液晶技术与制备Chapter4

1、4.1 4.1 可应用于液晶显示的电光效应可应用于液晶显示的电光效应 液晶的电光效应是指液晶在外电场下分子的排列状液晶的电光效应是指液晶在外电场下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。的一种电的光调制现象。 迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，在此迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，在此仅从应用于液晶显示元件的观点出发，将其中比较重仅从应用于液晶显示元件的观点出发，将其中比较重要的列于下表：要的列于下表： 扭曲向列型（扭曲向列型（TNTN）效应）效应 宾主（宾主（GHGH）效应）效应 电场效应型电场

2、效应型 电控双折射（电控双折射（ECBECB）效应）效应 相变（相变（PCPC）效应）效应电光效应电光效应 电流效应型电流效应型 动态散射（动态散射（DSDS）效应）效应 近晶型效应近晶型效应 热效应型热效应型 胆甾型效应胆甾型效应4.1.1 4.1.1 扭曲向列型扭曲向列型(TN)(TN)效应效应 在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间, ,夹入厚约夹入厚约10m 10m 具有正介电各向异性的向列型液晶具有正介电各向异性的向列型液晶( (以下简称以下简称N NP P 液晶液晶),),做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续

3、扭曲扭曲9090的扭曲的扭曲(TN)(TN)排列盒排列盒. .入射光入射光偏光镜偏光镜偏光镜偏光镜TNTN排列盒排列盒液晶分子液晶分子（a）无外加电压（）无外加电压（V=0）入射光入射光偏光镜偏光镜偏光镜偏光镜（b b）有外加电压（）有外加电压（VVVVthth ）透射光透射光光遮断光遮断 然而，一旦然而，一旦90扭曲排列的液晶盒施加电压，则从扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电压阈值电压Vth 起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜。但是，在施加的电压为斜。但是，在施加的电压为Vth 的两倍时，除了电极近的两倍时，除了电极近旁的分子以外，其它分子的长轴又都

4、沿着平行于电场旁的分子以外，其它分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致的方向重新排列，从而导致90的旋光性消失。这种的旋光性消失。这种状态下，液晶盒在两块平行偏振片之间时，光线能通状态下，液晶盒在两块平行偏振片之间时，光线能通过，而放在两块垂直偏振片之间时，光线就不能通过，过，而放在两块垂直偏振片之间时，光线就不能通过，与不施加电场的情况完全相反。与不施加电场的情况完全相反。 因此因此,这种这种TN盒具有如下功能盒具有如下功能:即它在两块平行偏振即它在两块平行偏振片之间时片之间时,光线就不能通过光线就不能通过,而放在两块垂直的偏振片而放在两块垂直的偏振片之间时之间时,光线就可以通

5、过光线就可以通过. 由于这种由于这种TNTN排列盒的扭矩远远大于可见光的波长排列盒的扭矩远远大于可见光的波长, ,所所以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过程中程中, ,其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转9090( (即旋光度为即旋光度为9090).).对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透过率。下图显示了透过率与电场作用关系图。考虑到偏光片的作用使反射型TN显示屏的最大透过率只有50%。垂直线代表液晶盒的开或关状态时的电压。响应时间响应时间上升响应时间上升响应时间 r r: :

6、施加电场下产生的施加电场下产生的电光现象达到稳定值的电光现象达到稳定值的90%90%时所需要时所需要的时间。的时间。下降响应时间下降响应时间 d d: : 停止施加电场之后，停止施加电场之后，电光现象减少到稳定值的电光现象减少到稳定值的10%10%时所需要时所需要的时间。的时间。4.1.2 4.1.2 宾主（宾主（GHGH）效应）效应入射光入射光(白色）白色）偏光镜偏光镜GHGH盒盒透射光透射光(有色）有色）入射光入射光(白色）白色）透射光透射光(无色）无色）(a)(a)无外加电压无外加电压(V=0)(V=0)（b b）有外加电压（）有外加电压（VVVVthth ）0 00.10.140040

7、0500500600600700700800800(a)(a)(b)(b)吸光度吸光度( (相对值相对值) )波长波长(nm)(nm)染料分子染料分子液晶分子液晶分子GHGH电光效应原理电光效应原理 一旦把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸一旦把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸收具有各向异性的收具有各向异性的两色性染料两色性染料（宾宾），溶解于特定），溶解于特定排列的排列的液晶液晶（主主）中，则一般呈棒状的两色性染料）中，则一般呈棒状的两色性染料就会与液晶分子相互平行地排列。因此，在施加电就会与液晶分子相互平行地排列。因此，在施加电场的情况下，作为场的情况下，作为“主主”的液晶的分子排列

8、发生变的液晶的分子排列发生变化。这样，就可以通过电控的方式来控制染料对可化。这样，就可以通过电控的方式来控制染料对可见光的吸收量。这种电光效应就叫做宾主效应。见光的吸收量。这种电光效应就叫做宾主效应。 根据所用的分子排列的类型、液晶的种类、染料根据所用的分子排列的类型、液晶的种类、染料的种类、盒的结构等组合情况，宾主效应可分为多的种类、盒的结构等组合情况，宾主效应可分为多种方式。种方式。4.1.3 4.1.3 动态散射（动态散射（DSDS）效应）效应 把有机电解质等异电性物质溶解，配制成电阻率把有机电解质等异电性物质溶解，配制成电阻率约小于约小于51010cm 的的Nn 液晶。将这种液晶夹在两

9、液晶。将这种液晶夹在两片透明电极之间，做成液晶膜厚约为片透明电极之间，做成液晶膜厚约为10m 10m 沿面排沿面排列的液晶盒。对这种液晶盒施加交流电场，则在改列的液晶盒。对这种液晶盒施加交流电场，则在改变其激发频率变其激发频率f f和施加电压和施加电压v v大小的同时，用偏光显大小的同时，用偏光显微镜观察这时形成的电不稳定性的光学图案，并记微镜观察这时形成的电不稳定性的光学图案，并记录产生该图案的阈值电压录产生该图案的阈值电压Vth 。以某一特定的激发。以某一特定的激发频率频率fc 为界，在此前后的频率区域，可明显地观察为界，在此前后的频率区域，可明显地观察到两种不同类型的光学图案。到两种不同

10、类型的光学图案。 在低频区域（在低频区域（ffc ），当电压），当电压V超过某一阈值电压超过某一阈值电压Vw 时，就呈现出具有与液晶盒厚度相同间隙的周期时，就呈现出具有与液晶盒厚度相同间隙的周期性的静态条纹状图案（这种图案称为威联斯畴）。性的静态条纹状图案（这种图案称为威联斯畴）。 若再增加电压，就变成不规则的复杂图案，结若再增加电压，就变成不规则的复杂图案，结果使光变成强烈地向前散射的湍流状态以致混乱果使光变成强烈地向前散射的湍流状态以致混乱状态状态.这种现象称为动态散射这种现象称为动态散射.即使在施加直流电即使在施加直流电场时也能看到同样现象场时也能看到同样现象.这种这种DS效应就是液晶显

11、效应就是液晶显示主要方式之一的示主要方式之一的DS型显示的工作原理型显示的工作原理.入射光入射光非散射光非散射光入射光入射光非散射光非散射光入射光入射光散射光散射光(a)沿面分子排列沿面分子排列VVw (c)(c)动态散射动态散射(DS) VV(DS) VVw w 产生动态散射产生动态散射(DS)(DS)现象全过程的液晶分子现象全过程的液晶分子排列状态的变化排列状态的变化4.1.4 4.1.4 电控双折射（电控双折射（ECBECB）效应）效应通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生。通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生。偏光镜偏光镜偏光镜偏光镜入射光（白色）入射光（白色）入射光（白色）入射光（

12、白色）无透射光（黑）无透射光（黑）透射光（有色）透射光（有色）V=0VVthNnNn液晶液晶垂直排列垂直排列0 0 5 5 1 10 0 1 15 5外加电压外加电压V透透射射光光强强度度外加电压外加电压V相相位位差差 红红 黄黄 蓝蓝 红红 黄黄 白白灰灰m=452nmMBBA, 盒厚10m, 正交偏振片I=Iosin22 sin2 d n(v) Vth= k33/ o (- )1/2沿面排列沿面排列Np液晶EVth= k33/ o ( )1/2特点：特点：1.1.外加电压产生的干涉色的色调变化顺序，外加电压产生的干涉色的色调变化顺序， 与垂面排列的顺序相反。与垂面排列的顺序相反。2.Np2

13、.Np的介电各向异性一般较大，使阈值电压的介电各向异性一般较大，使阈值电压 降低。降低。3.3.色调变化清晰。色调变化清晰。4.4.不会产生动态散射现象。不会产生动态散射现象。混合排列混合排列Np, NnNpNn无阈值电压无阈值电压STN STN 效应效应9 90 08 80 07 70 06 60 05 50 04 40 03 30 02 20 01 10 00 00 0. .0 0 0 0. .5 5 1 1. .0 0 1 1. .5 5 2 2. .0 0 2 2. .5 5 3 3. .0 09 90 03 36 60 02 27 70 01 18 80 0扭角扭角中中间间层层倾倾角

14、角度度入射偏光片液晶盒出射偏光片270度扭转90807060504030201000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0270180900倾倾角角扭扭角角层中距离层中距离4.1.5 4.1.5 相变效应相变效应入射光入射光入射光入射光散散射射光光（乳白）（乳白）透射光透射光（透明）（透明）V=0VVth特点：特点：阈值电压与盒厚有关。阈值电压与盒厚有关。 V Vthth= = 2 2d/pd/po o(k(k2222/ / ) )1/21/2无需偏光片。无需偏光片。4.1.6 4.1.6 热光效应热光效应 液晶的光学性质随温度的变化而变化的现象液晶的光学性质随温度的变化而变化的现象,一

15、般一般称为液晶的热光效应称为液晶的热光效应.热光效应以加热或冷却的手段热光效应以加热或冷却的手段来改变液晶分子的排列状态来改变液晶分子的排列状态.作为能显著地显示这种作为能显著地显示这种效应的液晶效应的液晶,可举出近晶型液晶和胆甾型液晶等可举出近晶型液晶和胆甾型液晶等.下面下面仅以前者为例加以叙述仅以前者为例加以叙述. 在两块透明基片之间放入经过垂直取向处理的近在两块透明基片之间放入经过垂直取向处理的近晶型晶型A(SA )液晶液晶,做成夹芯型的液晶盒做成夹芯型的液晶盒.将此液晶盒加将此液晶盒加热热,一旦温度上升到使盒内液晶成为各向同性液体的一旦温度上升到使盒内液晶成为各向同性液体的温度以上时温

16、度以上时,立即进行冷却立即进行冷却.这时这时,如果是急冷如果是急冷,则液晶则液晶盒整体呈现白色浑浊状态盒整体呈现白色浑浊状态;若是缓慢冷却若是缓慢冷却,则液晶盒整则液晶盒整体将变成透明状态体将变成透明状态. 这种白色浑浊状态和透明这种白色浑浊状态和透明状态状态,分别是因为分别是因为SA 液晶在液晶在骤冷时形成紊乱的焦锥排骤冷时形成紊乱的焦锥排列和在缓慢冷却时形成垂列和在缓慢冷却时形成垂面排列所致面排列所致. 实际上前一种状态大致上等同于将各向同性液实际上前一种状态大致上等同于将各向同性液体中无规则的分子排列状态用迅速冷却的方法固体中无规则的分子排列状态用迅速冷却的方法固定定(冻结冻结)下来下来

17、. 这种这种SA 液晶盒的热光效应液晶盒的热光效应,已经被应用于以激已经被应用于以激光束照射作为加热手段的热写入方式的大容量显光束照射作为加热手段的热写入方式的大容量显示示.透明透明光散射光散射急冷急冷慢冷慢冷热光效应热光效应+电场电场 电热光效应电热光效应V=VsV=0光散射光散射透明透明电压消除后，两种状态并不消失，可储存。电压消除后，两种状态并不消失，可储存。 对用于液晶显示器的液晶材料的要求对用于液晶显示器的液晶材料的要求:液晶的温度范围广液晶的温度范围广;化学和光化学性质稳定化学和光化学性质稳定;粘度低粘度低;介电各向异性大介电各向异性大;双折射性适中双折射性适中;弹性模数均衡弹性模

18、数均衡;分子排列的有序度高等等分子排列的有序度高等等.4.2 液晶混配液晶混配单个液晶不能满足所有要求，一般采用混配的方法，单个液晶不能满足所有要求，一般采用混配的方法，选择多个液晶单体，取各个所长，在混融状态下混合。选择多个液晶单体，取各个所长，在混融状态下混合。但各个物性常数并不是简单的代数之和。但各个物性常数并不是简单的代数之和。A%6040200-20CrNIso温度温度 0C有加和性：有加和性： ， n, 1/p， K11, K22, K33（极性（极性-非极性混合液晶除外）非极性混合液晶除外）, TNI （极性（极性-非极性混合液晶除外）非极性混合液晶除外）. 无加和性无加和性:

19、TCN.TNI=X1 H1+ X2 H2X1 H1+ X2 H2=(X1/N1) 1 + (X2/N2) 2 (X1/N1) + (X2/N2) (Kii)1/2=X1(Kii,1)1/2 +X2(Kii,2)1/2物理参数的调节物理参数的调节介电各向异性介电各向异性 光学各向异性光学各向异性 n n液晶材料相变温度液晶材料相变温度 TCN, TNI多路驱动能力多路驱动能力响应速度响应速度驱动电压驱动电压对比度对比度视角视角工作温度区间工作温度区间弹性系数弹性系数粘度粘度螺距螺距螺距螺距有序参数有序参数基本组份基本组份 40 50%低粘度组份低粘度组份 30 40%高温组份高温组份 20 30

20、%4.3 4.3 胆甾液晶的热色效应胆甾液晶的热色效应液晶薄膜温度计液晶薄膜温度计300400500600700nm-3 0 10 20 30 40 50 60 70 80紫紫蓝蓝绿绿黄黄橙橙红红6 60 04 45 53 30 01 15 50 0T T/ /o oC C红红 橙橙 黄黄 绿绿 蓝蓝 紫紫液晶混配液晶混配 微囊化微囊化 印刷印刷 覆膜覆膜4.4 4.4 液晶的显示方式液晶的显示方式 一般使用的液晶显示器件一般使用的液晶显示器件,有有段型显示段型显示和和矩阵型矩阵型显示显示两种两种. 段型显示器件结构简单段型显示器件结构简单,容易组装容易组装.组装时是将安有组装时是将安有段电极

21、基片和安有公共电极的电极基片相向放置段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置,两极两极之间的距离为几至之间的距离为几至10 m ,m ,四周密封四周密封, ,只留一个液晶注只留一个液晶注入孔入孔, ,组装成空的盒状容器组装成空的盒状容器, ,然后从液晶孔向空盒中注然后从液晶孔向空盒中注入液晶材料入液晶材料, ,再把液晶孔密封再把液晶孔密封. . 矩阵型显示器件则在任何一个电极基片上都安装复矩阵型显示器件则在任何一个电极基片上都安装复数的带状电极数的带状电极,双方的带状电极要垂直相交双方的带状电极要垂直相交. 除了上述的液晶显示器件除了上述的液晶显示器件,还有其他一些类型的液晶还有其他一些类型

22、的液晶显示器件显示器件.例如例如光寻址型光寻址型液晶显示器件、液晶显示器件、热寻址型热寻址型液液晶显示器件晶显示器件.4.4.1 4.4.1 段型显示及其驱动方式段型显示及其驱动方式 段型显示适用于限定数目的符号和数字等反复显示段型显示适用于限定数目的符号和数字等反复显示的场合的场合.它广泛应用于电子计算器、钟表、竞赛电子计它广泛应用于电子计算器、钟表、竞赛电子计时器、计价仪器等显示装置时器、计价仪器等显示装置. 段型显示的驱动方法有两种方式段型显示的驱动方法有两种方式,显示的文字数目比显示的文字数目比较少的用较少的用静态驱动静态驱动,显示的文字数目很多时显示的文字数目很多时,应用应用多路多路

23、传输驱动传输驱动.静态驱动方式静态驱动方式 静态驱动上段显示的最基本的驱动方式静态驱动上段显示的最基本的驱动方式.这是把所有这是把所有的段电极逐个分别驱动的方式的段电极逐个分别驱动的方式.所有段电极和公共电极所有段电极和公共电极之间之间,仅在要显示的时间内才施加电压仅在要显示的时间内才施加电压. 液晶显示器件如用直流电驱动液晶显示器件如用直流电驱动,在液晶盒里诱发的电在液晶盒里诱发的电化学反应就会显著缩短显示器件的寿命化学反应就会显著缩短显示器件的寿命.因此因此,一般在段一般在段电极和公共电极间波峰值为电极和公共电极间波峰值为V0 时时,施加相位差仅为施加相位差仅为 /2的方波电压的方波电压.

24、因为液晶没有极性因为液晶没有极性,所以液晶就被施加波峰所以液晶就被施加波峰值为值为2 V0 的电压的电压.在这种条件下在这种条件下,施加给液晶的平均电压施加给液晶的平均电压就成为零了就成为零了,因此可以防止液晶的变质因此可以防止液晶的变质. 静态驱动方式的各段静态驱动方式的各段,必须单独安装驱动元件必须单独安装驱动元件,因而因而,电子计算器等需要显示的数目太多时电子计算器等需要显示的数目太多时,连接各段的接头连接各段的接头和驱动元件数就很多和驱动元件数就很多,这一点是其欠缺的这一点是其欠缺的.公共电极公共电极段电极段电极计算器计算器+译码译码静态驱动电路的结构静态驱动电路的结构多路传输驱动方式

25、多路传输驱动方式 多路传输驱动方式，是在显示数字的数目比较多时多路传输驱动方式，是在显示数字的数目比较多时使用的驱动方式。多路传输驱动方式也叫做分时操作使用的驱动方式。多路传输驱动方式也叫做分时操作驱动方式，或者动态驱动方式。驱动方式，或者动态驱动方式。 多路传输驱动方式，是将全部段电极分为数组，然多路传输驱动方式，是将全部段电极分为数组，然后将它们分时驱动。应用这种多路传输方式，当数码后将它们分时驱动。应用这种多路传输方式，当数码的位数多而需要增加分时的数目时，可以大幅度地减的位数多而需要增加分时的数目时，可以大幅度地减少对应于分时数目的驱动接点和驱动元件。然而随着少对应于分时数目的驱动接点

26、和驱动元件。然而随着分时数的增加，将因交叉失真效应引起工作宽容度分时数的增加，将因交叉失真效应引起工作宽容度（最低选择点电压和最高选择点电压之比）（最低选择点电压和最高选择点电压之比）a逐渐减逐渐减小而难于驱动。因此，分时的数目必须限于某一必要小而难于驱动。因此，分时的数目必须限于某一必要的最小限量。的最小限量。C C1 1 C C2 2C C3 3S S1 1 S S2 2 S S3 3 S S4 4 S S5 5 S S6 6 S Sm m S Sn n 公共电极公共电极段电极段电极多路传输驱动的电极结构图多路传输驱动的电极结构图 现在把多路传输驱动的段电极和公共电极的联结现在把多路传输驱动的段电极和公共电极的联结绘成简明的图形，如上图所示的矩阵变换电路显示绘成简明的图形，如上图所示的矩阵变换电路显示的电极结构。这样就可以把公共电极看成是扫描电的电极结构。这样就可以把公共电极看成是扫描电极，把段电极看作是