液晶基礎(chǔ)知識(shí)85219

1、液晶基礎(chǔ)知識(shí)1、今天我們將要討論的是關(guān)于液晶的基礎(chǔ)知識(shí)。2、我們先大致了解一下液晶分子，然后仔細(xì)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(duì)電場(chǎng)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(jià)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?？傮w上講，在一個(gè)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(gè)具有堅(jiān)硬頭部和柔

2、韌尾部的長(zhǎng)圓柱體分子。它堅(jiān)硬的頭部在室溫下是結(jié)晶態(tài)，但由于那個(gè)柔韌的尾部在室溫下的擺動(dòng)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(gè)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(dòng)，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(zhǎng)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(dòng)和旋轉(zhuǎn)。它被它鄰近的分子所限制。這個(gè)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(dòng)時(shí)，會(huì)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(gè)方向旋轉(zhuǎn)，但在另外兩

4、個(gè)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(chǎng)中通常會(huì)充電，之后被極化。在電場(chǎng)的影響下分子產(chǎn)生的特殊電子云分布會(huì)使分子產(chǎn)生形變。當(dāng)對(duì)分子加一個(gè)橫向的電場(chǎng)，它將會(huì)極化。對(duì)于各向同性的介質(zhì)，在各個(gè)方向的極化是相等的，不會(huì)考慮電場(chǎng)的方向性。可以得到相同的極化結(jié)果，所以這個(gè)極化結(jié)果在這幅圖中稱為‘P’。它是一個(gè)矢量，充電后最終得到一個(gè)對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)方向的正、負(fù)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(jī)指向任何方向的，所以總體上得到一個(gè)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(gè)有效方向中可以得到其中一個(gè)方向的極化效果好于另外兩個(gè)方向。Twoofthemit’sgoingtoturnouttoaveragetogetherwe’llseethatinaminute.你能看到的是：當(dāng)電場(chǎng)方向平行于長(zhǎng)軸方向時(shí)，分子的極化效

6、果非常的好；但當(dāng)電場(chǎng)方向平行于分子短軸方向時(shí)，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(gè)液晶分子可以自由的旋轉(zhuǎn)，它有一個(gè)主要軸和兩個(gè)次要軸。分子的旋轉(zhuǎn)允許它的兩個(gè)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(gè)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(gè)中的一個(gè)稍微好于其它的方向。但是因?yàn)樗淖杂尚D(zhuǎn)，它的平均化，使得它實(shí)際上具有兩個(gè)介電常數(shù)，這就是液晶分子

7、所具有的特性。這個(gè)階電常數(shù)是ε，或者是平行于長(zhǎng)軸的εparallel，或者是垂直于長(zhǎng)軸的εperpendicular。10、那么現(xiàn)在我們?cè)撛鯓幼瞿?？首先，我們認(rèn)識(shí)到這個(gè)分子在電場(chǎng)中會(huì)經(jīng)歷轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)樗陂L(zhǎng)軸方向的極化要好于其它方向。我們來(lái)看轉(zhuǎn)動(dòng)是怎樣產(chǎn)生的。在這種情況下，當(dāng)這個(gè)分子稍微橫向于電場(chǎng)時(shí)，由于分子極化，其中一端會(huì)帶正電，并且由于庫(kù)侖力（qE）的作用，會(huì)被吸引到電場(chǎng)的負(fù)極方向。相反的，分子的負(fù)極一端會(huì)被吸引到電場(chǎng)的正極。這就會(huì)造成

8、分子的轉(zhuǎn)動(dòng)。事實(shí)上，由于有兩個(gè)介電常數(shù)、兩個(gè)極化軸，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)。所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)使長(zhǎng)軸平行于電場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)使短軸平行于電場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于長(zhǎng)軸方向極化效果更好，所以這個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)獲勝。的。在這幅圖上部的這束光在X方向通過(guò)折射率為n1的材料；在下部是同樣的光波通過(guò)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(lái)的材料中。這時(shí)你注意到了什么？如果你仔細(xì)看的話？光線通過(guò)界面時(shí)的點(diǎn)不同。換句話說(shuō)，上下兩個(gè)波

9、形在穿過(guò)界面時(shí)的相位是不同的。這個(gè)相位的不同正是我們用在液晶方面的。我們想說(shuō)的是它有一個(gè)不同的光學(xué)軌跡。也就是說(shuō)，如果光學(xué)軌跡相同，則相位是相同的。我們假設(shè)在兩個(gè)波長(zhǎng)不同的光波中，其中一個(gè)的光學(xué)軌跡長(zhǎng)或短于另外一個(gè)，就能得到不同的相位。16、現(xiàn)在，讓我們?cè)倩仡^談一下液晶分子。就像我們前面說(shuō)過(guò)的，液晶分子有三個(gè)軸方向的介電常數(shù)，其中兩個(gè)的介電常數(shù)近似的相等。對(duì)于穿過(guò)液晶分子光波的波長(zhǎng)具有同樣的原理。兩個(gè)方向的折射率是不同的，沿著長(zhǎng)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(gè)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(wú)論如何當(dāng)光波穿過(guò)時(shí)，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(lái)旋轉(zhuǎn)偏振光的偏振面。17、讓我們先來(lái)了解偏振光是如何穿過(guò)一種介質(zhì)的。偏振光的意思是指光波的振動(dòng)方向是沿著一個(gè)軸振動(dòng)的。光波的振動(dòng)分為電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，在這里我們只對(duì)它的電場(chǎng)

11、分量感興趣，我們僅需要注意光的這種電場(chǎng)特性。偏振光的振動(dòng)只在一個(gè)方向，也就是僅在一個(gè)偏振面上。如果將這個(gè)偏振面注入到一種具有慢速軸和快速軸的介質(zhì)中，這個(gè)偏振面就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。我們可以將電場(chǎng)分量分為快速軸方向和慢速軸方向的兩個(gè)矢量。由于快速軸的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)與慢速軸，所以就會(huì)將偏振面旋轉(zhuǎn)。這副圖想要說(shuō)明的是，當(dāng)光波最初進(jìn)入這種介質(zhì)時(shí)，它的振動(dòng)方向是－45，而當(dāng)它通過(guò)這種介質(zhì)后，它的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)到了＋45，當(dāng)它射出這種介質(zhì)時(shí)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(jī)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(dòng)，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(gè)偏振角度。我們可以用偏光片使在所有方向振動(dòng)的光波變?yōu)橹辉谝粋€(gè)方向振動(dòng)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(guò)一個(gè)振動(dòng)方向的光，換句話說(shuō)，它會(huì)讓一個(gè)振動(dòng)方向的光波通過(guò)而吸收與它的振動(dòng)方向垂直的光波。19、換句話說(shuō)，線性

13、偏光片會(huì)讓在一個(gè)方向振動(dòng)的光通過(guò)而吸收與它的振動(dòng)方向成90的光波。可以將任意方向振動(dòng)的光波分為平行和垂直于偏振方向的兩個(gè)分量，平行分量會(huì)通過(guò)偏光片而垂直分量會(huì)被偏光片吸收。這幅圖中所展示的就是相對(duì)偏光片偏振方向來(lái)說(shuō)是不同振幅不同振動(dòng)方向的光波通過(guò)偏光片后只有平行于偏光方向的分量通過(guò)。理論上會(huì)有50％的光通過(guò)而有50％的光被吸收。但實(shí)際上，只有接近42％的光透過(guò)。對(duì)于LCD，我們首先需要做的，是由一個(gè)背光系統(tǒng)產(chǎn)生白光，讓這些白光通過(guò)偏光片

14、，會(huì)有50％以上的光被吸收。20、用這種方法我們就可以制作一個(gè)顯示器了：我們要有一個(gè)在所有方向振動(dòng)的白色光源，讓它通過(guò)一個(gè)線性偏光片后變成僅在一個(gè)方向振動(dòng)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(guò)偏光片。之后進(jìn)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(jìn)入這種介質(zhì)后，會(huì)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(guò)這種介質(zhì)后，我們就會(huì)看到前面講過(guò)的偏振

15、面的旋轉(zhuǎn)。光波在進(jìn)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(shí)，如果液晶層的另外一端有一個(gè)在光學(xué)上稱之為檢偏片的偏光片，光波的一部分就會(huì)被吸收。同樣也可以將光波分為兩個(gè)相互垂直的分量，一個(gè)分量平行于檢偏片的方向，另外一個(gè)分量垂直于它。當(dāng)然，垂直于檢偏片方向的分量會(huì)被吸收，而另外一個(gè)分量通過(guò)了檢偏片。由此我們得到了通過(guò)第二個(gè)偏光片的光波，這個(gè)光波的