光電功能材料課程-12、13市公開課一等獎省賽課微課金獎

《光電功效材料》13

劉磊電話：84315437Email:liulei442@第1頁3.光功效材料3.1.激光材料3.2．非線性光學材料3.3.光纖材料3.4光電顯示材料3.5.光伏材料及太陽能電池3.6.納米材料

3.7.液晶材料與LCD目錄第2頁液晶材料與液晶顯示器液晶發(fā)覺液晶分類液晶光電效應(yīng)液晶顯示器基本原理第3頁（LCD:LiquidCrystalDisplay

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液晶是自然界中一個神奇物相。自1888年發(fā)覺以來，因為它神奇，成為生物學、化學和物理學一個主要研究領(lǐng)域。液晶在顯示技術(shù)信息技術(shù)中應(yīng)用，創(chuàng)造了一個五彩繽紛世界，推進了信息技術(shù)發(fā)展。液晶顯示器件是眾多平面顯示器件中發(fā)展最成熟、應(yīng)用面最廣、已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化而且仍在迅猛發(fā)展著一個顯示器件。

第4頁LiquidCrystalDisplay(LCD)液晶顯示器夏普108英寸LCDTV.01.09

第5頁1、液晶發(fā)覺與發(fā)展過程介紹

1888年奧地利布拉格德國大學植物生理學家斐德烈?萊尼澤（FriedrichReinitzer）在加熱安息香酸膽固醇脂（CholesterylBenzoate）研究膽固醇在植物內(nèi)之角色，于1883年3月14日觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時異常表現(xiàn)。它在145.5℃時熔化，產(chǎn)生了帶有光彩混濁物，溫度升到178.5℃后，光彩消失，液體透明。此澄清液體稍微冷卻，混濁又復出現(xiàn)，瞬間展現(xiàn)藍色，又在結(jié)晶開始前一刻，顏色是藍紫。萊尼澤重復確定他發(fā)覺后，向德國物理學家雷曼請教。當初雷曼建造了一座含有加熱功效顯微鏡去探討液晶降溫結(jié)晶之過程，以后愈加上了偏光鏡，他并發(fā)覺呈渾濁狀液體中間含有和晶體相同性質(zhì)．故稱為“液晶”。這是世界上首次被發(fā)覺一個熱致液晶：膽甾醇苯甲酸脂。因為歷史條件所限，當初并沒有引發(fā)很大重視，只是把液晶用在壓力和溫度指示器上。萊尼澤和雷曼以后被譽為液晶之父。

第6頁1、液晶發(fā)覺與發(fā)展過程介紹

液晶發(fā)展在1963年出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點。該年，美國無線電企業(yè)(RCA)普林斯頓研究所一個從事微波固體元件研究已兩年年輕技術(shù)工作者G．H．Heimeier，即將完成他博土學位答辨。他有一個朋友正在從事有機半導體研究工作，在上下班路上向Heimeier介紹他所從事研究工作，使他發(fā)生了濃厚興趣。就這么，這位電子學教授改變了自己專業(yè),進入了有機化學領(lǐng)域，他把電子學應(yīng)用于有機化學，僅一年就發(fā)表了五篇論文。他將染料與向列液晶混合，夾在兩片透明導電玻璃基片之間，只施加幾伏電壓，功率不到幾個微瓦每平方厘米，液晶盒就由紅色變成透明態(tài)。Heimeier心想到這不就是平板彩色電視嗎?興奮小組組員日以繼夜地工作，相繼發(fā)覺了動態(tài)散射、相變等一系列液晶電光效應(yīng)，而且研究出一系列數(shù)字、字符顯示器件以及液晶鐘表、駕駛臺顯示器等應(yīng)用產(chǎn)品。RCA企業(yè)領(lǐng)導對相關(guān)液晶創(chuàng)造極為重視，將其列為企業(yè)重大秘密。1968年RCA企業(yè)向世界公布這些液晶創(chuàng)造。第7頁

1969年2月日本NHK向國內(nèi)進行了液晶創(chuàng)造報導，引發(fā)日本科技、工業(yè)界極大重視。日本將當初大規(guī)模集成電路與液晶相結(jié)合，以“個人電子化”’市場為導向，很快打開了液晶應(yīng)用局面。日本人從液晶于表、液晶計算器等低級產(chǎn)品起步，發(fā)展到小尺寸無源矩陣黑白電視、非晶硅有源矩陣彩色電視，直到當前多晶硅有源矩陣高分辨率彩色液晶顯示器，不但促進了日本微電子工業(yè)驚人發(fā)展，還一直領(lǐng)導著世界液晶工業(yè)發(fā)展方向，掌握著液晶工業(yè)最前端技術(shù)。液晶發(fā)覺已經(jīng)有100多年歷史，但近來才取得了快速發(fā)展。這是因為液晶材料光電效應(yīng)被發(fā)覺。因而被應(yīng)用在低電壓和輕薄短小顯示組件上。經(jīng)過近30年發(fā)展，液晶巳形成一個獨立學科。液晶知識包括多門學科，如化學、電子學、光學、計算機、微電子、精細加工、色度學、照明等。當前液晶材料已被廣泛應(yīng)用于計算機顯示器，電子表，手機，計算器等電子產(chǎn)品上。成為顯示工業(yè)不可或缺主要材料。

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生活中液晶顯示器第9頁2、液晶基礎(chǔ)

（1）物質(zhì)第四態(tài)-------液晶

普通常識：

物質(zhì)像水一樣都有三態(tài)：固體、液體和氣體，通常固體加熱至熔點就變成透明液體，溫度再升高就變成氣體。其實：物質(zhì)三態(tài)是針對水等一類物質(zhì)而言，對于不一樣物質(zhì)，可能有其它不一樣狀態(tài)存在。有些有機材料不是直接從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，而是先要經(jīng)過中間狀態(tài)，然后才轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。這種中間狀態(tài)外觀是流動性混濁液體，同時又有光學各向異性晶體所特有雙折射特征。第10頁第11頁液晶分類方法1.按照液晶形成條件分類2.按照分子排列形式和有序性分類第12頁按照液晶形成條件分類

當對一些晶體物質(zhì)體加熱時，因為溫度升高破壞結(jié)晶晶格，使其任某一溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出各向異性熔體而形成液晶態(tài)。用于顯示都是可工作于室溫熱致液晶，因為熱致各向異性液晶物質(zhì)特殊穩(wěn)定溫度范圍應(yīng)在室溫以上，只有這類液晶才能作為顯示器件材料。熱致液晶第13頁按照液晶形成條件分類

有機分子溶解在溶劑中，使溶液中溶質(zhì)濃度增加，溶劑濃度減小，有機分子排列有序而取得液晶．溶致液晶肥皂水就是溶致液晶，含有雙折射特征，使肥皂泡表面含有彩虹色彩。第14頁組成液晶態(tài)結(jié)構(gòu)單元１．棒狀分子２．盤狀分子３．由長鏈或盤狀分子連接而成柔性長鏈聚合物４．由雙親分子自組裝而成膜第15頁熱致液晶按分子排列有序方式能夠分為以下幾個類別：近晶相液晶由棒狀或條狀分子組成，分子排列成層，層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向能夠垂直于層面，或與層面成傾斜排列，如圖所表示。因分子排列整齊，其規(guī)整性靠近晶體，含有二維有序這類液晶分子呈扁平狀，排列成層，層內(nèi)分子相互平行，分子長軸平行于層平面，不一樣層分子長軸方向稍有改變，沿層法線方向排列成螺旋狀結(jié)構(gòu)

向列相液晶由長徑比很大捧狀分子所組成，含有類似于普通液體流動性，分子不能排列成層，它能上下、左右、前后滑動，只在分子長鈾方向上保持相互平行或近于平行。

從宏觀整體上看，向列液晶因為其液晶分子重心混亂無序，能夠象液體一樣流動，全部液晶分子長軸大致指向一個方向，使向列液晶含有單軸晶體光學特征。而在電學上，又含有顯著介電各向異性。這么能夠利用外加電場對含有各向異性向列液晶分子進行控制，改變原有分子有序狀態(tài)，從而改變液晶光學性能，實現(xiàn)液晶對外界光調(diào)制，到達顯示目標。向列液晶這種顯著電學、光學各向異性，加上其粘度較小，使向列液晶成為顯示器件中應(yīng)用最為廣泛一類液晶。第16頁液晶三種結(jié)構(gòu)類型向列型（Nematic)：分子傾向于沿特定方向排列，存在長程方序．分子質(zhì)心位置分布卻是雜亂無章，不存在長程位置序．表現(xiàn)出液體特征，含有流動性．第17頁向列型液晶第18頁液晶三種結(jié)構(gòu)類型膽甾型(Cholesteric)：

在膽甾相中，長型分子是扁平，依靠端基相互作用，依次平行排列成層狀。它們長軸在平面上，相鄰兩層間分子長軸取向規(guī)則地扭轉(zhuǎn)在一起，角度改變呈螺旋型。第19頁螺旋狀液晶第20頁液晶三種結(jié)構(gòu)類型：近晶型(Smectic)：

棒狀分子相互平行地排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子長軸垂直與層面．在層內(nèi)，分子排列含有二維有序性，分子質(zhì)心位置排列則是無序，分子只能在本層內(nèi)活動．在層間含有一維平移序，層間能夠相互滑移．第21頁近晶型液晶第22頁液晶材料液晶相：含有各向異性液態(tài)，由各向異性分子組成，且分子傾向定向排列。液晶：凡出現(xiàn)液晶相物質(zhì)至今，這些分子均為有機分子，無機分子液晶還沒有發(fā)覺液晶相：處于熔點和清亮點之間相

在從晶體到液晶，再到液體相變過程中，Tl為熔點，T2為清亮點。在T1—T2之間為液晶相區(qū)間。第23頁液晶分子光電效應(yīng)描述液晶分子光電效應(yīng)主要物理量：

１．介電系數(shù)２．折射系數(shù)第24頁液晶分子光電性質(zhì)

液晶分子大多由棒狀或碟狀分子形成,所以與分子長軸平行或垂直方向物理特征會有所差異，這就是液晶分子結(jié)構(gòu)異方性．因為液晶分子結(jié)構(gòu)異方性，所以液晶分子在介電系數(shù)和光電系數(shù)等光電系數(shù)上都含有異方性．第25頁液晶顯示中三大光學特征

①能使入射光前進方向向液晶分子長軸（即指向矢n)方向偏轉(zhuǎn)；液晶呈單軸光學各向異性所致，各種液晶顯示器基本上是依據(jù)這三大光學特征而設(shè)計制造。②能改變?nèi)肷涔馄駹顟B(tài)(線偏振、圓侗振、橢圓偏振)或偏振方向③能使入射偏振光對應(yīng)于左旋光或右旋光進行反射或者透射。第26頁液晶材料物理性質(zhì)與顯示技術(shù)關(guān)系第27頁液晶顯示器(LCD)基本原理

LiquidCrystalDisplay１．偏振片透光原理２．液晶對光線調(diào)制作用３．常見三種液晶顯示器第28頁液晶顯示器基本原理偏振片透光原理：偏振片只允許偏振方向與它偏振化方向平行光透過，假如讓兩個偏振片偏振化方向相互垂直，因為第一次出射光偏振方向與第二個偏振片偏振化方向垂直，光不能經(jīng)過第二個偏振片．第29頁液晶顯示器基本原理

把液晶放在兩個偏振片之間，假如有光線進入,經(jīng)過第一個偏振片后，將被液晶分子逐步改變偏振方向.因為光線沿著分子排列方向傳輸，光線最終將從另一端射出．假如兩玻璃板之間加上電壓，分子排列方向?qū)⑴c電場方向平行，光線因為不能扭轉(zhuǎn)將不會經(jīng)過第二個極板．第30頁液晶顯示器基本原理

液晶顯示器就是利用這一特征，在兩塊玻璃基板間注入液晶材料，經(jīng)過外界電場等條件控制液晶分子排列取向，以影響液晶單元透光率，從而影響它光學性質(zhì)，產(chǎn)生含有不一樣灰度層次及顏色圖像。第31頁液晶顯示器結(jié)構(gòu)液晶顯示器是一個由上下兩片導電玻璃制成液晶盒，盒內(nèi)充有液晶，四面用密封材料——膠框密封，盒兩個外側(cè)貼有偏光片。第32頁常見三種液晶顯示器TN-LCD(扭曲向列型液晶顯示器）：TwistedNematic-LCD

慣用于電子手表，計算器．第33頁常見三種液晶顯示器STN-LCD(超扭曲向列型液晶顯示器）SuperTwistedNematic-LCD

慣用于手機顯示器,游戲機屏

第34頁常見三種液晶顯示器TFT-LCD(薄膜型液晶顯示器）：ThinFilmTransistor-LCD

慣用于液晶顯示器，數(shù)碼攝影機第35頁TN、STN型結(jié)構(gòu)

液晶盒中玻璃片兩個外側(cè)分別貼有偏光片，這兩片偏光片偏光軸相互平行（黑底白字常黑型）或相互正交（白底黑字常白型），且與液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。偏光片普通是將高分子塑料薄膜在一定工藝條件下進行加工而成第36頁STN型液晶

TN扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。第37頁STN型液晶

單純TN液晶顯示器本身只有黑白兩種情形，而STN液晶顯示器牽涉液晶材料關(guān)系，以及光線干涉現(xiàn)象，所以顯示色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。假如在單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片，并將單色顯示像素分成三個子像素，分別經(jīng)過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色，再經(jīng)由三原色百分比之調(diào)和，也能夠顯示出全彩模式色彩。第38頁TFT型液晶第39頁TFT型液晶

在玻璃基片上沉積一層硅,經(jīng)過印刷光刻等工序作成晶體管陣列,每個像素都設(shè)有一個半導體開關(guān)，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。再把液晶灌注在兩片玻璃之間,因為每個像素都能夠經(jīng)過點脈沖直接控制，因而，每個節(jié)點都相對獨立，并能夠進行連續(xù)控制，這么設(shè)計不但提升了顯示器反應(yīng)速度，同時能夠準確控制顯示灰度，所以TFT液晶色彩更逼真，稱為真彩

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第40頁TFT型液晶

對于TFT-LCD而言彩色濾光片是很主要，利用紅，綠，藍三原色，可混合出各種不一樣顏色，很多平面顯示器就是利用此原理顯示色彩，把三種顏色分成獨立三個點，各自擁有不一樣灰階改變，然后把臨近三個RGB顯示點看成一個像素第41頁補充：屏幕保護程序也成殺手液晶顯示器該怎么用？■屏保對CRT顯示器作用

CRT(陰極射線顯像管)顯示器顯像原理主要是由燈絲加熱陰極，陰極發(fā)射電子，然后在加速極電場作用下，經(jīng)聚焦極聚成很細電子束，在陽極高壓作用下，取得巨大能量，以極高速度去轟擊熒光粉層.在圖形界面操作系統(tǒng)下，顯示器上顯示色彩各種多樣，當用戶停頓對電腦進行操作時，屏幕顯示就會一直固定在同一個畫面上，即電子束長久轟擊熒光層相同區(qū)域，長時間下去，會因為顯示器熒光層疲勞效應(yīng)造成屏幕老化，甚至是顯像管被擊穿。所以從Windows3.X時代至今，屏幕保護程序一直作為保護CRT顯示器最正確幫手，經(jīng)過不停改變圖形顯示使熒光層上固定點不會被長時間轟擊，從而防止了屏幕損壞。第42頁■屏保對液晶顯示器傷害

由LCD工作原理可知，一部正在顯示圖像LCD，其液晶分子一直是處于開關(guān)工作狀態(tài)，對于一部響應(yīng)時間到達5msLCD工作1秒鐘，液晶分子就已經(jīng)開關(guān)了幾百次左右。而液晶分子開關(guān)次數(shù)自然會受到壽命限制，到了壽命LCD就會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，比如壞點等等。所以當我們對電腦停頓操作時還讓屏幕上顯示五顏六色重復運動屏幕保護程序無疑使液晶分子依舊處于重復開關(guān)狀