光電功能材料課程-12、13市公開課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)

《光電功效材料》13

劉磊電話：84315437Email:liulei442@第1頁(yè)3.光功效材料3.1.激光材料3.2．非線性光學(xué)材料3.3.光纖材料3.4光電顯示材料3.5.光伏材料及太陽(yáng)能電池3.6.納米材料

3.7.液晶材料與LCD目錄第2頁(yè)液晶材料與液晶顯示器液晶發(fā)覺液晶分類液晶光電效應(yīng)液晶顯示器基本原理第3頁(yè)（LCD:LiquidCrystalDisplay

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液晶是自然界中一個(gè)神奇物相。自1888年發(fā)覺以來，因?yàn)樗衿?，成為生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)一個(gè)主要研究領(lǐng)域。液晶在顯示技術(shù)信息技術(shù)中應(yīng)用，創(chuàng)造了一個(gè)五彩繽紛世界，推進(jìn)了信息技術(shù)發(fā)展。液晶顯示器件是眾多平面顯示器件中發(fā)展最成熟、應(yīng)用面最廣、已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化而且仍在迅猛發(fā)展著一個(gè)顯示器件。

第4頁(yè)LiquidCrystalDisplay(LCD)液晶顯示器夏普108英寸LCDTV.01.09

第5頁(yè)1、液晶發(fā)覺與發(fā)展過程介紹

1888年奧地利布拉格德國(guó)大學(xué)植物生理學(xué)家斐德烈?萊尼澤（FriedrichReinitzer）在加熱安息香酸膽固醇脂（CholesterylBenzoate）研究膽固醇在植物內(nèi)之角色，于1883年3月14日觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時(shí)異常表現(xiàn)。它在145.5℃時(shí)熔化，產(chǎn)生了帶有光彩混濁物，溫度升到178.5℃后，光彩消失，液體透明。此澄清液體稍微冷卻，混濁又復(fù)出現(xiàn)，瞬間展現(xiàn)藍(lán)色，又在結(jié)晶開始前一刻，顏色是藍(lán)紫。萊尼澤重復(fù)確定他發(fā)覺后，向德國(guó)物理學(xué)家雷曼請(qǐng)教。當(dāng)初雷曼建造了一座含有加熱功效顯微鏡去探討液晶降溫結(jié)晶之過程，以后愈加上了偏光鏡，他并發(fā)覺呈渾濁狀液體中間含有和晶體相同性質(zhì)．故稱為“液晶”。這是世界上首次被發(fā)覺一個(gè)熱致液晶：膽甾醇苯甲酸脂。因?yàn)闅v史條件所限，當(dāng)初并沒有引發(fā)很大重視，只是把液晶用在壓力和溫度指示器上。萊尼澤和雷曼以后被譽(yù)為液晶之父。

第6頁(yè)1、液晶發(fā)覺與發(fā)展過程介紹

液晶發(fā)展在1963年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該年，美國(guó)無線電企業(yè)(RCA)普林斯頓研究所一個(gè)從事微波固體元件研究已兩年年輕技術(shù)工作者G．H．Heimeier，即將完成他博土學(xué)位答辨。他有一個(gè)朋友正在從事有機(jī)半導(dǎo)體研究工作，在上下班路上向Heimeier介紹他所從事研究工作，使他發(fā)生了濃厚興趣。就這么，這位電子學(xué)教授改變了自己專業(yè),進(jìn)入了有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域，他把電子學(xué)應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)，僅一年就發(fā)表了五篇論文。他將染料與向列液晶混合，夾在兩片透明導(dǎo)電玻璃基片之間，只施加幾伏電壓，功率不到幾個(gè)微瓦每平方厘米，液晶盒就由紅色變成透明態(tài)。Heimeier心想到這不就是平板彩色電視嗎?興奮小組組員日以繼夜地工作，相繼發(fā)覺了動(dòng)態(tài)散射、相變等一系列液晶電光效應(yīng)，而且研究出一系列數(shù)字、字符顯示器件以及液晶鐘表、駕駛臺(tái)顯示器等應(yīng)用產(chǎn)品。RCA企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)相關(guān)液晶創(chuàng)造極為重視，將其列為企業(yè)重大秘密。1968年RCA企業(yè)向世界公布這些液晶創(chuàng)造。第7頁(yè)

1969年2月日本NHK向國(guó)內(nèi)進(jìn)行了液晶創(chuàng)造報(bào)導(dǎo)，引發(fā)日本科技、工業(yè)界極大重視。日本將當(dāng)初大規(guī)模集成電路與液晶相結(jié)合，以“個(gè)人電子化”’市場(chǎng)為導(dǎo)向，很快打開了液晶應(yīng)用局面。日本人從液晶于表、液晶計(jì)算器等低級(jí)產(chǎn)品起步，發(fā)展到小尺寸無源矩陣黑白電視、非晶硅有源矩陣彩色電視，直到當(dāng)前多晶硅有源矩陣高分辨率彩色液晶顯示器，不但促進(jìn)了日本微電子工業(yè)驚人發(fā)展，還一直領(lǐng)導(dǎo)著世界液晶工業(yè)發(fā)展方向，掌握著液晶工業(yè)最前端技術(shù)。液晶發(fā)覺已經(jīng)有100多年歷史，但近來才取得了快速發(fā)展。這是因?yàn)橐壕Р牧瞎怆娦?yīng)被發(fā)覺。因而被應(yīng)用在低電壓和輕薄短小顯示組件上。經(jīng)過近30年發(fā)展，液晶巳形成一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。液晶知識(shí)包括多門學(xué)科，如化學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、微電子、精細(xì)加工、色度學(xué)、照明等。當(dāng)前液晶材料已被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)顯示器，電子表，手機(jī)，計(jì)算器等電子產(chǎn)品上。成為顯示工業(yè)不可或缺主要材料。

第8頁(yè)

生活中液晶顯示器第9頁(yè)2、液晶基礎(chǔ)

（1）物質(zhì)第四態(tài)-------液晶

普通常識(shí)：

物質(zhì)像水一樣都有三態(tài)：固體、液體和氣體，通常固體加熱至熔點(diǎn)就變成透明液體，溫度再升高就變成氣體。其實(shí)：物質(zhì)三態(tài)是針對(duì)水等一類物質(zhì)而言，對(duì)于不一樣物質(zhì)，可能有其它不一樣狀態(tài)存在。有些有機(jī)材料不是直接從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，而是先要經(jīng)過中間狀態(tài)，然后才轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。這種中間狀態(tài)外觀是流動(dòng)性混濁液體，同時(shí)又有光學(xué)各向異性晶體所特有雙折射特征。第10頁(yè)第11頁(yè)液晶分類方法1.按照液晶形成條件分類2.按照分子排列形式和有序性分類第12頁(yè)按照液晶形成條件分類

當(dāng)對(duì)一些晶體物質(zhì)體加熱時(shí)，因?yàn)闇囟壬咂茐慕Y(jié)晶晶格，使其任某一溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出各向異性熔體而形成液晶態(tài)。用于顯示都是可工作于室溫?zé)嶂乱壕?，因?yàn)闊嶂赂飨虍愋砸壕镔|(zhì)特殊穩(wěn)定溫度范圍應(yīng)在室溫以上，只有這類液晶才能作為顯示器件材料。熱致液晶第13頁(yè)按照液晶形成條件分類

有機(jī)分子溶解在溶劑中，使溶液中溶質(zhì)濃度增加，溶劑濃度減小，有機(jī)分子排列有序而取得液晶．溶致液晶肥皂水就是溶致液晶，含有雙折射特征，使肥皂泡表面含有彩虹色彩。第14頁(yè)組成液晶態(tài)結(jié)構(gòu)單元１．棒狀分子２．盤狀分子３．由長(zhǎng)鏈或盤狀分子連接而成柔性長(zhǎng)鏈聚合物４．由雙親分子自組裝而成膜第15頁(yè)熱致液晶按分子排列有序方式能夠分為以下幾個(gè)類別：近晶相液晶由棒狀或條狀分子組成，分子排列成層，層內(nèi)分子長(zhǎng)軸相互平行，其方向能夠垂直于層面，或與層面成傾斜排列，如圖所表示。因分子排列整齊，其規(guī)整性靠近晶體，含有二維有序這類液晶分子呈扁平狀，排列成層，層內(nèi)分子相互平行，分子長(zhǎng)軸平行于層平面，不一樣層分子長(zhǎng)軸方向稍有改變，沿層法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)

向列相液晶由長(zhǎng)徑比很大捧狀分子所組成，含有類似于普通液體流動(dòng)性，分子不能排列成層，它能上下、左右、前后滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)鈾方向上保持相互平行或近于平行。

從宏觀整體上看，向列液晶因?yàn)槠湟壕Х肿又匦幕靵y無序，能夠象液體一樣流動(dòng)，全部液晶分子長(zhǎng)軸大致指向一個(gè)方向，使向列液晶含有單軸晶體光學(xué)特征。而在電學(xué)上，又含有顯著介電各向異性。這么能夠利用外加電場(chǎng)對(duì)含有各向異性向列液晶分子進(jìn)行控制，改變?cè)蟹肿佑行驙顟B(tài)，從而改變液晶光學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)液晶對(duì)外界光調(diào)制，到達(dá)顯示目標(biāo)。向列液晶這種顯著電學(xué)、光學(xué)各向異性，加上其粘度較小，使向列液晶成為顯示器件中應(yīng)用最為廣泛一類液晶。第16頁(yè)液晶三種結(jié)構(gòu)類型向列型（Nematic)：分子傾向于沿特定方向排列，存在長(zhǎng)程方序．分子質(zhì)心位置分布卻是雜亂無章，不存在長(zhǎng)程位置序．表現(xiàn)出液體特征，含有流動(dòng)性．第17頁(yè)向列型液晶第18頁(yè)液晶三種結(jié)構(gòu)類型膽甾型(Cholesteric)：

在膽甾相中，長(zhǎng)型分子是扁平，依靠端基相互作用，依次平行排列成層狀。它們長(zhǎng)軸在平面上，相鄰兩層間分子長(zhǎng)軸取向規(guī)則地扭轉(zhuǎn)在一起，角度改變呈螺旋型。第19頁(yè)螺旋狀液晶第20頁(yè)液晶三種結(jié)構(gòu)類型：近晶型(Smectic)：

棒狀分子相互平行地排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子長(zhǎng)軸垂直與層面．在層內(nèi)，分子排列含有二維有序性，分子質(zhì)心位置排列則是無序，分子只能在本層內(nèi)活動(dòng)．在層間含有一維平移序，層間能夠相互滑移．第21頁(yè)近晶型液晶第22頁(yè)液晶材料液晶相：含有各向異性液態(tài)，由各向異性分子組成，且分子傾向定向排列。液晶：凡出現(xiàn)液晶相物質(zhì)至今，這些分子均為有機(jī)分子，無機(jī)分子液晶還沒有發(fā)覺液晶相：處于熔點(diǎn)和清亮點(diǎn)之間相

在從晶體到液晶，再到液體相變過程中，Tl為熔點(diǎn)，T2為清亮點(diǎn)。在T1—T2之間為液晶相區(qū)間。第23頁(yè)液晶分子光電效應(yīng)描述液晶分子光電效應(yīng)主要物理量：

１．介電系數(shù)２．折射系數(shù)第24頁(yè)液晶分子光電性質(zhì)

液晶分子大多由棒狀或碟狀分子形成,所以與分子長(zhǎng)軸平行或垂直方向物理特征會(huì)有所差異，這就是液晶分子結(jié)構(gòu)異方性．因?yàn)橐壕Х肿咏Y(jié)構(gòu)異方性，所以液晶分子在介電系數(shù)和光電系數(shù)等光電系數(shù)上都含有異方性．第25頁(yè)液晶顯示中三大光學(xué)特征

①能使入射光前進(jìn)方向向液晶分子長(zhǎng)軸（即指向矢n)方向偏轉(zhuǎn)；液晶呈單軸光學(xué)各向異性所致，各種液晶顯示器基本上是依據(jù)這三大光學(xué)特征而設(shè)計(jì)制造。②能改變?nèi)肷涔馄駹顟B(tài)(線偏振、圓侗振、橢圓偏振)或偏振方向③能使入射偏振光對(duì)應(yīng)于左旋光或右旋光進(jìn)行反射或者透射。第26頁(yè)液晶材料物理性質(zhì)與顯示技術(shù)關(guān)系第27頁(yè)液晶顯示器(LCD)基本原理

LiquidCrystalDisplay１．偏振片透光原理２．液晶對(duì)光線調(diào)制作用３．常見三種液晶顯示器第28頁(yè)液晶顯示器基本原理偏振片透光原理：偏振片只允許偏振方向與它偏振化方向平行光透過，假如讓兩個(gè)偏振片偏振化方向相互垂直，因?yàn)榈谝淮纬錾涔馄穹较蚺c第二個(gè)偏振片偏振化方向垂直，光不能經(jīng)過第二個(gè)偏振片．第29頁(yè)液晶顯示器基本原理

把液晶放在兩個(gè)偏振片之間，假如有光線進(jìn)入,經(jīng)過第一個(gè)偏振片后，將被液晶分子逐步改變偏振方向.因?yàn)楣饩€沿著分子排列方向傳輸，光線最終將從另一端射出．假如兩玻璃板之間加上電壓，分子排列方向?qū)⑴c電場(chǎng)方向平行，光線因?yàn)椴荒芘まD(zhuǎn)將不會(huì)經(jīng)過第二個(gè)極板．第30頁(yè)液晶顯示器基本原理

液晶顯示器就是利用這一特征，在兩塊玻璃基板間注入液晶材料，經(jīng)過外界電場(chǎng)等條件控制液晶分子排列取向，以影響液晶單元透光率，從而影響它光學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生含有不一樣灰度層次及顏色圖像。第31頁(yè)液晶顯示器結(jié)構(gòu)液晶顯示器是一個(gè)由上下兩片導(dǎo)電玻璃制成液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四面用密封材料——膠框密封，盒兩個(gè)外側(cè)貼有偏光片。第32頁(yè)常見三種液晶顯示器TN-LCD(扭曲向列型液晶顯示器）：TwistedNematic-LCD

慣用于電子手表，計(jì)算器．第33頁(yè)常見三種液晶顯示器STN-LCD(超扭曲向列型液晶顯示器）SuperTwistedNematic-LCD

慣用于手機(jī)顯示器,游戲機(jī)屏

第34頁(yè)常見三種液晶顯示器TFT-LCD(薄膜型液晶顯示器）：ThinFilmTransistor-LCD

慣用于液晶顯示器，數(shù)碼攝影機(jī)第35頁(yè)TN、STN型結(jié)構(gòu)

液晶盒中玻璃片兩個(gè)外側(cè)分別貼有偏光片，這兩片偏光片偏光軸相互平行（黑底白字常黑型）或相互正交（白底黑字常白型），且與液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片普通是將高分子塑料薄膜在一定工藝條件下進(jìn)行加工而成第36頁(yè)STN型液晶

TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。第37頁(yè)STN型液晶

單純TN液晶顯示器本身只有黑白兩種情形，而STN液晶顯示器牽涉液晶材料關(guān)系，以及光線干涉現(xiàn)象，所以顯示色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。假如在單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片，并將單色顯示像素分成三個(gè)子像素，分別經(jīng)過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色百分比之調(diào)和，也能夠顯示出全彩模式色彩。第38頁(yè)TFT型液晶第39頁(yè)TFT型液晶

在玻璃基片上沉積一層硅,經(jīng)過印刷光刻等工序作成晶體管陣列,每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。再把液晶灌注在兩片玻璃之間,因?yàn)槊總€(gè)像素都能夠經(jīng)過點(diǎn)脈沖直接控制，因而，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并能夠進(jìn)行連續(xù)控制，這么設(shè)計(jì)不但提升了顯示器反應(yīng)速度，同時(shí)能夠準(zhǔn)確控制顯示灰度，所以TFT液晶色彩更逼真，稱為真彩

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第40頁(yè)TFT型液晶

對(duì)于TFT-LCD而言彩色濾光片是很主要，利用紅，綠，藍(lán)三原色，可混合出各種不一樣顏色，很多平面顯示器就是利用此原理顯示色彩，把三種顏色分成獨(dú)立三個(gè)點(diǎn)，各自擁有不一樣灰階改變，然后把臨近三個(gè)RGB顯示點(diǎn)看成一個(gè)像素第41頁(yè)補(bǔ)充：屏幕保護(hù)程序也成殺手液晶顯示器該怎么用？■屏保對(duì)CRT顯示器作用

CRT(陰極射線顯像管)顯示器顯像原理主要是由燈絲加熱陰極，陰極發(fā)射電子，然后在加速極電場(chǎng)作用下，經(jīng)聚焦極聚成很細(xì)電子束，在陽(yáng)極高壓作用下，取得巨大能量，以極高速度去轟擊熒光粉層.在圖形界面操作系統(tǒng)下，顯示器上顯示色彩各種多樣，當(dāng)用戶停頓對(duì)電腦進(jìn)行操作時(shí)，屏幕顯示就會(huì)一直固定在同一個(gè)畫面上，即電子束長(zhǎng)久轟擊熒光層相同區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間下去，會(huì)因?yàn)轱@示器熒光層疲勞效應(yīng)造成屏幕老化，甚至是顯像管被擊穿。所以從Windows3.X時(shí)代至今，屏幕保護(hù)程序一直作為保護(hù)CRT顯示器最正確幫手，經(jīng)過不停改變圖形顯示使熒光層上固定點(diǎn)不會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間轟擊，從而防止了屏幕損壞。第42頁(yè)■屏保對(duì)液晶顯示器傷害

由LCD工作原理可知，一部正在顯示圖像LCD，其液晶分子一直是處于開關(guān)工作狀態(tài)，對(duì)于一部響應(yīng)時(shí)間到達(dá)5msLCD工作1秒鐘，液晶分子就已經(jīng)開關(guān)了幾百次左右。而液晶分子開關(guān)次數(shù)自然會(huì)受到壽命限制，到了壽命LCD就會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，比如壞點(diǎn)等等。所以當(dāng)我們對(duì)電腦停頓操作時(shí)還讓屏幕上顯示五顏六色重復(fù)運(yùn)動(dòng)屏幕保護(hù)程序無疑使液晶分子依舊處于重復(fù)開關(guān)狀