1)概述
液晶是一種有機化合物,又稱為液態晶體。它是某些有機物質在一定溫度范圍內所呈現的中間狀態。在這種狀態,既具有液體的流動性和連續性,又呈現某些晶體的光學性質,例如:光學各向異性、雙折射、圓雙向色散等,這種物質在電場和溫度的作用下能產生各種特殊的電光效應和熱光效應,利用這些效應達到顯示目的。
一定的溫度范圍是每種液晶物質自己特有的參數,稱為該液晶的液晶相。如果溫度高于液晶相的上限(稱為透明點),液晶就變成普通的透明晶體,失去上述光學性質,稱為各向同性液;如果溫度低于液晶相的下限(稱為溶點),液晶就變成普通晶體,失去流動性。
液晶有三種類型:近晶型、向列型和膽留型。它們各有特點和不同用途,目前用于數字顯亦的多為向列型液晶。
液晶數字顯示器是一種被動式顯示元件,它本身不發光,而只是調制環境光,類似于印刷在紙上那樣的顯示。因此,與其他顯示器件相比有以下主要工作特點:
①低電壓(36V),微功耗(0.3100μW)。同樣的顯示面積,其功耗比一般數碼管小幾十倍至幾百倍,適宜與C-MOS電路直接相配。可用于各種自動化檢測設備數字顯示,尤其用于電池供電的攜帶式數字儀器較為理想。在應用領域中,特別顯得有發展前途的是全電子數字手表和袖珍計算器。
②不怕亮光沖刷,可在室內外明亮環境下使用,其顯示清晰度不會隨環境亮度增加而減弱,在太陽光下也能清晰地顯示。
③體積小、外形薄,為平板型顯示。例如手表用數字顯示器厚度一般為1.21.6mm,計算器顯示器厚度為1.62.2mm,儀器儀表屏厚度為2.2-5mm,引出線可用斑馬形導電橡膠引出,使用方便。
④顯示面積、字形大小和位數,在一定范圍內不受限制。液晶數字顯示器的弱點是:
響應時間和余輝較長(ms級);在黑暗環境中不能顯示,需加輔助光源。
2)液晶顯示器工作原理、結構、性能與采光方式
液晶數字顯示器結構簡單,如下圖所示。
扭曲-向列型液晶數字顯示器結構圖
在內表面刻有電極的兩塊平板玻璃中間注人約10μm厚的液晶薄層,即構成液晶顯示器。字形顯示采用7片段顯示。
液晶數字顯示器按所用的電光效應可分為動態散射效應和扭曲-向列效應二種,按采光方式可分為透射式和反射式。
①動態散射型顯示器工作原理:電極未加電壓時,液晶分子作有序排列,顯示器呈透明狀。當兩塊對應電極施加電壓超過液晶閾值電壓時,液晶中離子團(來自添加劑)的推動足以擾亂液晶分子排列,使液晶折射率發生了變化,形成散射中心,從而使入射光發生強烈散射。于是原來透明電極部位就顯示出乳白色(類似磨砂玻璃),達到了顯示的目的,這就是動態散射效應。當電極電壓取消后,液晶分子即恢復原來的排列重新變為透明。若顯示器的前后電極均為透明,則稱為動態散射型透射式顯示器,它須加一適當后光源,以加強顯示的亮度和清晰度,后光源越強顯示效果越好。后光源應安放在器件的斜后方,并加一黑色背景以增強對比度,這樣顯示效果較好。
如果把后電極改為金屬膜反射電極,前電極仍為透明電極,這稱為動態散射型反射式顯示器。它不需要后光源,但必須充分利用環境光,并在整機適當位置(器件的前上方)加一遮光罩,以造成黑色背景提髙對比度。
②扭曲-向列效應。這種效應屬于電場效應,是利用電場的開關來控制線性偏振光的偏振面旋轉與否,所以必須配備檢偏振器,目前使用的偏振器得到的是黑白對比度。
采用表面排列技術,把刻有透明電極的玻璃進行表面處理,使液晶分子在液晶盒內的排列方向呈現90°扭曲。當線性偏振光進人扭曲液晶盒后,偏振面旋轉了90°,加上電場后,由于正介電各向異性,液晶分子的取向具有和電場方向排列一致的性質。這時扭曲結構消失,它的旋光作用也就消失,使得線性偏振光可以直接通過液晶盒;去掉電場后,液晶分子排列恢復扭曲結構,又使線性偏振光的偏振面旋轉90°。這種效應叫做扭曲效應,其電光曲線如下圖所示。
扭曲效應電光曲線圖
將扭曲液晶盒置于起、檢偏振器之間,改變起、檢偏振器的相對位置(正交或平行)就可得到白底黑字(稱之正常開啟式)或黑底白字(稱之為正常關閉式)的晶示形式。
這種效應僅由分子的介電力矩造成,因而所需電壓極低,通常只有3V,電流極微,一般小于1μA或幾個μA,這就使扭曲型器件功耗極微小。利用扭曲效應制作的顯示器件是目前最優越、最有發展前途和用得最廣的液晶數字顯示器件。國外大量生產的液晶手表和袖珍計算器液晶顯示器就是采用這種扭曲效應制作的,致使其他小型顯示器無法競爭。
扭曲透射式器件如用后光源應放在器件的正后方,并在光源前面加一個散射膜以擴大視角,室外用的透射式器件應設計安放在整機的適當位置,以便充分采用自然光作后光源。
扭曲反射式器件采用了高效能的反射器,從而得到良好的清晰度。
扭曲型顯示器與動態散射型顯示器相比的弱點是視角較大,只有45°左右,且視角大小隨工作電壓與溫度降低相應減小。動態散射型雖然視角較大,但工作電源高(1520V),功耗較大,加上由于液晶材料關系,器件壽命較短,因此動態散射型器件目前較少應用。
③液晶顯示器主要參數主要有:響應時間、余輝、閾值電壓和對比度。
響應時間τr為脈沖電壓開始加上算起,到光透過率達到飽和值90%處所需的時間;
余輝τd為脈沖電壓開始去掉,到光透過率減少到光透過值10%處所需的時間;
閾值電壓為Vth;
對比度為在零伏時光透過率與在工作電壓下光透過率之比。
響應時間和余輝的示波圖如下圖所示。
響應時間和余輝的示波圖
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