液晶顯示試驗

1、實驗一、液晶取向與TN模式判斷實驗目的1、了解液晶技術行業(yè)中用于制備液晶盒的導電玻璃 （ITO）表面的各種取向技術;2、掌握液晶顯示器件中導電玻璃基片表面的取向技術，比較不同表面處理技術 對液晶排列的影響; 了解不同的取向技術對向列型液晶和膽甾型液晶在液晶盒中 排列的影響定性認識。實驗原理液晶顯示器制造工藝中， 取向是一個關鍵工藝。 液晶盒內基片表面直接與液晶接 觸的一薄層材料被稱之為取向層， 它的作用是使液晶分子按一定的方向和角度排 列，這個取向層對于液晶顯示器來說是必不可少的， 而且直接影響顯示性能的優(yōu) 劣。液晶顯示器所用的取向材料及取向處理方法有多種，如摩擦法、斜蒸 SiO2 方法等等。

2、摩擦法是沿一定的方向摩擦玻璃基片， 或是摩擦涂覆在玻璃基片表面 的無機物或有機物覆蓋膜， 再進行摩擦， 以使液晶分子沿摩擦方向排列， 這樣可 以獲得較好的取向效果。無機膜一般為SiO2,MgO和MgF2等,需要用硬度較大的 物質進行摩擦。有機膜一般為表面活性劑、硅烷耦合劑、聚酰亞胺樹脂等。 最常用的是在玻璃表面涂覆一層有機高分子薄膜， 再用絨布類材料高速摩擦法來 實現(xiàn)取向。 其中聚酰亞胺樹脂具有突出的優(yōu)點， 不僅涂布方便， 對液晶分子有良 好的取向效果，而且還具有強度高、耐腐蝕、致密性好等優(yōu)點，因此，目前在液 晶顯示器制造業(yè)中廣泛用作取向材料。聚酰亞胺（簡稱 PI） PI 膜有很好的化學穩(wěn)定性

3、，優(yōu)良的機械性能、高絕緣性、 耐高溫、高介電強度、耐輻射、和不可燃。聚酰亞胺優(yōu)異的性能是由其結構決定 的。它通過二酐與二胺在低溫下聚合反應合成，生成聚酰亞胺膜，是用浸泡、旋 涂、或印刷的方法，將 PI 溶液涂覆在玻璃表面，經高溫固化后制得。1. 要得到性能優(yōu)良的 PI 膜，固化反應必須進行完全。工業(yè)上廣泛使用的聚 酰亞胺（PI ）在摩擦取向處理條件下誘導液晶分子的取向，但是在工業(yè)中 用的聚酰亞胺稀釋后在ITO表面旋涂一層薄薄的溶液后，需在250C下烘 烤5小時，然后在此表面摩擦處理。 然后用粘貼長纖維布高速旋轉的金屬 輥, 讓真空吸附在樣品臺上的基板觸著布輥勻速平移通過 , 獲得定向摩擦， 如

4、圖 1-1 所示。扭咄排列的.孑具、；入舸的目齡偏振片«| I偏振片巴出射圖4-1液晶光幵關的工作瘵理因在液晶工業(yè)中使用的使用有機物材料涂覆 ITO表面進行取向時需要用至少5 小時來固化有機材料，用在學生實驗中周期太長，而選取用棉布等纖維材料摩擦 玻璃基片表面，即可以實現(xiàn)對液晶分子取向的約束。因本實驗是讓學生了解ITO表面的微結構對液晶分子排列的影響， 對ITO表面的清潔度要求比較小，故為簡 化實驗步驟，縮短實驗周期，在本次實驗中我們選用潔凈的面巾紙作為摩擦材料 直接在玻璃表面摩擦。實驗儀器偏光顯微鏡一臺、數(shù)碼相機一只、摩擦機一臺實驗材料向列液晶C80A膽甾液晶、玻璃片若干、毛細管、

5、塑料微粉間隔子、紙巾實驗內容1、無摩擦情況下液晶的排列情況取潔凈玻璃片兩塊向，其中一塊玻璃表面上撒少許玻璃微粉， 作間隔子。再將另 一塊玻璃片蓋在玻璃微粉上，玻璃兩邊留 2mn左右的空隙，用毛細管吸取10毫 克左右的液晶滴在玻璃一邊的空隙上， 在毛細作用下，液晶向玻璃盒中浸潤。等 在整個盒子中浸潤完。將此灌注好的液晶盒小心拿到偏光顯微鏡下觀察其形貌。將兩偏光片在正交與平行情況下各一張顯微圖片。1. 向列液晶在無摩擦的兩玻璃片之間的織構由于上下玻璃片是沒有經過取向處理，所以液晶分子的取向不是全部朝著一個方 向而是在一個很小區(qū)域那的液晶指向矢朝某一方向， 另一小區(qū)域液晶指向矢朝著V另一個方向，形成

6、所謂的疇。在偏光顯微鏡下，這些疇光軸方向的不同而使偏振 光干涉顏色不同，看起來就是花紋或圖案。呈現(xiàn)絲狀的原因在于向列相液晶分子 具有長程有序，局部地區(qū)的分子趨于沿同一方向排列。當兩個不同取向區(qū)的交界 處，在偏光顯微鏡下顯示為絲狀條紋。如圖 1-2。-宀 量雋I沁 <-圖-2向列液晶在無摩擦的兩琥璃片之Iflttffl光ft徴照片圈1-3膽肖液晶在未摩膵的兩玻 璃片1間的聞光B循照片AM圖1-4向列液ffl在兩摩撩方向平行的玻璃片間的偏光a徽照片7卜卜千1鑾件圖IJ膽留潑晶在兩摩嚓方向垂直的珈購片間的偏迸&»童電片2）膽甾液晶在無摩擦的兩玻璃片之間的織構膽甾型液晶，當玻璃

7、未均勻取向時，在正交偏光顯微鏡下呈現(xiàn)所謂焦錐織構。 呈現(xiàn)焦錐織構的液晶的螺旋軸雜亂排列。 由于液晶折射率的空間紊亂， 將入射光向 各方向散射，宏觀地看時呈不透明。偏光照片如圖 1-3 所示。2、平行摩擦情況下液晶的排列情況取潔凈玻璃片兩塊，用紙巾壓在玻璃表面朝一個方向用力摩擦47遍，向其中一塊玻璃表面上撒少許玻璃微粉， 作間隔子。再將另一塊已摩擦好的玻璃片的表 面蓋在已撒上玻璃微粉的玻璃片上，玻璃兩邊留2mn左右的空隙。如圖所示，用 毛細管吸取高度為1cm左右的液晶（分別為向列液晶和膽甾液晶）滴在玻璃一邊 的空隙上，在毛細作用下，液晶向玻璃盒中浸潤。等在整個盒子中浸潤完。將此 灌注好的液晶盒小

8、心拿到偏光顯微鏡下觀察其形貌， 將兩偏光片在正交與平行情 況下各一張顯微圖片。1）、兩玻璃片摩擦方向平行（記作“/ /”）1. 向列液晶在兩片摩擦方向平行的玻璃片之間的織構 當上下兩片玻璃片取向處理， 當取向很好時， 不存在缺陷， 絲狀條紋消失可出現(xiàn) 均勻的干涉色。如圖 1-4 所示。1. 膽甾液晶在兩片摩擦方向平行的玻璃片之間的織構 當上下兩玻璃片經沿面取向處理， 顯微鏡下能夠看到因缺陷與盒厚的誤差而引起 的紋路。如圖 1-5 。1. 兩玻璃片摩擦方向垂直情況（記作“/=”）A、向列液晶在兩摩擦方向垂直的玻璃片之間的織構1. 將兩片已摩擦好的玻璃片中一片， 撒上少量的玻璃微粉， 將另一片玻璃

9、按 照摩擦方向垂直互疊， 將向列液晶灌注到兩玻璃之間， 在偏光顯微鏡下觀 察。其圖像大致如圖 1-6 所示。1-7 。B、膽甾液晶在兩摩擦方向垂直的玻璃片之間的織構 邊界平行排列的液晶分子和膽甾液晶的周期螺旋結構而在某些區(qū)域造成周期的 缺陷，但對于液晶盒整體來說， 液晶螺旋軸并不是都朝一個方向， 各處螺旋軸方 向不一致， 形成許多微米量級的疇， 小疇內部液晶指向矢的螺旋軸指向一致， 同疇的螺旋軸方向不一致，因而在疇邊產生向錯等缺陷如圖 實驗結果分析1、比較向列液晶在摩擦（包括“/ / =”與不摩擦情況下，偏光顯微圖像的區(qū)別， 并說明原因。和“/ / =”時，偏光片正交和平行情和“/ / =”）

10、與不摩擦情況下，偏光2、比較向列液晶在兩玻璃片按 況下，顯微圖像的差異。3、比較膽甾液晶在摩擦（包括 顯微圖像的區(qū)別，并說明原因。實驗注意事項：1、使用偏光顯微鏡時，燈泡光強不宜調得過大，應及時關閉燈泡電源，以延長 燈泡的試樣壽命。2、在摩擦玻璃表面時，需用力適中，需要同學們在實驗過程中多做幾次，摸索 出適當?shù)膲毫Α?用力過度， 就容易將玻璃片的劃痕太深， 偏光下看到大量的劃痕 而非液晶分子的排列。3、因實驗條件的差異，以上圖片僅作為參照。思考題： 1、液晶在不同表面取向的作用下為什么會呈現(xiàn)不同的圖形？為什么在液晶制造 業(yè)中需要 ITO 表面需要取向？2、查閱相關的資料，總結現(xiàn)代液晶生產工藝中

11、，制盒工藝流程以及相關的關鍵 技術。3、在本次實驗中除了我們使用的手紙可作為摩擦工具外，還可以用哪些材料作 來摩擦平行取向？ .12 / 12實驗液晶電光特性研究實驗目的1、在掌握液晶光開關的基本工作原理的基礎上，測量液晶光開關的電光特性， 將液晶光關的定性概念和定量的測量參數(shù)結合起來， 從而深入了解和掌握液晶光 開關的物理內容。2、測量由液晶光開關矩陣所構成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的 對比度。3、了解液晶光開關的工作條件和視角問題的成因。實驗原理1、液晶光開關的工作原理液晶的種類很多，僅以常用的TN （扭曲向列）型液晶為例，說明其工作原理。 液晶光開關的結構如圖 4-1 所示。

12、在涂有透明電極的兩塊玻璃板之間夾有正性向 列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃（1埃=10納米），直徑為46埃。液晶層厚度一般為5-8微米，玻璃板的內表面涂有 透明電極， 電極的表面預先用軟絨布朝一個方向摩擦， 這樣， 液晶分子在透明電 極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里， （也可在電極表面涂取向劑） 這一過 程叫做液晶分子的定向。 使電極表面上的液晶分子按一定方向排列， 液晶光開關 的定向方向與電極面的法向垂直， 且上下電極上的定向方向相互垂直。 上下電極 之間的那些液晶分子因范德瓦斯力的作用， 趨向于平行排列。 然而由于上下電極 上液晶的定向方向相互垂直， 所以

13、從俯視方向上看， 液晶分子的排列從上電極的 沿 45度方向排列逐步地、均勻地、扭曲到下電極的沿 45度方向排列，整個 扭曲了 90度。如圖4-1左圖所示。理論和實驗都證明， 上述均勻扭曲排列起來的結構具有光波導的性質， 即偏振方 向平行于上電極的定向方向的偏振光， 當通過扭曲排列起來的液晶時， 偏振方向 與液晶的扭曲結構同步旋轉， 到下電極表面時， 光的偏振方向與下電極的定向方 向相同，此時光的偏振方向轉過了 90度。另取兩張偏振片P1和P2貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相 同, P2的透光軸與下電極的定向方向相同， 于是P1和P2的透光軸相互正交（標 記為P1丄P2）。當未加

14、驅動電壓的情況下，來自光源的自然光經過偏振片 P1 后只剩下平行于透 光軸的線偏振光， 線偏振光射入液晶層以光波導方式在液晶層傳播， 即該光在傳 播中，其偏振方向隨分子扭曲結構同步旋轉。 光到達輸出面時， 其偏振面旋轉了 90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。扭咄排列的.孑具、；皙光被辱效入舸的目齡 偏振片P1.«| I偏振片巴出射圖4-1液晶光幵關的工作瘵理在施加足夠電壓情況下（一般為12伏），棍狀的液晶分子在靜電場的吸引下， 除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其它液晶分子趨于平行于電場排列。于是原來的扭曲結構被破壞，成了均勻結構。當光通過液晶時

15、，從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中不再旋轉，保持原來的偏振方向到達下電極。 這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關斷。由于上述液晶光開關在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關斷，因此叫做常通型光開關，又叫做常白模式。2、液晶光開關的電光特性液晶分熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內呈現(xiàn)液晶的光學各向 異性，溶致液晶是溶質溶于溶劑中形成的液晶。目前有于顯示器件的都是熱致液晶，它的電光特性跟溫度的改變有一定的關系。由圖4-2為光線垂直入射本實驗所用液晶屏時的相對透射率（以不加電場時的透過率為100%）與外加電壓的關系。由圖4-2可知對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓

16、的升高而逐漸降低。在 一定的電壓下達到最低點，此后略有變化。出現(xiàn)該極點的原因，簡單的說，可以認為表征液晶光學各向異性的透射率橢圓的 光軸方向正好與入射光的方向重合。更詳細的分析見文獻 1。3、液晶光開關的視角特性液晶光開關的視角特性表示對比度與視角的關系。對比度定義為光開關打開和關斷時透射光強度之比對比度大于 5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于 2,圖 像就模糊不清了。圖4-3表示了某種液晶視角特性的理論計算結果。圖4-3中， 有與原點的距離表示垂直視角（入射方向與液晶屏法線方向的夾角） 的大小，圖 4-3中同心圓分別表示垂直視角 30，60，90度。90度同心圓外面標注的數(shù)字表 示水平視角

17、（入射光線在液晶屏上的投影與 0度方向之間的夾角）的大小。圖 4-3中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。由圖4-3可以看出，對比度與垂直和水平視角都有關。我們在不同的方向上看液晶屏幕時，可觀察到對比度 有較大的變化。對比度的視角特性歸因于液晶的各向異性， 詳細的分析可見文獻2 。/.hl;5 V.f欽&H >lvl-lit度計J臼駅燈関4-囚測呈觀角的裝査示意S實驗儀器簡介1、儀器的構成和原理本實驗所用儀器為液晶光開關電光特性綜合實驗儀，其電氣構成和結構的示意圖 如圖4-5所示。其中：1為激光器電源，2為矩陣驅動器，3為電流放大顯示器，4為中央控制器, 5為開關矩陣板（用于

18、字符點陣的輸入）。以上構成了液晶光開關電光特性綜合 實驗儀的電路部分。6為激光器，7為16 x 16的液晶光開關單元構成的顯示器。 8為激光探測器。9為底座。9圖4-5.液晶光開關電光特性綜合實驗儀1BE1G1 .1J10激光器電源1為激光器6供電，使激光器發(fā)出波長為633nm的單色準直光。準直 光穿過液晶光開關后被探測器8接收，轉化為微弱的電流信號，經電流放大器 8 放大后由顯示器11顯示出來。此時，中央控制器 4控制矩陣驅動器2向液晶光 開關7輸出幅度可以被手動調節(jié)的供電電壓。實驗時調節(jié)供電電壓的幅度以改變 光開關的透過率，所加電壓的幅度被中央控制器 4上的數(shù)字電壓表顯示出來，透 過率由3

19、顯示出來。外部結構如圖4-6所示。背回圖正面:ff0窒勁就沱樹赳#上住科丿O自電障幵蓋ABC買戎博峽耳吳OHop激址feSJ14 J5 1613圖4-6液晶光開關電光特性綜合實驗儀面板示意圖2、面板上的按鈕和旋鈕的功能液晶光開關電光特性綜合實驗儀面板上的按鈕開關和旋鈕的排列如圖 4-6所示。 其中，10和11分別為電壓顯示器和相對光強顯示器。12、13、14分別為液晶光 開關的電壓調整、相對透過率調零、相對透過率 100%調節(jié)。7為TN型16X16 液晶顯示器，5為用于字符點陣輸入的矩陣開關板，17為半導體激光器、光探測 器與直流放大器一體化模塊。儀器可工作于靜態(tài)全屏（模式轉換開關彈出）或圖像

20、顯示（模式轉換開關按下） 兩種工作模式之一。3、工作模式模式1:液晶電光特性測試選擇靜態(tài)全屏模式，此時液晶屏上所有顯示單元（共有16X16顯示單元）均工作 于同一狀態(tài)。通過供電電壓調節(jié)旋鈕可調節(jié)加到液晶屏光開關上的電壓， 其數(shù)值 由供電電壓顯示窗口顯示作電光特性測量時，調節(jié)液晶屏的位置使激光垂直液晶屏入射。準直半導體激光 穿過液晶開關后被探測接收，其強度由相對透過率顯示窗口顯示，測量相對透過 率隨光開關像素電壓的變化關系，即可繪出液晶光開頭的電光特性曲線。作視角特性測量時，在水平方向轉動液晶屏，測量不同光線入射角時光開頭打開（電壓為0伏）和關斷（電壓為2伏）時的光透過率，由此可計算出水平方向對

21、比度與視角的關系。液晶屏在相互垂直的方向上有兩個插口， 將液晶屏的另一方 向插入，即可測量垂直方向對比度與視角的關系。實驗步驟1、2、1)2)3)4)做實驗之前，請仔細閱讀實驗講義；液晶像素光開關器靜態(tài)電光特性測量將TN型16X16點陣液晶屏金手指1，如圖4-7所示，插入插槽；插上電源，打開電源總開關和激光器電源開關；使激光器預熱1015分鐘;將液晶屏旋轉臺置于零刻度位置，使得準直激光垂直入射到液晶屏上； 將模式轉換開關彈出，將 TN型16X16點陣液晶屏像素開關置于光關斷狀態(tài)，即置于靜態(tài)全屏模式；5）進行透過率100%，和0%調節(jié)：A、透過率0%調節(jié)將入射微光探測器的激光擋住，調100%旋鈕

22、不動，調節(jié)調0%旋鈕使得透過率 顯示為0 （注：調節(jié)致0.5以內都可視為誤差允許范圍內）。B、透過率100%調節(jié)讓激光入射微光探測器，將像素步電壓置于最低，此時液晶像素開關處于光開通態(tài)，調0%旋鈕不動調節(jié)100%旋鈕使得透射率顯示為100。it ft 3匚A i4fri圖4-76）液晶像素光開關透過率的測量A、在調整好100%和0%以后，B、按表1第1行的數(shù)據改變像素電壓，使得電壓值從 0V到6V變化，讀出并記 錄相應電壓下的透過率數(shù)值。重復實驗3次并計算3次相應電壓下透過率的平均值，依據實驗數(shù)據繪制電光特 性T V曲線。C將液晶屏旋轉，使用金手指2,重復上述步驟依據實驗數(shù)據繪制電光特性T V曲線。討論測量誤差。D將上述兩個方向所測得的TV曲線進行比較，并且討論它們的異同。表1? 0度視角下液晶光開關電光特性測量電壓（伏）000. 50. 81. 01. 21. 41. 61. 82. 02. 22. 53. 0?4. C5. 06. C透 過 率