平板显示技术课件.PPT3

,*,第,3,章 液晶显示,3-1,液晶显示的发展与特点,1,液晶显示的发展过程,1888,年 奥地利植物学家莱尼茨尔,F.,Reinitzer,发现液晶现象,188,年 德国物理学家莱曼,O.Lehman,观察到同样的现象,世纪年代合成出多种液晶,年代研究液晶的物理特性,年代美国科学家海尔梅尔,eilmeir,发现,年代美国和日本用做手表和计算器,8,年代初,LCD,的应用前景依旧不明朗,.,1983年,STN-LCD,并了有源矩阵,LCD,走出低谷,.,80,年代末,90,年代初,AM-LCD,采用了,-,SiTFT,结构,1,液晶显示的应用,2,液晶显示器件的特点,:,液晶显示器件的优点,(1),低压、微功耗,(2),平板结构,(3),被动显示型,(4),显示信息量大,(7),无辐射、无污染,(5),易于彩色化,(6),长寿命,液晶显示器件的缺点,(1),显示视角小,(2),响应速度慢,3,4,图,3-2,液晶物质的相态变化,T,1,T,2,晶体,液晶相,各相同性的液体,5,3.2,热致液晶,T,1,T,2,晶体,液晶相,各相同性的液体,T,1,晶体,各向同性液体,液晶相,T,2,6,S,型、,N,型、,CH,型液晶,的分子排列,7,(1),近晶相液晶,(,S,型),图,3-4,近晶,S,A,、S,B,、S,C,相分子排列示意图,8,预习思考题：,1,、,液晶的光学各向异性,是如何描述的？,2,、液晶的那些光学特性对液晶显示器的设计特别有用？,9,(3),胆甾相液晶,(,CH,型),胆甾相液晶这种特殊的分子排列方式，使其具有一系列特殊的性质：,不同于上述两种液晶材料，它是呈负性的单轴光学特性，,光轴与分子层垂直，沿该轴向的折射率很小；,它的旋光性很强达每毫米几万度，远高于石英晶体,；,它的螺距极易受外力而改变，故可用调节螺距的方法对,外界光进行调制,当入射光与光轴成,角度照射时，由布拉格干涉方程,由于胆甾相液晶分子的螺旋排列还使其在特定波长,范围内具有圆偏振二向色，,10,图,3-5,向列相液晶分子长轴在直角坐标系中的取向位置,1,有序参量,11,正性液晶和负性液晶在电场作用下分子的行为,2,液晶的各向异性,(a),图3-6,Np,与,Nn,液晶在电场作用下分子的行为,12,液晶中的三种形变,13,14,式中：,k,1l,展曲弹性系数；,k,12,扭曲弹性系数；,k,33,弯曲弹性系数。,15,预习思考题,:,1、,液晶的电光特性,如何？根据液晶的电光特性可导出那些物理量？,2,、液晶显示器与液晶材料参数之间有何关系？,16,3-3,液晶的光学特性,1,光的偏振和晶体光学简介,1.1,光是一种电磁波,图3-8,平面简谐电磁波,1.2,自然光和偏振光,17,1.3,光在晶体中的传播,1.3.1,晶体的双折射现象,晶体分类,：,（,1,）,三个主介电常数相等，即,x,= ,y,= ,z,，,这类晶体是光学各向同性；,（,2,）有二个主介电常数相等，例如,x,= ,y, ,z,称这类晶体为单轴晶体，如石英、红宝石等。大部分液晶材料具有单轴晶体的光学特性；,（,3,）对应,x, ,y, ,z,的情况，一般有两个光轴方向，称为双轴晶体，如云母、蓝宝石。,少量液晶具有双轴晶体光学特性。,18,1.3.2,单轴晶体中光的传播,(,n,2,-,n,2,o,)(,n,2,o,sin,2,+,n,2,e,cos,2,),n,2,-,n,2,o,n,2,e, = 0,1.4,晶体光学性质的几何表示,1.4.1,折射率椭球,19,1.4.2,单轴晶体光学特性的几何表示,图3-10,单轴晶体的折射率椭球截面,20,2,液晶的双折射特性和光学性质,a）,向列和近晶液晶,b),胆甾液晶,（光学正液晶） （光学负液晶）,图,3-11,单轴性液晶折射率的各向异性,21,液晶的三大光学特性,:,由于液晶呈单轴的光学各向异性，因此具有以下特别有用的光学特性：, 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴,(,即指向矢,n),方向偏转；, 能改变入射光的偏振状态,(,线偏振、圆偏振、椭圆偏振,),或偏振的方向；, 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者透射。,22,图3-12,射入液晶光线的前进方向,23,由于,n,/,n,，,所以液晶中光速合成方向与液晶分子长轴的夹角变小，即进入液晶后，光线向液晶分子长轴方向靠拢。,24,对第条特点的解释：,图3-13,入射直线偏振光在液晶中偏振光,状态和偏振光方向的变化,自然光和部分偏振光,25,当 时,26,图3-14,偏振光方向沿液晶分,子扭曲排列时的转动,27,3,液晶显示器的主要性能参量,3.1,电光特性,图3-16 液晶的电光特性曲线,28,阈值电压 ：它是引起最大透光强度的,10(,负型,)或90(,正型,),的外电压值,饱和电压 ：,它对应于最大透光度90(负型）或,10%,（正型）处的外加电压,。,对比度,=,陡度和比陡度定义：,29,电光响应曲线：,图3-,17,电光响应曲线,30,TN、DS,等液晶分子排列的螺距,P,比盒厚,d,大得多,对于相变,(,PC),型液晶器件，分子排列螺距小于盒厚,d,，,31, 对比度与视角,图3-17,对比度和视角的关系,32,3-4,液晶材料的结构及其性质,1,液晶显示器件对液晶材料的要求,1.1,在使用和储存的温度环境下都表现为液晶相,1.2,具有优良的化学稳定性、光化学稳定性及热稳定性，使用寿命长,1.3,粘度低，具有优良的响应特性,1.4,介电各向异性大，适于低电压工作,1.5,双折射率大小适合于显示对比度的增加,1.6,弹性模量均衡，适合于多路传输驱动,1.7,分子排列有序度高,33,2,热致液晶的分子结构,2.1,液晶相化合物分子结构必须满足的要求,（,1,） 液晶分子的几何形状应该是各向相异的，分子的长径比,(,LD),必须大于,4,；,（,2,） 液晶分子长轴应该不易弯曲，要有一定的刚性；因而常在分子的中央引进双键或叁键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构，或者分子保持反式结构，以获得线状结构；,（,3,） 分子末端含有极性或可极化的基团。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。,2.2,热致液晶的分子结构,34,3,液晶分子结构和液晶物理性质的关系,3.1,介电各向异,(,),大小、正负与 、 、 、,T,和,S,均有关系,3.2,导电各向异性,液晶电导各向异性可以用 来描述。在向列液晶中离子沿分子轴方向的运动比垂直于分子轴方向运动要容易得多，所以向列液晶总有 。在近晶液晶中，离子运动在分子层隙间比较容易，所以,35,3.3,粘度与分子结构的关系,液晶分子结构对粘度的影响有下列几点：, 中心基团不同粘度明显不同，比较西夫硷、酯类、联苯三类液晶可知，联苯类液晶粘度最小，酯类液晶粘度最大；, 随着端基碳链增长，分子间相互结合程度和作用力增加，导致粘度增加；, 因环己烷不含电子体系，极化度小，所以该类液晶的粘度比结构相似的芳环类液晶粘度要低，前者在室温下粘度都小于,0.02,Pas；,对于嘧啶类液晶，氢化环的数目和位置对液晶粘度影响强烈。,36,3.4,双折射与分子结构的关系,折射率受液晶分子结构的影响,:,中心桥键,电子体系,极化度,37,3.5,弹性系数与分子结构的关系, 液晶分子侧向引进其他基团，使液晶变宽， 值增加，但 变化不大，结果是 下降。总之，能增加液晶刚性的因素大都能使 下降。例如用苯环代替易弯曲的丁基，便产生这种效果；, 末端烷基链长增加，会使分子间滑动变得困难，于是 降低；, 用环己烷、环辛烷、双环已烷代替液晶分子中的苯环，均导致 增加；, 含有氰基,(,CN),的液晶材料， 较小。,38,3.6,有序参量,S,与液晶结构的关系,3.7,液晶材料的物理性质和显示技术之间的关系,图3-,18,液晶显示器件与液晶,材料参数之间的关系,39,4,实用液晶材料简介,显示方式,液晶用途,液晶参数,T,N-1,(,o,C),n,V,th,(V),通用液晶,60,O.12,O.15,60,O.12,O.15,1，5,宽温度范围液晶,90,O.08,O.16,1.1,2.5,STN,低占空比液晶,80,O.12,O.15,2.1,高占空比液晶,85,O.12,O.15,2.1,AM,低电压使用,90,O.07,O.10,100,O.07,O.10,2.O,40,4.1,TN,显示用液晶材料,目前使用的是以稳定性好、电光性能好和色泽洁白的苯脂类、氰基联苯类、苯基环己烷类化合物为主,如:,氰基联苯，苯甲酸酯，环己基羧酸酯。,宽温度范围,TN,显示用液晶材料需用：苯基环己烷，二苯基环己烷以及环己基二苯基环己烷，进行调制。前一种材料粘度低，而后两种材料清凉点高。,41,4.2,STN,显示用液晶材料,用于调制,STN,显示用液晶为下列几种材料：, 含有两个或三个环的苯基环己烷类、乙烷类液晶，如苯基环己烷；二苯基环己烷；环己基二苯基环己烷；环己基羧酸脂；乙烷类液晶。, 嘧啶类、炔类液晶：间二氮杂苯系；炔类液晶, 含氟链烯基液晶。,STN,显示用液晶材料的特性参数一般在下列范围内：,= 1.52.2, = 0.50.6,，,mm,2,s,1,， 100 ，,42,4.3,AM,显示用液晶材料,AM,显示除了要求液晶材料具有超低粘度外，还要求有高电阻率、高电荷保持率等特性。许多含氟或多氟液晶材料可满足上述要求。,4.4,胆甾型液晶材料,胆甾液晶材料可分为两大类： （,1,）有胆甾环的胆甾型液晶,（,2）无胆甾环的胆甾型液晶,43,预习思考题：,1,、液晶显示器件的基本结构有那些？,2,、液晶分子排列取向的作用是什么？有几种取向的处理方法？,44,思考与练习题,3-1,胆甾相液晶有何特殊性质,?,3-2,有序参量与哪些因素有光？,3-6,液晶呈单轴的光学各向异性，其三大光学特性的内容是什么？谈谈你对其重要性的理解。,3-4,液晶的响应时间与哪些因素有关,?,如何缩短响应时间,以适应液晶显示对动画图像显示的要求,?,3-5,液晶显示器件设计的光学依据是什么？,3-3,阐,明 ， ， 的物理含义并设计出测试这些物理量的实验装置。,3-7,对照图,3-18,详释液晶显示器件的参量与液晶材料的物理参数之间的关系,?,3-8,什么叫铁电液晶？它有何特点？为什么铁电液晶的响应速度比向列液晶快？,3-9,阻碍铁电液晶显示器大规模生产的瓶颈是什么,?,3-10,铁电液晶有何特点？它的反映速度为何更快？分子转动的速度与哪些因素有关？,，,45,