液晶電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

袁順東，王世燕，王殿生

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院 山東省高校新能源物理與材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266580)

1 引 言

液晶是一種在某個(gè)溫度范圍內(nèi)兼有液體和晶體二者特性的物質(zhì)，它可以表現(xiàn)出液體所特有的流動(dòng)性、形變等機(jī)械特性，同時(shí)又具有晶體的熱、光、電、磁等性質(zhì)以及光學(xué)各向異性晶體所特有的雙折射性.液晶在化學(xué)、物理、生命科學(xué)、電子等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如光調(diào)制器、液晶顯示、各種傳感器等.這些應(yīng)用均是利用液晶的電光效應(yīng)原理制成，因此研究液晶的電光效應(yīng)具有重要意義.目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，液晶的電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)一般只采用單色激光光源來測量液晶的電光特性[1－2].本文在此基礎(chǔ)上，采用不同波長(藍(lán)光473nm，綠光532nm，紅光635nm)的半導(dǎo)體激光光源測量了這一特性，分析了不同波長的激光對(duì)液晶電光效應(yīng)的影響，并考察了液晶光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，以及不同波長下液晶的視角特性.通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能對(duì)液晶的電光特性有更全面、更深入的認(rèn)識(shí)，并且可以豐富和完善該大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的內(nèi)容.

2 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)對(duì)液晶施加電場(或電流)時(shí)，隨著液晶分子的取向結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其光學(xué)特性也會(huì)隨之發(fā)生變化，這就是液晶的電光效應(yīng)[3].下面以扭曲向列液晶(Twist nematic liquid crystal display，TN－LCD)為例測試其電光特性、光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性及視角特性.

TN型液晶是在鍍有透明導(dǎo)電膜的2塊玻璃基片之間夾入厚約5～8μm的正介電各向異性的向列相液晶，從而使液晶分子長軸在上下2塊基片之間連續(xù)扭曲90°.理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即在無外電場作用時(shí)，偏振光從上玻璃基片透過扭曲排列起來的液晶傳播到下玻璃基片時(shí)，偏振方向會(huì)偏轉(zhuǎn)90°.因此對(duì)于TN型液晶，當(dāng)它在2塊平行的偏振片之間時(shí)，光不能通過，稱為常黑模式；而放置于2塊垂直的偏振片之間時(shí)，光能夠通過，稱為常白模式[4].

給液晶板加壓，當(dāng)電壓大于某一值(稱為閾值電壓)起，液晶分子的長軸就開始向電場方向傾斜.隨著電壓繼續(xù)增大，除了電極近旁的分子外，其他分子的長軸都將沿著平行于電場的方向重新排列，從而導(dǎo)致液晶分子的旋光性消失[5].在這種情況下，若液晶盒的兩透光軸平行，則光能夠通過；若液晶盒的兩透光軸垂直則光不能通過，這與不加電壓時(shí)正好相反.液晶的光強(qiáng)透過率隨電壓的變化曲線是判斷液晶盒優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)[6].常白模式液晶中光的相對(duì)透過率與外加電壓的關(guān)系如圖1所示.其中透過率的90%所對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓，透過率的10%所對(duì)應(yīng)的外加電壓值稱為關(guān)斷電壓.

液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓和關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器允許的驅(qū)動(dòng)路數(shù)就越多，也就越利于制作高分辨率的顯示器.

圖1 液晶光開關(guān)的電光特性曲線

3 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

采用ZKY－LCDEO液晶光電效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀及TeKtronix TDS2002示波器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)方法如下：

1)將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過率顯示校準(zhǔn)為100%，使得電壓值從0V變化至3V，記錄相應(yīng)電壓下的透過率T數(shù)值.然后，將液晶屏旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)上述步驟.

2)替換激光光源，分別使用紅光光源、綠光光源和藍(lán)光光源進(jìn)行步驟1)的測量.

3)將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過率顯示校準(zhǔn)為100%，將液晶供電電壓調(diào)節(jié)到2.0V，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下觀察光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性曲線，同時(shí)測量出液晶的響應(yīng)時(shí)間.

4)將液晶板置于水平方向，在0V電壓下角度從－75°至＋75°，讀出每1°下透射率的最大值；在每個(gè)波長所對(duì)應(yīng)的關(guān)斷電壓下，角度從－75°至＋75°，讀出每1°下透射率的最小值，測出不同光源下液晶板水平方向的視角特性.將液晶板置于垂直方向，同上測量液晶板垂直方向的視角特性.

圖2 ZKY－LCDEO液晶電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 液晶光開關(guān)的電光特性

采用的液晶板為TN型16×16點(diǎn)陣液晶屏.實(shí)驗(yàn)中記錄了電壓值從0V變化至3V時(shí)液晶樣品透過率的變化，其中對(duì)電壓0.8～1.8V區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了密集測量，分別得到了液晶板水平方向和垂直方向的透過率與電壓及激光波長的關(guān)系，如圖3所示.

對(duì)圖3分析可知：

1)在3種特定光源下，液晶板樣品的透過率均隨外加電壓的升高而逐漸降低，在約1.7V之后均達(dá)到各自最低點(diǎn).電壓在0～0.8V時(shí)，對(duì)于3種波長的光源，液晶板的透過率均沒有特殊的改變，這是由于所加電壓小于閾值電壓.對(duì)3種波長的光源進(jìn)行分析可知，液晶板對(duì)波長最短的藍(lán)光(473nm)反應(yīng)最“遲鈍”.以水平方向?yàn)槔?dāng)所加電壓為1.2V時(shí)液晶的透過率才觀察到較明顯變化，且直到3V時(shí)仍有部分透過率.液晶板對(duì)波長最長的紅光(635nm)反應(yīng)則最靈敏，當(dāng)電壓加到0.80V時(shí)就開始有變化.從測量的數(shù)據(jù)可知3種光源下液晶的關(guān)斷電壓大小關(guān)系為：藍(lán)光＞綠光＞紅光，即液晶的關(guān)斷電壓隨波長的增加而降低.

圖3 不同波長下液晶光開關(guān)的電光特性曲線

2)對(duì)于波長為473nm的藍(lán)光來說，直到所加電壓為3V時(shí)液晶光開關(guān)仍未完全關(guān)斷(透過率不為零)，其原因可能是使用的藍(lán)光光源出射為橢圓光斑，水平方向上的光斑范圍偏大，超出了液晶板的單元格，光從單元格的間隙透過，所以透過率不為零.

3)在外加工作電壓一定的情況下，液晶樣品的水平透過率和垂直透過率不同，這是由于水平方向和垂直方向液晶分子的排列不同.因此可知，液晶的透過率由光波波長、液晶分子排列、液晶材料的特性和液晶盒的結(jié)構(gòu)共同決定.透過率隨波長而變化，這樣就可以通過調(diào)節(jié)電壓大小的方法讓所需要的光通過，而阻止其他波長的光通過，從而可以準(zhǔn)確地恢復(fù)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這為液晶濾光片的設(shè)計(jì)與制造提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

4.2 液晶光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)給液晶板所加的周期性電壓超過其閾值電壓時(shí)，液晶的透過率就會(huì)隨電壓的改變而變化，原因是由于所加的驅(qū)動(dòng)電壓能使液晶分子的排序發(fā)生變化，反映在時(shí)間響應(yīng)曲線上，用上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τd描述[7].對(duì)于常白模式的TN盒，定義加電壓過程中透過率從90%到10%之間的時(shí)間為上升時(shí)間；定義撤電壓過程中透過率從10%到90%之間的時(shí)間為下降時(shí)間[8－9].本實(shí)驗(yàn)測得的液晶板響應(yīng)時(shí)間τr為30ms，τd為45ms.該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用光標(biāo)法在示波器上直接測得，如圖4所示.

圖4 液晶光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間曲線

由于受到不同的電容率、彈性系數(shù)等因素的影響，不同的液晶分子會(huì)有不同的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間[10].液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo).

4.3 液晶盒視角特性的測量

液晶顯示的視角特性用來描述對(duì)比度與視角的關(guān)系[11].對(duì)比度Cr是顯示狀態(tài)和非顯示狀態(tài)相對(duì)透過率的比值，即Cr＝Tmax/Tmin.對(duì)比度代表顯示圖像的清晰程度，一般當(dāng)Cr＝2時(shí)，顯示圖像勉強(qiáng)可以分辨；Cr≥5時(shí)，圖像清晰程度已經(jīng)相當(dāng)好[9].

本實(shí)驗(yàn)測量了從－75°至＋75°范圍內(nèi)液晶板水平和垂直方向的最大和最小透過率，得到了液晶板視角特性與入射光源之間的關(guān)系，如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為入射光源在液晶板上的投影與0°方向間的夾角.

圖5 不同光源下液晶的視角特性曲線

對(duì)圖5分析可以得出：

1)在特定的3種光源下，從不同角度觀察，液晶的對(duì)比度均存在差異.當(dāng)對(duì)比度Cr＝5時(shí)，水平方向的視角范圍均大于該光源垂直方向的視角范圍，且二者不具備對(duì)稱性.導(dǎo)致對(duì)比度視角依賴性的原因是液晶雙折射的視角依賴性[12－13].

2)當(dāng)對(duì)比度Cr＝5時(shí)：紅光光源下，液晶的水平視角為－45°～50°，垂直視角為－45°～20°；綠光光源下，液晶的水平視角為－65°～60°，垂直視角為－65°～20°；藍(lán)光光源下液晶的水平視角為－40°～55°，垂直視角為－5°～20°.圖5中紅光和綠光光源下的部分區(qū)域無數(shù)值顯示，是由于非顯示狀態(tài)下的該角度對(duì)應(yīng)的最小透過率Tmin為0.不同波長下液晶的視角特性不同，考慮主要原因也是液晶的雙折射效應(yīng).

通過測量說明不同波長的光源對(duì)液晶板的視角特性有一定影響，這為液晶偏光器件的制作提供了依據(jù).

5 結(jié) 論

通過測試液晶板的透過率研究了液晶的電光特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液晶板施加電壓改變時(shí)，在3種光源下，液晶板的透過率均隨電壓的升高而下降，但對(duì)于不同波長的光源來說，液晶板的透射率變化情況是不同的，波長越短，閾值電壓和關(guān)斷電壓越高.通過對(duì)液晶響應(yīng)時(shí)間的測量確定了液晶的動(dòng)態(tài)顯示效果.光源的波長對(duì)液晶視角特性也有較大的影響.

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