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1、河北工业大学毕 业 论 文作 者： 学 号： 学 院： 专 业： 题 目：液晶双折射变化率与LCD光学特性的研究 指导者： 评阅者： 2011年5月28日 毕业论文中文摘要液晶双折射变化率与LCD光学特性的研究摘 要液晶的双折射率决定了液晶显示器的光学特性，目前的液晶材料均为双折射率随波长增加而减小的，这类液晶导致了液晶显示器的色散问题，使液晶显示器中的三基色透过率随电压的变化不相同，个子像素的调制有差异，从而对驱动系统的要求比较复杂。我们通过研究双折射率随波长的关系来研究双折射率变化对透过率的影响，提出可以采用正负双折射率的液晶材料进行混合得出双折射率随波长的增加而增加的液晶材料，从而获得液
2、晶显示器的透过率不随波长而变化的结果。关键词：液晶 液晶显示器 液晶双折射 光学特性毕业论文外文摘要Rate of change of birefringence of liquid crystal and optical properties of LCDAbstractBirefringence of liquid crystal determines the optical properties of liquid crystal displays, at the present，birefringence of liquid crystal materials are increase
3、 with wavelength decreases, this type of liquid crystal led to the dispersion problem of liquid crystal display, so the transmittance of three-color of liquid crystal display vary with changes in voltage, the modulation of sub-pixel are different and thus requires more complex drive system. We resea
4、rch birefringence with wavelength to study the relationship between the birefringence and the transmission, suggesting that positive and negative birefringence of liquid crystal material is mixed，in this way we can get the liquid crystal which birefringence increases with wavelength increases，and in
5、 this way we obtain the result that transmission of liquid crystal display does not change with the change of wavelength.Keywords：liquid crystal LCD Birefringence of liquid crystal optical property目 次1 引言 12 液晶双折射变化率与波长的关系22.1 普通液晶材料（）的 与之间的关系22.2特殊的液晶材料（） 72.3理想的液晶材料93 计算过程 11结论 13参考文献14致谢15附录 161
6、引 言液晶是界于固体和液体的中介相，一样面它具有像液体一样的流动性，另一方面它又具有像晶体一样的各向异性1-2。它的发现对现代社会有很大影响，尤其是自20世纪60年代液晶显示器问世以来，长期用于中小尺寸的显示器中，人们也一直认为他是代替传统阴极射线管（CRT）的最佳显示器，进入本世纪，液晶显示器已经广泛运用于各种显示领域，小到手表、计算器，大到液晶电视、投影机都无不占据着绝对的市场空间，它之所以能运用如此广泛是因为它具有重量轻、薄型化、功耗小等优点。液晶器件出了可以运用在现实方面，还有很多非现实方面的运用，比如相位调制器、可调焦透镜光纤通讯等等。因为液晶的双折射率可能是自然界所有材料中最大的，
7、并且它的驱动电压很低，因此可以和有源驱动器件联合起来制造出具有高密度、高精度的调制器件。液晶在显示器中的运用在所有运用中占有很大比例，但作为显示器，就要涉及到现实的各种特性，比如寿命、光强度、色温、驱动路数等等，其中驱动就是现实液晶显示比较重要的环节，液晶的显示是通过红、绿、蓝三基色的叠加，形成各种波长的光，这些不同波长的光在普通液晶中具有不同的透过率，透过率不同就需要涉及不同的驱动电路，最终就导致对于不同颜色的光（即不同波长的光）我们要设计出不同的驱动电路，这使得驱动设计变得异常复杂3。如何才能让驱动设计简单化，这就是本课题的研究目的，要使驱动设计变得简单化，我们就要使各种不同波长的光具有相
8、同的光电曲线，要有相同的光电曲线，我们要得到一种理想的液晶材料，这种材料能够使各种光的透过率T随波长的变化而基本保持不变，通过研究三基色光的透过率随驱动电压的变化，可以得到液晶的透光性能。这里我们套用扭曲向列相（TN）液晶显示器，由图可知，TN液晶显示器对不同波长的光的透过率和驱动电压之间的关系有所不同，也就是说不同颜色的光有不同的光电曲线，不同颜色的光对对应的驱动电压不同，这样就使驱动设计变得复杂。2 液晶双折射变化率与波长的关系2.1 普通液晶材料（）的 与之间的关系扭曲向列相液晶显示器的示意图和光电曲线如下图2.2.1所示。（a）（b）（a）液晶显示器的示意图 （b）晶显示器光电曲线图2
9、.1.1：扭曲向列相液晶显示器的示意图和光电曲线1（1）由于液晶具有晶体的性质（各各向异性），所以它也具备晶体的双折射的特性，所谓双折射就是当自然光射在各向异性介质上时，除了反射光线以外，一般还存在两条折射光线，如下图2.1.1所示，两道折射光分为寻常光和非寻常光，寻常光折射光线始终在入射面内，遵从折射定律，简称 o 光；非常光除了入射面与主截面相重合的情况外，不位于入射面内，不遵从折射定律，简称 e 光4-5。 对应的折射率分别记作n和n，。图2.1.2：双折射现象示意图（2）对于普通液晶 0，具有正的双折射率，如果它有较低的清亮点意味着它有较低的序参数S，而较低的序参数S意味着它有更小的和
10、。下面我们来看一下关于的几组公式。下面的表格2-1是实际测试出的几组数据。表格2-1 数据PhaseKKKK5CB22.5-34.219.16.312.89.9611.81.19D5CB21.4-32.118.16.611.57.348.61.17（T=22）5CBD5CB5CBD5CB5CBD5CB6331.71401.70481.52971.53030.18430.17455891.72331.71401.53371.53400.18960.18005461.73361.72411.53871.53860.19490.1855由于，而由以下公式，我们可以得到n和n 公式描述了原始的液晶折射
11、率指数，它适用于单一混合物，对于多成分的混合物，和可能不同，因为有太多的不确定参数。对于扩展的柯西模型，我们还有以下公式：公式应用于液晶的混合，包含有3个适用参数，对于这个公式的计算结果，液晶原有的原始物理性质已经改变。对于有四个参数的模型，我们还有以下公式：A、B、和四个参数可以通过两个步骤得到。在基于四参数的模型下，我们可以推导出以下公式： 0 ,n随温度的升高而升高，当温度低于T， 0时，如下图2.1.3图2.1.3：随波长的变化关系7在这样的情况下，依据液晶的透过率公式：，可以得到透过率随波长的变化曲线，如图2.1.4图2.1.4：透过率T随波长的变化关系由图我们可以看出，对于普通的液
12、晶，它的透过率T随波长的变化而变化，而且变化的幅度是比较大的，这样对于不同颜色的光（也就是不同波长的光），它的透过率是不同的的，光电曲线也就不同，最终导致设计驱动时变得复杂。2.2 特殊的液晶材料（） 液晶的双折射并不是都为正数，液晶可以得到很小甚至为负的双折射8，其实负性液晶（ 0）具有比普通液晶更高的光透过率，那是因为这类液晶有比较小的倾角变化、较均匀的扭曲变化，并且这类液晶在电极上方的光透率也是比较大的，图2.2.1是合成具有负性双折射液晶材料的过程。图2.2.1负性双折射液晶的合成过程我们合成负性双折射材料的方法是围绕着连接两个介晶化合物的使用离域连接基团。因此，有三个部分：两个介晶基
13、团，它们不需要相同，核心成分的核心环节，我们将调用连接部分9-10。介晶基团极化程度应尽可能低，以减少沿分子长轴的折射率。相反，连接节的极化应尽可能高，最大限度地沿着横轴的折射率。分子的净双折射会出现一些不平凡的沿轴折射率（两个在这个方向组）减去沿分子连接部分折射率加权平均。该耦合基团的理想衔接取向方向是垂直于长轴的介晶部分。作为第一个近似使用每个基双折射估算最终化合物的双折射。负性双折射材料的其它设计约束条件，包括长轴大大长于连接轴，否则化合物不会轻易适合近晶C相的结构，而且，介晶基团和相近的同系物都有近晶相。这将增加产品混入近晶C材料的成功率。最终形成了如下图2.2.2的特殊的具有负性双折
14、射的液晶分子。其实还有其它方法可以合成具有负性双折射性质的液晶，这里我们就不详加介绍了。 图2.2.2 0和 0的液晶材料混合，其实为了适应液晶器件的多样化，开发相应的液晶材料，光靠单一组分的液晶是难以满足要求的，而通过混合液晶来调制出需要的物理性质是非常常用的方法，混合之后的材料的符合如下公式： （其中X、X为摩尔比）由于合成的液晶材料的符合公式，不难得到，以这样的方式混合出来的液晶的与波长的关系大致可分为一下三种情况，如图2.3.3所示。 图2.3.3：合成液晶的随波长的可能情况这三种情况中，当随波长增长而增长时，便是我们希望得到的液晶。3 计算过程 下面，我们将围绕图2.3.3，进行计算
15、，证明上面说说的结论，值得说明的是图2.3.3里的线条并不一定是直线，有可能是曲线。本课题需要多次大量的计算，这样才能看出透过率T随波长的变化情况，所以计算过程我们采用的是计算机计算，通过编写好计算程序15（程序在附录中给出），计算机根据不同的随波长的变化而自动计算生成出透射率T随波长的变化曲线，从而观察是否符合是我们所需要的结果。我们使用的计算方法是由已知的随波长的变化关系，通过公式：而计算出透过率T随波长的变化关系，其中d为液晶盒厚，当波长为550nm时，=0.275um，通过这样的关系，我们可以得到相应的盒厚d。由以下两图可以看出，当随波长下降或平行时，得到的T随波长的关系基本都是反比，
16、而当随波长的增加而上升时，透过率T随波长的变化而基本不变，这就得到了我们想要的结论，3.1或3.2中绿色线表示的液晶材料具有透过率高，且有相同的VT曲线，可以使复杂的驱动设计简单化。 图3.1：三种随波长的变化关系 图3.2：对应3.1图的T随波长的变化关系结 论液晶的双折射率决定了液晶显示器的光学特性，现在大多数的液晶材料均为双折射率随波长增加而减小的，这类液晶导致了液晶显示器的色散问题，使液晶显示器中的三基色透过率随电压的变化不相同，个子像素的调制有差异，液晶显示是三基色的叠加，而对普通液晶显示器来说，它对不同波长光的透射率是不同的，透过率不同就需要不同的驱动电压，这样就会使驱动设计变得复
17、杂，然而我们可以通过正负双折射率的液晶材料进行混合得出双折射率随波长的增加而增加的液晶材料，通过计算证实，这样的液晶可以使透过率随波长的变化而基本保持不变，从而保证了各种波长的光有相同的光电曲线，这样就降低了驱动设计的复杂性。参 考 文 献1 范志新，液晶器件工艺基础.北京：北京邮电大学出版社，2000 ，4592 谢毓章，液晶物理学.北京：科学出版社，19983 孙玉宝.液晶显示器动力学响应研究：学位论文，天津：河北工业大学，20104 汪相 . 晶体光学. 南京大学出版社，20095 刘翠红 . 物理光学 . 电子工业出版社，20096 张志东，范志新，黄锡珉.电控双折射液晶显示的动力学模
18、拟计算.液晶与显示，1998（1）7 W. N. Thurmes, M. D. Wand, etal, Negative birefringence ferroelectric liquid crystals, Liq. Cryst. 25(2) 149-151 (1998).8 V. Reiffenrath, M. Bremer, First Nematic calamitic liquid crystal with negative birefringence, Ch14 of Anisotropic organic materials, edit by R. Glaser, Wahing
19、ton DC, (2001)9 王良御，廖松生.液晶化学.北京：科学出版社，198810 D. M. Walba, D. J. Dyer, etal, Mesogenic materials with anomalous birefringence dispersion and high second order susceptibility, US Patent 6569504B1 (2003)11 程守洙，江之永.普通物理学（第3版）. 北京：高等教育出版社，197912 东南大学等七所工科院校，马文慰 . 物理学 . 北京：高等教育出版社，200613 展永，魏怀鹏，王存道等 . 大学物
20、理实验（第2版）. 天津天津大学出版社，200514 田民波，叶锋 . TFT液晶显示原理技术 . 科学出版社，201015 柴欣，武优西 . Visual Basic程序设计基础（第三版） .中国铁道出版社，2005致 谢时光飞逝，日月如棱。毕业论文即将收尾，这也意味着我在河北工业大学四年的学习生活既将结束。回首既往，有收获有放弃，这四年是值得回味的，因为遇到了许多关心帮助我的人，在他们的帮助、引导下，顺利的渡过了大学生活。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名河北工业大学学子，在今后的工作中把河北工业大学的优良传统发扬光大。本
21、论文是在导师*教授的指导下完成的，*教授在选题时考虑了我在编程方面的基础，并在论文过程中给予了很多指导和帮助，让我对大学中的所学有了更深层次的了解，在论文即将完成之际，向所有帮助过我的老师同学，导师*教授表示由衷的感谢！附 录论文中提到的用VB语言编写的计算程序如下Dim X As Double, d As Single, n As Single, a As Single, T As Double, n550 As Double, H As Singlea代表波长，n代表双折射n，d为盒厚，T为透过率，n550为波长550nm时的n。Private Sub Command1_Click()Pi
22、cture1.ScaleMode = 3Picture1.Scale (-312, 200)-(312, -200)Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture1.DrawWidth = 2.5Picture1.Line (0, -200)-(0, 200)Picture1.Line (-312, 0)-(312, 0)Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture1.CurrentX = 3Picture1.CurrentY = -2Picture1.Print 400Picture1.ForeColor = RGB(0,
23、 0, 0)Picture1.CurrentX = 103Picture1.CurrentY = -2Picture1.Print 500Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture1.CurrentX = 203Picture1.CurrentY = -2Picture1.Print 600Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture1.CurrentX = 299Picture1.CurrentY = -2Picture1.Print 700Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Pictur
24、e1.CurrentX = 285Picture1.CurrentY = -18Picture1.Print 波长Picture1.CurrentX = -18Picture1.CurrentY = 75Picture1.Print 0.05Picture1.CurrentX = -18Picture1.CurrentY = 197Picture1.Print 0.18Picture1.CurrentX = -38Picture1.CurrentY = 197Picture1.Print nPicture2.ScaleMode = 3Picture2.Scale (-312, 1)-(312,
25、 -1)Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.DrawWidth = 2.5Picture2.Line (0, -1)-(0, 1)Picture2.Line (-312, 0)-(312, 0)Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.CurrentX = 3Picture2.CurrentY = -0.03Picture2.Print 400Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.CurrentX = 103Picture2.CurrentY = -0.03P
26、icture2.Print 500Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.CurrentX = 203Picture2.CurrentY = -0.03Picture2.Print 600Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.CurrentX = 299Picture2.CurrentY = -0.03Picture2.Print 700Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 0)Picture2.CurrentX = 285Picture2.CurrentY = -0.1Pictu
27、re2.Print 波长Picture2.CurrentX = -18Picture2.CurrentY = 0.98Picture2.Print 1Picture2.CurrentX = -18Picture2.CurrentY = 0.08Picture2.Print 0.00Picture2.CurrentX = -56Picture2.CurrentY = 0.98Picture2.Print 透过率TPicture2.CurrentX = -18Picture2.CurrentY = 0.5Picture2.Print 0.5End SubPrivate Sub Command2_C
28、lick()a = 400Do While a = 700n = a * (-0.0003333333333) + 0.33333333333333 下降(红色)H = aH = H - 400Picture1.ForeColor = RGB(255, 0, 0)Picture1.DrawWidth = 2.5Picture1.PSet (H, n * 1000)a = a + 0.1Loopa = 400Do While a = 700n = a * (0.00033333333333) - 0.0333333333333 上升（绿色）H = aH = H - 400Picture1.For
29、eColor = RGB(0, 255, 0)Picture1.DrawWidth = 2.5Picture1.PSet (H, n * 1000)a = a + 0.1Loopa = 400Do While a = 700n = 0.15 平行（蓝色）H = aH = H - 400Picture1.ForeColor = RGB(0, 0, 255)Picture1.DrawWidth = 2.5Picture1.PSet (H, n * 1000)a = a + 0.1LoopEnd SubPrivate Sub Command3_Click()a = 400Do While a = 7
30、00n = a * (-0.0003333333333) + 0.33333333333333 下降（红）n550 = ?d = 275 / n550d = 1650 下降X = 2 * n * d / aT = Sin(X) 2H = aH = H - 400Picture2.ForeColor = RGB(255, 0, 0)Picture2.DrawWidth = 2.5Picture2.PSet (H, T)a = a + 0.1Loopa = 400Do While a = 700n = a * (0.00033333333333) - 0.0333333333333 上升（绿）n5
31、50 = ?d = 275 / n550d = 1833.3333 上升X = 2 * n * d / aT = Sin(X) 2H = aH = H - 400Picture2.ForeColor = RGB(0, 255, 0)Picture2.DrawWidth = 2.5Picture2.PSet (H, T)a = a + 0.1Loopa = 400Do While a = 700n = 0.15 平行（蓝）n550 = ?d = 275 / n550d = 1833.333333 平行X = 2 * n * d / aT = Sin(X) 2H = aH = H - 400Picture2.ForeColor = RGB(0, 0, 255)Picture2.DrawWidth = 2.5Picture2.PSet (H, T)a = a + 0.1LoopEnd Sub