液晶技术与制备Chapter.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 液晶的应用基础,4.1 可应用于液晶显示的电光效应,液晶的电光效应是指液晶在外电场下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。,迄今为止已经知道了很多种液晶的电光效应，在此仅从应用于液晶显示元件的观点出发，将其中比较重要的列于下表：,扭曲向列型（TN）效应,宾主（GH）效应,电场效应型 电控双折射（ECB）效应,相变（PC）效应,电光效应 电流效应型 动态散射（DS）效应,近晶型效应,热效应型 胆甾型效应,4.1.1 扭曲向列型(TN)效应,在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间,夹入厚约10m 具有正介电各向异性的向列型液晶(以下简称N,P,液晶),做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续扭曲90的扭曲(TN)排列盒.,入射光,偏光镜,偏光镜,TN排列盒,液晶分子,（a）无外加电压（V=0）,入射光,偏光镜,偏光镜,（b）有外加电压（VV,th,）,透射光,光遮断,然而，一旦90扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电压,V,th,起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜。但是，在施加的电压为,V,th,的两倍时，除了电极近旁的分子以外，其它分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致90的旋光性消失。这种状态下，液晶盒在两块平行偏振片之间时，光线能通过，而放在两块垂直偏振片之间时，光线就不能通过，与不施加电场的情况完全相反。,因此,这种TN盒具有如下功能:即它在两块平行偏振片之间时,光线就不能通过,而放在两块垂直的偏振片之间时,光线就可以通过.,由于这种TN排列盒的扭矩远远大于可见光的波长,所以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过程中,其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转90(即旋光度为90).,对于TN型显示、电致扭曲形变决定了液晶盒对光的透过率。,下图显示了透过率与电场作用关系图。考虑到偏光片的作用,使反射型TN显示屏的最大透过率只有50%。垂直线代表液晶,盒的开或关状态时的电压。,响应时间,上升响应时间,r,:施加电场下产生的,电光现象达到稳定值的90%时所需要,的时间。,下降响应时间,d,:停止施加电场之后，,电光现象减少到稳定值的10%时所需要,的时间。,4.1.2 宾主（GH）效应,入射光(白色）,偏光镜,GH盒,透射光(有色）,入射光(白色）,透射光(无色）,(a)无外加电压(V=0),（b）有外加电压（VV,th,）,(a),(b),吸光度(相对值),波长(nm),染料分子,液晶分子,GH电光效应原理,一旦把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸收具有各向异性的,两色性染料,（,宾,），溶解于特定排列的,液晶,（,主,）中，则一般呈棒状的两色性染料就会与液晶分子相互平行地排列。因此，在施加电场的情况下，作为“主”的液晶的分子排列发生变化。这样，就可以通过电控的方式来控制染料对可见光的吸收量。这种电光效应就叫做宾主效应。,根据所用的分子排列的类型、液晶的种类、染料的种类、盒的结构等组合情况，宾主效应可分为多种方式。,4.1.3 动态散射（DS）效应,把有机电解质等异电性物质溶解，配制成电阻率约小于,510,10,cm 的,N,n,液晶。将这种液晶夹在两片透明电极之间，做成液晶膜厚约为,10m 沿面排列的液晶盒。对这种液晶盒施加交流电场，则在改变其激发频率f和施加电压v大小的同时，用偏光显微镜观察这时形成的电不稳定性的光学图案，并记录产生该图案的阈值电压,V,th,。以某一特定的激发频率,f,c,为界，在此前后的频率区域，可明显地观察到两种不同类型的光学图案。,在低频区域（f,f,c,），当电压V超过某一阈值电压,V,w,时，就呈现出具有与液晶盒厚度相同间隙的周期性的静态条纹状图案（这种图案称为威联斯畴）。,若再增加电压，就变成不规则的复杂图案，结果使光变成强烈地向前散射的湍流状态以致混乱状态.这种现象称为动态散射.即使在施加直流电场时也能看到同样现象.这种DS效应就是液晶显示主要方式之一的DS型显示的工作原理.,入射光,非散射光,入射光,非散射光,入射光,散射光,(a)沿面分子排列V,V,w,(c)动态散射(DS)VV,w,产生动态散射(DS)现象全过程的液晶分子排列状态的变化,4.1.4 电控双折射（ECB）效应,通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生。,偏光镜,偏光镜,入射光（白色）,入射光（白色）,无透射光（黑）,透射光（有色）,V=0,VV,th,Nn,液晶,垂直排列,外加电压V,透,射,光,强,度,外加电压V,相,位,差,红,黄,蓝,红,黄,白,灰,m=452nm,MBBA,盒厚10,m,正交偏振片,I=I,o,sin,2,2,sin,2,dn(v),V,th,=,k,33,/,o,(-,),1/2,沿面排列,Np,液晶,E,V,th,=,k,33,/,o,(,),1/2,特点：,1.外加电压产生的干涉色的色调变化顺序，,与垂面排列的顺序相反。,的介电各向异性一般较大，使阈值电压,降低。,3.色调变化清晰。,4.不会产生动态散射现象。,混合排列,Np,Nn,Np,Nn,无阈值电压,STN 效应,扭角,中,间,层,倾,角,度,入射偏光片,液晶盒,出射偏光片,270度扭转,倾,角,扭,角,层中距离,4.1.5 相变效应,入射光,入射光,散,射,光,（乳白）,透射光,（透明）,V=0,VV,th,特点：,阈值电压与盒厚有关。,V,th,=,2,d/,p,o,(k,22,/,),1/2,无需偏光片。,4.1.6 热光效应,液晶的光学性质随温度的变化而变化的现象,一般称为液晶的热光效应.热光效应以加热或冷却的手段来改变液晶分子的排列状态.作为能显著地显示这种效应的液晶,可举出近晶型液晶和胆甾型液晶等.下面仅以前者为例加以叙述.,在两块透明基片之间放入经过垂直取向处理的近晶型A(,S,A,)液晶,做成夹芯型的液晶盒.将此液晶盒加热,一旦温度上升到使盒内液晶成为各向同性液体的温度以上时,立即进行冷却.这时,如果是急冷,则液晶盒整体呈现白色浑浊状态;若是缓慢冷却,则液晶盒整体将变成透明状态.,这种白色浑浊状态和透明状态,分别是因为,S,A,液晶在骤冷时形成紊乱的焦锥排列和在缓慢冷却时形成垂面排列所致.,实际上前一种状态大致上等同于将各向同性液体中无规则的分子排列状态用迅速冷却的方法固定(冻结)下来.,这种,S,A,液晶盒的热光效应,已经被应用于以激光束照射作为加热手段的热写入方式的大容量显示.,透明,光散射,急冷,慢冷,热光效应+电场 电热光效应,V=Vs,V=0,光散射,透明,电压消除后，两种状态并不消失，可储存。,对用于液晶显示器的液晶材料的要求:,液晶的温度范围广;,化学和光化学性质稳定;,粘度低;,介电各向异性大;,双折射性适中;,弹性模数均衡;,分子排列的有序度高等等.,4.2 液晶混配,单个液晶不能满足所有要求，一般采用混配的方法，,选择多个液晶单体，取各个所长，在混融状态下混合。,但各个物性常数并不是简单的代数之和。,Cr,N,Iso,温度,0,C,有加和性：,，,n,1/p，,K,11,K,22,K,33,（极性-非极性混合液晶除外）,T,NI,（极性-非极性混合液晶除外）.,无加和性:,T,CN.,T,NI,=,X,1,H,1,+,X,2,H,2,X,1,H,1,+,X,2,H,2,=,(X,1,/N,1,),1,+(X,2,/N,2,),2,(X,1,/N,1,)+(X,2,/N,2,),(K,ii,),1/2,=X,1,(K,ii,1,),1/2,+X,2,(K,ii,2,),1/2,物理参数的调节,介电各向异性,光学各向异性,n,液晶材料相变温度 T,CN,T,NI,多路驱动能力,响应速度,驱动电压,对比度,视角,工作温度区间,弹性系数,粘度,螺距,螺距,有序参数,基本组份 40 50%,低粘度组份 30 40%,高温组份 20 30%,（b）有外加电压（VVth）,产生动态散射(DS)现象全过程的液晶分子排列状态的变化,应用这种多路传输方式，当数码的位数多而需要增加分时的数目时，可以大幅度地减少对应于分时数目的驱动接点和驱动元件。,组装时是将安有段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置,两极之间的距离为几至10 m,四周密封,只留一个液晶注入孔,组装成空的盒状容器,然后从液晶孔向空盒中注入液晶材料,再把液晶孔密封.,在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间,夹入厚约10m 具有正介电各向异性的向列型液晶(以下简称NP 液晶),做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续扭曲90的扭曲(TN)排列盒.,这时,如果是急冷,则液晶盒整体呈现白色浑浊状态;若是缓慢冷却,则液晶盒整体将变成透明状态.,它广泛应用于电子计算器、钟表、竞赛电子计时器、计价仪器等显示装置.,（b）有外加电压（VVth）,因此,这种TN盒具有如下功能:即它在两块平行偏振片之间时,光线就不能通过,而放在两块垂直的偏振片之间时,光线就可以通过.,液晶在现代生活中被应用于很多地方，例如：,由于这种TN排列盒的扭矩远远大于可见光的波长,所以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过程中,其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转90(即旋光度为90).,我是小土豆T20，看我的液晶表面多漂亮！,Vth=2d/po(k22/)1/2,但是，在施加的电压为Vth 的两倍时，除了电极近旁的分子以外，其它分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致90的旋光性消失。,Vth=2d/po(k22/)1/2,4.3 胆甾液晶的热色效应,液晶薄膜温度计,紫,蓝,绿,黄,橙,红,红 橙 黄 绿 蓝 紫,液晶混配,微囊化,印刷,覆膜,4.4 液晶的显示方式,一般使用的液晶显示器件,有,段型显示,和,矩阵型显示,两种.,段型显示器件结构简单,容易组装.组装时是将安有段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置,两极之间的距离为几至10,m,四周密封,只留一个液晶注入孔,组装成空的盒状容器,然后从液晶孔向空盒中注入液晶材料,再把液晶孔密封.,矩阵型显示器件则在任何一个电极基片上都安装复数的带状电极,双方的带状电极要垂直相交.,光寻址型,液晶显示器件、,热寻址型,液晶显示器件.,4.4.1 段型显示及其驱动方式,段型显示适用于限定数目的符号和数字等反复显示的场合.它广泛应用于电子计算器、钟表、竞赛电子计时器、计价仪器等显示装置.,段型显示的驱动方法有两种方式,显示的文字数目比较少的用,静态驱动,显示的文字数目很多时,应用,多路传输驱动,.,静态驱动方式,静态驱动上段显示的最基本的驱动方式.这是把所有的段电极逐个分别驱动的方式.所有段电极和公共电极之间,仅在要显示的时间内才施加电压.,液晶显示器件如用直流电驱动,在液晶盒里诱发的电化学反应就会显著缩短显示器件的寿命.因此,一般在段电极和公共电极间波峰值为,V,0,时,施加相位差仅为,/2的方波电压.因为液晶没有极性,所以液晶就被施加波峰值为2,V,0,的电压.在这种条件下,施加给液晶的平均电压就成为零了,因此可以防止液晶的变质.,静态驱动方式的各段,必须单独安装驱动元件,因而,电子计算器等需要显示的数目太多时,连接各段的接头和驱动元件数就很多,这一点是其欠缺的.,公共电极,段电极,计算器+译码,静态驱动电路的结构,多路传输驱动方式,多路传输驱动方式，是在显示数字的数目比较多时使用的驱动方式。多路传输驱动方式也叫做分时操作驱动方式，或者动态驱动方式。,多路传输驱动方式，是将全部段电极分为数组，然后将它们分时驱动。应用这种多路传输方式，当数码的位数多而需要增加分时的数目时，可以大幅度地减少对应于分时数目的驱动接点和驱动元件。然而随着分时数的增加，将因交叉失真效应引起工作宽容度（最低选择点电压和最高选择点电压之比）a逐渐减小而难于驱动。因此，分时的数目必须限于某一必要的最小限量。,C,1,C,2,C,3,S,1,S,2,S,3,S,4,S,5,S,6,S,m,S,n,公共电极,段电极,多路传输驱动的电极结构图,现在把多路传输驱动的段电极和公共电极的联结绘成简明的图形，如上图所示的矩阵变换电路显示的电极结构。这样就可以把公共电极看成是扫描电极，把段电极看作是显示电极。,Color STN的结构,Vth=k33/o(-)1/2,Vth=k33/o()1/2,看着我的液晶屏幕就可以了！,不用自我介绍了吧？大家都知道我是液晶显示器,K11,K22,K33（极性-非极性混合液晶除外）,然而，一旦90扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电压Vth 起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜。,列举你所知的液晶应用实例。,MBBA,盒厚10m,正交偏振片,组装时是将安有段电极基片和安有公共电极的电极基片相向放置,两极之间的距离为几至10 m,四周密封,只留一个液晶注入孔,组装成空的盒状容器,然后从液晶孔向空盒中注入液晶材料,再把液晶孔密封.,我的表面也是由液晶做的哦！,基本组份 40 50%,但各个物性常数并不是简单的代数之和。,现在把多路传输驱动的段电极和公共电极的联结绘成简明的图形，如上图所示的矩阵变换电路显示的电极结构。,然而随着分时数的增加，将因交叉失真效应引起工作宽容度（最低选择点电压和最高选择点电压之比）a逐渐减小而难于驱动。,宾主（GH）效应,通过外加电场控制液晶盒的双折射率而产生。,在低频区域（ffc），当电压V超过某一阈值电压Vw 时，就呈现出具有与液晶盒厚度相同间隙的周期性的静态条纹状图案（这种图案称为威联斯畴）。,TN、HTN、STN的结构,FSTN、ECB-Multi-color STN的结构,Color STN的结构,DSTN的结构,：,液晶在显示方面的应用实例,液晶在现代生活中被应用于很多地方，例如：,我是小土豆T20，看我的液晶表面多漂亮！,我的表面也是由液晶做的哦！,不用自我介绍了吧？大家都知道我是液晶显示器,知道我是什么吗？我就是液晶多媒体触摸屏！,看我的身材就知道在液晶家族我也算是大哥了，哈哈！我是液晶电视机！,走到哪里都不怕迷路，由我全球定位系统帮你忙！看着我的液晶屏幕就可以了！,4.4 液晶在其它方面的应用,液晶作为有序溶剂的应用。,液晶光阀。,液晶传感器,高分子液晶纺丝。,液晶膜,思考题,1。什么是响应时间？响应时间的大小主要与液晶材料的,哪些物理性质有关系？,2。液晶显示器件的以下一些性能主要与哪些物理常数有关：,对比度，工作电压？,3。怎样的分子排列方式可以降低阈值电压？为什么？,4。热色液晶（胆甾液晶）的主要应用是什么？,5。画出液晶显示器件中最简单，基本的结构。,6。列举你所知的液晶应用实例。,7。什么是扭曲向列型（TN）效应？详细叙述并画出其过程？,