液晶及其顯示原理

液晶是液晶顯示的功能材料，它是一種分子排列具有一定規則性的“液態(tài)晶體”，簡(jiǎn)稱(chēng)為“液晶”。液晶是一種有機化合物，在熔化過(guò)程中首先呈不透明的混濁液體，繼續加熱成為透明的液體。液晶具有與晶體相似的性質(zhì)，如具有光學(xué)各向異性、介電和介磁各向異性及電學(xué)特性等，同時(shí)又具有液體的流動(dòng)性。如果要改變固態(tài)晶體，必須旋轉整個(gè)晶體;而液態(tài)晶體不同，液晶分子的極化方向可由電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)控制。

根據液晶形成的條件和組成，液晶可以分為熱致液晶和溶致液晶兩大類(lèi)，前者液晶相曲溫度變化所致，后者則由符合一定結構要求的化合物與溶劑所組成。熱致液晶又分為近晶相(Smectic)、向列相( Nematic)和膽甾相(CholeSTeric )，如圖1所示。

近晶型也稱(chēng)為脂狀型夕向列型也稱(chēng)為棒(絲)狀，膽甾型也稱(chēng)為類(lèi)醇狀。在扭曲向列顯示(TN-LCD)、超扭曲向列顯示(STN-LCD )和有源矩陣顯示( AM-LCD )中，均采用向列相(即棒狀或絲狀)液晶。除了薄膜晶體管(TFT)陣列之外，TN-LCD、STN-LCD 和TFT-LCD都采用相似的制作工藝。圖2所為T(mén)N-LCD盒的結構。

圖1熱致液晶分子排列示意圖

圖2TN-LCD盒結構

TN-LCD的顯示原理如3所示。

TN-LCD的上、下兩個(gè)玻璃片的摩擦方向相差90°(正交)，當自然光通過(guò)上偏振片后變成線(xiàn)性偏振光，并且偏振光的振勸方向與偏振片的偏振方向一致，同時(shí)也與上玻璃基片附近的液晶分子排列方向一致。當通過(guò)上偏振片的光進(jìn)入液晶層后，由于液晶的折射率n0≠ne，線(xiàn)性偏振光分解成O光和E光夕其傳播速度不同，但相位相同，因而在任一瞬間O光和E光合成的結果是使偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生了變化，通過(guò)液晶層的光也被逐漸扭曲了。曲于TN-LCD邊界條件的限制，當光線(xiàn)到達下偏振片時(shí)，其光軸振動(dòng)方向被扭曲了90°，與下偏振片的偏振方向一致，困而光線(xiàn)可以通過(guò)下偏振片而成為亮場(chǎng)。當施加電壓后，液壓分子在電場(chǎng)作用下取向，扭曲結構消失，通過(guò)上偏振片的線(xiàn)偏振光進(jìn)入液晶層后不再旋轉，因而不能通過(guò)下偏振片，形成暗場(chǎng)。這種顯示方式的電光響應特性曲線(xiàn)如圖4所示。

在圖4中，V90稱(chēng)為門(mén)限電壓。V10/ V90之比值稱(chēng)為門(mén)限電壓值銳度，該比值越小，掃、描線(xiàn)數越多。但當購V10/V90值太小使掃描線(xiàn)數增加太多時(shí)，LCD的視角和對比度明顯變差。

圖3 TN-LCD 顯示原理

圖4 正顯示TN-LCD電光響應特性曲線(xiàn)

STN-LCD與TN-LCD的顯示原理相同，只是它將液晶與入射光線(xiàn)扭曲角從 90°增大到180°～270°。TN-LCD通常只有明暗兩種變化，而STN-LCD顯示器則以淡綠色和橙色為主。只要在STN-LCD fi示器上加上一彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個(gè)子像素，分別通過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍三基色，就可以顯示出色彩了。

TFT-LCD采用“背透”與“反射”相結合和“有源矩陣”驅動(dòng)方式，其發(fā)光原理如圖5所示。

圖5 TFT-LCD發(fā)光原理

在TFT-LCD有源矩陣中，TFT透明電極矩陣制作在下玻璃板上，上玻璃板是濾光板，液晶材料夾在兩塊玻璃板之間，向列相液晶分子長(cháng)軸在上、下玻璃板之間扭曲90°，玻璃板夾在兩個(gè)偏振片之間，整個(gè)結構的功能如同一個(gè)電壓控制的光瀾。

LCD 的主要特點(diǎn)是功耗低、重量輕、超薄、超精細、圖像逼真、層次豐富、畫(huà)質(zhì)細膩、立體感強、無(wú)閃爍、無(wú)輻射和可減輕人們的視覺(jué)疲勞，因此成為一種非常重要的平板顯示器，在手表、計算器、游蛾機、測量?jì)x器、汽車(chē)儀表、文字處理機、PC(個(gè)入電腦)、移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數字助理(PDA)、數碼相機、數字攝像機、計算機顯示器和液晶電視等產(chǎn)品中得到了非常廣泛的應用。