LCD结构和显示原理

4.2 雙折射﹕當自然光射在各向異性介質上時﹐除反射光線外﹐一般還存在兩條折射 光 線﹐尋常光(o光)和非尋常光(e光)。對于向列相液晶這種單軸晶體而言﹐e光的折射率隨光的傳播方向 與光軸間的夾角有關﹐當傳播方向與光軸重合時﹐e光的折射率與o光的折射率相等為no。 所以﹐一般來說﹐一個入射光既可產生尋常光﹐又可產生非尋常光﹐這種現象 就是雙折射。但當入射光和分子軸的方向一致時﹐則不產生非常光。 4.3 旋光性﹕ 直線偏振光沿晶體光軸方向傳播時﹐其振動面發生旋轉的性質。 4.4 光在液晶中的傳播﹕ 因液晶的光學各向異性﹐光在液晶中的傳播有如下特點﹕ 1) 入射光沿分子偶極矩n的方向發生偏轉。由于n∥ > n⊥,因此入射光中平行n方向的速 度大于垂直于n方向的光速。 2) 入射的偏光狀態及偏振光方向發生變化。 3) 入射的左旋或右旋偏光產生對應的透過或反射。 對于扭曲向列液晶﹐液晶分子扭曲排列的螺矩P遠遠大于 入射光波長λ ﹐光以平行于分子軸的偏振方向入射﹐則并以平行于 出口處的分子軸的偏振方向射出。光以垂直于分子軸的偏振方向入 射﹐則并以垂直于出口處的分子軸的偏振方向射出。 當以其他線偏 振光方向入射時﹐則根據平行分量和垂直分量的位相差 wd(n∥ - n⊥)/c的值,以橢圓﹑圓或直線偏振狀態射出。
T T
Uth
Usat
U
Uth
Usat
U
5.4.3 陡度因子(γ)﹕衡量電光曲線變化的陡峭程度。它是液晶顯示器用于大信息量的一個 重要參數﹐陡度因子(γ)越大﹐顯示信息量越大。(γ
=U90/U10)
5.5 液晶器件響應時間﹕ 5.5.1 人眼對變化圖像的反應時間是几十毫秒﹐故顯示圖像的變化對外加信號電壓變化的響 應不可低于此速度。在液晶顯示方面﹐常用三個參數來表征響應時間﹕延遲時間 td﹐上升時間tr﹐下降時間tf. 對TN液晶而言﹐ 決定響應時間的因素主要是液晶的粘滯系數﹐盒厚﹑液晶的彈性常數和介電常數等。 降低液晶的粘滯參數和盒厚能顯著提高響應速度。在STN中﹐必須加入手性劑﹐但手 性劑的加入﹐可引起液晶粘滯系數的增大﹐所以慎重考慮手性劑的加入量。 響應特性﹕電壓驅動信號變化時﹐液晶顯示單元作相應轉變所需的時間。
內容﹕ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
液晶顯示器的優點 液晶顯示器的基本結構 LC材料及其物性 液晶的光學基礎 液晶顯示器件的電光特性 LCD顯示原理 思考題﹕
1.
其優Байду номын сангаас如下﹕
液晶顯示器的優點﹕
自1888年奧地利植物學家萊尼茨爾(F.Reinitzer)發現LC以來﹐已有100多年歷史﹐但LCD真 正形成產業是在上世紀70年代末期﹐并至今得到了迅猛的發展﹐大有取代CRT霸主地位之勢。
液晶的折射率大小與分子結構(其中與分子極化度的影響很大)﹐波長及溫度有關。 1) 折射率與分子極化度的關系﹕ (ne2- no2 )/ (n2+2)=4/3πρ(ae- ao) 極化度變小﹐ ne, no, Δn都減小 。 2) 在可見光區﹐ no一般在1.52左右。當波長增加時﹐ no 逐步下降﹐直到紅外線區才趨緩
A) 平面型顯示﹐體積小﹐重量輕﹐便于攜帶. B) 低電壓(2~5V)﹐微功耗,工作電流几個微安。 C) 壽命長﹐一般 在5萬小時以上或5~10年﹐以工作電流大于原來的2倍為准。 D) 被動顯示﹐不怕光沖刷﹐外界光越強﹐顯示的內容越清晰。 E) 易驅動﹐可和大規模集成電路結合。
F) 無輻射﹐對人體無害﹐不易使眼睛疲勞。(CRT輻射相當嚴重。據醫學表明﹐每天用電腦
和。
3) 當溫度上升時﹐ no稍有增加﹐比較顯著的增加出現在靠近清亮點時﹐但ne卻下降。溫 度超過清亮點時﹐ ne= no。 Δn的大小對液晶顯示器的影響很大﹐為得到較寬的視角﹐液晶材料的光學各向異性 Δn與盒厚d相匹配﹐使之符合Δnd ≧λ/2. (λ=光波長)。 Δn小﹐則液晶顯示器的視角大﹐但要求采用 厚的液晶盒﹐否則會出現采虹。但增大盒厚﹐則器件的響應速度變慢。經計算可知﹐在人視角響應峰 值波長λ=550um下﹐ 當Δnd=0.5, Δnd=1.0和Δnd=1.5時﹐不會出現彩虹。
4. 液晶的光學基礎﹕
4.1 偏振光﹕ 定義﹕ 光波的電振動相對于傳播方向具有不對稱性的光。 偏振狀態﹕光波在與傳播方向垂直的二維空間里電矢量E有各種各樣的狀態﹐這種狀態 稱為光的偏振狀態。 常見的分為如下五種﹕ 1) 自然光 2)直線偏振光 3)部分偏振光 4)圓偏振光 5) 橢圓偏振光
下面簡要介紹一下自然光﹑直線偏振光﹑圓偏振光﹑橢圓偏振光。 4.1.1 自然光﹕ 以光的傳播方向為對稱軸﹐電振動對傳播方向具有對稱性的光波。 用檢偏器檢驗時﹐隨著檢偏器透射軸方向的轉動﹐透射 光的強度保持不變。 4.1.2 直線偏振光﹕光在傳播過程中﹐其電矢量E的振動始終保持在一確定的平 面內﹐且電矢量E在與傳播方向垂直的平面上的投影是一條直線。用檢偏器檢驗時﹐檢偏器透射軸方 向每轉動90度﹐透射光的強度出現一次極大和一次消光。 4.1.3 圓偏振光﹕光在傳播過程中﹐其電矢量E在波面內運動的特點是其瞬時值 的大小不變﹐方向以角速度w勻速轉動﹐即電矢量的端點在垂直于傳播方向的平面內的軌跡為一個圓。 4.1.4 橢圓偏振光﹕光在傳播過程中﹐其電矢量E在波面內運動的特點是其瞬時 值的大小作 有規律的變化﹐方向以角速度w勻速轉動﹐即電矢量的端點在垂直于傳播方向的平面內的 軌跡為一個橢圓。用檢偏器檢驗時﹐檢偏器透射軸方向轉動90度﹐透射光的強度從一次極大變為一次 極小﹐再轉動90度則從極小又變為極大﹐沒有消光位置。
θ
眼睛
評價液晶顯示器的視角特性﹐常采 用全視角等對比度曲線。
12H
15
12H 9H
9H
15 10 5
10 5 5 5 10 15 10 15
3H
3H 6H
全視角等對比度曲線
6H
5.4 閾值電壓和飽和電壓﹕
5.4.1 閾值電壓(Uth)﹕液晶顯示器顯示部分亮度(光透過率或反射率)的變化達到最大變化量 的10%時所施加的驅動電壓有效值(Uth)。 閾值電壓(Uth)與P液晶的介電各向異性(Δ ε )和彈性常數(K11/K22/K33)有關,與盒厚無關。 表達式(Uth)=π Sqr{(K11+(K33-K22)/4)/ε 0 /Δ ε} 低于此電壓時﹐器件的電光特性只有微小的變化﹐高于此值時﹐透光率顯著變化。 5.4.2 飽和電壓(Usat):液晶顯示器顯示部分亮度(光透過率或反射率)的變化達到最大變化量的 90%時所施加的驅動電壓有效值(Usat); 其電光曲線見下圖﹕
3.3.3 液晶的彈性常數(K11/K22/K33)﹕
液晶的彈性常數是描述液晶分子彈性形變的物理量,與液晶器件的占空比﹑閾值電壓﹑響應 時間密切相關。通常有三個彈性常數﹐即彎曲彈性常數(K33)﹑扭曲彈性常數(K22)﹑展曲彈性常數 (K11) ﹐液晶的彈性常數一般在10-11~ 10-12 N之間﹐比一般的彈性體小很多。因此液晶分子排列很容易受 電場﹑磁場﹑和應力等外場的影響使原有的基態發生畸變。
3.3.4. 液晶的粘滯系數η﹕
向列相液晶的粘滯系數相當復雜﹐通常廠家只用體積粘滯系數來表征液晶的粘滯特性。經 實驗可知﹐液晶粘滯系數與活化能﹑溫度有關。 關系式為η =η oexp(-E/ kT )
η o﹕比例常數﹐ E: 活化能
T: 溫度
k: 玻耳茲曼常數
在相同溫度下﹐低活化能的液晶材料具有低的粘滯系數。從經驗得出﹐ 1) 由多環或長鏈分子組成的液晶﹐其粘滯系數相對增大。 2) 一般介電常數各向異性(Δ ε )大的液晶﹐比Δ ε 小的粘滯系數大。 3) 官能團在分子中的位置會影響液晶的粘滯系數。 從液晶顯示的角度來講﹐ Δ ε 越大越好﹐粘滯系數越小越好。但Δ ε 與閾值電壓有關﹐不能一 味追求Δ ε 大的材料。 溫度對液晶的粘滯系數影響最大﹐一般來講﹐溫度每升高10℃,粘滯系數就減小一倍。因 此在低溫環境下﹐液晶的粘滯系數增大﹐導致響應速度變慢﹐這嚴重限制了LCD的工作溫度范圍。
N N
等。
C/C’為側向基團﹐在顯示用液晶材料中很少見。
3.3 液晶的應用物理特性(以向列相液晶為例)﹕
3.3.1 液晶的介電各向異性(Δ ε )﹕液晶材料的最基本電參數。決定液晶分子在電場中的行為. 因液晶分子是極性分子﹐沿長軸和短軸方向表現不同的空間各向異性。 ε (平行)--ε (垂直) 可正可負。取決于液晶分子永久偶極矩和分子長軸間夾角的大小。 當Δ ε >0時﹐液晶分子沿電場方向取向(p型)﹔當 Δ ε <0時﹐液晶分子垂直電場方向取向(n型)﹐ 在LCD驅動中決定閾值電壓(Vth)和響應速度。在低頻電場中﹐混合液晶介電各向異性具有加 和性。但在高頻電場中﹐由于永久偶極矩的變化跟不上電場的變化﹐所以ε (平行)可能小于ε (垂直)使 介電各向異性<0。這一點是雙頻驅動的基礎。
Δ ε =
3.3.2 液晶的雙折射性﹕
液晶是一種各向異性物質﹐在光學是類似于單軸晶體﹐其光軸沿著液晶的指向矢方向﹐所 以光在液晶中傳播時會發生雙折射(birefringence),但當入射光方向與分子軸方向平行時﹐則不產生非 常光。我們把不產生雙折射的方向軸稱為光軸。 對于向列相液晶﹐當光在液晶中傳播時﹐若非常光折射率(ne)大于尋常光折射率(no),這表 明光在液晶中傳播的速度存在ve< vo,即尋常光的傳播速度快﹐這種液晶在光學上稱為正光性材料。 如果液晶的光軸用指向矢描述時﹐ 有n∥= ne, n⊥= no, Δn(折射率各向異性)= n∥- n⊥= ne- no 而膽甾相液晶的光軸同螺旋軸平行﹐而與分子軸垂直﹐非常光的折射性小。即ne< no﹐光在這種材料 中傳播時﹐非常光傳播速度快﹐即ve> vo﹐所以膽甾相液晶及大部分溶致液晶是負光學材料。
5. 液晶顯示器件的電光特性﹕
5.1 電光響應特性﹕ 液晶顯示器的相對透光率隨外加信號電壓變化的特性。 5.2 對比度(Cr)﹕在恆定的照明條件下﹐液晶顯示器件顯示部分的亮態與暗態亮度之比,也即 顯示狀態與非顯示狀態的相對透光率之比值﹐或在亮態與暗態下光電轉換器的輸出電壓 比。 表達式為﹕ Cr=Te/Td=Ue/Ud 對比度Cr代表顯示圖像的清晰程度﹐一般當Cr>=5時﹐便可清楚的顯示圖像。 對比度隨著視角的變化而變化。 5.3 視角(θ) ﹕在保持一定的對比度條件下﹐觀察方向與液晶顯示器件法線所成的夾角。