液晶显示器课件.ppt
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1、a1液晶显示器(液晶显示器(LCD)广东工业大学广东工业大学王王 衢衢显示技术显示技术a2一、发展历程与特点一、发展历程与特点某些有机物熔化后会经历一个不透明浑浊的液态阶段会经历一个不透明浑浊的液态阶段,在该阶该阶段物体还兼具有晶体的性质段物体还兼具有晶体的性质,继续加热才成为各项同性的液态这就是世界上第一次发现的热致液晶热致液晶胆甾醇苯甲酸酯胆甾醇苯甲酸酯1961年,美国无线电公司(RCA)的电子学专家G.H.Heilmeier把电子学应用于有机化学,发现在液晶两端加上电压,会出现各种各样的电光效应,由此想到把液晶应用到显示领域1968年RCA公布液晶发明1969年,日本开始把大规模集成电路
2、与液晶相结合日本人从液晶手表、计算器等低档产品起步,直到开发出多晶硅有源矩阵高分辨率彩色液晶显示器1888年奥地利植物学家Reinitge首次观察液晶现象1.发展历程发展历程a32.主要特点主要特点n低功耗:23v 工作电流几个微安n平板结构两片导电玻璃,中间夹着液晶高开口率、面积可做大做小、便于大规模生产、器件很薄n被动显示液晶本身不发光,靠调节外光而达到显示目的。被动显示更适合人类的视觉特性,不易引起眼部疲劳。n显示信息量大像素之间没有隔离,同样显示窗口可容纳更多像素n易于彩色化液晶通常无色,可加滤色膜实现彩色a4n长寿、无辐射、污染3.主要缺点主要缺点n 显示视角小 液晶显示利用了液晶的
3、各向异性,不同方向光的反射率不同。随视角变大,对比度下降n响应速度慢电场作用下,液晶排列发生变化。响应速度收粘滞度影响很大零下几十度就不能个工作,温度过高液晶也会受到影响动态特性较差n暗时看不清4 液晶的分类液晶的分类液晶又被称为物质的第四态既具有液态的流动性,又具有晶体的各向异性,具有双折射特性各向异性,具有双折射特性a5晶体之所以有各向异性,是因为晶体分子是按一定规则排列的n热致液晶当液晶物质受热时,在某温度内呈现各向异性的。用于显示的都是可在室温下工作的热致液晶。多呈细棒状细棒状(1)近晶相液晶(层状、S型)分子排成层,层内分子长轴互相平行,可能垂直于层面,或倾斜排列排列规整,接近晶体,
4、二维有序。有16种,SA,SB,SC等等T1熔点熔点T2 清亮点清亮点中介相态中介相态a6(2)向列相液晶(丝状、S型)SASCSA分子长轴垂直层面SC每层分子长轴均匀倾斜一个角度。每层倾斜方位角可以任意,也可以沿层法线方向呈螺旋分布粘度大、不易转动,响应速度慢。一般不适宜做显示器件。用于显示,厚度要小于24微米,工艺要求较高由长径比大的棒状分子构成。分子不排成层,可上下、左右、前后滑动。所有液晶长轴大体指向一个方向。流动性强,粘度小,相互作用力小,易于控制。是显示器件中最常使用的液晶材料是显示器件中最常使用的液晶材料a7(3)胆甾相液晶(螺旋状,CH型)液晶分子呈扁平状,排列成层。层内分子互
5、相平行。分子长轴平行于层平面。不同层分子稍有变化,沿层的法线方向列成螺旋状。长轴指向沿螺旋方向经历360度变化后,又回到原来的取向。这个周期的层间距离称为胆甾相液晶的螺距螺距P P螺距螺距P P这里显示了半个周期这里显示了半个周期螺距通常螺距通常300nm,与可见光波,与可见光波长同量级长同量级方向可以是左旋或右旋n溶致致液晶将溶质溶于溶剂而形成的液晶态物质。显示技术上尚无应用a8二、二、晶体光学简介晶体光学简介1 双折射现象双折射现象冰冰洲洲石石光在晶体里变成了两束,折射程度不同。与普通玻璃的单折射完全不同垂直入射到冰洲石上的光被折射为两束。偏离的那一束明显违反折射定律,而另一条遵守折射定律
6、晶体内的两条折射光线,一条总是遵守折射定律,称为寻常光寻常光(o光光),另一条经常经常违反折射定律,称为非寻常光非寻常光(e光光)a92 晶体光轴晶体光轴冰洲石中存在一个特殊方向,光沿这个方向传播时o、e光不分开。这个特殊方向叫做晶体的光轴(与几何光学与几何光学中的光轴不是一个概念中的光轴不是一个概念)AB两个顶点的连线方向就是光轴方向光轴是方向,不是某条特定直线。与光轴是方向,不是某条特定直线。与光轴方向平行的所有直线都叫光轴光轴方向平行的所有直线都叫光轴把AB两个顶点磨平,并使磨平表面与光轴方向垂直,再让光垂直入射到该平面上。折射光线不会分开折射光线不会分开冰洲石天然晶体冰洲石天然晶体a1
7、0入射面入射面:入射光线与入射表面的法线构成的平面,根据折射定律,折射光(寻常光)和入射光都在这个入射面内。主截面主截面:光轴与入射表面的法线构成的平面。当入射光线在主当入射光线在主截面内时,两个折射光线都在主截面内截面内时,两个折射光线都在主截面内o、e光都是线偏振光,并且偏振方向垂直光都是线偏振光,并且偏振方向垂直3 双折射的成因双折射的成因晶体的物理性质是各向异性各向异性的,在不同方向上,物理量的值不相同。冰晶石只有一个光轴方向,称为单轴晶体单轴晶体(还包括红宝石、石英)。还有一些晶体有两个光轴方向,称为双轴晶体双轴晶体(云母、橄榄石、蓝宝石等等)。我们只研究单轴晶体,用于显示的液晶基用
8、于显示的液晶基本都是单轴的本都是单轴的各向同性均匀介质中,一个点光源发出的光波速度是相同的光波速度是相同的cvnc 真空光速,n 折射率折射率显然与方向无关a11在单轴晶体中,o光规律与各向同性介质中完全相同,沿光规律与各向同性介质中完全相同,沿各方向传播速度相同。各方向传播速度相同。oocvnovo光光速ono光折射率e光在光轴方向传播速度与o光一样,为 。但是在垂直光轴方向是另一个值evoveecvno光波面球面旋转椭球面a12在光轴方向,两个波面相切eonneonn,eon n晶体的主折射率晶体的主折射率主平面:主平面:晶体内的光线与光轴构成的平面 o光的偏振方向垂直于主平面光的偏振方向
9、垂直于主平面 e光的偏振方向在主平面内光的偏振方向在主平面内负负晶晶体体eovv正正晶晶体体eovva13由于由于e光不遵循折射定律,如何判断其在晶体中的传播方光不遵循折射定律,如何判断其在晶体中的传播方向成为一个问题!向成为一个问题!4 使用惠更斯作图法判定使用惠更斯作图法判定e光的传播方向光的传播方向使用同样方法也可确定e光的传播方向纸面就是主截面,两束折射光线肯定都在纸面内。显然,主平面与纸面也是重合的。o光偏振方向垂直纸面 e光偏振方向在纸面内在学习物理光学时,我们已经知道在各向同性介质中如何通过惠更斯作图法判定折射方向,并推出折射定律。单单轴轴晶晶体体a14几个最常见的实例A 光轴垂
10、直于晶体表面入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现o光e光不会分离,并且传播速度也相同B 光轴平行于晶体表面,入射光垂直入射利用惠更斯左图法很容易发现o光e光也不会分离,但是传播速度有差异。出射后o光和e光出现位相差a15C 光轴平行于晶体表面,入射光斜入射,且垂直于光轴o光、e光分离,但两种光都遵循折射定律,折射率分别为,oen n5 晶体中介电常数的各向异性晶体中介电常数的各向异性折射率的各向异性与介电常数的各向异性有密切的联系。介电介电常数反映了电场下介质的极化程度常数反映了电场下介质的极化程度000001reeDEEEEEEP 各向同性介质中D、E方向相同a16在各项异性晶体中,介电
11、常数是一个张量111213212223313233通过坐标变换,在晶体中,我们总能找到三个主轴,使这个张量对角化。000000 xyz假如 ,则晶体为双轴晶体xyz假如 ,则晶体为单轴晶体,光轴就在则晶体为单轴晶体,光轴就在z轴上轴上xyz000000 xxxyyyzzzDEDEDE显然 和 方向不一定相同DEa176 折射率椭球折射率椭球2221xyzxyznnn折射率椭球具有如下性质:可以用来表示晶体折射率在晶体空间各个 (电位移矢量)振振动方向的取值分布动方向的取值分布。D折射率和介电常数满足如下关系n现在设xxnyynzzn就是矢量 在三个主轴方向的折射率D,xyzn n n在此基础,
12、引入折射率椭球的概念a18n从椭球中心出发任意矢径 ,其方向表示光波 矢量的方向。矢径长度就是矢量矢径长度就是矢量 在该方向振动(偏振方向)在该方向振动(偏振方向)的光波的折射率的光波的折射率。rDD0kn过椭球中心作垂直于某方向 的平面,截面是一个椭圆。椭圆长短轴方向就是光波沿 方向传播时,两种可能的偏振方向,长短轴一半的长度就是两种偏振方向对应的折射率。0k单轴晶体的折射率椭球(以单轴晶体的折射率椭球(以z轴为光轴)轴为光轴)对于单轴正晶体,这是个旋转长椭球面这是个旋转长椭球面kk0DeDoz光轴2221oexyznneonnn 假如光波在k0方向上传播,与之垂直的平面与椭球的截面是一个圆
13、。由于无长短轴之分,这说明沿k0方向上传播的光波的偏振方向垂直于z轴,但无特定指向,折射率为半径 ,无双折射现象ona19n当光波沿k方向传播,与之垂直的平面与椭球的截面是一个椭圆。长短轴的方向就是光波可能的偏振方向。其中短轴的半长度是固定的,就是 ,因此短轴就是o光的偏振方向。而长轴就是e光振动方向,其半长度就是折射率。onn如果光波沿垂直于光轴(z轴)方向传播,与之垂直的平面与椭球的截面是也是个椭圆,其中长轴与光轴重合,半长度为 。短轴半长度为 ,方向垂直于光轴。这意味着,沿光轴垂直方向传播的光波,存在两个可能偏振方向。一个偏振方向与光轴平行,折射率为 ,这就是e光。另一个偏振方向与z轴垂
14、直,折射率为 。这就是o光。enonenon单轴正晶体的折射率椭球中,椭圆截面的长轴方向是椭圆截面的长轴方向是e光偏振光偏振方向,短轴方向是方向,短轴方向是o光偏振方向,短轴长度固定,半长为光偏振方向,短轴长度固定,半长为no结论结论a20三、三、液晶的物理特性液晶的物理特性1.有序参量有序参量向列相液晶具有各向异性的形态。液晶体系存在着一个主轴方向存在着一个主轴方向,棒状液晶分子的长轴都倾向于平行这个主轴方向。平行于这个主轴,向列相的各种物理量为一套数值,垂直于该轴线方向,则又有另外一套值z光轴kk0单轴负晶体n 假如光波在k0方向上传播,结论与单轴正晶体相同n另两种情况与正晶体也类似,只不
15、过这时截面椭圆的长轴方向是o光偏振方向,短轴是e光偏振方向 就是液晶体系的主轴方向上的单位矢量(分子长轴的择优方向),叫做指向矢指向矢na21a个别液晶分子的长轴方向。有序参量有序参量S:用来衡量分子体系有序性的重要参数如果分子没有择优取向 S=0对应各向同性液体S=1对应各向异性晶体分子有严格指向择优方向液晶有序参量 S=0.30.8液晶的有序性介于晶体和液体之间,且与温度有密切关系ccTTSKTTc 清亮点温度;K 比例系数2.液晶的各向异性液晶的各向异性一般称平行于液晶分子长轴方向称为平行方向平行方向(),垂直与液晶分子长轴方向为垂直方向垂直方向()a22n介电常数的各向异性介电常数的各
16、向异性平行于液晶分子长轴方向的介电常数垂直于液晶分子长轴方向的介电常数我们把 定义为液晶介电常数的各向异性介电常数的各向异性 0 正性液晶(Np)1020液晶分子的感生电偶极矩方向平行平行于分子长轴方向0 负性液晶(Nn)-1-2液晶分子的感生电偶极矩方向垂直垂直于分子长轴方向NP和和Nn液晶分子在电场作用下的分子行为液晶分子在电场作用下的分子行为正性液晶正性液晶Np负性液晶负性液晶Nna23n电阻率电阻率 和电导率和电导率电阻率接近于绝缘体与半导体之间,也具有各项异性电阻率越小,杂质离子越多,通电场后,液晶分子结构会被破坏。n光学折射率各项异性光学折射率各项异性向列相液晶的指向矢方向就是光轴
17、方向向列相液晶的指向矢方向就是光轴方向,也就是大部分液晶分子的长轴方向。n平行于分子长轴(指向矢)的折射率n垂直于分子长轴(指向矢)的折射率nnn 液晶折射率的各向异性液晶折射率的各向异性n与偏振、旋光、折射、干涉等电光效应有密切关系0n 正性液晶0n 负性液晶nnnna24n弹性系数弹性系数k由以上可以看出,在电场作用下,液晶会发生形变。描述形变,需要引入弹性系数和粘滞系数。液晶的弹性系数也是各向异性的。xyzkkk(Z为分子长轴方向)n粘滞系数粘滞系数描述了液晶的粘稠性。n自由能自由能当液晶处于平衡状态时,自由能处于极小值当液晶处于平衡状态时,自由能处于极小值。在外场作用下,液晶的自由能会
18、增加,增加的部分就是使液晶形变所需的能量对于正性液晶()对其施加电场作用()0 cEE要使自由能最小,分子长轴会发生与电场平行的再排列对于负性液晶()对其施加电场作用()0 cEE要使自由能最小,分子长轴会发生与电场垂直的再排列a25xckEd临界电场强度xckV临界电压对于正性液晶,未施加电场时,假如沿玻璃基板面排列,且长轴沿x轴。通z方向电场后将沿电场平行排列,所需要的临界电场强度和临界电压为:在电场作用下胆甾型液晶可与向列相转换,临界电场强度、临界电压为:202yckEdP202yckVP胆甾相液晶螺距未加电场时螺距 0Pa26四、四、液晶的光学特性液晶的光学特性绝大多数液晶器件都使用线
19、偏振光工作绝大多数液晶器件都使用线偏振光工作n在向列相和近晶相液晶中分子长轴方向就是光轴方向分子长轴方向就是光轴方向主折射率 代表振动方向与光轴垂直的o光的折射率,所以ononn主折射率 代表振动方向与光轴平行的e光的折射率,所以enenneonnnnn 正性液晶在光学上性质类似单轴正晶体负性液晶在光学上性质类似单轴负晶体nnnn即eonneonn即向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶向列相液晶和近晶相液晶主要为正性液晶0n 类似单轴正晶体类似单轴正晶体n在胆甾相液晶中,光轴是螺旋轴光轴是螺旋轴,与分子长轴取向垂直与分子长轴取向垂直a27我们有如下的关系enn2212onnn在这里,仍然有nn
20、222212eonnnneonn这意味着胆甾相液晶类似于单轴负晶体胆甾相液晶类似于单轴负晶体几种最有用的液晶光学特性几种最有用的液晶光学特性n 特性一特性一:如果入射光以如下方式正入射到向列相液晶上时,入入射光有向光轴方向倾斜的趋势射光有向光轴方向倾斜的趋势偏振方向偏振方向垂直纸面垂直纸面偏振方向平偏振方向平行纸面行纸面a28可以使用惠更斯定理画图证明入射光o光e光界面e光包络面光轴方向o光波面夹角不同的时候偏振状态的变化入射光为线偏振光,为偏振方向与x轴的夹角x轴为光轴方向 n特性二:特性二:当入射光以如下方式射入液晶时,偏振状态会发生变化a29此时o光与e光不会分开,但传播速度可能不相同,
21、由此产生相位差2oennz不同z处位相差不同,导致偏振状态也发生变化a30n特性三:特性三:当入射光(线偏振光)以如下方式正入射到指向矢扭曲的向列相液晶时,偏振方向会发生变化这里的向列相液晶的指向矢由上到下做螺旋式转动,很象胆甾相液晶,但注意这里P 螺距重要条件重要条件现象一现象一如果线偏振光的偏振方向与入射面处液晶的指向矢一致,偏振方向将会随着指向矢的旋转而旋转。在出射处其偏振方向与液晶指向矢方向一致【扭曲向列相(扭曲向列相(TN)液晶)液晶】a31现象二现象二如果线偏振光的偏振方向与入射面处液晶的指向矢有夹角,可把偏振方向分解为垂直于指向矢的分量和平行于指向矢的分量,分别研究。出射光将会因
22、光程差不同,出现不同的偏振态(线偏振、圆偏振、椭圆偏振)n特性四:特性四:胆甾相液晶是一种旋光物质旋光物质旋光物质:某些光轴垂直于表面切取的晶体,当垂直入射的线偏振光在光轴上传播时,偏振方向会随距离而转动偏振方向会随距离而转动。这种现象叫旋旋光现象光现象。这类物质叫旋光物质(石英)旋光物质(石英)。对于一般的单轴晶体,是不应出现旋光现象的。如左图所示。入射后,无e光、o光差异,偏振状态也不应有任何变化。a32l 旋转角度在晶体中的传播距离旋光系数旋光系数 :与波长平方接近反比,换句话说,不同波长的光旋转角度不同,这叫做旋光色散旋光色散 对着光传播方向观察,顺(逆)时针转动右(左)旋右(左)旋菲
23、涅耳对旋光现象的解释:菲涅耳对旋光现象的解释:在晶体光轴方向上传播的线偏振光可以分解为两个频率相同两个频率相同,传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光传播速度不同的左旋和右旋的圆偏振光。位相差2右左l nn 合成之后的线偏振光转过的角度为2右左l nn 石英的旋光系数:10度/毫米50度/毫米(可见光波段)a33胆甾相液晶的旋光特性:强旋光物质:20000度/毫米胆甾相液晶的特有现象胆甾相液晶的特有现象:如果入射圆偏振光的旋转方向与胆甾相液晶的旋光方向相同,并且波长满足如下关系,将被反射。cosnp被反射光的频带:np nnn螺距与温度有关,改变温度,胆甾相液晶就会反射不同的颜色。其他波长成分的光
24、,或者偏振旋转方向与液晶相反的光都将透射2nnnp螺距 入射光线与螺旋轴(光轴)的夹角a34五、五、液晶的沿面排列方式液晶的沿面排列方式在外场作用下,液晶分子从初始的排列方式转为其他排列方式,光学特性也发生变化。因此均匀稳定的液晶分子排列是液晶显示器件的工作基础第三行表格反映了在上下两层玻璃基板处液晶指向矢与基板的位置关系。a35要形成以上的排列,就需要对上下的导电玻璃基板做分子取向预处理n垂直取向处理n平行取向处理n倾斜取向处理六、六、液晶显示器主要性能参量液晶显示器主要性能参量1 电光特性电光特性液晶在电场作用下,透射光强会发生变化透射光强与外加电压的关系就是电光特性曲线负负电电光光特特性
25、性曲曲线线正正电电光光特特性性曲曲线线a36thV阈值电压阈值电压该值越小,则显示器所需的工作电压越低。sV饱和电压饱和电压该值较小表明比较容易比较容易达到良好的对比效果对比度对比度maxminTT对比度最大透过强度最小透过强度陡度陡度sthVV 越陡越趋近于1,反之越大比陡度比陡度thsthVVV 越陡该值越大在无源矩阵驱动液晶显示中,陡度越小,能驱动的路数(行数)越大。a37电光响应曲线电光响应曲线如果电光曲线是正型的r 上升时间施加电压之后,液晶响应所需时间在各种显示技术中,液晶液晶的响应时间比较长的响应时间比较长d 下降时间撤去电压之后,液晶响应所需时间合称响应时间响应时间 响应时间与
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