液晶及其显示原理

液晶是液晶显示的功能材料，它是一种分子排列具有一定规则性的“液态晶体”，简称为“液晶”。液晶是一种有机化合物，在熔化过程中首先呈不透明的混浊液体，继续加热成为透明的液体。液晶具有与晶体相似的性质，如具有光学各向异性、介电和介磁各向异性及电学特性等，同时又具有液体的流动性。如果要改变固态晶体，必须旋转整个晶体;而液态晶体不同，液晶分子的极化方向可由电场或磁场来控制。

根据液晶形成的条件和组成，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类，前者液晶相曲温度变化所致，后者则由符合一定结构要求的化合物与溶剂所组成。热致液晶又分为近晶相(Smectic)、向列相( Nematic)和胆甾相(CholeSTeric )，如图1所示。

近晶型也称为脂状型夕向列型也称为棒(丝)状，胆甾型也称为类醇状。在扭曲向列显示(TN-LCD)、超扭曲向列显示(STN-LCD )和有源矩阵显示( AM-LCD )中，均采用向列相(即棒状或丝状)液晶。除了薄膜晶体管(TFT)阵列之外，TN-LCD、STN-LCD 和TFT-LCD都采用相似的制作工艺。图2所为TN-LCD盒的结构。

图1热致液晶分子排列示意图

图2TN-LCD盒结构

TN-LCD的显示原理如3所示。

TN-LCD的上、下两个玻璃片的摩擦方向相差90°(正交)，当自然光通过上偏振片后变成线性偏振光，并且偏振光的振劝方向与偏振片的偏振方向一致，同时也与上玻璃基片附近的液晶分子排列方向一致。当通过上偏振片的光进入液晶层后，由于液晶的折射率n0≠ne，线性偏振光分解成O光和E光夕其传播速度不同，但相位相同，因而在任一瞬间O光和E光合成的结果是使偏振光的振动方向发生了变化，通过液晶层的光也被逐渐扭曲了。曲于TN-LCD边界条件的限制，当光线到达下偏振片时，其光轴振动方向被扭曲了90°，与下偏振片的偏振方向一致，困而光线可以通过下偏振片而成为亮场。当施加电压后，液压分子在电场作用下取向，扭曲结构消失，通过上偏振片的线偏振光进入液晶层后不再旋转，因而不能通过下偏振片，形成暗场。这种显示方式的电光响应特性曲线如图4所示。

在图4中，V90称为门限电压。V10/ V90之比值称为门限电压值锐度，该比值越小，扫、描线数越多。但当购V10/V90值太小使扫描线数增加太多时，LCD的视角和对比度明显变差。

图3 TN-LCD 显示原理

图4 正显示TN-LCD电光响应特性曲线

STN-LCD与TN-LCD的显示原理相同，只是它将液晶与入射光线扭曲角从 90°增大到180°～270°。TN-LCD通常只有明暗两种变化，而STN-LCD显示器则以淡绿色和橙色为主。只要在STN-LCD fi示器上加上一彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三基色，就可以显示出色彩了。

TFT-LCD采用“背透”与“反射”相结合和“有源矩阵”驱动方式，其发光原理如图5所示。

图5 TFT-LCD发光原理

在TFT-LCD有源矩阵中，TFT透明电极矩阵制作在下玻璃板上，上玻璃板是滤光板，液晶材料夹在两块玻璃板之间，向列相液晶分子长轴在上、下玻璃板之间扭曲90°，玻璃板夹在两个偏振片之间，整个结构的功能如同一个电压控制的光澜。

LCD 的主要特点是功耗低、重量轻、超薄、超精细、图像逼真、层次丰富、画质细腻、立体感强、无闪烁、无辐射和可减轻人们的视觉疲劳，因此成为一种非常重要的平板显示器，在手表、计算器、游蛾机、测量仪器、汽车仪表、文字处理机、PC(个入电脑)、移动电话、个人数字助理(PDA)、数码相机、数字摄像机、计算机显示器和液晶电视等产品中得到了非常广泛的应用。