西安交通大学实验报告成绩 课程:_______近代物理实验_______ 实验日期:专业班号___ ___组别_______ 交报告日期:姓名__Bigger __学号_ _报告退发:同组者__ ________ 教师审批签字: 第1页(共9页) 年月日 年月日 (订正、重做) 实验名称:液晶的电光特性 一、 实验目的 1) 了解液晶的特性和基本工作原理; 2) 掌握一些特性的常用测试方法; 3) 了解液晶的应用和局限。 二、 实验仪器 激光器,偏振片,液晶屏,光电转换器,光具座等。 三、 实验原理 液晶分子的形状如同火柴一样,为棍状,长度在十几埃,直径为 4~6 埃, 液晶层厚度一般为 5-8 微米。排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是:扭曲向 列的扭曲角是人为可控的,且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆 甾相液晶的螺距一般不足 1um,不能人为控制。扭曲向列排列的液晶对入射光会 有一个重要的作用,他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转, 类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取 向夹角。 对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场 时,会发现随着电场的增大,螺距也同时增大,当电场达到某一阈值时,螺距趋 于无穷大,胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。这也称为退螺旋效应。由于 液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点,当大量液晶 分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出 各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场,就可能改变分子排列的规律。 1 从而使液晶材料的光学特性发生改变,1963 年有人发现了这种现象。这就是液 晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场,我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。将这 个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。根据液晶分子 的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极 矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向,当这个方向以外电场的方向不同时, 外电场就会使液晶分子发生转动,直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外 电场作用下的变化,也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外 电场足够强时,两电极之间的液晶分子将会变成如图 1 中的排列形式。这时,液 晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器,我们可以清晰地观察 到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。 图1液晶分子的扭曲排列变化 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间,其偏振方向与上表面液晶分子取向相 同。不加电压时,入射光通过起偏器形成的线偏振光,经过液晶盒后偏振方向随 液晶分子轴旋转 90°,不能通过检偏器;施加电压后,透过检偏器的光强与施加 在液晶盒上电压大小的关系见图 2;其中纵坐标为透光强度,横坐标为外加电压。 最大透光强度的 10%所对应的外加电压值称为阈值电压(Uth),标志了液晶电光效 应有可观察反应的开始(或称起辉),阈值电压小,是电光效应好的一个重要指标。 最大透光强度的 90%对应的外加电压值称为饱和电压(Ur),标志了获得最大对比 度所需的外加电压数值,Ur 小则易获得良好的显示效果,且降低显示功耗,对显 示寿命有利。对比度 Dr = Imax / Imin,其中 Imax 为最大观察(接收)亮度(照度),Imin 为最小亮度。陡度 β = Ur / Uth 即饱和电压与阈值电压之比。 2 图2液晶电光效应关系图 液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般 来说液晶的响应速度是比较低的。可以用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外 界驱动信号的响应速度情况,定义如图 3 所示。 图3液晶屏响应时间 液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开 和关断时透射光强度之比,对比度大于 5 时,可以获得满意的图像,对比度小于 2,图像就模糊不清了。 图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4中,用与原点的距离表 示垂直视角(入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角)的大小。 图中 3 个同心圆分别表示垂直视角为 30,60 和90 度。90 度同心圆外面标 注的数字表示水平视角(入射光线在液晶屏上的投影与 0 度方向之间的夹角)的 大小。图3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。 由图 4 可以看出,液晶的对比度与垂直与水平视角都有关,而且具有非对称 性。若我们把具有图 4 所示视角特性的液晶开关逆时针旋转,以220 度方向向 下,并由多个显示开关组成液晶显示屏。则该液晶显示屏的左右视角特性对称, 3 在左,右和俯视 3 个方向,垂直视角接近 60 度时对比度为 5,观看效果较好。 在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低,观看效果差。 实验光路图: 图4液晶的视角特性 图5液晶电光效应实验示意图 四、 实验内容与要求 1、液晶电光特性测量 1) 将激光器、液晶屏及光电池插入机箱对应插孔内,打开机箱电源。 2) 取掉液晶屏,调节激光器高度使激光器光斑入射到光电池入射孔内。 3) 调节激光通过起偏器后进入光电转换器后的光电流尽可能大;再插入检偏器, 旋转检偏器使激光光斑变到最暗状态,此时两偏振片振动方向角度差应为 90°, 将液晶屏重新放入对应插孔,可以发现此时光电流增加。 4) 调节频率旋钮,逆时针旋转到最小,此时频率为最大值,入射到激光器的光 斑无闪烁现象,幅值电压表头及光电流表头数字稳定。 4 5) 顺时针旋转幅值旋钮,缓缓增大输出方波信号的幅值,观察光电流表的数据, 记录下幅值对应光电流值,填入表格 1,并绘制幅值与光电流关系图及透过率与 幅值关系图(透过率在幅值为 0 时为 100%),求出关断电压及阈值电压。(注意 调节幅值过程中,0~2V 每次调节 0.2V,2V~5V 每次调节 0.1V) 表1 根据幅值和光电流值作图,从图形找到 90%透过率时驱动电压幅值(阈值电压) 和10%透过率时驱动电压幅值(关断电压)。 2、液晶屏视角特性测量 1) 重复实验一 1、2、3、4 实验部分。 2) 调节幅值电压 0V,旋转液晶屏±80°,每隔 20°测量一次 3) 调节幅值电压为 2V,重复上面测量过程。 五、 实验数据记录与处理 1、液晶电光特性测量 1) 数据记录表格: 幅值/V 光电流值/mA 透过率 幅值/V 光电流值/mA 透过率 幅值/V 光电流值/mA 透过率 幅值/V 光电流值/mA 透过率 幅值/V 光电流值/mA 透过率 0 0.213 100% 1.8 0.212 100% 2.8 0.045 21% 3.7 0.004 2% 4.6 0.001 0% 0.2 0.213 100% 2 0.208 98% 2.9 0.035 16% 3.8 0.003 1% 4.7 0.001 0% 0.4 0.214 100% 2.1 0.203 95% 3 0.026 12% 3.9 0.002 1% 4.8 0.001 0% 0.6 0.213 100% 2.2 0.189 89% 3.1 0.018 8% 4 0.002 1% 4.9 0.001 0% 0.8 0.213 100% 2.3 0.169 79% 3.2 0.015 7% 4.1 0.002 1% 5 0.001 0% 1 0.213 100% 2.4 0.135 63% 3.3 0.011 5% 4.2 0.002 1% 1.2 0.213 100% 2.5 0.105 49% 3.4 0.009 4% 4.3 0.001 0% 1.4 0.213 100% 2.6 0.08 38% 3.5 0.007 3% 4.4 0.001 0% 1.6 0.213 100% 2.7 0.06 28% 3.6 0.005 2% 4.5 0.001 0% 5 2) 液晶电光效应关系图: 通过图像可知,90%透过率时驱动电压幅值(阈值电压)为:2.19V; 10%透过率时驱动电压幅值(关断电压)为:3.04V。 2、液晶屏视角特性测量 1) 数据记录表格: 角度 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 光电流值/mA 0V 2V 0.174 0.141 0.234 0.216 0.237 0.223 0.225 0.215 0.215 0.209 0.216 0.215 0.224 0.219 0.219 0.218 0.168 0.122 2) 图像表示: 6 六、 思考题 1) 详细叙述饱和电压与阈值电压的物理意义及作用: 阈值电压 (Threshold voltage):通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压 改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压.在描述不同的器件 时具有不同的参数。最大透光强度的 10%所对应的外加电压值称为阈值电压(Uth), 标志了液晶电光效应有可观察反应的开始(或称起辉),阈值电压小,是电光效应 好的一个重要指标。最大透光强度的 90%对应的外加电压值称为饱和电压(Ur), 标志了 3 获得最大对比度所需的外加电压数值,Ur 小则易获得良好的显示效果, 且降低显示功耗,对显示寿命有利。液晶的电光特性曲线越陡,即阈值电压与饱 和电压的差值越小,由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。 2) 液晶屏视角特性测量有何意义: 液晶屏视角特性测量意义在于探索假定液晶分子没有固定的电极。但可被外 电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向,当这个 方向以外电场的方向不同时,外电场就会使液晶分子发生转动,直到各种互相作 用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化,也将引起液晶合中液晶分子的 总体排列规律发生变化。 7 3) 查找相关资料,了解液晶的特性及分类,以及其他材料在作为显示器件中的 应用情况和各自的优缺点: 液晶平面显示器的技术发展趋于成熟阶段,而且其应用面也随着信息、通讯 和网络技术的进步而被大量地运用,例如笔记本电脑、移动电话、个人助理机和 携带式消费性产品等。较难实现之广视野角、高画质化和高速化等问题,均因新 的材料、新的组合设计和新的驱动方式之发展,而实现了轻薄短小和替代性映像 管监视器和电视的功能。 液晶材料 (Liquid Crystal) 在液晶平面显示器的组成结构上所担任的角 色是相当地重要,虽然其种类有数万种,但真正使用的也仅有数十多种。液晶状 态被喻为是自然界中物质的第四状态,而有别于固态、液态和气态的物质三大状 态,液晶分子是一种具有光学异方向性和流动性之结晶性液体,是一种机能性材 料。液晶依其分子排列方式,分为向列型(Nematic)、距列型(Smectic)、胆固醇 型(Cholesteric) 、圆盘型 (Disotic)*若依对外在因素的影响,有 溶致型的 (Lyotropic)、热致型(Thermotropic);若依分子量来分,有低分子型和高分子 型;若依温度的因素,有互变转换型(Enantiotropic)、单变转换型(Monotropic); 在高分子的液晶有主链型和侧链型。液晶的发现最早是在 19 世纪,经由多年的 研究才成功的开发出液晶平面显示器的应用。 向列型液晶显示法的机制有利用动态散射模式的显示法、分子轴旋转模式的 显示法、扭曲构造模式的显示法、主体和客体效应模式的显示法和热汪学效应的 显示法等。其中以动态散射模式的显示法为主流,应用的领域有输入表示装置、 非破坏检查和超音波等。当加大电压时,则程现安定循环流的条纹模样,此一条 纹模样,此一条纹模样在数伏特的电压范围内程现静止安定状态,在更高电压时, 安定循环流变成乱流而使区块开始激烈的摇动,其静止状态称为韦廉斯区块 (Williams Domain),而摇动状态称之为动态散射效应。 近年来液晶材料的新用途,也发展到摩擦、摩耗和润滑材料等方面应用,液 晶材料的一项有趣的物理性质-电粘性效应(Electrorheological effect,ER), 乃是在外加电场的作用下,而其粘度值产生变化,具有此一特性的物质称之为电 粘性流体。液晶的分子结构是多样化的棒状或碟盘状之构造体,而且也不断有新 的功能性液晶材料分子被合成。例如复数的非液晶性的分子因氢结合之聚合效应, 8 而产生有液晶特性的所谓氢结合型液晶,同时不同性质的金属错合物液晶分子结 构的新物值质也被期待开发出来。 七、 实验误差 液晶受环境影响较大,温度湿度以及外界光照条件均有可能对液晶光电效 应测量产生影响; 在旋转液晶屏的时候,是靠人眼进行读数的,这一过程中可能因为视角问 题以及人为因素产生误差; 实验中发现旋转液晶屏,在对称的位置上其光电流并不相等,可能存在光 具座不够水平,高度不严格统一等问题引起的误差。 八、 总结 本次“液晶电光效应”实验中我们真正接触到了生活中常见的液晶屏,以 及进一步研究了液晶屏的一些性质,研究了液晶光开关的电光特性,了解了阀 值电压和关断电压的概念,对液晶品质的优劣有了一定的认识。 同时还通过对液晶光开关水平视角特性和垂直视角特性进行了测量,让我 们通过对不同角度液晶屏对比度的分析,从原理上了解了液晶屏的最佳观看角 度所蕴含的科学道理。 9