液晶材料與TFT-LCD.word版本

液晶材料與TFT-LCD.

1889年，德國物理學(xué)家萊曼（O.Lehmann）使用他親自設(shè)計(jì)，在當(dāng)時作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對這些脂類化合物進(jìn)行了觀察。他發(fā)現(xiàn)，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性．于是萊曼將其命名為“液態(tài)晶體”，這就是“液晶”名稱的由來。

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液晶是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物，一般最常用的液晶型式為向列液晶，分子形狀為細(xì)長棒形，長寬約1nm～10nm，在不同電流電場作用下，液晶分子會做規(guī)則旋轉(zhuǎn)90度排列，產(chǎn)生透光度的差別，如此在電源ON/OFF下產(chǎn)生明暗的區(qū)別，依此原理控制每個像素，便可構(gòu)成所需圖像。3二、液態(tài)晶體的類別

隨著人們對液晶的逐漸了解，發(fā)現(xiàn)液晶物質(zhì)基本上都是有機(jī)化合物，現(xiàn)有的有機(jī)化合物中每200種中就有一種具有液晶相．

從成分和出現(xiàn)液晶相的物理?xiàng)l件來看，液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類。4

把某些有機(jī)物加熱溶解，由于加熱破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為熱致液晶，就是如前面所說由于溫度變化而出現(xiàn)的液晶相．

把某些有機(jī)物放在一定的溶劑中，由于溶劑破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶稱為溶致液晶，它是由于溶液濃度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相，最常見的有肥皂水等．

目前用于顯示的液晶材料基本上都是熱致液晶，而生物系統(tǒng)中則存在大量溶致液晶．目前發(fā)現(xiàn)的液晶物質(zhì)已有近萬種．構(gòu)成液晶物質(zhì)的分子，大體上呈細(xì)長棒狀或扁平片狀，并且在每種液晶相中形成特殊排列．5由桿形分子形成的液晶（熱致液晶），其液晶相共有三大類：近晶相液晶（Smecticliquidcrystals）、向列相液晶（Nematicliquidcrystals）、膽甾相液晶（Cholestericliquidcrystals）．6

Smectic由希臘語而來，是肥皂狀之意，因這種類型的液晶在濃肥皂水溶液中，都顯示特有的偏光顯微鏡像，因而命名為皂相．分子分層排列，有同一方向，比較接近晶體，故譯近晶相．

Nematic也是由希臘語而來，是絲狀之意，因這種液晶的薄層在偏光顯微鏡下觀察時，呈現(xiàn)絲狀型織構(gòu)，故稱之為絲相．分子位置雜亂，但方向大致一致，故譯向列相．

膽甾相液晶則是由于此種液晶最早是從膽甾醇類物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的，故稱之為膽甾相．7作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶

低于溫度T1，就變成固體（晶體），稱T1為液晶的熔點(diǎn)，高于溫度T2就變成清澈透明各向同性的液態(tài)，稱T2為液晶的清亮點(diǎn)。LCD能工作的極限溫度范圍基本上由T1和T2確定。8

近晶相液晶(SmecticLiquidCrystals)分子呈二維有序性，分子排列成層，層內(nèi)分子長軸相互平行，排列整齊，重心位于同一平面內(nèi)，其方向可以垂直層面，或與層面成傾斜排列，層的厚度等于分子的長度，各層之間的距離可以變動，分子只能在層內(nèi)做前后、左右滑動,但不能在上下層之間移動。近晶相液晶的粘度與表面張力都比較大，對外界電、磁、溫度等的變化不敏感。

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向列相液晶(NematicLiquidCrystals)分子只有一維有序，分子長軸互相平行，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(yùn)動比較自由，對外界電、磁場、溫度、應(yīng)力都比較敏感，是目前顯示器件的主要材料。

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膽甾相液晶（CholestericLiquidCrystals）這個名字的來源是因?yàn)榇蟛糠菔怯赡懝檀嫉难苌锼傻?，但有些沒有膽固醇結(jié)構(gòu)的液晶也會具有此液晶相．如圖所示，如果把這種液晶一層一層分開來看，很像線狀液晶．但是在Z軸方向來看，會發(fā)現(xiàn)它的指向矢隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當(dāng)其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為pitch．正因?yàn)樗恳粚痈€狀液晶很像，所以也叫做Chiralnematicphase．以膽固醇液晶而言，與指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就會有不同的光學(xué)或是電學(xué)的差異，也因此造就了不同的特性．13

一定強(qiáng)度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相易受外力的影響，特別對溫度敏感，溫度能引起螺距改變，而它的反射光波長與螺距有關(guān)，因此，膽甾相液晶隨冷熱而改變顏色。14三、液晶的光電特性

由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性(Anisotropic)，所以引起的光電效應(yīng)就會因?yàn)榉较虿煌兴町?，也就是液晶分子在介電系?shù)及折射系數(shù)等光電特性都具有異方性，因而可以利用這些性質(zhì)來改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，以便形成灰階，應(yīng)用于顯示器組件上。利用傳統(tǒng)的晶體光學(xué)理論可以描述光在液晶中的傳播。151、電場中液晶分子的取向液晶分子長軸排列平均取向的單位矢量n稱為指向矢量，設(shè)和分別為當(dāng)電場與指向矢平行和垂直時測得的液晶介電常數(shù)。定義介電各向異性△ε：△ε＞0的液晶稱為P型液晶△ε＜0的液晶稱為N型液晶16在外電場作用下——P型液晶分子長軸方向平行于外電場方向N型液晶分子長軸方向垂直于外電場方向目前的液晶顯示器件主要使用P型液晶。

172、線偏振光在向列液晶中的傳播

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隨著光線沿著z方向前進(jìn)，偏振光相繼成為橢圓、圓和線偏振光，同時改變了線偏振方向。最后，這束光將以位相差所決定的偏振狀態(tài)，進(jìn)入空氣中。

203、線偏振光在扭曲向列相液晶中的傳播

把液晶盒的兩個內(nèi)表面作沿面排列處理并使盒表面上的向列相液晶分子方向互相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈90o扭曲，即構(gòu)成扭曲向列液晶，光波波長λ<<P（螺距）。

當(dāng)線偏振光垂直入射時，若偏振方向與上表面分子取向相同，則線偏振光偏振方向?qū)㈦S著分子軸旋轉(zhuǎn)，并以平行于出口處分子軸的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向與上表面分子取向垂直，則以垂直于出口處分子軸的偏振方向射出，當(dāng)以其它方向的線偏振光入射時，則根據(jù)平行分量和垂直分量的位相差的值，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。2122

液晶顯示器(LCD/LiquidCrystalDisplay）是利用液態(tài)晶體的光學(xué)各向異性特性,在電場作用下對外照光進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn)顯示的。

1968年出現(xiàn)了液晶顯示裝置。將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠兩個電極間電場的驅(qū)動，引起液晶分子扭曲向列的電場效應(yīng)，以控制光源透射或遮蔽功能，在電源關(guān)開之間產(chǎn)生明暗而將影像顯示出來，若加上彩色濾光片，則可顯示彩色影像．四、液晶顯示（LCD）23

在兩片玻璃基板上裝有配向膜，所以液晶會沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉(zhuǎn)型，當(dāng)玻璃基板沒有加入電場時，光線透過偏光板跟著液晶做90度扭轉(zhuǎn)，通過下方偏光板，液晶面板顯示白色（如下圖左）；當(dāng)玻璃基板加入電場時，液晶分子產(chǎn)生配列變化，光線通過液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無法透出，液晶面板顯示黑色（如下圖右）。液晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無，使面板達(dá)到顯示效果．

2425液晶顯示器主要有以下特點(diǎn)：

（1）液晶顯示器件是厚度僅數(shù)毫米的薄形器件，非常適合于便攜式電子裝置的顯示。（2）工作電壓低，僅數(shù)伏,用CMOS電路直接驅(qū)動，電子線路小型化。（3）功耗低，顯示板本身每平方厘米功耗僅數(shù)十微瓦,采用背光源也僅10mW/cm2左右，可用電池長時間供電。（4）采用彩色濾色器，LCD易于實(shí)現(xiàn)彩色顯示。（5）現(xiàn)在的液晶顯示器顯示質(zhì)量已經(jīng)可以趕上，有些方面甚至超過CRT的顯示質(zhì)量。26

液晶顯示器也有一些缺點(diǎn)：

（1）高質(zhì)量液晶顯示器的成本較高，但是目前呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。（2）顯示視角小，對比度受視角影響較大，現(xiàn)在已找到多種解決方法，視角接近CRT的水平，但僅限于檔次較高的彩色LCD顯示。（3）液晶的響應(yīng)受環(huán)境影響，低溫時響應(yīng)速度較慢。

27五、扭曲向列型液晶顯示（TN-LCD）1.工作原理28292.TN-LCD的電光特性

閾值電壓Vth——透射率為器件最大透射率的90%（常白型）或10%（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值，Vth是和液晶材料有關(guān)的參數(shù)，對于TN-LCD，大約在1—2V之間。飽和電壓Vsat——透射率為器件最大透射率的10%（常白型）或90%（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值。3031

LCD的對比度是在恒定環(huán)境照明條件下顯示部分亮態(tài)與暗態(tài)的亮度之比，由于偏離顯示板法線方向不同角度入射到液晶盒的光，遇到不同的液晶分子排列形態(tài)，造成有效光學(xué)延遲量的不同；因此不同視角下對比度就不同，甚至可能出現(xiàn)暗態(tài)的透射率超過亮態(tài)透射率的情況，即出現(xiàn)對比度反轉(zhuǎn)。液晶器件電光效應(yīng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性通常用三個常數(shù)表征：延遲時間，定義為加上電壓后透光率達(dá)到最大值10%時的時間；上升時間，定義為透光率從10%增加到90%所用的時間；下降時間，定義為透光率從90%下降到10%所用的時間。目前普通TN-LCD的響應(yīng)時間在80ms左右。

32333.TN-LCD的驅(qū)動LCD的驅(qū)動有如下一些特點(diǎn)：（1）為防止施加直流電壓使液晶材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)從而造成性能不可逆的劣化，縮短使用壽命，必須用交流驅(qū)動，同時應(yīng)減小交流驅(qū)動波形不對稱產(chǎn)生的直流成分；（2）驅(qū)動電源頻率低于數(shù)千赫茲時，在很寬的頻率范圍內(nèi)LCD的透光率只與驅(qū)動電壓有效值有關(guān)而與電壓波形無關(guān)；（3）驅(qū)動時LCD像素是一個無極性的容性負(fù)載。34TN-LCD液晶顯示的電極：段型電極、矩陣型電極。TN-LCD驅(qū)動方式：靜態(tài)驅(qū)動、矩陣尋址驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動——在需要顯示的時間里分別同時給所需顯示的段電極加上驅(qū)動電壓，直到不需要顯示的時刻為止。靜態(tài)驅(qū)動的對比度較高，但使用的驅(qū)動元器件較多，因此只用于電極數(shù)量不多的段式顯示。35

矩陣尋址驅(qū)動——TN-LCD的矩陣尋址驅(qū)動實(shí)際上是一種簡單矩陣（或無源矩陣）驅(qū)動方式，即把TN-LCD的上下基板上的ITO電極做成條狀圖形，并互相正交，行、列電極交叉點(diǎn)為顯示單元，稱為像素。按時間順序逐一給各行電極