液晶的电光效应综合实验

液晶的电光效应综合实验姓名：学号：联系电话：邮箱地址：选课学期：2014春液晶的电光效应综合实验摘要：利用液晶光开关电光特性综合实验仪，对液晶的关开关电光特性、液晶的时间响应、光开关视角特性进行测量，并对液晶特性进行简单的分析，了解液 晶材料的应用情况。关键词：液晶、光开关、电光特性、时间响应、视角特性弓I言：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当 光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子， 在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的 光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。液晶显示器具有能耗小、体积小、无闪烁和环保等方面的优势，作为信息显示器件，几 乎遍布于我们生活与工作的给个领域。液晶显示器（LCD）的关键技术之一是液晶的取向技 术，它是影响器件对比度、色度等的重要因素。液晶的种类很多，仅以常用的TN （扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列 相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃 （1埃= 10-10米），直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻 璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软 绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；出射光图1.液晶光开关的工作原理电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的 那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方 向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿一45度方向排列逐步地、 均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了 90度。如图1左图所示理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的 性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极 表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向 相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光 轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只 剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面 旋转了 90。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足够电压情况下（一般为12伏），在静电场的作用下，除 了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行 于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图 1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不 再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2 正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候 光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。抒1和P2的 透光轴相互平行，则构成常黑模式。液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内 呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性随温度的改变而有一定 变化。实验：液晶光开关电光特性的测量实验原理：图2为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与 外加电压的关系。由图2可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈 值电压和关断电压。阈值电压：透过率为90%时的驱动电压;关断电压：透过率为10%时的驱动电压。液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。TN型液晶 最多允许16路驱动，故常用于数码显示。在电脑，电视等需要高分 辨率的显示器件中，常采用STN （超扭曲向列）型液晶，以改善电光 特性曲线的陡度，增加驱动路数。实验方法：将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100%，改变电压，使 得电压值从0V到6V变化，记录相应电压下的透射率数值填入表1实验结果：110010010099.688.273.455.738.925.215.64.64.74.33.83.5210010010099.688.173.455.638.725.215.64.54.74.33.83.5310010010099.788.173.455.638.725.215.64.64.74.33.83.5平均10010010099.688.173.455.638.825.215.64.64.74.33.83.5透过率(%)液晶光开关电光特性数据分析：当电压在0.8V以下时，液晶的透过率为100%，透过率为90%时，其电压值由曲线图可得为1.3V，透过率为10%时其电压值为1.8V。实验：液晶的时间响应的测量实验原理：加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间T r和下降时间T d描述。给液晶开关加上一个如图3上图所示的图3池晶驱动电压和时间响应图懑过率周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图3下图所示。上升时间：透过率由10%升到90%所需时间；下降时间：透过率由90%降到10%所需时间。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。早期的液晶 显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果。实验方法：将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调到100%， 然后将液晶供电电压调到2.00V，在液晶静态闪烁状态下，用存储示 波器或用信号适配器接模拟示波器可以得出液晶的开关时间响应曲 线。记录下不同时间时的透过率，填入表2。实验结果：示波器所得图像表2时间响应的数值表时间（s）0.0400.0650.1050.1151.0701.0801.1151.1502.1402.1752.215透过率（%）10090100010901001009010时间响应曲线数据分析：由示波器图像可得出上表中的数据，分析数据可知，液晶的响应时 间的上升时间为35ms，下降时间为40ms。实验：液晶光开关视角特性的测量圈a襁晶的视角特性实验原理：液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度 定义为光开关打开和关断时透射光强度之比， 对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比 度小于2，图像就模糊不清了。图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。图中3个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心 圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0 度方向之间的夹角）的大小。图3中的闭合曲线为不同对比度时的等 对比度曲线。由图4可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且 具有非对称性。若我们把具有图4所示视角特性的液晶开关逆时针旋 转，以220度方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏。则该液 晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视3个方向，垂直视角 接近60度时对比度为5,观看效果较好。在仰视方向对比度随着垂 直视角的加大迅速降低，观看效果差。实验方法：将模式置于静态模式，将透过率显示调到100%，以水平/垂直方向插入液晶板，在供电电压为0V时，调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最 大值T。然后将供电电压设为2V，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值Tmin，将 数据记入下表中，并计算其对比度。HN实验结果：表3水平方向视角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.799.699.49997.895.893.391.286.181.173.264.755.344.131.4Tmin(2V)3.53.53.53.63.63.73.83.83.73.53.53.63.83.83.52.8Tmax/Tmin28.628.528.527.627.526.425.224.624.624.623.220.317.014.612.611.2负角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10010010010010099.897.895.794.49085.878.770.560.146.932.9Tmin(2V)3.63.73.73.844.24.34.34.243.93.8443.62.8Tmax/Tmin27.827.027.026.325.023.822.722.322.522.522.020.717.615.013.011.8表4垂直方向视角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.698.897.395.292.890.687.283.880.576.571.866.158.748.636.6Tmin(2V)3.65.710.316.323.833.34454.264.471.474.873.668.560.649.635.9Tmax/Tmin27.817.59.66.04.02.82.11.61.31.11.01.01.01.01.01.0负角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.698.897.495.392.790.587.684.681.778.775.170.263.954.441.2Tmin(2V)3.63.66.11118.6283949.859.367.572.574.171.966.255.942.6Tmax/Tmin27.827.716.28.95.13.32.31.81.41.21.11.01.01.01.01.0数据分析：上表可知，液晶的水平方向视角上的对比度随着角度加大下降较慢，且在+75。内对比度均大于5。在垂直方向上的对比度随着角度角度下降较快， 且在正角度上的对比度随角度的加大减小的更为明显。在正角度上，当角度在 15以下时其对比度大于5,在30以下时大于2,对比度随角度继续增大而趋 于1;在负角度上，当角度在20以下时，其对比度大于5,在30以下时，对 比度大于2,对比度随角度继续增大而趋于1。结果与讨论：实验得出，本实验所用液晶板的阈值电压为1.3V，关断电压为1.8V，差值为0.5V。阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的 显示器件允许的驱动路数就越多。在电脑，电视等需要高分辨率的显示器件中， 常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数。 液晶的响应时间的上升时间为35ms，下降时间为40ms。液晶的响应时间越短， 显示动态图像的效果就越好，这是液晶显示器的重要指标。液晶的对比度与垂直和水平视角都有关，而且具有非对称性。在水平方向上 对比度随着视角的加大降低较慢，且实验所得对比度均大于5；在垂直方向上对 比度随着视角的加大迅速降低，且当视角大于35时，对比度小于2。我国液晶材料开发研究工作虽然从七十年代初期就已经开始，但由于受国内 LCD工业整体技术设备水平和投入资金的限制，液晶行业也一直没有被国家列入 重点科技攻关项目，研究经费严重不足和人才短缺限制了该行业的发展。到目前 为止液晶显示器件和液晶材料研究开发仍以TN型和中低档STN型为主。国内目 前中高档产品品种相对偏少，尚不能满足国内市场的需求，急待增加科研开发力 度，尤其是STN-LCD用液晶材料。参考文献： 郭春桔，夏森林，孙振等一侧链含稠环的新型聚酰亚胺液晶垂直取向剂的制备与表征-液晶与显示，2012,27 （ 1）8-13.Comprehensiveexperimentsoflighting effectsaboutLCDABSTRACT Useofliquidcrystallightswitchelecto-opticpropertiesofthecomprehensiveexperimentaldevice,liquidcrystaltoturnofftheswitch electo-opticproperties,liquidcrystaltimeresponse,lightswitchviewAng leperformancemeasurements.Andtheanalysisofitscharacteristics,un derstandtheapplicationofliquidcrystalmaterialsKEYWORDS Liquidcrystal,lightswitch,electo-opticproperties,timeresponsecharacteristics,andperspective