液晶基礎(chǔ)知識85219

1、液晶基礎(chǔ)知識1、今天我們將要討論的是關(guān)于液晶的基礎(chǔ)知識。2、我們先大致了解一下液晶分子，然后仔細研究一下使液晶工作的電特性和光特性：先講電介質(zhì)的各向異性；再談液晶對電場的響應(yīng)；之后是液晶分子的雙折射光學(xué)特性；然后是偏光鏡，最后再了解一下三種最具商業(yè)價值的工作模式：扭曲向列型、IPS、MVA。4、液晶分子有很多種，這是其中的一種。總體上講，在一個液晶面板中由是很多種液晶分子組成的混合物，提供許多附加的特性，但本質(zhì)上都是一個具有堅硬頭部和柔

2、韌尾部的長圓柱體分子。它堅硬的頭部在室溫下是結(jié)晶態(tài)，但由于那個柔韌的尾部在室溫下的擺動阻止液晶分子凝結(jié)成為固體。這種結(jié)構(gòu)賦予它與眾不同的熔融特性，它是介于晶體和液體之間的狀態(tài)。5、液晶有許多種類，這里的幾種是最主要的，近晶型、膽甾型和向列型。我們將主要的精力集中在向列型液晶上，就是右邊的這種。它是到目前為止用在顯示技術(shù)上最重要的原材料，包括扭曲向列型、IPS和MVA模式。6、向列型液晶的排列：如圖中左側(cè)的這幅圖所示：這是一個橢圓柱形的液

3、晶分子。它可以在任何方向平移，它可以如圖所示在x軸方向自由的向前或向后的橫向移動，包括紙面所示的向上和向下以及向里和向外的方向。它甚至可以在長軸方向旋轉(zhuǎn)。它在圖中y軸和z軸方向不可以自由的擺動和旋轉(zhuǎn)。它被它鄰近的分子所限制。這個分子所有的鄰近都是順著它排列的，當(dāng)它試圖在y和z方向擺動時，會撞到它的鄰居，所以受到了限制。這就是基本的模型，你所看到的這些是它的液體方面的特性。首先，它可以在任何方向平移，它可以在其中的一個方向旋轉(zhuǎn)，但在另外兩

4、個方向的旋轉(zhuǎn)被限制，這就決定了它的晶體特性，所以它是液晶，在兩者之間的混合物。7、現(xiàn)在讓我們討論一下液晶分子的電特性模型。分子在電場中通常會充電，之后被極化。在電場的影響下分子產(chǎn)生的特殊電子云分布會使分子產(chǎn)生形變。當(dāng)對分子加一個橫向的電場，它將會極化。對于各向同性的介質(zhì)，在各個方向的極化是相等的，不會考慮電場的方向性?？梢缘玫较嗤臉O化結(jié)果，所以這個極化結(jié)果在這幅圖中稱為‘P’。它是一個矢量，充電后最終得到一個對準(zhǔn)電場方向的正、負兩極。

5、有些分子可以極化，幾乎所有分子的極化在不同方向是不同的，但通常在一種液體或非晶體中，所有的分子是隨機指向任何方向的，所以總體上得到一個各向同性的結(jié)果。8、但是在晶體中可以得到各向異性的結(jié)果。在三個有效方向中可以得到其中一個方向的極化效果好于另外兩個方向。Twoofthemit’sgoingtoturnouttoaveragetogetherwe’llseethatinaminute.你能看到的是：當(dāng)電場方向平行于長軸方向時，分子的極化效

6、果非常的好；但當(dāng)電場方向平行于分子短軸方向時，它的極化效果并不是很好。這就是引起液晶許多特性的電介質(zhì)各向異性。9、它是怎樣工作的呢？當(dāng)一個液晶分子可以自由的旋轉(zhuǎn)，它有一個主要軸和兩個次要軸。分子的旋轉(zhuǎn)允許它的兩個次要軸相互平均，這就是這副圖試圖展示給你的：垂直介電常數(shù)是兩個垂直介電常數(shù)的平均值。它可以極化，并且它通常是極化的，這兩個中的一個稍微好于其它的方向。但是因為它的自由旋轉(zhuǎn)，它的平均化，使得它實際上具有兩個介電常數(shù)，這就是液晶分子

7、所具有的特性。這個階電常數(shù)是ε，或者是平行于長軸的εparallel，或者是垂直于長軸的εperpendicular。10、那么現(xiàn)在我們該怎樣做呢？首先，我們認識到這個分子在電場中會經(jīng)歷轉(zhuǎn)動，因為它在長軸方向的極化要好于其它方向。我們來看轉(zhuǎn)動是怎樣產(chǎn)生的。在這種情況下，當(dāng)這個分子稍微橫向于電場時，由于分子極化，其中一端會帶正電，并且由于庫侖力（qE）的作用，會被吸引到電場的負極方向。相反的，分子的負極一端會被吸引到電場的正極。這就會造成

8、分子的轉(zhuǎn)動。事實上，由于有兩個介電常數(shù)、兩個極化軸，將會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)動的競爭。所以會產(chǎn)生一個使長軸平行于電場方向的轉(zhuǎn)動和一個使短軸平行于電場方向的轉(zhuǎn)動，由于長軸方向極化效果更好，所以這個方向的轉(zhuǎn)動會獲勝。的。在這幅圖上部的這束光在X方向通過折射率為n1的材料；在下部是同樣的光波通過折射率為n2的材料。當(dāng)它們從折射率為n1和n2的材料中傳出，回到原來的材料中。這時你注意到了什么？如果你仔細看的話？光線通過界面時的點不同。換句話說，上下兩個波

9、形在穿過界面時的相位是不同的。這個相位的不同正是我們用在液晶方面的。我們想說的是它有一個不同的光學(xué)軌跡。也就是說，如果光學(xué)軌跡相同，則相位是相同的。我們假設(shè)在兩個波長不同的光波中，其中一個的光學(xué)軌跡長或短于另外一個，就能得到不同的相位。16、現(xiàn)在，讓我們再回頭談一下液晶分子。就像我們前面說過的，液晶分子有三個軸方向的介電常數(shù)，其中兩個的介電常數(shù)近似的相等。對于穿過液晶分子光波的波長具有同樣的原理。兩個方向的折射率是不同的，沿著長軸方向的

10、折射率要比沿著短軸方向的折射率大。就像介電常數(shù)一樣，我們將這種現(xiàn)象稱為雙折射現(xiàn)象。液晶分子具有兩個折射率，在電學(xué)領(lǐng)域我們稱為電介質(zhì)的各向異性，而在光學(xué)領(lǐng)域我們稱為雙折射。無論如何當(dāng)光波穿過時，在不同方向具有不同的速率這是液晶分子的一種自然屬性。我們將要利用這種性質(zhì)來旋轉(zhuǎn)偏振光的偏振面。17、讓我們先來了解偏振光是如何穿過一種介質(zhì)的。偏振光的意思是指光波的振動方向是沿著一個軸振動的。光波的振動分為電場分量和磁場分量，在這里我們只對它的電場

11、分量感興趣，我們僅需要注意光的這種電場特性。偏振光的振動只在一個方向，也就是僅在一個偏振面上。如果將這個偏振面注入到一種具有慢速軸和快速軸的介質(zhì)中，這個偏振面就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。我們可以將電場分量分為快速軸方向和慢速軸方向的兩個矢量。由于快速軸的競爭能力強與慢速軸，所以就會將偏振面旋轉(zhuǎn)。這副圖想要說明的是，當(dāng)光波最初進入這種介質(zhì)時，它的振動方向是－45，而當(dāng)它通過這種介質(zhì)后，它的振動方向旋轉(zhuǎn)到了＋45，當(dāng)它射出這種介質(zhì)時它的偏振面旋轉(zhuǎn)了90。

12、所以，具有快、慢兩種折射率的介質(zhì)，具有雙折射現(xiàn)象，它能夠旋轉(zhuǎn)偏振面。18、現(xiàn)在讓我們了解一下白色隨機偏振光。從白熾燈泡或者其他光源發(fā)出的光波都是在所有方向振動，具有所有方向的偏振角度。我們需要使用的僅是其中的一個偏振角度。我們可以用偏光片使在所有方向振動的光波變?yōu)橹辉谝粋€方向振動的偏振光?，F(xiàn)在我們看一下偏光片的效果。偏光片僅能通過一個振動方向的光，換句話說，它會讓一個振動方向的光波通過而吸收與它的振動方向垂直的光波。19、換句話說，線性

13、偏光片會讓在一個方向振動的光通過而吸收與它的振動方向成90的光波?？梢詫⑷我夥较蛘駝拥墓獠ǚ譃槠叫泻痛怪庇谄穹较虻膬蓚€分量，平行分量會通過偏光片而垂直分量會被偏光片吸收。這幅圖中所展示的就是相對偏光片偏振方向來說是不同振幅不同振動方向的光波通過偏光片后只有平行于偏光方向的分量通過。理論上會有50％的光通過而有50％的光被吸收。但實際上，只有接近42％的光透過。對于LCD，我們首先需要做的，是由一個背光系統(tǒng)產(chǎn)生白光，讓這些白光通過偏光片

14、，會有50％以上的光被吸收。20、用這種方法我們就可以制作一個顯示器了：我們要有一個在所有方向振動的白色光源，讓它通過一個線性偏光片后變成僅在一個方向振動的線性偏振光。這種線形偏振光是將自然光變?yōu)榫€形偏振光的。在這種光波中，少于初始值50％的光波通過偏光片。之后進入一種具有雙折射性質(zhì)的介質(zhì)中。這種介質(zhì)具有慢速軸和快速軸。當(dāng)光波進入這種介質(zhì)后，會有沿著慢速軸方向的分量和沿著快速軸方向的分量。當(dāng)光波穿過這種介質(zhì)后，我們就會看到前面講過的偏振

15、面的旋轉(zhuǎn)。光波在進入介質(zhì)前的偏振面是線形偏光片的方向，但由于液晶這種具有雙折射性質(zhì)的作用，當(dāng)它射出液晶層之前它的偏振面方向已經(jīng)被液晶旋轉(zhuǎn)了一定的角度。這時，如果液晶層的另外一端有一個在光學(xué)上稱之為檢偏片的偏光片，光波的一部分就會被吸收。同樣也可以將光波分為兩個相互垂直的分量，一個分量平行于檢偏片的方向，另外一個分量垂直于它。當(dāng)然，垂直于檢偏片方向的分量會被吸收，而另外一個分量通過了檢偏片。由此我們得到了通過第二個偏光片的光波，這個光波的