1、汕头大学硕士学位论文I 目 录目 录 摘 要 Abstract 第 1 章 绪论1 1.1 液晶基础知识1 1.1.1 液晶的基本概念1 1.1.2 液晶显示器件（LCD）2 1.2 液晶的光学性质3 1.2.1 液晶的双折射现象3 1.2.2 液晶的温度与光学性质61.2.3 夹在两偏振片之间的液晶7第 2 章 液晶显示器件的电光效应9 2.1 液晶显示器件的阈值电压及饱和电压9 2.2 液晶显示器件的响应时间11 2.3 液晶显示器件的工作模式13 2.3.1 TN-LCD（扭曲向列型液晶显示器）13 2.3.2 STN-LCD（超扭曲向列型液晶显示器）142.3.3 TFT-LCD（薄膜
2、晶体管液晶显示器） 17第 3 章 温度对液晶光阀电光特性的影响193.1 环境温度对液晶显示器件电光特性的影响19 3.2 液晶光阀的工作原理20 3.3 环境温度对液晶光阀电光特性的影响21 3.3.1 环境温度对液晶光阀阈值电压与饱和电压的影响21 3.3.2 环境温度对液晶光阀响应时间的影响27 第 4 章 不同驱动方式下液晶光阀的电光特性研究32 4.1 频率驱动下液晶光阀的电光特性32 4.1.1 频率驱动下液晶光阀的阈值电压和饱和电压的研究32 4.1.2 频率驱动下液晶光阀响应时间的研究36 4.2 电压驱动下液晶光阀的电光特性38汕头大学硕士学位论文II 4.2.1 实验仪器
3、38 4.2.2 实验结果40 第 5 章 结论43 参考文献45 致谢47 攻读硕士期间完成和发表的论文48 汕头大学硕士学位论文III 摘 要液晶具有介电各向异性和电导各向异性，外加电场或磁场使液晶分子排列发生变化，即外场改变了液晶分子的指向矢方向，从而可以对光进行调制，液晶显示器件(LCD)就是利用液晶的这种特性而研制的。它具有功耗低，光学特性好，寿命长等优点，但是，它也有着严重的缺点：温度特性不好。由于液晶材料的物理特性受温度的影响非常大,液晶在极冷的情况下会渐渐成为真正的晶体,而在过热的情况下又会成为各向同性物质或纯液体使得液晶显示器件在高温下显示的字符或图形与其衬底产生失真，衬底也
4、变黑，清晰度下降；而在低温时其显示又滞后，也影响了清晰度。因此环境温度的变化对液晶显示器件的影响非常大。本文主要研究了环境温度对液晶光阀特殊电光特性的影响，同时还研究了频率驱动下及电压驱动下液晶光阀的电光特性。研究发现，液晶光阀的阈值电压和饱和电压均是温度的函数，随着温度的升高阈值电压和饱和电压均降低，这是由于在较低的温度下，液晶材料变得粘稠，分子的运动需要更多的能量，液晶在与常温同样的电压影响下很难进行物理旋转，所以提高液晶光阀的驱动电压，可以加速液晶分子的运动，使其达到显示效果；陡度因子也是随着温度的变化而变化的,温度升高，陡度因子增大,陡度因子越大表示液晶光阀显示的信息量越小。当温度下降
5、时，液晶光阀的响应时间增长，而且下降时间 tf要比上升时间 tr变化的缓慢一些，0或以下温度时，图像已出现拖影现象；在-15以下温度时所显示的画面不再能为观看者所接受。解决液晶显示器件在低温下启动并工作的途径一般是改善液晶的工作温度氛围,即在液晶显示器件周围营造一个小的温度场,不管在什么样的低温条件下,总是给其提供一个适当的小温度环境,使液晶能正常地工作。研究还发现，阈值电压和饱和电压均随频率的增大而增大，且其陡度因子在 100Hz时达到最小。而频率对液晶光阀的响应时间影响不大，但频率过低或过高都会影响液晶器件的显示特性，因此通常情况下液晶显示器件的驱动频率为 100Hz。本论文的结论为液晶显
6、示器件在环境温度变化较大的条件下使用并提高其显示稳定性和显示信息容量提供依据,具有实际应用价值。关键词：液晶光阀 电光特性 温度 频率 电压汕头大学硕士学位论文IV AbstractLiquid crystal is the dielectric anisotropy and conductance anisotropy. External electric field or magnetic field makes liquid crystal molecules change, so is optical modulated. Liquid Crystal Display (LCD) is
7、 the use of these characteristics and developed. It has low power consumption, good optical properties, longevity advantages, but it also has serious disadvantage: not good temperature characteristics. As the liquid crystal material， s physical properties affected by the temperature is very great. L
8、iquid crystal in a very cold situation will gradually become a genuine crystal in the case of overheating will be isotropic material or pure liquid. This make the characters or graphics distortion with the substrate in a high temperature, the substrate is black, clarity declined; while at low temper
9、ature lags behind its shows, it will also affect its clarity. Thus environmental temperature affects the LCD very great. The paper studies of the environmental temperature effects LCLV special electro-optical properties. Also research electro-optical properties of LCLV driven by the frequency and vo
10、ltage. Study found that the threshold voltage and saturation voltage of LCLV are a function of temperature. With the rise of temperature threshold voltage and saturation voltage are reduced. This is due to in the lower temperature liquid crystal materials become viscosity, molecular movement needs m
11、ore energy, liquid crystal with the same voltage at room temperature is difficult to rotate. So increased the actuation voltage, the liquid crystal molecules can accelerate the campaign to reach the display. Steepness factor also change with the temperature. The higher is the temperature, the greate
12、r is the steepness factor. The greater is the steepness factor, the smaller amount LCLV display. When the temperature drops, the response time of LCLV grow. And the change of falling time tf is slower than the rising time tr. At 0 or lower, the image begin to delay, and below -15 the image is not ac
13、cepted. 汕头大学硕士学位论文V The way that starts the LCD at low temperature is improve the LCD temperature atmosphere, which create a small temperature field around the LCD, no matter what kind of low-temperature conditions, always provide an appropriate small temperature environment in which the LCD can nor
14、mally work. The study also found that the threshold voltage and the saturation voltage are raised when the frequency increases, and its steepness factor in the 100Hz achieve minimum. But the frequency of LCLV affect the response time little. However, the frequency is too low or too high will affect
15、the display of the LCD, so under normal circumstances LCD driver frequency is 100Hz. The conclusions of the paper provide a basis for using and enhancing its stability and display information capacity under the condition that the environmental temperature is greatly changed, which have practical val
16、ue. Key word: liquid crystal vale, electro-optical properties, temperature, frequency, voltage.汕头大学硕士学位论文VI 第 1 章 绪论1.1 液晶基础知识1.1.1 液晶的基本概念液晶用于显示是近几十年的事，但是液晶的发现已经 100 多年了 1。液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer）发现的，他在测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸酯和醋酸酯）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，当继续加热到某一温度就会变成透明清亮的液体。188
17、8 年，他把他的研究发现和自己的观点写成论文发表在化学杂志上。因此国际上把发现液晶的时间定为 1888 年。第二年，德国物理学家莱曼（O.Lehmann）使用由他亲自设计，在当时是最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些化合物进行了观察。他发现这类白而浑浊的液体外观上虽属于液体，但是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 2。液晶一般可以分为两大类：溶致液晶和热致液晶。有些有机物溶解于各向同性的液体内，在一定范围内能够得到液晶相，这样获得的液晶相就叫溶致液晶。典型的就是浓肥皂液。溶致液晶主要与生命活动有关，因此其研究往往与生物学研究联系在一起。
18、在光电子技术尤其是显示器件方面用到的都是热致液晶，这是一类能够在某一温度范围表现出液晶性质的材料。液晶分子的排列状态按对称性分为三大类：向列型（nematic）液晶、胆甾型（cholesteric）液晶 、近晶型（smectic）液晶。然后在这三大类之下，根据结构的特点，又可以进行细分。所以液晶家族是很庞大的，至今人们合成的液晶已达几千上万种。但能够用于显示的很少，主要是向列型液晶和一些胆甾型液晶。显示用的液晶都是一些有机化合物，其分子为棒状，就象“香烟”一样。分子的长度约为直径的 4-8 倍，分子量一般在 200-500 范围内。常见的液晶分子具有两个特点：第一、分子是细长的；第二、分子是刚
19、性的。液晶分子的物理模型就是依据这个特点建立的。绝大多数的液晶材料分子都满足这两个条件。汕头大学硕士学位论文2 1.1.2 液晶显示器件（LCD）液晶显示器件是利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界的条件的变化在一定条件下转换成可视信号的器件。现在液晶显示器件已经是一个庞大的集体，就是源于液晶丰富的电光效应。液晶的电光效应是指液晶在外电场的作用下其分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光化学性质也随之变化的一种光调制现象。液晶的电光效应一般是：动态散射效应、宾主效应、电控双折射效应 、相变效应 、热光学效应、扭曲效应 、超扭曲效应、铁电效应等。因此相应的显示模式可分为动
20、态散射模式、扭曲向列型、超扭曲向列型、宾主型、铁电型、相变存储型、超扭曲点阵型及有源矩阵型等。在上世纪 60、70 年代才真正开始液晶的应用研究，美国人先后提出了动态散射模式（DSM）和扭曲向列模式（twisted nematic）LCD。1980 年铁电液晶（FLCD）被发明。由于低电压、低功耗、寿命长等特点，被广泛应用于计数器、电子表和各种仪器仪表显示。1983 年超扭曲向列（super twisted nematic）LCD 被发明。1990 年代初，有源矩阵（active matrix）AM-LCD 采用 a-Si TFT（非晶硅薄膜晶体管）被发明，并很快投入商业化，到目前 TFT-L
21、CD 已是 LCD 产业界的主流和平板电视的主要发展方向。常用液晶显示器件种类繁多，但一般可以按图 1-1 所示的方法进行归类 3。不管是那一种模式，LCD 的工作原理一般是：在两平行平板电极（一般是 ITO 玻璃）之间充有液晶物质，利用液晶在电场或磁场作用下，光学性能的改变来实现显示，可以很形象的说液晶就是在电场控制下的“开关” 。在显示过程中，液晶本身不产生光辐射，必须外加背景光源，称为被动显示或非辐射发光 4。液晶显示器件最大的特点是：平板显示，体积小，重量轻，便于携带；极低功耗、低电压驱动；可与 CMOS 电路直接匹配，是 LSI（超大规模集成电路）的天生孪生兄弟，工作寿命长，可达 5
22、 万小时以上；不含有害射线等 5。此分类是从比较宏观的角度来进行，如果进行细分还有更多的种类。另外有一些新型的液晶显示模式如 PDLC、PNLC 等没有讲，这是因为这些新型的液晶显示模式还处在实验室研究阶段。汕头大学硕士学位论文3 1.2 液晶的光学性质1.2.1 液晶的双折射现象液晶既具有液体的流动性又具有晶体的各向异性特征；液晶分子的指向总的来说是长程有序的，而单个分子的中心是短程无序的。长程有序的液晶分子排列就表现为介电各向异性。因此，液晶的一个重要光学性质就是双折射现象。液晶分子长程有序的排列方向叫做液晶分子的指向矢，这是液晶物理的一个重要模型和概念。当一束光线在各向同性介质界面折射时
23、，折射光线只有一束，而且遵守折射定律；而当一束单色光在各向异性晶体的界面折射时，一般会产生两束光线，这种现象就叫双汕头大学硕士学位论文4 折射现象。两束光中一束符合折射定律，称之为寻常光即 o 光（对应的折射率为 no） ；一束折射光则不遵守折射定律，称之为非寻常光即 e 光（对应的折射率为 ne） 。晶体的双折射现象是它对不同方向的光振动表现出不同的性质，具体说，对于振动方向相互垂直的两个线偏振光，在晶体中有不同的传播速度（即不同的折射率） ，因而发生双折射现象。液晶同固态的晶体一样具有光学各向异性，而且这种光学各向异性伴随着分子排列结构不同呈现不同的光学特性。一旦使分子的指向矢方向（光轴）
24、发生变化，这些光学特性将随之改变，在液晶中传播的光线将受到调制。由此可见，改变液晶分子的排列状态（指向矢）即可实行光调制。换句话说，控制液晶分子的排列状态就可以控制其中光线的传播 67。光线在液晶中的传播可形象的用折射率椭球来描述。如下图 1-2（a）所示。常取光轴方向与 Z 轴方向平行，那么平行 Z 轴方向的折射率可记做 n/ = nz ，垂直 Z 轴方向的折射率可记做 = nx = ny ，n / 和 的大小就分别代表 Z 轴平行方向和垂直方向的折射率，该折射率椭球就成了绕 Z 轴旋转的回转椭球。对于经过原点 O 的任意光线 OK（即光矢量 ）或与其平行的所有光线，如图 1-2 （b）所示
25、。K光线 OK 与 Z 轴的夹角为 。通过原点作以 为法向的平面 AOB，则与椭球的截面是K一个椭圆，该椭圆的两个主轴 OA 和 OB 的方向就是光线 的两个线偏振光矢量的互相垂直的分量方向，而 OA 和 OB 的长度就是两个矢量分量的大小，代表线偏振光的折射汕头大学硕士学位论文5 率。因为 o 光的传播方向与 Z 轴平行，故 o 光光矢量的振动方向与光轴 Z 轴垂直、与 OB 平行。不管 角的大小任何，OB 始终与 Z 轴垂直（OB 始终在 xoy 平面内） ，其大小就是，而且是不变的，所以 OB 就代表寻常光 on光。而 OA 始终与 Z 轴及 共面，其长度随着K 角的改变而改变，也就是随
26、着光线传播方向的改变而改变，因此 OA 就代表非寻常光 e 光。o 光的折射率 no就是 ，要求的就是 ne 的大小，在折射率椭球上就是求出 OA 的长度。为了方便起见，可设光矢量 在 yoz 平面内。 可画K出折射率椭球与 yoz 平面的截面图，它也是一个椭圆，如图 1-3 所示，很明显它的椭圆方程是：(1-1)如图所示，OA 在 y 轴、z 轴上的投影分别是 Y A和 Z A，则有：(1-2)将（1-2）式代入（1-1）式并整理得(1-3)液晶中的任意一束光线都可以分解成沿 OA 方向的 e 光和沿 OB 方向的 o 光，利用（1-3）式就可以分别加以研究。液晶的双折射现象是非常重要的。为了控制光在液晶中的传播，我们一般在液晶盒前后加上偏振片，这个时候液晶盒就是起着波片的作用。由偏振片获得的偏振光垂直入射液晶盒，液晶的光轴方向与其表面平行。前面已经提过，与光轴方向成 角的光振动矢量可以分解成 o 光和 e 光，它们分别沿着光轴方向和垂直于光轴方向。这两束振动矢量方向互相垂直的 o 光和 e 光，从光传播方向来看，由于折射率的不同，其传播速度是不一样的，习惯与把一个方向称为快轴方向，另一个称为慢轴方向，即沿快轴方向振动的光传播的快，沿慢轴方向振动的光传播的慢。这样，
