畢業(yè)論文液晶的光電效應(yīng).doc

液晶的電光效應(yīng)摘要：迄今為止已經(jīng)知道了很多種液晶的電光效應(yīng)，早在1963年，威廉斯就發(fā)現(xiàn)了對(duì)向列相液晶施加電場(chǎng)時(shí)所形成的電光學(xué)紋影圖案。以此為開(kāi)端，在1968年，首先由威索斯基發(fā)表了相變效應(yīng)(PC：Phase Change Effect)；同一年，海麥爾又發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)(DS：Dynamic Scattering Effect)和賓主效應(yīng)(GH：Guest-Host Effect)。在繼1968年以后的幾年里，人們以上述的DS效應(yīng)及其在顯示元件上面的應(yīng)用為中心，做了大量的研究工作，隨之發(fā)現(xiàn)了一些新的電光效應(yīng)。其中最引人注目的，是1971年謝德特等發(fā)現(xiàn)的扭曲向列相效應(yīng)(TN：Twisted Nematic Effect)和希凱爾與阿朗幾乎在同時(shí)發(fā)表的電控雙折射效應(yīng)(ECBElectrically Controlled Birefringence Effect)。關(guān)鍵字：向列相、電光效應(yīng)、多色顯示液晶的電光效應(yīng)(Electro-Optic Effect)是指液晶在外電場(chǎng)作用下的分子的排列狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起液晶盒的光學(xué)性質(zhì)也隨之變化的一種電的光調(diào)制現(xiàn)象。因?yàn)橐壕Ь哂薪殡姼飨虍愋院碗妼?dǎo)各向異性，因此外加電場(chǎng)能使液晶分子排列發(fā)生變化、進(jìn)行光調(diào)制，同時(shí)由于雙折射性，可以顯示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光學(xué)性質(zhì)。本文將會(huì)描述論證幾種典型電光效應(yīng)。1.動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)(DS-LCD)動(dòng)態(tài)散射(DS)型液晶顯示器件實(shí)際是一種已經(jīng)過(guò)時(shí)，被淘汰的液晶顯示器件。但由于它是唯一電流型液晶顯示器件，而且是第一個(gè)實(shí)用化的液晶顯示器件，所以讀者還應(yīng)對(duì)它有所了解。DS型液晶顯示器件也是由兩片帶透明導(dǎo)電電極圖形的玻璃基板構(gòu)成一個(gè)液晶盒為主體結(jié)構(gòu)的，只不過(guò)液晶盒中的液晶材料中摻入了一定比例的離子型有機(jī)電解質(zhì)材料。因此，在不通電的情況下，液晶盒呈透明狀，而通過(guò)一定頻率交流電時(shí)，會(huì)隨著電壓的升高，在液晶層內(nèi)形成一種因離子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的“威廉疇”。如果電壓繼續(xù)提高，最終會(huì)使液晶層內(nèi)形成紊流和攪動(dòng)。這種紊流、攪動(dòng)使液晶層對(duì)光產(chǎn)生強(qiáng)烈的光散射作用，我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為動(dòng)態(tài)散射。圖2-3-1為DS型液晶顯示器件的工作原理示意圖。DS型液晶顯示器件不用偏振片，但電流較大。使用時(shí)，一般在背面輔以黑色襯底，并制作一黑色反射遮光板。DS型液晶顯示器件的驅(qū)動(dòng)電壓受液晶摻雜后的導(dǎo)電率及液晶本身介電異性決定。其閾值電壓與驅(qū)動(dòng)頻率、介電遲豫時(shí)間等參數(shù)的關(guān)系如圖1 DS型液晶顯示器件工作原理式(1)所示。 (1)式中 f驅(qū)動(dòng)頻率；介電遲豫時(shí)間；g海爾夫利希參數(shù)；工作電壓。DS型液晶顯示器件的動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)只有在一定頻率條件下才會(huì)產(chǎn)生。其臨界頻率為 (2)式中g(shù)和的物理意義同式(1)。2. 賓主效應(yīng)(GH-LCD)GH型液晶顯示器件是最初引起人們重視并寄予厚望的一種液晶顯示類(lèi)型。但是，由于它本身的一些缺點(diǎn)，如對(duì)比度不高而工作電壓偏高，故一直未能得到廣泛應(yīng)用。然而這種顯示器件花樣繁多，在一些特定條件下有其獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)，如可不要偏振片、能夠顯示多種單彩色等，因而還有其價(jià)值。特別值得注意的是近年利用相變式賓主(PCGH)液晶材料研制的反射式顯示器件，具有一定的發(fā)展前景。GH型液晶顯示器件原理如圖2所示。其基本原理是在液晶層的液晶材料中摻進(jìn)一定量的二色性染料。由于二色性染料(如蒽昆類(lèi)染料)在分子的長(zhǎng)軸方向和短軸方向?qū)獾奈詹灰粯?，平時(shí)二色性染料混在液晶圖2 GH型液晶顯示器件工作原理中，會(huì)“客隨主變”的與液晶分子呈同向有序排列，觀察者看到的是吸光較多的短軸方向，因而色彩較重。若此時(shí)施加一定的電壓，液晶分子變?yōu)檠仉妶?chǎng)方向呈垂直排列的狀態(tài)，此時(shí)，觀察者看到的是吸光較少的長(zhǎng)軸方向，因而色彩很淡，濃淡對(duì)比，形成顯示。我們將占主體的液晶材料稱(chēng)為主體材料，將摻入的二色性染料稱(chēng)為客體材料。賓主，即緣此而來(lái)。GH型液晶顯示器件的閾值電壓基本由混合染料后的液晶材料決定。當(dāng)液晶為Nn時(shí) (3)當(dāng)液晶為Np和Sp時(shí) (4)當(dāng)液晶為Ch時(shí) (5)其中，N為向列相，S為近晶相，Ch為膽甾相。n代表負(fù)介電異性，p代表正介電異性。，。d為液晶盒厚度，為螺距。GH型液晶顯示器件也可以再附加偏振片以提高對(duì)比度，它不僅能進(jìn)行彩色顯示，而且其視角也遠(yuǎn)比TN型大得多，這是一種還未開(kāi)發(fā)盡善的一類(lèi)液晶顯示器件。3. 電控雙折射效應(yīng)(ECB-LCD)電控雙折射型液晶顯示器件是一種可以由電壓控制顯示多種顏色的彩色液晶顯示器件。按內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的不同，ECB-LCD又分為DAP型和HAN型兩種，其中：DAP型液晶顯示器是由具有負(fù)介電各向異性的向列液晶垂直于液晶盒表面排列構(gòu)成；HAN型液晶顯示器是由具有正介電各向異性的向列液晶一側(cè)垂直于液晶盒表面排列，而另一側(cè)平行于液晶盒表面排列構(gòu)成。它們的結(jié)構(gòu)原理如圖3和圖4所示。圖3 DAP型液晶顯示器件工作原理ECB型液晶顯示器件在通電時(shí)，液晶分子長(zhǎng)軸與電場(chǎng)之間的夾角因電壓大小不同而變化，故使液晶盒的雙折射率發(fā)生變化。當(dāng)入射的白色直線偏振光入射該液晶盒后，在不同的折射率下會(huì)形成不同的橢圓偏振光，它將被檢波片選擇吸收，從而形成不同的顏色。ECB型液晶顯示器件透過(guò)的光強(qiáng)與受不同電壓控制的液晶盒性質(zhì)有關(guān)?？捎孟率奖硎荆?(6)式中：入射光強(qiáng)；入射光波長(zhǎng)；入射偏光方向與尋常偏光方圖4 HAN型液晶顯示器件工作原理向的夾角；d盒厚；液晶盒在電壓V時(shí)的雙折射率；光學(xué)相位差。當(dāng)入射光為白光時(shí)，隨施加電壓的變化，透過(guò)光會(huì)因雙折射特性的變化而呈現(xiàn)變化。因其彩色是隨施加電壓而變化的，所以我們稱(chēng)之為“電控雙折射彩色顯示”。這種顯示器件中DAP型的器件閾值電壓為 (7)而HAN型器件因其平時(shí)不施電壓也具有雙折射性，所以沒(méi)有閾值電壓。ECB型液晶顯示器件的最大優(yōu)點(diǎn)是用不同電壓可控制一個(gè)顯示器件顯示出不同的顏色，但它的不同顏色是靠液晶分子排布的差異實(shí)現(xiàn)的。這就造成外界對(duì)液晶稍有影響，如溫度的改變，也會(huì)影響液晶分子排布造成雙折射率的改變，從而影響顯示顏色。因此，使用條件嚴(yán)格，很不方便。4.扭曲效應(yīng)(TN-LCD)TN型液晶顯示器件是最常見(jiàn)的一種液晶顯示器件。常見(jiàn)的手表、數(shù)字儀表、電子鐘及大部分計(jì)算器所用的液晶顯示器件都是TN型器件。一般，只要是筆段式數(shù)字顯示所用的液晶顯示器件大都是TN型器件。因此，這種器件應(yīng)該是人們最熟知的液晶顯示器件了。圖5 典型TN型液晶顯示器件結(jié)構(gòu)示意圖1取向?qū)樱?、7偏光片；3、6玻璃；4、9電極；5封接框；8反射片；10過(guò)渡電極；11液晶層TN型的液晶顯示技術(shù)可說(shuō)是液晶顯示器件中最基本的，而之后其他種類(lèi)的液晶顯示器件也可說(shuō)是以TN型為基礎(chǔ)來(lái)加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其他技術(shù)來(lái)得簡(jiǎn)單。圖5為T(mén)N型液晶顯示器件的構(gòu)造，圖6為T(mén)N型液晶顯示器件顯示原理。圖6 TN型液晶顯示器件顯示原理a) TN型液晶顯示器件分子排布與透光示意圖b) TN型液晶顯示電光效應(yīng)的原理從圖6a與圖6b可以看出，TN型液晶顯示器件中包括了垂直方向與水平方向的偏光片，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。不加電場(chǎng)的情況下，入射光經(jīng)過(guò)偏光片后通過(guò)液晶層，偏光被分子扭轉(zhuǎn)排列的液晶層旋轉(zhuǎn)90，離開(kāi)液晶層時(shí)，其偏光方向恰與另一偏光片的方向一致，因此光線能順利通過(guò)，整個(gè)電極面呈光亮。當(dāng)加入電場(chǎng)的情況時(shí)，每個(gè)液晶分子的光軸轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向一致，液晶層因此失去了旋光的能力，結(jié)果來(lái)自入射偏光片的偏光，其偏光方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關(guān)系，并無(wú)法通過(guò)，電極面因此呈現(xiàn)黑暗的狀態(tài)。其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光片之透明導(dǎo)向玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場(chǎng)未形成，光線會(huì)順利的從偏光片射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無(wú)法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，叫做扭曲式向列場(chǎng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)TNFE(Twisted Nematic Field Effect)。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理所制成。TN型液晶顯示器件的基本結(jié)構(gòu)原理是：將涂有氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電層的玻璃光刻上一定的透明電板圖形，將這種帶有透明導(dǎo)電電極圖形的前后兩片玻璃基板夾持上一層具有正介電各向異性的向列相液晶材料，四周進(jìn)行密封，形成一個(gè)厚度僅為數(shù)微米的扁平液晶盒。由于在玻璃內(nèi)表面涂有一層定向?qū)幽?，并進(jìn)行了定向處理，在盒內(nèi)液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于兩片玻璃內(nèi)表面定向?qū)佣ㄏ蛱幚淼姆较蚧ハ啻怪保壕Х肿釉趦善Ａеg呈90扭曲，這就是扭曲向列液晶顯示器件名稱(chēng)的由來(lái)。由于TN型液晶顯示器件中液晶分子在盒中的扭曲螺距遠(yuǎn)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)大得多，所以當(dāng)沿一側(cè)玻璃表面的液晶分子排列方向一致或正交的直線偏振光射入后，其偏光方向在通過(guò)整個(gè)液晶層后會(huì)被扭曲90由另一側(cè)射出，因此這個(gè)液晶盒具有了在平行偏振片間可以遮光，而在正交偏振片間可以透光的作用和功能。如果這時(shí)在液晶盒上施加一個(gè)電壓并達(dá)到一定值后，液晶分子長(zhǎng)軸將開(kāi)始沿電場(chǎng)方向傾斜，當(dāng)電壓達(dá)到約兩倍閾值電壓后，除電極表面的液晶分子外，所有液晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場(chǎng)方向的再排列。這時(shí)，90旋光的功能消失，在正交偏振片間失去了旋光作用，使器件不能透光。而在平行偏振片之間由于失去了旋光作用，使器件也不再能遮光。因此，如果我們將液晶盒放置在正交或平行偏振片之間，即可用給液晶盒通電的辦法使光改變其透過(guò)一遮住狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)顯示。平時(shí)我們看見(jiàn)液晶顯示器件時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的黑字，不是液晶在變色，而是液晶顯示器件使光透過(guò)或使光被吸收所致。5.超扭曲效應(yīng)(STN-LCD)5.1超扭曲效應(yīng)(STN-LCD)概述顧名思義，超扭曲向列型(STN)液晶顯示器件即扭曲角應(yīng)很大，要超過(guò)90，這是一種目前應(yīng)用較多的點(diǎn)陣式液晶顯示器件。我們知道，TN型及其他大部分類(lèi)型的液晶顯示器件的電光響應(yīng)曲線都不夠陡峭，隨著驅(qū)動(dòng)電壓V的升高，電光響應(yīng)緩慢增加，閾值特性很不明顯，這給多路驅(qū)動(dòng)造成了困難，使液晶在大信息量顯示、視頻顯示上受到了限制。20世紀(jì)80年代初，人們發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的扭曲向列液晶(TN)器件，只要將其液晶分子的扭曲角加大，即可以改善其驅(qū)動(dòng)特性。經(jīng)過(guò)努力，人們陸續(xù)開(kāi)發(fā)出一系列超過(guò)了TN扭曲角90的液晶顯示器件，我們把這類(lèi)扭曲角在180360的液晶顯示器件稱(chēng)為超扭曲(STN)系列產(chǎn)品。目前，幾乎所有的點(diǎn)陣圖形和大部分點(diǎn)陣字符型液晶顯示器件均已采用了STN模式。STN技術(shù)在液晶產(chǎn)業(yè)中已處于成熟、完善的階段。STN模式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本和TN模式是一樣的，只不過(guò)盒中液晶分子排列不是沿著90扭曲排列，而是180360扭曲排列，如圖7所示。STN型是使用向列相液晶(nematic)的，利用電場(chǎng)來(lái)控制液晶的方向是應(yīng)用上常用的方法。用液晶制作的組件，通常都將液晶包在兩片玻璃中。在玻璃的表面鍍一層叫做配向劑的物質(zhì)，可由該物質(zhì)的種類(lèi)及處理方法來(lái)控制在沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)液晶的排列情況。5.2 STN型液晶的顯示原理世界上第一臺(tái)液晶顯示器出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，被稱(chēng)之為T(mén)N型液晶顯示器(Twisted Nematic，扭曲向列)。80年代，STN型液晶顯示器(Super圖7 STN型液晶顯示器件原理示意圖視角；扭曲角；預(yù)傾角；，指向矢；,偏光軸Twisted Nematic，超扭曲向列)出現(xiàn)，同時(shí)TFT型液晶顯示器(Thin Film Transistor，薄膜晶體管)技術(shù)誕生。我們就先來(lái)講講STN型液晶的顯示原理，STN型液晶顯示器和TN型液晶顯示器的顯示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同。向列型液晶夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導(dǎo)電的薄膜以作電極之用，然后在有薄膜電極的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶分子順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然狀態(tài)具有90的扭曲，利用電場(chǎng)可使液晶旋轉(zhuǎn)，液晶的折射系數(shù)隨液晶的方向而改變，影響的結(jié)果是光經(jīng)過(guò)TN型液晶后偏極性發(fā)生變化。只要選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁构獾钠珮O性剛好改變90，就可利用兩個(gè)平行偏光片使得光完全不能通過(guò)。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場(chǎng)方向平行，這樣光的偏極性就不會(huì)改變，光就可通過(guò)第二個(gè)偏光片。于是，就可控制光的明暗了。前面說(shuō)了，STN型液晶與TN型液晶的顯示原理相同，只是它將入射光旋轉(zhuǎn)180270，而