液晶的電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)

-.z.液晶的電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)**:**：聯(lián)系：地址：選課學(xué)期：2014春-.z.液晶的電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)摘要：利用液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，對(duì)液晶的關(guān)開(kāi)關(guān)電光特性、液晶的時(shí)間響應(yīng)、光開(kāi)關(guān)視角特性進(jìn)展測(cè)量，并對(duì)液晶特性進(jìn)展簡(jiǎn)單的分析，了解液晶材料的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞：液晶、光開(kāi)關(guān)、電光特性、時(shí)間響應(yīng)、視角特性引言：液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)局部子排列是無(wú)序的，而液晶既具有液體的流動(dòng)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。當(dāng)光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)按電場(chǎng)方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場(chǎng)引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱(chēng)為液晶的電光效應(yīng)。液晶顯示器具有能耗小、體積小、無(wú)閃爍和環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，作為信息顯示器件，幾乎遍布于我們生活與工作的給個(gè)領(lǐng)域。液晶顯示器〔LCD〕的關(guān)鍵技術(shù)之一是液晶的取向技術(shù)，它是影響器件比照度、色度等的重要因素。液晶的種類(lèi)很多，僅以常用的TN〔扭曲向列〕型液晶為例，說(shuō)明其工作原理。TN型光開(kāi)關(guān)的構(gòu)造如圖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(zhǎng)度在十幾?！?埃＝10-10米〕，直徑為4～6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)外表涂有透明電極，電極的外表預(yù)先作了定向處理〔可用軟絨布朝一個(gè)方向摩擦，也可在電入射的自然光偏振片P1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(dǎo)效應(yīng)光波導(dǎo)已被電場(chǎng)拉伸圖1.液晶光開(kāi)關(guān)的工作原理理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來(lái)的構(gòu)造具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極外表透過(guò)扭曲排列起來(lái)的液晶傳播到下電極外表時(shí)，偏振方向會(huì)旋轉(zhuǎn)90度。取兩*偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向一樣，P2的透光軸與下電極的定向方向一樣，于是P1和P2的透光軸相互正交。在未加驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，來(lái)自光源的自然光經(jīng)過(guò)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(dá)輸出面時(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時(shí)光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過(guò)。在施加足夠電壓情況下(一般為1～2伏)，在靜電場(chǎng)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(chǎng)方向排列。于是原來(lái)的扭曲構(gòu)造被破壞，成了均勻構(gòu)造，如圖1右圖所示。從P1透射出來(lái)的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時(shí)不再旋轉(zhuǎn)，保持原來(lái)的偏振方向到達(dá)下電極。這時(shí)光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。由于上述光開(kāi)關(guān)在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下讓光透過(guò)，加上電場(chǎng)的時(shí)候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開(kāi)關(guān)，又叫做常白模式。假設(shè)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*圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學(xué)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。實(shí)驗(yàn)：液晶光開(kāi)關(guān)電光特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理：圖2為光線垂直液晶面入射時(shí)本實(shí)驗(yàn)所用液晶相對(duì)透射率〔以不加電場(chǎng)時(shí)的透射率為100%〕與外加電壓的關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，對(duì)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，在一定電壓下到達(dá)最低點(diǎn)，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(guò)率為90％時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓；關(guān)斷電壓：透過(guò)率為10％時(shí)的驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動(dòng)路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動(dòng)，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(dòng)路數(shù)。實(shí)驗(yàn)方法：將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過(guò)率顯示校準(zhǔn)為100％，改變電壓，使得電壓值從0V到6V變化，記錄相應(yīng)電壓下的透射率數(shù)值填入表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果：表1液晶光開(kāi)關(guān)電光特性電壓次數(shù)00.50.81.01.21.31.41.51.61.72.03.04.05.06.0透過(guò)率〔％〕110010010099.688.273.455.738.925.215.64.64.74.33.83.5210010010099.688.173.455.638.725.215.64.54.74.33.83.5310010010099.788.173.455.638.725.215.64.64.74.33.83.5平均10010010099.688.173.455.638.825.215.64.64.74.33.83.5液晶光開(kāi)關(guān)電光特性數(shù)據(jù)分析：當(dāng)電壓在0.8V以下時(shí)，液晶的透過(guò)率為100％，透過(guò)率為90％時(shí)，其電壓值由曲線圖可得為1.3V，透過(guò)率為10％時(shí)，其電壓值為1.8V。實(shí)驗(yàn)：液晶的時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理：加上〔或去掉〕驅(qū)動(dòng)電壓能使液晶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因?yàn)橐壕У姆肿优判虬l(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時(shí)間，反映在時(shí)間響應(yīng)曲線上，用上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τd描述。給液晶開(kāi)關(guān)加上一個(gè)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(shí)間響應(yīng)曲線，上升時(shí)間和下降時(shí)間。如圖3下列圖所示。上升時(shí)間：透過(guò)率由10%升到90%所需時(shí)間；下降時(shí)間：透過(guò)率由90%降到10%所需時(shí)間。液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。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(guò)構(gòu)造方面的技術(shù)改良，已到達(dá)很好的效果。實(shí)驗(yàn)方法：將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式，透過(guò)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(chǔ)示波器或用信號(hào)適配器接模擬示波器可以得出液晶的開(kāi)關(guān)時(shí)間響應(yīng)曲線。記錄下不同時(shí)間時(shí)的透過(guò)率，填入表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：示波器所得圖像時(shí)間〔s〕0.0400.0650.1050.1151.0701.0801.1151.1502.1402.1752.215透過(guò)率(%)10090100010901001009010表2時(shí)間響應(yīng)的數(shù)值表時(shí)間響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)分析：由示波器圖像可得出上表中的數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可知，液晶的響應(yīng)時(shí)間的上升時(shí)間為35ms，下降時(shí)間為40ms。實(shí)驗(yàn)：液晶光開(kāi)關(guān)視角特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理：液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性表示比照度與視角的關(guān)系。比照度定義為光開(kāi)關(guān)翻開(kāi)和關(guān)斷時(shí)透射光強(qiáng)度之比，比照度大于5時(shí)，可以獲得滿(mǎn)意的圖像，比照度小于2，圖像就模糊不清了。圖4表示了*種液晶視角特性的理論計(jì)算結(jié)果。圖4中，用與原點(diǎn)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(gè)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(biāo)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比照度時(shí)的等比照度曲線。由圖4可以看出，液晶的比照度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對(duì)稱(chēng)性。假設(shè)我們把具有圖4所示視角特性的液晶開(kāi)關(guān)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以220度方向向下，并由多個(gè)顯示開(kāi)關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對(duì)稱(chēng)，在左，右和俯視3個(gè)方向，垂直視角接近60度時(shí)比照度為5，觀看效果較好。在仰視方向比照度隨著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。實(shí)驗(yàn)方法：將模式置于靜態(tài)模式，將透過(guò)率顯示調(diào)到100﹪，以水平/垂直方向插入液晶板，在供電電壓為0V時(shí)，調(diào)節(jié)液晶屏與入射激光的角度，在每一角度下測(cè)量光強(qiáng)透過(guò)率最大值TMA*。然后將供電電壓設(shè)為2V，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，測(cè)量光強(qiáng)透過(guò)率最小值TMIN，將數(shù)據(jù)記入下表中，并計(jì)算其比照度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：表3水平方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tma*(0V)10099.799.699.49997.895.893.391.286.181.173.264.755.344.131.4Tmin(2V)3.53.53.53.63.63.73.83.83.73.53.53.63.83.83.52.8Tma*/Tmin28.628.528.527.627.526.425.224.624.624.623.220.317.014.612.611.2負(fù)角度051015202530354045505560657075Tma*(0V)10010010010010099.897.895.794.49085.878.770.560.146.932.9Tmin(2V)3.63.73.73.844.24.34.34.243.93.8443.62.8Tma*/Tmin27.827.027.026.325.023.822.722.322.522.522.020.717.615.013.011.8表4垂直方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tma*(0V)10099.698.897.395.292.890.687.283.880.576.571.866.158.748.636.6Tmin(2V)3.65.710.316.323.833.34454.264.471.474.873.668.560.649.635.9Tma*/Tmin27.817.59.66.04.02.82.11.61.31.11.01.01.01.01.01.0負(fù)角度051015202530354045505560657075Tma*(0V)10099.698.897.495.392.790.587.684.681.778.775.170.263.954.441.2Tmin(2V)3.63.66.11118.6283949.859.367.572.574.171.966.255.942.6Tma*/Tmin27.827.716.28.95.13.32.31.81.41.21.11.01.01.01.01.0數(shù)據(jù)分析：上表可知，液晶的水平方向視角上的比照度隨著角度加大下降較慢，且在+75°內(nèi)比照度均大于5。在垂直方向上的比照度隨著角度角度下降較快，且在正角度上的比照度隨角度的加大減小的更為明顯。在正角度上，當(dāng)角度在15°以下時(shí)其比照度大于5，在30°以下時(shí)大于2，比照度隨角度繼續(xù)增大而趨于1；在負(fù)角度上，當(dāng)角度在20°以下時(shí)，其比照度大于5，在30°以下時(shí)，比照度大于2，比照度隨角度繼續(xù)增大而趨于1。結(jié)果與討論：實(shí)驗(yàn)得出，本實(shí)驗(yàn)所用液晶板的閾值電壓為1.3V，關(guān)斷電壓為1.8V，差值為0.5V。閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開(kāi)關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動(dòng)路數(shù)就越多。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(dòng)路數(shù)。液晶的響應(yīng)時(shí)間的上升時(shí)間為35ms，下降時(shí)間為40ms。液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果就越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。液晶的比照度與垂直和水平視角都有關(guān)，而且具有非對(duì)稱(chēng)性。在水平方向上比照度隨著視角的加大降低較慢，且實(shí)驗(yàn)所得比照度均大于5；在垂直方向上比照度隨著視角的加大迅速降低，且當(dāng)視角大于35°時(shí)，比照度小于2。我國(guó)液晶材料開(kāi)發(fā)研究工作雖然從七十年代初期就已經(jīng)開(kāi)場(chǎng)，但由于受?chē)?guó)內(nèi)LCD工業(yè)整體技術(shù)設(shè)備水平和投入資金的限制，液晶行業(yè)也一直沒(méi)有被國(guó)家列入重點(diǎn)科技攻關(guān)工程，研究經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重缺乏和人才短缺限制了該行業(yè)的開(kāi)展。到目前為止液晶顯示器件和液晶材料研究開(kāi)發(fā)仍以TN型和中低檔STN型為主。國(guó)內(nèi)目前中高檔產(chǎn)品品種相對(duì)偏少，尚不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，急待增加科研開(kāi)發(fā)力度，尤其是STN-LCD用液晶材料。參考文獻(xiàn)：郭春桔，夏森林，孫振等--側(cè)鏈含稠環(huán)的新型聚酰亞胺液晶垂直取向劑的制備與表征--<J>--液晶與顯示，2012,27〔1〕8-13prehensivee*perimentsoflightingeffectsaboutLCDABSTRACTUseofliquidcrystallightswitchelecto-opticpropertiesoftheprehensivee*perimentaldevice,liquidcrystaltoturnofftheswitchelecto-opticproperties,l