液晶的幾種模式的工作原理

液晶的幾種模式的工作原理

1、液晶材料是液晶顯示器件的主體。無論哪一種液晶顯示器都是以下述原理為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的，即通過電場或熱等外場的作用，使液晶分子從特定的初始排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌帕袪顟B(tài)，隨著液晶分子排列方式的改變，其表現(xiàn)出來的光學(xué)特性（雙折射特性）發(fā)生相應(yīng)改變，最終變換為明暗視覺變化。

2、現(xiàn)在普通的TFT有源矩陣液晶顯示器采用的工作方式都是TN(Twisted Nematic)模式的常白方式（Normally White）。TN模式的最重要特點(diǎn)是液晶盒的設(shè)置滿足摩根條件（其具體表述為：液晶分子的扭曲螺距和其折射率各向異性的乘積遠(yuǎn)大于入射光波長的一半，即Δnd ?λ/2），這樣光在通過該液晶層時(shí)，其偏振面發(fā)生的旋轉(zhuǎn)就與波長無關(guān)，（或者說當(dāng)滿足摩根條件時(shí)，不同波長的入射光經(jīng)過液晶層后各自偏振面產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度是一樣的）；液晶盒中充滿Np（正性向列相）液晶，液晶分子沿面排列，且分子長軸在上下玻璃基片之間連續(xù)扭曲90o，上下偏振片正交設(shè)置。

TN盒子的工作原理如下圖1.1所示：在斷開態(tài)，由于滿足摩根條件，而且起偏器的偏振化方向與下基板表面處液晶分子指向矢平行，所以經(jīng)起偏器獲得的入射線偏光射入液晶層后會隨著液晶分子的逐步扭曲同步旋轉(zhuǎn)（這就是所謂的：旋光效應(yīng)），當(dāng)?shù)竭_(dá)上基板時(shí)其偏振面旋轉(zhuǎn)達(dá)到90o，此時(shí)其偏振方向變成與檢偏器的偏振化方向平行，這樣該線偏光就可以穿過檢偏器而展現(xiàn)亮態(tài)顯示（由于無電場時(shí)為白畫面，所以稱之為“常白方式”）。當(dāng)我們給液晶盒施加一個(gè)大于閾值Vth的電壓時(shí)，Np型向列液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)就會被破壞，變成沿電場方向傾斜排列；當(dāng)外加電壓達(dá)到2Vth時(shí)，除上下基板表面處分子外其它所有液晶分子都變成沿電場方向再排列，這時(shí)TN盒的90o旋光性能消失，正交偏振片之間的液晶盒失去透光作用，從而得到暗態(tài)顯示。

3、當(dāng)前還有STN模式，它利用的是液晶分子的雙折射特性進(jìn)行工作的（而上面的TN模式利用的是特殊設(shè)置的液晶分子層的旋光特性進(jìn)行工作的）。這種模式由于工藝復(fù)雜，彩色化顯示不太理想（存在干涉色，亦即色彩還原能力不好），所以只用于低端顯示，比如手機(jī)、PDA等。

STN模式的液晶盒跟TN模式的不同只在于以下幾點(diǎn)：（1）起偏器偏振化方向和下基板處液晶分子長軸（即光軸方向）不是相互平行而是成30o角。這樣經(jīng)起偏器獲得的線偏光在射入液晶層時(shí)就會發(fā)生雙折射現(xiàn)象（2）上下基板處液晶分子長軸方向連續(xù)扭曲270o，而TN盒中是90o。

STN模式的工作原理如下：不加電時(shí)，液晶分子扭曲排列（上下基板處液晶分子長軸方向連續(xù)扭曲270o），由于下基板處液晶分子和起偏器偏振化方向不是相互平行而是成30o角，這樣經(jīng)起偏器獲得的線偏光在射入液晶層時(shí)就會發(fā)生雙折射現(xiàn)象，折射光的兩個(gè)電向量分量在上極板處重新合成，變成橢圓偏振光，最終有一部分光從檢偏器射出。加電時(shí)，液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)被解體，變成垂面排列狀態(tài)，正交設(shè)置的偏振片能阻斷光的投射，得到暗態(tài)顯示。

4、上面兩種模式下，外加電壓越大時(shí)，液晶分子的傾斜角度越大（越接近垂面排列狀態(tài)），對應(yīng)的透射光的強(qiáng)度越大；外加電壓越小，液晶分子傾角越?。ㄔ浇咏孛媾帕袪顟B(tài)），對應(yīng)的透射光強(qiáng)度越小。也就是說，通過控制外加電壓的大小，就可以實(shí)現(xiàn)想要的灰階顯示。

5、彩色顯示機(jī)理：
當(dāng)前液晶顯示器件的彩色顯示是利用彩色濾色膜來實(shí)現(xiàn)的。彩色濾色膜制作過程如下圖2.7所示：

組合成的液晶盒結(jié)構(gòu)可參見下圖（這是我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中MVA模式液晶盒結(jié)構(gòu)圖，TN模式液晶盒只是沒有上下小凸起而已，其它的基本一樣），也就是說，彩色濾色膜的R、G、B三基色按一定圖案排列，并與TFT基板上的TFT子象素一一對應(yīng)（注意：一個(gè)象素由三個(gè)子象素組成）。背光源發(fā)出的白光，經(jīng)濾色膜后變成相應(yīng)的R、G、B色光。通過TFT數(shù)組可以調(diào)節(jié)加在各個(gè)子象素上的電壓值，從而改變各色光的透射強(qiáng)度。不同強(qiáng)度的RGB色光混合在一起，就實(shí)現(xiàn)了彩色顯示。

6、還有其它的模式，比如MVA模式、IPS模式等，都是為了改善視角特性和提高響應(yīng)速度而新開發(fā)的液晶工作模式，是對TN模式的改進(jìn)而已。

7、上下偏振片（亦即起偏器和檢偏器）的設(shè)置情況決定著加電和不加電狀態(tài)下液晶盒的亮暗狀態(tài)：當(dāng)上下偏振片正交設(shè)置（亦即起偏器和檢偏器偏振化方向相互垂直）時(shí)，在不加電狀態(tài)下TN、STN模式呈亮態(tài)（所以稱之為常白方式）；加電狀態(tài)下為暗態(tài)顯示。而當(dāng)上下偏振片平行設(shè)置（亦即起偏器和檢偏器偏振化方向相互平行）時(shí)，在不加電狀態(tài)下TN、STN模式呈暗態(tài)（所以稱之為常黑方式），加電時(shí)反而呈亮態(tài)。