光电子技术学课件之十七： ——液晶显示 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华

§6.2 液晶显示 一、液晶发展史 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F. Reinitzer）于1888年发现的，他在测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体．

1889年，德国物理学家莱曼（O. Lehmann）使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性．于是莱曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。

液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

二、液态晶体的类别 随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶物质基本上都是有机化合物，现有的有机化合物中每200种中就有一种具有液晶相． 从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。

把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶，就是如前面所说由于温度变化而出现的液晶相． 把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等． 目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶，而生物系统中则存在大量溶致液晶．目前发现的液晶物质已有近万种．构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在每种液晶相中形成特殊排列．

由杆形分子形成的液晶（热致液晶），其液晶相共有三大类： 近晶相液晶（Smectic liquid crystals）、 向列相液晶（Nematic liquid crystals）、 胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals）．

Smectic由希腊语而来，是肥皂状之意，因这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中，都显示特有的偏光显微镜像，因而命名为皂相．分子分层排列，有同一方向，比较接近晶体，故译近晶相． Nematic也是由希腊语而来，是丝状之意，因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观察时，呈现丝状型织构，故称之为丝相．分子位置杂乱，但方向大致一致，故译向列相． 胆甾相液晶则是由于此种液晶最早是从胆甾醇类物质中发现的，故称之为胆甾相．

作为显示技术应用的液晶都是热致液晶 低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。

近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals) 分子呈二维有序性，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一平面内，其方向可以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外界电、磁、温度等的变化不敏感。

向列相液晶(Nematic Liquid Crystals) 分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器件的主要材料。

胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个名字的来源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生成的，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相．如图所示，如果把这种液晶一层一层分开来看，很像线状液晶．但是在Z轴方向来看，会发现它的指向矢随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch．正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫做Chiral nematic phase．以胆固醇液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此造就了不同的特性．

一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相易受外力的影响，特别对温度敏感，温度能引起螺距改变，而它的反射光波长与螺距有关，因此，胆甾相液晶随冷热而改变颜色。

三、 液晶的光电特性 由于液晶分子的结构为异方性(Anisotropic)，所以引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，也就是液晶分子在介电系数及折射系数等光电特性都具有异方性，因而可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶，应用于显示器组件上。 利用传统的晶体光学理论可以描述光在液晶中的传播。

1、电场中液晶分子的取向 液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n称为指向矢量，设 和 分别为当电场与指向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。 定义介电各向异性△ε： △ε＞0的液晶称为P型液晶 △ε＜0的液晶称为N型液晶

在外电场作用下—— P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向 N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向 目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。

2、线偏振光在向列液晶中的传播

随着光线沿着z方向前进，偏振光相继成为椭圆、圆和线偏振光，同时改变了线偏振方向。最后，这束光将以位相差所决定的偏振状态，进入空气中。

3、线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 把液晶盒的两个内表面作沿面排列处理并使盒表面上的向列相液晶分子方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90º扭曲，即构成扭曲向列液晶，光波波长λ<<P（螺距）。 当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出，当以其它方向的线偏振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的位相差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。

四、液晶显示（LCD） 液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display）是利用液态晶体的光学各向异性特性,在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。 1968年出现了液晶显示装置。将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像．

在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如下图左）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果．

液晶显示器主要有以下特点： （1）液晶显示器件是厚度仅数毫米的薄形器件，非常适合于便携式电子装置的显示。 （2）工作电压低，仅数伏,用CMOS电路直接驱动，电子线路小型化。 （3）功耗低，显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦, 采用背光源也仅10mW/cm2左右，可用电池长时间供电。 （4）采用彩色滤色器，LCD易于实现彩色显示。 （5）现在的液晶显示器显示质量已经可以赶上，有些方面甚至超过CRT的显示质量。

液晶显示器也有一些缺点： （1）高质量液晶显示器的成本较高，但是目前呈现明显的下降趋势。 （2）显示视角小，对比度受视角影响较大，现在已找到多种解决方法，视角接近CRT的水平，但仅限于档次较高的彩色LCD显示。 （3）液晶的响应受环境影响，低温时响应速度较慢。

五、扭曲向列型液晶显示（TN-LCD） 1. 工作原理

2. TN-LCD的电光特性 阈值电压Vth——透射率为器件最大透射率的90%（常白型）或10%（常黑型）所对应的电压有效值，Vth是和液晶材料有关的参数，对于TN-LCD，大约在1—2V之间。 饱和电压Vsat——透射率为器件最大透射率的10%（常白型）或90%（常黑型）所对应的电压有效值。

LCD的对比度是在恒定环境照明条件下显示部分亮态与暗态的亮度之比，由于偏离显示板法线方向不同角度入射到液晶盒的光，遇到不同的液晶分子排列形态，造成有效光学延迟量的不同；因此不同视角下对比度就不同，甚至可能出现暗态的透射率超过亮态透射率的情况，即出现对比度反转。 液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：延迟时间，定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间；上升时间，定义为透光率从10%增加到90%所用的时间；下降时间，定义为透光率从90%下降到10%所用的时间。目前普通TN-LCD的响应时间在80ms左右。

3. TN-LCD的驱动 LCD的驱动有如下一些特点： （1）为防止施加直流电压使液晶材料发生电化学反应从而造成性能不可逆的劣化，缩短使用寿命，必须用交流驱动，同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分； （2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关； （3）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。

TN-LCD液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。 静态驱动——在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量不多的段式显示。

矩阵寻址驱动——TN-LCD的矩阵寻址驱动实际上是一种简单矩阵（或无源矩阵）驱动方式，即把TN-LCD的上下基板上的ITO电极做成条状图形，并互相正交，行、列电极交叉点为显示单元，称为像素。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，即扫描电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍，就显示出一帧信息，若行电极数为N，每一行选通的时间只有一帧时间的1/N，称1/N为该矩阵寻址的占空比，占空比越小，每行在一帧时间内实际显示的时间所占的比例越小。

TN-LCD简单矩阵驱动的问题：交叉效应随矩阵列、行数增加而增加，它使图像对比度降低，图像质量变差。采用偏压法可以减小交叉效应的影响。