第1页：第2章液晶显示器基础
本章进入液晶显示器基础，依次讲解液晶的特点、种类、物理性质、电光效应与液晶显示器件分类。
第2页：液晶的特点与发现
- 液晶
- 在某个温度范围内具有晶体的各向异性和液体的流动性，是不同于通常固态、液态和气态的一种新的物质状态，又称为物质的第四态。
1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔（F. Reinitzer）在研究植物中的胆固醇时，意外发现异常的溶解现象，由此开启液晶研究。
第3页：热致液晶与溶致液晶
- 从组成和产生液晶态的物理条件看，液晶分为热致液晶和溶致液晶两大类；
- 光电子显示器件中用到的液晶材料基本上都是热致液晶；
- 热致液晶是某些有机物在某一限定温度范围内的状态，介于熔点与清亮点之间。
第4页：液晶分子的结构与相态
典型液晶分子由刚性中心部分和柔性分子链组成，按刚性中心部分的形状分为两类：
细长棒状液晶按液晶相又分为向列相、近晶相、胆甾相，其相态随温度由固态经近晶A相、近晶B相、向列相转变为液体。
第5页：近晶相液晶
近晶相（Smectic LCs）：分子分成层状排列，层内分子长轴相互平行，并垂直于层面。
说明：源文件该页文字提取不完整，分子排列要点已按图注与标准定义补全，建议对照原图核对。
第6页：向列相液晶
向列相（Nematic LCs）：分子长轴方向平行，不分层排列，可以上下滑动，又称丝状液晶，长径比很大。
说明：本页源文件提取到的文字较少，主体为分子排列示意图，要点已按图注概括。
第7页：胆甾相液晶
胆甾相（Cholesteric LCs）的分子排列特点：
- 层状排列；
- 长轴平行排列，且平行于层面；
- 相邻层的分子取向有偏移；
- 层层叠起来呈现螺旋结构。
图中标出了螺旋结构的螺距P。
第8页：介电各向异性
- 正性液晶
- △ε＞0（ε∥＞ε⊥），在电场下液晶分子长轴方向n与外电场E平行。
- 负性液晶
- △ε＜0（ε∥＜ε⊥），在电场下液晶分子长轴方向n与外电场E垂直。
未施加电场（E=0）时，液晶屏内的液晶分子按照一定方向排列。
第9页：光学各向异性
液晶具有双折射性，入射自然光进入液晶后分解为寻常光（o光）与非常光（e光）：
- 光在液晶中不同偏振方向的传播速度不同；
- 能使入射光的传播方向偏向液晶分子长轴方向；
- 能使入射光的偏振状态或偏振方向发生改变；
- 能使入射偏振光左旋或右旋。
第10页：电导各向异性
- 液晶属绝缘体，电导率很低，在平行分子长轴与垂直分子长轴方向的分量不同；
- 平行分子长轴方向的电导率大于垂直方向的电导率；
- 杂质或离子会使电导率增高，引起图像闪烁或者残像。
配图对比了第一次显示的画面、第二次显示的理想画面与离子传输影响下出现残像的画面。
第11页：液晶的三种弹性形变
- 展曲：尖劈形状的液晶盒，基板表面液晶分子与基板相平行，内部出现展曲形变；
- 弯曲：尖劈形状的液晶盒，基板表面液晶分子与基板垂直，内部出现弯曲形变；
- 扭曲：矩形液晶盒，液晶分子平行基板排列，上下成一个角度排列，内部液晶分子从上到下扭曲形变。
第12页：液晶物性与显示参数的关系
液晶的物理性质与显示参数的关系如下表。
液晶材料物理性质与液晶显示器参数对应关系| 液晶显示器参数 | 相关的液晶材料物理性质 |
|---|
| 阈值电压 | 介电各向异性（△ε）、弹性常数（K11、K22、K33） |
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| 响应时间 | 粘度（η）、弹性常数（K11、K22、K33）、螺距（P） |
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| 多路驱动能力 | 介电各向异性（△ε）、有序参数（S） |
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| 视角、对比度 | 光学各向异性（△n） |
|---|
| 工作温度范围 | 液晶材料的相变温度 |
|---|
| 图像闪烁或残像 | 电导各向异性 |
|---|
说明：原图为参数与物理性质之间的连线示意图，本表按连线关系整理而成，个别连线可能存在多重对应，建议对照原图核对。
第13页：液晶电光效应分类
液晶的电光效应分为电场效应、电流效应与热光效应三类：
- 电场效应：扭曲向列效应（TN）、超扭曲向列相效应（STN）、电控双折射效应（ECB）、宾主效应（GH）、铁电效应（FLC）、聚合物分散型（PDLC）、相转变效应（PC）
- 电流效应：动态散射效应（DS）
- 热光效应：激光写入型、胆甾热变色型
第14页：动态散射效应
- 液晶中微量杂质的带电粒子受电场作用后分别向上下基板的两个电极移动，冲动液晶分子旋转，破坏了有序排列；
- 分子排列发生紊乱，导致各部分折射率不同，几乎没有光通过液晶屏，入射光被散射掉。
第15页：第一个液晶显示器
美国RCA公司的Heilmeier制作了世界上第一个液晶显示器，该样机基于动态散射效应工作。
说明：本页源文件提取到的文字较少，主体为器件实物照片，建议对照原图补充器件细节。
第16页：电控双折射效应
- 采用n型液晶、垂直取向，不加电时液晶分子垂直基板排列；
- 加电后，取向作用使基板表面的液晶分子垂直基板排列，另一方面n型液晶要垂直电场排列；
- 双重作用下内部液晶分子长轴发生角度为φ的倾斜，发生双折射，输出椭圆偏振光。
光路对比：不加电压时透射光为黑色；加电压φ角倾斜后透射光呈彩色。
第17页：宾主效应
- 宾主效应（GH）
- 用二色染料作为客体，溶于特定排列的向列相液晶材料（主体）中，利用染料分子不同的吸收实现彩色显示。
- 所用染料在长轴方向和短轴方向对可见光有不同吸收，属各向异性染料；
- 未施加电压（V=0）时透射光为彩色；
- 施加电压（V＞VTH）后染料随液晶转向，透射光变为无色。
第18页：铁电效应
- 铁电效应（FLC）
- 铁电液晶分子呈层状排列，具有自发极化的性质，有两个或多个可能的取向，在电场作用下取向可以改变，具有像铁磁体一样的某种双稳态，能表现出磁滞回线特性。
- 自发极化
- 在没有外电场作用下，介质的正、负电荷重心不重合而呈现电偶极矩的现象。
由此带来磁滞回线特性与存储效应。
第19页：液晶显示器的种类
液晶显示器按驱动方式分为有源矩阵与无源矩阵两大类：
- 有源矩阵：三极管型（a-Si TFT、p-Si TFT、CdSe、MOSFET）、二极管型（MIM（Ta2O3）、MSI（SiNx）、BTB diode（a-Si）、Pin diode（a-Si）、DR（a-Si））
- 无源矩阵：TN（Twisted Nematic）、STN（Super TN）、HTN（High TN）、FSTN（Film Super TN）、ECB（Electrically Controlled Birefringence）、铁电液晶（chiral smectic liquid crystal）
第20页：TN型LCD的基本结构
TN型LCD的基本结构自上而下依次为：偏振片、玻璃基板、彩膜、ITO像素电极、取向层、液晶层、取向层、ITO像素电极、玻璃基板、偏振片。
说明：本页文字主要为结构标注，层次顺序已按标准TN盒结构整理，建议对照原图核对。
第21页：偏振光的产生
偏振片只允许在某一个方向振动的光波通过，而其他方向振动的光将被全部或部分地阻挡。
图中标出了偏振片的吸收轴、透射轴与光轴，以及光行进方向。
第22页：偏振片的透光与遮光
- （a）两偏振片光轴垂直时不透光；
- （b）两偏振片光轴平行时透光。
第23页：TN型LCD的工作原理
- 不加电压：偏振光在液晶盒内从上到下扭曲90°，到下偏振片刚好透过，为亮态；
- 加电压：液晶分子沿电场方向排列，偏振光透过液晶层后到下偏振片被阻挡，不透光，为暗态。
器件由上下偏振片、取向层与液晶层构成，采用AC电压驱动。
第24页：STN型LCD的工作原理
- 不加电压：液晶分子长轴方向与上偏振片光轴成30°，出射光处液晶分子长轴方向与下偏振片成60°，产生双折射，透光；
- 加电压：液晶分子垂直排列，入射光到下偏振片时不透光，为暗态。
图中标注上基板与下基板液晶分子长轴方向的夹角为120°。
第25页：第2章本章小结
- 液晶种类很多，其中热致液晶中棒状液晶的向列相是光电显示中使用最多的材料；
- 液晶物理性质影响着显示器的各种性能参数；
- 液晶的电光效应包括：动态散射、电控双折射效应、宾主效应、铁电液晶效应、扭曲向列相效应、超扭曲向列相效应等。
