液晶電光效應實驗報告

1、液晶電光效應實驗實驗報告熊建摘要：液晶是一種高分子材料，因其特殊的物理、化學性質(zhì)，特殊的光學性質(zhì)，以及對電磁場的敏感，現(xiàn)在已被廣泛應用于輕薄型的顯示技術(shù)上。關(guān)鍵詞：液晶，電光特性，時間響應特性，視角特性液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。光通過液晶時，產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應。測量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，得到液晶的閾值

2、電壓和關(guān)斷電壓；測量驅(qū)動電壓周期變化時液晶光開關(guān)的時間響應曲線，得到液晶的上升時間和下降時間；測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。了解液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像矩陣的方法，學習和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構(gòu)成文字和圖形的顯示模式，從而了解一般液晶顯示器件的工作原理?！緦嶒灂r間】：5月16日上午；【實驗條件】：室溫25【實驗目的】：1在掌握液晶光開關(guān)的基本工作原理的基礎上，測量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，并由電光特性曲線得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。2測量驅(qū)動電壓周期變化時，液晶光開關(guān)的時間響應曲線，并由時間響應曲線得到液晶的上升時間和下

3、降時間。3測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。4了解液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像矩陣的方法，學習和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構(gòu)成文字和圖形的顯示模式，從而了解一般液晶顯示器件的工作原理。【實驗儀器】： 液晶電光效應實驗儀一臺，液晶片一塊【實驗原理】1液晶光開關(guān)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。TN型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在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 10-10米 ），直徑為46埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂

4、有透明電極，電極的表面預先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波導效應光波導已被電場拉伸圖1. 液晶光開關(guān)的工作原理極表面涂取向劑），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；電極表面的液晶分子按一定方向排列，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爾斯力的作用，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，所以從俯視方向看，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1左圖所示。理論和實驗都證明，上述

5、均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度。取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，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。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。在施加足夠電壓情況下(一般為12伏)，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被

6、破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，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(guān)斷。由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學各向異性，溶致液晶是溶質(zhì)溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱致液晶，它的特性隨溫度的改變而有一定變化。2液晶光開關(guān)的電光特性圖2為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100%

7、）與外加電壓的關(guān)系。由圖2可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達到最低點，此后略有變化。可以根據(jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過率為90時的驅(qū)動電壓；關(guān)斷電壓：透過率為10時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動，故常用于數(shù)碼顯示。在電腦，電視等需要高分辨率的顯示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善電光特性曲線的陡度，增加驅(qū)動路數(shù)。3液晶光開關(guān)的時間響應特性加上（或去掉）驅(qū)動電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因

8、為液晶的分子排序發(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應曲線上，用上升時間r和下降時間d描述。給液晶開關(guān)加上一個如圖3上圖所示的周期性變化的電壓，就可以得到液晶的時間響應曲線，上升時間和下降時間。如圖3下圖所示。上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標。早期的液晶顯示器在這方面遜色于其它顯示器，現(xiàn)在通過結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)改進，已達到很好的效果。4液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強度之比，對比度大于5時，可

9、以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。圖4表示了某種液晶視角特性的理論計算結(jié)果。圖4中，用與原點的距離表示垂直視角（入射光線方向與液晶屏法線方向的夾角）的大小。圖中3個同心圓分別表示垂直視角為30，60和90度。90度同心圓外面標注的數(shù)字表示水平視角（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3中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。由圖4可以看出，液晶的對比度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對稱性。若我們把具有圖4所示視角特性的液晶開關(guān)逆時針旋轉(zhuǎn)，以220度方向向下，并由多個顯示開關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對稱，在左，右和俯視3個方向，垂直視

10、角接近60度時對比度為5，觀看效果較好。在仰視方向?qū)Ρ榷入S著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。5液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發(fā)光來實現(xiàn)信息顯示功能。這些顯示器主要有以下一些：陰極射線管顯示（CRT），等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示(ELD)，發(fā)光二極管（LED）顯示，有機發(fā)光二極管（OLED）顯示，真空熒光管顯示（VFD），場發(fā)射顯示（FED）。這些顯示器因為要發(fā)光，所以要消耗大量的能量。液晶顯示器通過對外界光線的開關(guān)控制來完成信息顯示任務，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點在于能耗極低。正因為如此，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子表、萬

11、用表、手機、傳呼機等具有不可代替地位。下面我們來看看如何利用液晶光開關(guān)來實現(xiàn)圖形和圖像顯示任務。矩陣顯示方式，是把圖5（a）所示的橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，叫做行驅(qū)動電極，簡稱行電極（常用表示），而把豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，叫做列驅(qū)動電極，簡稱列電極（常用表示）。把這兩塊玻璃片面對面組合起來，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。為了畫面簡潔，通常將橫條形狀和豎條形狀的ITO電極抽象為橫線和豎線，分別代表掃描電極和信號電極，如圖5（b）所示。 （a） （b）圖5. 液晶光開關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器矩陣型顯示器的工作方式為掃描方式。顯示原理可依以下的簡化說明作一介紹。欲顯示圖

12、5（b）的那些有方塊的像素，首先在第A行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應電極c、d 上加上低電平，于是A行的那些帶有方塊的像素就被顯示出來了。然后第B行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應電極b、e 上加上低電平，因而B行的那些帶有方塊的像素被顯示出來了。然后是第C行、第D行 ，余此類推，最后顯示出一整場的圖像。這種工作方式稱為掃描方式。這種分時間掃描每一行的方式是平板顯示器的共同的尋址方式，依這種方式，可以讓每一個液晶光開關(guān)按照其上的電壓的幅值讓外界光關(guān)斷或通過，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。【實驗內(nèi)容與步驟】：1、液晶的電光特性將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透

13、過率顯示校準為100，改變電壓，使得電壓值從0V到6V變化，記錄相應電壓下的透射率數(shù)值填入表1。表1 液晶的電光特性電壓次數(shù)00.50.80.91.01.11.21.31.41.51.61.72.03.04.05.0透過率（）110010099.999.597.189.275.458.241.126.916.39.62.83.33.12.6210010099.899.596.989.475.358.141.026.716.49.62.93.43.02.8310010099.899.597.089.375.258.241.126.716.39.63.03.23.02.7平均10010099.89

14、9.597.089.375.358.241.126.816.39.62.93.33.02.7由表1畫出電光特性曲線。由曲線圖可以得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓:1.09V 關(guān)斷電壓:1.56V2時間響應特性實驗將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，透過率顯示調(diào)到100%，然后將液晶供電電壓調(diào)到2.00V，在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下，用存儲示波器或用信號適配器接模擬示波器可以得出液晶的開關(guān)時間響應曲線。由表2和時間響應曲線圖可以得到液晶的響應時間:上升時間70ms，下降時間70ms3液晶的視角特性實驗將模式置于靜態(tài)模式，將透過率顯示調(diào)到100，以水平方向插入液晶板，在供電電壓為0V時，調(diào)節(jié)液晶屏與入射激

15、光的角度，在每一角度下測量光強透過率最大值TMAX。然后將供電電壓設為2V，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，測量光強透過率最小值TMIN，將數(shù)據(jù)記入下表中，并計算其對比度。表3 水平方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax (0V)10010010110110110310110199.897.194.189.48373.359.644.1Tmin (2V)2.92.92.82.93.13.43.73.83.93.73.63.53.53.43.12.4Tmax/Tmin34.4834.4836.0734.8232.5830.2927.3126.5825.5926

16、.2426.1425.5423.7121.5619.2318.38負角度051015202530354045505560657075Tmax (0V)10099.799.799.799.599.198.197.696.292.586.878.970.161.651.526.5Tmin (2V)2.933.23.43.84.14.34.44.34.13.73.332.82.51.5Tmax/Tmin34.4833.2331.1629.3226.1824.1722.8122.1822.3722.5623.4623.9123.372220.617.67由上表數(shù)據(jù)可以找出比較好的水平視角顯示范圍。比較

17、好的水平視角顯示范圍: -71度68度到達了20%將液晶板以垂直方向插入插槽，按照與測量水平方向視角特性相同的方法，測量垂直方向視角特性，并將數(shù)據(jù)記入下表中。表4 正角度051015202530354045505560657075Tmax (0V)10010099.899.498.597.195.393.490.189.186.884.280.574.465.550.6Tmin (2V)2.94.57.913.120.228.6950.761.772.679.382.882.17666.852.2Tmax/Tmin34.4822.2212.637.5884.8763.39510.591.842

18、1.461.2271.0951.0170.9810.9790.9810.969負角度051015202530354045505560657075Tmax (0V)10099.498.597.295.39389.986.683.881.57976.873.768.259.644.5Tmin (2V)2.93.46.211.518.828.338.348.958.767.272.575.470.168.760.444.3Tmax/Tmin34.4829.2415.898.4525.0693.2862.3471.7711.4281.2131.091.0191.0510.9930.9871.005由上

19、表數(shù)據(jù)可以找出比較好的垂直視角顯示范圍。比較好的垂直視角顯示范圍: -8.0度6.0度到達了20%實驗結(jié)論：1、由表1和所作電光特性曲線可以觀察透過率變化情況和響應曲線可以得出：透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達到最低點，此后略有變化。可以根據(jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓：閾值電壓:1.09V 關(guān)斷電壓:1.56V2、由表2和所作的開關(guān)時間響應特性曲線可以得到液晶上升時間和下降時間。3、由表3和表4的對比可以觀察到液晶的視角特性可以得出：水平方向上全測量范圍內(nèi)都有良好的視覺效果既可以獲得不錯的圖像，而在垂直方向上僅在-8.0度6.0度之間有較好的視覺效果，其余角度

20、都很難獲得清晰的圖像?！緟⒖嘉墨I】：ZKY-LCDEO-2液晶電光效應綜合實驗儀實驗指導及操作說明書等。Liquid crystal electro-optical effect Experimental reportXiong JianAbstract: Liquid crystal is a kind of polymer material, because of its special physical and chemical properties, special optical properties, as well as be sensitive to electromagnet

21、ic, now has been widely applied in thin type display technologyKey words: liquid crystal, electro-optical properties, response time, viewing angle characteristics Liquid crystal is between liquid crystals and between states of matter. The liquid crystal not only has the fluidity of the liquid, but a

22、lso its molecular is orderly arranged according to a certain rule, making it the crystal anisotropy. When light passes through the liquid crystal, it will produce a polarization rotation, double refraction and so on. The liquid crystal molecules containing polar groups of polar molecules, under the

23、action of the electric field, dipole will be directed by electric field, causing the molecules to the original arrangement changes, and optical properties of liquid crystals have been changed. The external electric field induced liquid crystal optical properties change known as the electro-optic effect of liquid crystal. The measurement of liquid crystal optical switch optical