第8章液晶物理參數(shù)檢測

1、9章 液晶物理參數(shù) 的檢測 重點 檢測方法 實驗設備9.1 體粘滯系數(shù)的測量體粘滯系數(shù)的測量 向列相液晶的某一粘滯系數(shù)只有在特定的分子排列與速度場下才能單獨地顯示出來，因此測量不同的系數(shù)應采用不同的幾何形狀與實驗手段。通常采用奧氏粘度計來測定向列相液晶的體粘滯系數(shù)。 粘度計由兩個支管組成。其中一個支管具有一根內徑為r，長度為L 的毛細管，毛細管上端有一個體積為V 的空腔，空腔上有刻線a和b。測量時，待測液晶自A管加入，經B管被吸至a線以上。然后使B管通大氣，任液晶流下，記錄液面流經a、b線所需的時間t 。奧氏粘度計實驗原理L這樣外加力就是高度差為h 的液晶自身重力W=gh，其中是液晶的密度。假

2、定液晶流動時沒有湍流發(fā)生，即外加力W全部用來克服流動的粘滯阻力，則根據(jù)牛頓粘度定律導出粘滯系數(shù)式中：V為時間t 內流經毛細管的液體體積；W為管兩端的壓力差；r為毛細管半徑；L為毛細管長度。當流速比較大時，外加力除了自身重力驅動流體流動外，還有能量的消耗，對這部分能耗須予修正，這里略去。VLtWr8/4 實驗方法（1） 洗凈粘度計用洗液盛滿管內，停留一段時間，傾去洗液，再用蒸餾水洗凈。然后用酒精、乙醚蕩洗后干燥或直接干燥備用。（2） 測試標準液 -蒸餾水用移液管向粘度計中注入5cm3 或10cm3的蒸餾水（視粘度計的大小而定）。夾持粘度計垂直放入20C的水浴中，使之達到熱平衡。用短乳膠套于B 端

3、上口，小心抽吸使蒸餾水液面上升到a刻度上方約2cm處，放手使自然下降，當水面與a刻度線相一致時開啟停表，目光注視水面恰當水面經過b刻度線時停表。記錄時間。（3） 測試液晶樣品粘度從上述毛細管粘度計中傾出蒸餾水，吹烘至干燥。用同法測出液晶樣品粘度。用比重瓶測出同樣溫度下的待測液晶的密度，并從手冊中查出水在該溫度下的粘滯系數(shù)和密度，就可代入公式算出待測液晶的粘滯系數(shù)。用旋轉粘度計測試液晶粘滯系數(shù)用旋轉粘度計測試液晶粘滯系數(shù) 實驗原理同步電機以穩(wěn)定的速度旋轉，連接刻度圓盤，再通過游絲和轉軸帶動轉子轉動，如果轉子未受到液體的阻力，則游絲、指針與刻盤同速轉動，指針于刻盤上指出的讀數(shù)為0。反之如果轉子受到

4、液體的粘滯阻力，則游絲產生扭矩，與粘滯阻力抗衡最后達到平衡，這時與游線連接的指針在刻度盤上指示一定的讀數(shù)（即游絲的扭轉角）。將讀數(shù)乘上特定的系數(shù)即得到液體的粘滯系數(shù)（厘泊）。Mark-E型錐型盤粘度計：用水循環(huán)系統(tǒng)來控制樣品溫度的水缸套組成。9.29.2 液晶各向異性折射率的測定液晶各向異性折射率的測定根據(jù)折射極限法設計的定型儀器，即可測定透明、半透明液體，也可測固體物質的折射率。按常規(guī)只能測液晶的尋常光no，但如果對棱鏡表面進行垂直取向處理，使被測液晶光軸垂直于棱鏡表面，則用阿貝折射計可同時測量no、ne。當然，所測液晶的折射率不能大于棱鏡玻璃的折射率ng。測量精度主要取決于液晶分子垂直取向

5、排列的好壞，一般精度可達到 0.002。阿貝折射計阿貝折射儀的基本原理即為折射定律：n1sina1=n2sina2,光線從光密介質進入光疏介質，入射角小于折射角，改變入射角可以使折射角達到900 ，此時的入射角稱為臨界角，可以看到望遠鏡視場分為明暗兩部分，可讀樣品折射率。阿貝折射儀的結構測試液晶的折射率各向異性與測試普通液體的不同之處是一方面要對液晶進行取向處理，另一方面要在目鏡上應用偏光片。將磷脂酰膽堿的甲醛溶液涂覆在主棱鏡上來均勻排列液晶材料。尋常光折射率no用正常方法測量,而非常光ne用貼有偏光片的目鏡轉動900來測試的。測量是用鈉燈做光源在指定溫度下進行。9.3 液晶電導率的測定液晶電

6、導率的測定實驗原理：電導率是電阻率的倒數(shù)，定義為 EJG 式中，J為電流密度。在溶液中也常用下式定義：式中L 為兩電極間的距離；A為電極的面積。電導率的單位是西門子每米（S/m）。AGL測定溶液電導率的方法是將兩個電極插入溶液，測出兩電極間的電阻Rx。L/A=Q是常數(shù)。)()(QRERRREREmmXmmm惠斯頓原理實驗：萬能電位計MMAII-17A實驗裝置液晶材料由液晶態(tài)變?yōu)楦飨蛲砸簯B(tài)時的溫度稱為清亮點TNI。液晶材料由晶態(tài)變?yōu)橐壕B(tài)的相變溫度稱為熔點。9.4 液晶熔點和清亮點溫度的測定液晶熔點和清亮點溫度的測定正交偏光顯微鏡方法偏光顯微鏡方法:在熔點處織構會發(fā)生流動重組；在熔點處織構會發(fā)

7、生流動重組；在在清亮點TNI處視場由亮變?yōu)槿?。被測物質（A）和參比物（B）被放在作為爐子的支持器中，通過溫差熱電偶把溫差溫差信號改變?yōu)殡娦盘柡蠹右杂涗?。待測物質（A）和參比物（B）的溫差（T）是溫度與時間的函數(shù)：T= TA-TB=f(T,t)以T為縱坐標，T 或t為橫坐標所繪出的圖線即為DTA 曲線。差熱分析：差熱分析：DTA技術具有方便、快速的優(yōu)點，應用范圍也十分廣泛，但有重復性差，分辨率不高，熱定量復雜的缺點。差示掃描量熱法(DSC):DTA記錄的是試樣和參比物在接受相同能量條件下二者的溫差, DSC是測量在各溫度下輸入到試樣和參比物的熱量差。這是兩種技術的根本不同。DSC的特點是在試樣

8、側和參比物側各有一個阻值相等的加熱絲，用改變兩側電流來保持TA=TB，同時還使通過兩電阻的電流之和不變最早實用的透明導電玻璃是氧化錫玻璃，而最早實用的透明導電玻璃是氧化錫玻璃，而現(xiàn)在廣泛使用的是綜合性能最好的氧化銦錫現(xiàn)在廣泛使用的是綜合性能最好的氧化銦錫（ITOITO）玻璃。）玻璃。ITOITO薄膜是一種氧化物半導體薄膜是一種氧化物半導體透明導電薄膜。其電導率的提高是由于偏離透明導電薄膜。其電導率的提高是由于偏離化學計量比形成的氧空位和進行摻雜增加了化學計量比形成的氧空位和進行摻雜增加了載流子濃度而實現(xiàn)的。載流子濃度而實現(xiàn)的。 9.5 透明導電玻璃方塊電阻的測定透明導電玻璃方塊電阻的測定現(xiàn)在工

9、業(yè)生產的現(xiàn)在工業(yè)生產的ITO玻璃是用磁控濺射法制造玻璃是用磁控濺射法制造的。目前ITO膜層的電阻率一般在510-4 .cm左右，最好的可達510-5.cm，已經接近金屬的電阻率。 ITO膜導電性能采用的指標是方塊電阻，用R表示。當電流流過方形導電膜層時，該層的電阻為式中：為導電膜的電阻率，d為膜厚，和d是不變的定值，無論方塊大小如何，其電阻均為值/d，這就是方塊電阻的定義，即21dLLRdR（方形：L1=L2）目前在高檔超扭曲向列相液晶顯示器中所用的ITO玻璃，其 最好可達到10歐左右，膜厚為1000-2000。一般低檔TN產品的ITO玻璃 為100-300，膜厚為200-300。方塊電阻通常

10、用探針測試儀來測定，最常用的方法是直線四探針法。測量時是非破壞性的，因此為工廠和科研單位廣泛使用。RR實驗原理在半無窮的均勻的試樣上，有四根等間距為S的探針排列成一直線。由恒流源向外面兩根探針1，4通入小電流I, 測量中間兩根探針2，3的電位差U，則由U，I，S的值求得樣品的電阻率 。直線四探針法測量電阻率的基本公式，它要求試樣為無窮大，且半導體各邊界與探針的距離大于探針的間距。實際上當試樣的厚度及任一探針與試樣最近的距離至少大于四倍探針間距時即可以認為已滿足上述要求。在樣品無限薄的情況下，可視為二維平面，由上式可得出方塊電阻的計算公式：IUIUdR53. 42ln9.6 透明導電玻璃透光率的

11、測定透明導電玻璃透光率的測定%10012TTTt透光率的定義，以透過材料的光通量與入射的光通量之比的百分數(shù)表示，實驗儀器采用紫外可見光分光光度計測試。薄膜厚度定義有三種：接近于直觀形式的形狀膜厚dT；表現(xiàn)薄膜質量的量的概念的質量膜厚dM；實際上很有用的薄膜物性等價厚度的物性膜厚dP。多數(shù)情況是：dTdMdP。為了要知道膜厚，人們發(fā)展了各種各樣的膜厚測試技術。 9.79.7薄膜厚度的測定薄膜厚度的測定廣泛使用的方法有兩種：一種是用針掃描薄膜表面并將針的上下運動放大，以機械方式來確定表面形狀，這種方法稱為觸針法：首先將基片與薄膜之間做出溝槽，形成臺階形狀，這種觸針法膜厚測試儀就是臺階儀。另一種是利

12、用單色光的多次反射干涉而產生鮮明的干涉條紋，根據(jù)條紋的偏移來確定薄膜的厚度，這種方法稱為多光束干涉測量法(MBI法)，它是所有膜厚測量方法中最普遍采用的方法之一。測量形狀膜厚的光學方法還有等色級干涉法(FECO法)和雙光束干涉法，另外還有電子顯微鏡法。形狀膜厚的測量利用重力測量質量的方法和測量與原子數(shù)對應的量來測量質量的方法：可用化學天平法、微量天平法、扭力天平法和石英晶體振蕩法。天平法測量膜厚的缺點是難以實現(xiàn)自動化，石英晶體振蕩法可適用于自動化，而且在真空設備內部很容易安裝，其原理是：在石英振蕩器上附著薄膜，使石英的表觀質量增加，從而改變了石英的固有振蕩周期，將石英振蕩器組裝到振蕩回路中使薄

13、膜質量的變化作為頻率的變化讀出。測量原子數(shù)量的方法有比色法、熒光X射線法、離子檢測法和輻射分析法等。質量膜厚的測量物質的電阻、光的吸收等多種物理性質與物質的量有關系，凡是隨厚度而變化的物理性質，按理說都可以用于膜厚測量，但考慮靈敏度高低，測量是否簡便等原因，膜厚測量中最廣泛利用的是電和光的性質。物性膜厚的電學測量方法有電阻法、總電壓法、渦流法和電容法；光學測量方法有干涉色法、偏振光解析法和光吸收法。物性膜厚的測量：雙光束干涉原理平行光9.7.1 液晶盒間隙的測定液晶盒間隙的測定I = I1+I2+2(I1I2)1/2 sin(2nd/)1/m+1 - 1/m =2nd干涉法測量cell gap

14、當膜厚遠小于光的波長時，有效的測量方法是橢偏測量法。橢圓偏振法廣泛應用于測量光學薄膜的折射率、厚度等。它的靈敏度高、精度好。對樣品沒有什么特殊要求，是一種簡單而有效的測量方法。在液晶器件物理實驗測試中，可以用橢圓偏振法測試玻璃基板上透明電極ITO膜的厚度(500)和取向層PI膜的厚度(500)。9.7.2 取向膜厚度的測定取向膜厚度的測定橢偏儀測膜厚和折射率入射光照射樣品時，通常反射光的振幅減小并且發(fā)生相移。如果在表面上存在一層薄膜，則還會出現(xiàn)多次反射。各反射光將進一步相互干涉，產生強度極大值和極小值。這種干涉效應與它們的相對振幅，各面之間的光程差和相移有關。薄膜兩側的介質是半無限大的，折射率

15、分別為no和n2。通常no 為環(huán)境(空氣等)的折射率，介質n2為襯底。薄膜折射率為n1，它與兩側介質界面平行并且都是理想光滑平面，兩界面之間的距離就是膜厚d。如果入射光是線偏振的，可以將它分解為平行于入射面的P分量和垂直于入射面的S分量。反射以后，兩個分量則經受了不同的相移，而且它們的反射系數(shù)也是不同的。這樣，反射光不再是線偏振的，而呈橢圓偏振。橢偏儀的基本原理 P分量和S分量，經過反射后，兩分量可能出現(xiàn)兩種情況：第一，無相移，但強度相對變化，反射光仍是線偏振光，但振動面發(fā)生了轉動，轉角為 ；第二，出現(xiàn)了相移（位相差） ps ，和就是橢圓偏振法測量中的兩個橢偏角?？梢圆捎谜{整檢偏器的方位角至使

16、通過檢偏器的偏振光達到消光狀態(tài)來確定反射光偏振轉動的變化；另外反射光S和分量的相移 ，可以附加光學元件引入一個相移來補償 ，使之重新變成線偏振光從而確定 。由實驗測定和后出現(xiàn)的問題是如何將這兩個參數(shù)與薄膜的厚度和折射率聯(lián)系起來。在波長、入射角、襯底等參數(shù)一定的條件下， 和是膜厚d和膜材料折射率n的函數(shù)，即 = (d，n)， = (d，n)。因此反射光與入射光的偏振狀態(tài)不同，這種變化與膜厚和折射率有關。P光S光的復反射率比 測膜厚實驗方法測膜厚實驗方法入射單色平行光束，經起偏器P變成線偏振光，通過4波片后通常為一橢圓偏振光。光束經透明薄膜反射后，其偏振態(tài)即振幅與相位發(fā)生變化，對于給定的透明薄膜試

17、樣，只要調節(jié)起偏器P和4波片的相對方位，可使透明薄膜反射后的橢圓偏振光補償成線偏振光。調節(jié)檢偏器A 至消光位置，以確定振幅衰減量。激光橢圓偏振儀(1)將被測樣品放在載物臺的中央，旋轉載物臺使達到預定的入射角700，并使反射光白屏上形成一亮點。(2)置4波片快軸于+450，仔細調節(jié)檢偏器A和起偏器P，使白屏上的亮點消失，記下消光點的2套A和P值，A值分別為大于和小于900。（3）然后將4波片快軸轉到-450，也可以找到兩組消光位置數(shù)值。（4）將測得的4組數(shù)據(jù)經下列公式換算后取平均值，就得到所要求的A和P值：最后查P,An,d數(shù)據(jù)表得到n,d ，或者用計算機解方程算出透明薄膜的厚度d和折射率n。,

18、當膜厚超過一個周期時，需用其他方法判斷周期。9.7.3 光延遲的測量光延遲 = (ne-no)d橢偏儀的測量干涉法測量光延遲Cauchy色散關系色散關系:1、測液晶膜厚2、測液晶光延遲3、計算有序度干涉法測量O光光程nod9.7.4在做液晶盒之前，用橢偏儀分別測量ITO和取向膜的厚度tITO、tP，使影響光程的未知數(shù)只剩下nod，再以nod 、A1、A2、A6為擬合參數(shù)擬合I- 曲線，獲得nod。光程nod 的測量擬合 干涉法測量e光光程ned將偏振片光軸平行液晶光軸，透過光強的表達式中液晶層的光程為ned，且需考慮色散。其它做法同上。為防止施加電壓時發(fā)生傾斜疇向錯，液晶分子的排列需要有一定的

19、預傾角。預傾角的大小與液晶材料、取向劑材料和液晶盒的制作工藝有直接的關系；同時，對于不同扭曲角的器件，又要求有不同的預傾角。測定預傾角的方法有晶體旋轉法、電容法、零磁場法和全反射衰減法等，其中，晶體旋轉法精度高測試時間短而得到廣泛的應用. 9.8 液晶分子預傾角的測試實驗晶體旋轉法測定液晶分子預傾角的原理是根據(jù)液晶的雙折射效應：當一液晶盒置于偏振方向平行或正交的兩偏光片之間，液晶盒取向層的摩擦方向與偏光片的偏振方向成450角；一束單色光通過這一系統(tǒng)時產生雙折射效應；由于液晶層很薄，兩束雙折射光是相干的。如果液晶盒按圖示方向旋轉時，相當于e光的折射率改變，故單色光的衍射光強變化。設為液晶分子預傾

20、角，o光和e光位相差表達式：a為入射角;為波長;d為液晶盒厚度。當光的偏振方向與液晶分子長軸平行時，o光和e光的位相差最大，此時入射角a=am。由此得出:預傾角 較小(一般TN型30，STN型 60)的情況下，n2() no2, cos sin ，得出:它適用于更大范圍的預傾角測量。 當較大時偏差已很大，把2展開到三階，得： 當液晶盒的厚度較薄時，對稱點與非對稱點的峰或谷的差別不明顯，造成測試結果偏離真實值較遠，所以應用旋轉晶體法測試預傾角時，一般要求液晶盒厚大于20um。 為測試薄盒預傾角，可以對旋轉晶體法進行改進：加入一恒定位相差，有助于判定對稱點的準確位置，可以提高測試精度。實驗方法 晶

21、體旋轉法測試預傾角的基本裝置如前圖所示。入射偏振器和出射偏振器的偏振方向互相垂直，液晶盒的摩擦方向與偏振器的偏光方向成450，液晶盒可以繞與摩擦方向垂直而且通過液晶層中心的軸旋轉，如果液晶盒厚較薄，在光路中加入補償器。由步進電機帶動液晶盒轉動。單色光經過液晶盒后產生雙折射，干涉光強度信號由光電倍增管接收，經信號放大，A/D變換后由計算機進行數(shù)據(jù)處理。計算機畫出干涉光強度隨入射角度變化的曲線，通過計算機找出曲線上的極值角度am或其兩側的對稱峰角度a-i,a+i，選擇計算模式計算出預傾角。力矩矩9.9（方位）錨定能測試系統(tǒng)通常有以下幾方面的測試項目： (1)對比度：對比度的電壓相依性；對比度 的視

22、角相依性；對比度的波長相依性。 (2)視角。 (3)閾值電壓和飽和電壓。 (4)功耗電流。 (5)占空比：占空比的電壓、溫度相依性。 (6)響應時間：響應時間的電壓、溫度相依 性。9.10 液晶器件電光特性的測定液晶器件電光特性的測定 液晶顯示器的相對透光率隨外加信號電壓變化的特性，就是電光響應特性。外加電壓高于某個數(shù)值時透光率開始變化，此時的電壓稱為閾值電壓Uth，Uth一般為13伏，與液晶的介電常數(shù)和彈性常數(shù)有關。另外幾個重要的參數(shù)是Ul0，U50和U90，分別是透光率達到10、50和90時對應的外加電壓值。9.10.1 閾值電壓和飽和電壓透光率各種測試儀器的綜合誤差應小于被測量允許誤差的

23、13。測試時應選用合適的量程。各種儀表應在各自校驗的有效期內工作。 直流電源電壓波紋系數(shù)不大于1，穩(wěn)定度不低于1。光源應符合國際照明委員會（CIE）規(guī)定的A，C兩類光源；應使用平行光束，其擴散度不大于100。液晶顯示器件參數(shù)的測試應在GB242181電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程總則規(guī)定的正常大氣條件下(環(huán)境溫度15350C，相對濕度為4575以及氣壓為8610kPa)進行。檢測要求 驅動信號源電壓為3V，4V，5V，5V，6V，75V，9V，12V，15V中一個或幾個，頻率為32Hz，l00Hz，200Hz，1000Hz中的一個或幾個。驅動信號源波形為對稱方波，其周期允許有1的變化；其直流分量小于50mV。測試驅動信號：驅動方式分為靜態(tài)驅動和動態(tài)驅動：加有持續(xù)驅動的信號為空間分割的靜態(tài)驅動；同時施加掃描信號和尋址信號稱為時間分割的動態(tài)驅動。LCD屬被動型顯示器件，不能用亮度標定其顯示效果，只能用對比度來標定其顯示效果。對比度定義：在恒定的照明條件下，液晶顯示器件顯示部分的亮態(tài)與暗態(tài)亮度之比稱為對比度Cr.液晶顯示器在非選擇段(亮態(tài))透過率與選擇段(暗態(tài))透過率之比值