TN 型液晶光開關(guān)視角特性的實驗研究

荊 鵬，王 偉

（東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130024）

液晶這種第四態(tài)的物質(zhì)，其應(yīng)用在現(xiàn)代已形成龐大的工業(yè)體系，無論是在顯示器還是在天文探測等前沿科學(xué)中[1]，液晶都有著舉足輕重的地位。扭曲向列型液晶屏（TN-LCD）由于其成熟的制造工藝和具佳的透光率，在液晶顯示器件應(yīng)用中起著重要的作用。

本文應(yīng)用Origin 軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行3D 顏色映射曲面和二維圖像結(jié)合，主要研究了TN 型液晶的電光特性與視角特性的關(guān)系。

1 TN 型液晶

圖1 液晶分子示意圖

1.1 TN 型液晶特性

液晶是一種特殊的物質(zhì)，即具有液體的流動性也具有晶體的各項有序性。液晶分子的形狀是細(xì)長的筷子狀，其長寬比大于4，如圖1 所示。液晶分子是含有極性基團的極性分子，液晶分子具有一個與分子長軸近乎平行的永久性偶極矩，對外電場很敏感，在外電場的作用下，很容易使這些偶極矩沿電場方向排列起來[2]，液晶的排列方式發(fā)生改變，它的光學(xué)特性也隨之變化，這也是液晶產(chǎn)生電光特性的原因。

圖2 液晶盒剖面圖

TN 型液晶盒剖面圖如圖2 所示，在兩層透明玻璃板間灌注液晶，內(nèi)表面涂有電極，且在電極表面做定向處理，使表層分子處于摩擦所形成的微溝槽里，上下取向?qū)酉嗷ゴ怪保恢虚g的液晶分子由于范德瓦爾斯力的作用而扭曲成如圖2 所示形狀；此時，當(dāng)一束偏振光入射時，其振動面以光的傳播方向為軸線隨液晶分子旋轉(zhuǎn)（最大可達(dá) 90°），出現(xiàn)旋光現(xiàn)象[3]。

取兩片偏振片分別貼在玻璃表面，且透光軸方向相互垂直與取向?qū)臃较蛞恢?，進(jìn)而由外加電場來控制光的導(dǎo)通和關(guān)斷，構(gòu)成常白模式TN 型液晶光開關(guān)。

1.2 雙折射現(xiàn)象

施加電壓后，液晶分子的長軸方向在電場作用下開始旋轉(zhuǎn)，傾向于電場方向重新排列，旋光效應(yīng)開始減弱，最終大部分液晶分子的排列方向?qū)⑵叫杏陔妶龇较?，具有光學(xué)的各向異性（兩邊錨定層除外）。

因而當(dāng)線偏振光經(jīng)過液晶層時，會發(fā)生雙折射效應(yīng)，從液晶層出射后會變?yōu)闄E圓偏振光。向列相液晶屬于正晶體（Δn=ne-no＞0），其光軸位于液晶分子長軸方向，取Z軸為液晶的光軸方向，則液晶的折射率橢球方程為：

若變換液晶分子長軸方向為n→，光波傳輸方向為z軸，與光軸不平行，與光軸有傾角θ（如圖1 所示）：

適當(dāng)改變外加電壓，液晶分子因電場的作用而改變角度（傾角θ 有變），從而引起折射率變化，形成折射率梯度分布[4]。

本文以常白模式TN 型液晶光開關(guān)為例進(jìn)行研究。

2 TN 型液晶光開關(guān)電光特性

因外電場導(dǎo)致的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)，我們來研究不同驅(qū)動電壓對液晶光開關(guān)通斷的影響。閾值電壓對應(yīng)于透過率為90%的驅(qū)動電壓；關(guān)斷電壓對應(yīng)于透過率為10%時的驅(qū)動電壓。閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，液晶電光特性曲線越陡，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多，顯示的信息量就越大[5]。

過率隨視角變化

實驗采用ZKY-LCDEO-2 型號液晶電光效應(yīng)綜合實驗儀。

分別研究了不同電壓下，TN 型液晶光開關(guān)透過率隨視角的變化曲線，如圖3 所示。不同顏色的曲線代表施加了不同大小的電壓，水平方向如圖2 剖面圖所示方向，垂直方向為將液晶片旋轉(zhuǎn)90°時進(jìn)行研究觀察的方向。

水平方向：（1）可以看出隨著電壓的增加，透過率降低，到1.8v 時，幾乎已處于關(guān)斷的狀態(tài)；（2）曲線近似處于左右對稱狀態(tài)；（3）隨視角的增加，透過率會降低，超過50°，下降的幅度較大。

垂直方向：（1）可以看出透過率隨視角變化很大；（2）曲線不具有對稱性，左右峰值相差很大；（3）電壓大于1v后，峰值往視角大的方向偏移，且有兩個大小不一的峰值。

3 TN 型液晶光開關(guān)視角特性

液晶光開關(guān)的視角特性表示為對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強度之比，對比度大于5 時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了[6]。

圖3 透過率變化3D 圖

圖4 視角特性3D 映射圖

分別研究了TN 型液晶光開關(guān)垂直方向、水平方向上，不同電壓下的對比度與視角的關(guān)系；將不同電壓不同角度下的對比度用Origin 作了3D 顏色映射曲面圖，更加形象立體的將變化趨勢表現(xiàn)出來。

水平方向視角特性：從圖4（a）可以看出，在測量范圍內(nèi)對比度都大于5，可以得到清晰的圖像，對稱性較好；并且除了2V 外都有對比度的兩個峰值，5V 時出現(xiàn)最大值，3V（4V）時出現(xiàn)了兩個峰值，對比度穩(wěn)定性變差。

垂直方向視角特性：從圖4（b）可以看出，電壓2V 時僅僅-20°至20°之間的對比度大于5，視角較窄；隨著電壓的增加，峰值出現(xiàn)了左移現(xiàn)象，對比度嚴(yán)重不對稱，2V時較好些。

4 結(jié)果與分析

結(jié)合2 與3 節(jié)分析，可見在水平方向比垂直方向有更好的視角特性。

由圖像可以得到不論是水平方向、還是垂直方向上，2V 時視角對稱性及對比度都較好，關(guān)鍵是功耗相對低，就可以獲得清晰的圖像了。

液晶具有各向異性從而有雙折射現(xiàn)象。開態(tài)下，主要是液晶的旋光作用；隨著外加電場的作用，液晶分子沿著電場的方向排列，雙折射現(xiàn)象顯現(xiàn)，折射率與電場的相關(guān)性，O 光和E 光在液晶中產(chǎn)生不同的相位差，這樣改變了偏振狀態(tài)，并且視角增大時雙折射現(xiàn)象會越來越明顯，引起了透過率發(fā)生變化，獲得了不同的視角特性。

5 結(jié)束語

本文通過對TN 型液晶視角特性實驗研究，測量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制3D 顏色映射曲面，直觀地看出不同電壓對TN 型液晶視角特性的影響，并得出了水平方向比垂直方向擁有更好的視角特性結(jié)論。