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第3章 液晶显示器件（LCD） §3 液晶显示器件（LCD） 什么是液晶？ 液晶的发现 液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始深解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？ 他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。 于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。 液晶态是物质的一种形态 液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。 液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。 3.1、液晶基本知识 1. 互变相变（可逆相变） 2. 单变相变 液晶分类（按热致液晶分子排列状态） 向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶 向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。 近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。 胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 3.2、液晶的光电特性 （1）液晶的各向异性 P型液晶 （Δε0）正介电各向异性液晶 N型液晶（Δε0）负介电各向异性液晶 外场作用下的取向 在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，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。 目前液晶显示器主要应用P型液晶。 使液晶分子排列发生变化的临界电场强度为 式中 为弹性常数，d为液晶盒的厚度。当液晶分子沿液晶合玻璃表面排列时， ；当液晶分子垂直于玻璃表面时， ；而当液晶分子扭曲排列时， 。 换算为电压 即阈值电压 （2）液晶的双折射 以P型为例，长轴为光轴 向列液晶有 ，所以Δn0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。 胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为： 液晶器件所基于的三种光学特性 由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性： 1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转； 2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化； 3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。 液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。 （3）液晶的电光效应 液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。 液晶的电光效应分类 3.3、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件（1968年～1972年） 在不通电的情况下，液晶盒呈透明状态。 当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Uth时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴（Williams）”，继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和扰动，并对光产生强烈的散射。 DS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大，一般在背面衬以黑色衬底。. 3.4、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年～1984年） 属第二代液晶显示器件。它是最常见的一种液晶显示器件。 将两块涂有导电透明电极氧化锢锡In2O3-SnO2（简称ITO）薄膜的玻璃板中间夹有介电各向异性为正的向列相液晶，厚度约为数微米。 玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。 由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，