液晶顯示技術(shù)01

1、第1章 液晶基礎(chǔ)知識n液晶的種類n液晶的物理特性n液晶的光學特性1.1 液晶的種類n液晶狀態(tài)被喻為是自然界中物質(zhì)的第四狀態(tài)，而有別于固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的物質(zhì)三大狀態(tài)，液晶分子是一種具有光學異方向性和流動性之結(jié)晶性液體，是一種機能性材料。具有液體的流動性及表面張力，同時又有晶體所特有的光學各向異性的雙折射性。這種能在某個溫度范圍內(nèi)兼液體和晶體二者特性的物質(zhì)就叫做液晶，一般分向列型、近晶型、膽甾型和異型型。液態(tài)晶體液態(tài)晶體Liquid Crystal固體結(jié)晶液晶液體加熱加熱冷卻冷卻附錄:參考資料 :張文固博士-平面顯示器技術(shù)晶體：晶體： 有光軸有光軸，不能隨器成形不能隨器成形。光軸不能隨空間連續(xù)光軸

2、不能隨空間連續(xù)變化變化。液晶：液晶： 有光軸有光軸，可以隨器成形可以隨器成形。光軸可以隨空間連續(xù)光軸可以隨空間連續(xù)變化變化。液體：液體： 沒有光軸沒有光軸，可以隨器成形可以隨器成形。 附錄:參考資料 :張文固博士-平面顯示器技術(shù)n液晶依其分子排列方式，分為向列型(Nematic，又稱絲狀液晶)、 近晶相液晶(Smectic，又稱層狀液晶、距列型)、膽甾型液晶(Cholesteric，又稱膽固醇型、螺旋狀液晶)等n若依對外在因素的影響，有溶致型的(Lyotropic)、熱致型（Thermotropic)n若依分子量來分，有低分子型和高分子型n若依溫度的因素，有互變轉(zhuǎn)換型(Enantiotropi

3、c)、單變轉(zhuǎn)換型(Monotropic)溶致液晶溶致液晶(Lypotropic LC)，要溶解在水中或有機溶劑中才顯示出液晶狀態(tài).熱致液晶熱致液晶(Thermotropic LC)，在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。本課程只對熱值液晶進行介紹。各種熱致型液晶分布的溫度范圍向列液晶(Nematic LC)近晶相液晶(Sematic LC)（層狀液晶）膽固醇液晶(Cholesteric LC)碟狀液晶(Disctic LC)向列相(Nematic Liquid Crystals) 液晶分子只有一維有序，分子長軸相互平行（大體指向一個方向），但不排列成層，它能上下、左右、前后滑動，只在分子長軸方向上保

4、持相互平行或近于平行，分子間短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和運動比較自由，對外界電、磁、溫度、應(yīng)力都比較敏感。 其結(jié)構(gòu)是由液晶棒狀分子聚集一起, 形成一層一層的結(jié)構(gòu)。其每一層的分子的長軸方向相互平行。且此長軸的方向?qū)τ诿恳粚悠矫媸谴怪被蛴幸粌A斜角。由于其結(jié)構(gòu)非常近似于晶體, 所以又稱做近晶相。在層狀型液晶層與層間的鍵結(jié)會因為溫度而斷裂，所以層與層間較易滑動。但是每一層內(nèi)的分子鍵結(jié)較強，所以不易被打斷。因此就單層來看，其排列不僅有序且黏性較大。當溫度升高時，一般都可以轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕А訝钜壕?Smectic Liquid Crystals)層狀液晶（Smectic Liquid Cry

5、stals） 它們大部份是由膽固醇的衍生物所生成的. 但有些沒有膽固醇結(jié)構(gòu)的液晶也會具有此液晶相。這種液晶如果把它的一層一層分開來看，會很像線狀液晶。但是在Z軸方向來看，會發(fā)現(xiàn)它的指向矢會隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為螺距(pitch)。正因為它每一層跟線狀液晶很像，所以也叫Chiral nematic phase，或膽甾相液晶。膽固醇液晶(Cholesteric LC)膽固醇液晶(Cholesteric)1970年才發(fā)現(xiàn)的的碟型碟型 (discotic)液晶液晶，是具有高對稱性原狀分子重疊組成的向列型或柱行系統(tǒng)。 碟狀液晶(Disctic

6、 LC)1.2液晶的物理性質(zhì)1.2.1、液晶的有序參量 向列相液晶是圓柱對稱的，即體系中存在一根軸線，我們把平行于該軸的方向（分子長軸）稱為分子的主軸，而圓棒狀液晶分子的排列傾向于平行于主軸方向。 為了描述整個向列相液晶體系中所有分子作為整體時相對于主軸的取向程度，我們引入了有序參量S，它與液晶材料、溫度有關(guān)，具有負溫度系數(shù)特性，即當溫度上升，有序參量下降，液晶器件顯示質(zhì)量下降。anyxzo) 1cos3(212s各向同性液體的各向同性液體的S=0S=0，理想晶體的，理想晶體的S=1S=1液晶的有序參量液晶的有序參量S S一般在一般在0.30.30.80.8之間之間。1.2.2、液晶的各向異性

7、 液晶的分子一般都是剛性的棒狀分子，由于分子頭尾、側(cè)面所接的分子集團不同，使液晶分子在長軸和短軸兩個方向上具有不同的性質(zhì)，液晶分子是極性分子，由于分子間的作用力，液晶分子集合在一起時，分子長軸總是互相平行的，或有一個擇優(yōu)方向，液晶分子長軸的平均趨向的單位矢量稱為該液晶的指向矢。 沿液晶分子長軸方向和短軸方向上的宏觀物理性質(zhì)是不同的，這就是液晶的各向異性的實質(zhì)。 一般稱沿分子長軸平均方向為平行方向，稱沿分子短軸平均方向為垂直方向。（1）介電各向異性 介電常數(shù)反映了在電場作用下介質(zhì)極化的程度， 的數(shù)值可正可負，根據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)：不同類型的液晶分子，液晶分子的長軸偏向于平行或垂直于分子電偶極矩（電場的方

8、向）。偶極矩平行于分子長軸的一類液晶稱為正性液晶（NP）；垂直于分子長軸的那一類液晶稱為負性液晶（Nn）；這兩類液晶的電光效應(yīng)是不同的，在大部分LCD顯示屏中，我們加入的是正性液晶。（2）電阻率和電導(dǎo)率 液晶的電阻率的數(shù)量級一般為1081012cm，它接近于半導(dǎo)體和絕緣體的邊界。電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率，電阻率常作為液晶純度的一個檢測值，小表示雜質(zhì)離子較多，也就是液晶的純度差，一般當0的正性液晶施加某一強度以上的電場時，為使自由能最小，液晶分子長軸（指向矢）會發(fā)生與電場E平行的再排列； 對于 ny 相位差最大nynxnynxnx ny 有相位差液晶的雙折射特性液晶的雙折射特性平行長軸方向前進，光的

9、極化方向不變垂直長軸方向前進，光的極化方向改變最大對極化光的調(diào)變效果對極化光的調(diào)變效果 下面我們來簡單研究液晶相關(guān)的光學性質(zhì)，主要是分析線偏振光在液晶介質(zhì)中的傳播原理。一、能使入射光的前進方向向液晶分子長軸方向偏轉(zhuǎn)。一、能使入射光的前進方向向液晶分子長軸方向偏轉(zhuǎn)。1、當入射光是線偏振光（振動垂直于紙面），媒質(zhì)是液晶，光在晶體中如何傳播呢？ 我們知道自然光經(jīng)波晶片雙折射產(chǎn)生的o光和e光，是兩束光強各為入射光強一半的振動方向互相垂直的偏振光。 當偏振光（o光或e光）經(jīng)波晶片時也發(fā)生雙折射現(xiàn)象（不要認為只有自然光才能發(fā)生雙折射，才能分出o光和e光 ），同樣產(chǎn)生產(chǎn)生o光和e光，其光強的計算同樣遵循馬呂

10、斯定律：sin2IIOcos2IIe 式中I為入射偏振光的光強， 為入射偏振光的振動方向與晶片光軸方向的夾角。 對于本例情況，由于 =90o 故液晶片中只有單一的o光無e光，且 故o光折射的方向就是偏振光入射的方向，也就是偏振光在液晶介質(zhì)中傳播方向不變，且o光的光強就等于入射偏振光的光強。 0IeIIo2、當入射光是線偏振光（振動平行于紙面），在液晶介質(zhì)中既有e光也有o光，光的傳播方向是e光和o光的合成方向。 特別地，當入射偏振光的振動方向與液晶分子長軸成9090o o時，由馬呂斯定律可得：IIO0Ie 上 式 說 明 尋 常 光（o光）的光強達到最大，且在液晶中的傳播方向不變，光振動方向也不

11、變，而非常光（e光）的光強為零，如右圖所示：二、能改變?nèi)肷涔獾钠D(zhuǎn)狀態(tài)（線偏振、圓偏振、橢、能改變?nèi)肷涔獾钠D(zhuǎn)狀態(tài)（線偏振、圓偏振、橢圓偏轉(zhuǎn)，或偏振的方向。圓偏轉(zhuǎn)，或偏振的方向。改變光偏極化方向改變光偏極化方向縱向前進了2個波橫向前進了1.5個波半波延遲器(Half Wave Retarder)n01. 不同方向的折射率不同2.討論：相位差的大小由誰引起？大小不同會導(dǎo)致什么結(jié)果？ 當入射光的電矢量振動方向與入射面液晶分子指向矢n的長軸成 時，則出射面根據(jù)偏振光的平行分量Ex和垂直分量Ey的光程差 的值，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。 晶體的旋光現(xiàn)象 1811年阿拉果發(fā)現(xiàn)，當線偏振光沿某

12、些晶體如石英的光軸傳播時，透射光雖然是線偏振光，但其振動面相對于入射光的振動面卻旋轉(zhuǎn)了一個角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象，能產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)，它的這種特性稱為旋光性。 實驗還表明，振動面的旋轉(zhuǎn)具有方向性，迎著光觀看，如振動面按順時針方向旋轉(zhuǎn)的稱為右旋物質(zhì)，反之稱為左旋物質(zhì)。 液晶在一定條件下也具有旋光性，向列型液晶分子呈長棒形，正常情況下彼此平行排列，但是如果采取特殊工藝使得液晶分子的初始排列呈扭曲方式排列，從而產(chǎn)生旋光性，即在不加電時液晶分子表現(xiàn)出一定的旋光性，加電時在外場的作用下液晶分子重新排列，旋光性消失，這種加電與不加電所呈現(xiàn)的不同的光學特性非常適合用來制成顯示器件。

13、 在向列相液晶中加入少量旋光性物質(zhì)，或把液晶盒的兩個內(nèi)表面作扭曲分子排列處理，并使線偏振光的振動方向與上表面液晶分子的指向矢在同一個平面內(nèi)且互相平行，這樣便可得到 (螺距)的情況，如左圖所示：p線偏振光在扭曲向列液晶中的傳播線偏振光在扭曲向列液晶中的傳播液晶液晶盒不盒不加電加電時呈時呈扭曲扭曲方式方式排列排列 當線偏振光電矢量的振動方向與分子的指向矢在同一平面內(nèi)且互相平行，則當液晶扭曲螺距 時，入射光將沿平行于入射口的液晶分子n的扭曲方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終出射光的振動方向平行于出口處的液晶分子指向矢n 的方向； 當線偏振光電矢量的振動方向與入射面分子的n垂直時，則出射光的電矢量的振動方向仍保持與出射面液晶分子指向矢n的方向相垂直；P 由于尋常光（o光）的速度就是 ，它的方向平行于液晶的光軸，另外由于o光的偏振方向與光軸垂直，所以偏振光入射到液晶盒時，光的傳播方向不變，光的偏振性也不變。11液晶盒加電時的分子排列：液晶盒加電時的分子排列：三、能使入射偏振光相應(yīng)于左旋光或右旋光進行反射、能使入射偏振光相應(yīng)于左旋光或右旋光進行反射或投射?；蛲渡?。 對于 的膽甾相液晶，入射的偏光旋光方向若與液晶的旋光方向相同，則入射偏光被反射。若入射偏光