偏振光，它将被检波片选择吸收，从而形成不同的颜色。ECB型液晶显示器件透过的光强与受不同电压控制的液晶盒性质有关。可用下式表示： (6)式中：入射光强；入射光波长；入射偏光方向与寻常偏光方图4 HAN型液晶显示器件工作原理向的夹角；d盒厚；液晶盒在电压V时的双折射率；光学相位差。当入射光为白光时，随施加电压的变化，透过光会因双折射特性的变化而呈现变化。因其彩色是随施加电压而变化的，所以我们称之为“电控双折射彩色显示”。这种显示器件中DAP型的器件阈值电压为 (7)而HAN型器件因其平时不施电压也具有双折射性，所以没有阈值电压。ECB型液晶显示器件的最大优点是用不同电压可控制一个显示器件显示出不同的颜色，但它的不同颜色是靠液晶分子排布的差异实现的。这就造成外界对液晶稍有影响，如温度的改变，也会影响液晶分子排布造成双折射率的改变，从而影响显示颜色。因此，使用条件严格，很不方便。4.扭曲效应(TN-LCD)TN型液晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件。常见的手表、数字仪表、电子钟及大部分计算器所用的液晶显示器件都是TN型器件。一般，只要是笔段式数字显示所用的液晶显示器件大都是TN型器件。因此，这种器件应该是人们最熟知的液晶显示器件了。图5 典型TN型液晶显示器件结构示意图1取向层；2、7偏光片；3、6玻璃；4、9电极；5封接框；8反射片；10过渡电极；11液晶层TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器件中最基本的，而之后其他种类的液晶显示器件也可说是以TN型为基础来加以改良。同样的，它的运作原理也较其他技术来得简单。图5为TN型液晶显示器件的构造，图6为TN型液晶显示器件显示原理。图6 TN型液晶显示器件显示原理a) TN型液晶显示器件分子排布与透光示意图b) TN型液晶显示电光效应的原理从图6a与图6b可以看出，TN型液晶显示器件中包括了垂直方向与水平方向的偏光片，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。不加电场的情况下，入射光经过偏光片后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90，离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光片的方向一致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈光亮。当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，电极面因此呈现黑暗的状态。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光片之透明导向玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光片射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭曲式向列场效应，简称TNFE(Twisted Nematic Field Effect)。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。TN型液晶显示器件的基本结构原理是：将涂有氧化铟锡(ITO)透明导电层的玻璃光刻上一定的透明电板图形，将这种带有透明导电电极图形的前后两片玻璃基板夹持上一层具有正介电各向异性的向列相液晶材料，四周进行密封，形成一个厚度仅为数微米的扁平液晶盒。由于在玻璃内表面涂有一层定向层膜，并进行了定向处理，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲，这就是扭曲向列液晶显示器件名称的由来。由于TN型液晶显示器件中液晶分子在盒中的扭曲螺距远比可见光波长大得多，所以当沿一侧玻璃表面的液晶分子排列方向一致或正交的直线偏振光射入后，其偏光方向在通过整个液晶层后会被扭曲90由另一侧射出，因此这个液晶盒具有了在平行偏振片间可以遮光，而在正交偏振片间可以透光的作用和功能。如果这时在液晶盒上施加一个电压并达到一定值后，液晶分子长轴将开始沿电场方向倾斜，当电压达到约两倍阈值电压后，除电极表面的液晶分子外，所有液晶盒内两电极之间的液晶分子都变成沿电场方向的再排列。这时，90旋光的功能消失，在正交偏振片间失去了旋光作用，使器件不能透光。而在平行偏振片之间由于失去了旋光作用，使器件也不再能遮光。因此，如果我们将液晶盒放置在正交或平行偏振片之间，即可用给液晶盒通电的办法使光改变其透过一遮住状态，从而实现显示。平时我们看见液晶显示器件时隐时现的黑字，不是液晶在变色，而是液晶显示器件使光透过或使光被吸收所致。5.超扭曲效应(STN-LCD)5.1超扭曲效应(STN-LCD)概述顾名思义，超扭曲向列型(STN)液晶显示器件即扭曲角应很大，要超过90，这是一种目前应用较多的点阵式液晶显示器件。我们知道，TN型及其他大部分类型的液晶显示器件的电光响应曲线都不够陡峭，随着驱动电压V的升高，电光响应缓慢增加，阈值特性很不明显，这给多路驱动造成了困难，使液晶在大信息量显示、视频显示上受到了限制。20世纪80年代初，人们发现，传统的扭曲向列液晶(TN)器件，只要将其液晶分子的扭曲角加大，即可以改善其驱动特性。经过努力，人们陆续开发出一系列超过了TN扭曲角90的液晶显示器件，我们把这类扭曲角在180360的液晶显示器件称为超扭曲(STN)系列产品。目前，几乎所有的点阵图形和大部分点阵字符型液晶显示器件均已采用了STN模式。STN技术在液晶产业中已处于成熟、完善的阶段。STN模式的产品结构基本和TN模式是一样的，只不过盒中液晶分子排列不是沿着90扭曲排列，而是180360扭曲排列，如图7所示。STN型是使用向列相液晶(nematic)的，利用电场来控制液晶的方向是应用上常用的方法。用液晶制作的组件，通常都将液晶包在两片玻璃中。在玻璃的表面镀一层叫做配向剂的物质，可由该物质的种类及处理方法来控制在没有外电场时液晶的排列情况。5.2 STN型液晶的显示原理世界上第一台液晶显示器出现在20世纪70年代初，被称之为TN型液晶显示器(Twisted Nematic，扭曲向列)。80年代，STN型液晶显示器(Super图7 STN型液晶显示器件原理示意图视角；扭曲角；预倾角；，指向矢；,偏光轴Twisted Nematic，超扭曲向列)出现，同时TFT型液晶显示器(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)技术诞生。我们就先来讲讲STN型液晶的显示原理，STN型液晶显示器和TN型液晶显示器的显示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同。向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶分子顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然状态具有90的扭曲，利用电场可使液晶旋转，液晶的折射系数随液晶的方向而改变，影响的结果是光经过TN型液晶后偏极性发生变化。只要选择适当的厚度使光的偏极性刚好改变90，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏极性就不会改变，光就可通过第二个偏光片。于是，就可控制光的明暗了。前面说了，STN型液晶与TN型液晶的显示原理相同，只是它将入射光旋转180270，而