液晶的几种模式的工作原理

液晶的几种模式的工作原理  

1、液晶材料是液晶显示器件的主体。无论哪一种液晶显示器都是以下述原理为基础进行工作的，即通过电场或热等外场的作用，使液晶分子从特定的初始排列状态转变为其它排列状态，随着液晶分子排列方式的改变，其表现出来的光学特性（双折射特性）发生相应改变，最终变换为明暗视觉变化。

2、现在普通的TFT有源矩阵液晶显示器采用的工作方式都是TN(Twisted Nematic)模式的常白方式（Normally White）。TN模式的最重要特点是液晶盒的设置满足摩根条件（其具体表述为：液晶分子的扭曲螺距和其折射率各向异性的乘积远大于入射光波长的一半，即Δnd »λ/2），这样光在通过该液晶层时，其偏振面发生的旋转就与波长无关，（或者说当满足摩根条件时，不同波长的入射光经过液晶层后各自偏振面产生的旋转角度是一样的）；液晶盒中充满Np（正性向列相）液晶，液晶分子沿面排列，且分子长轴在上下玻璃基片之间连续扭曲90º，上下偏振片正交设置。

TN盒子的工作原理如下图1.1所示：在断开态，由于满足摩根条件，而且起偏器的偏振化方向与下基板表面处液晶分子指向矢平行，所以经起偏器获得的入射线偏光射入液晶层后会随着液晶分子的逐步扭曲同步旋转（这就是所谓的：旋光效应），当到达上基板时其偏振面旋转达到90º，此时其偏振方向变成与检偏器的偏振化方向平行，这样该线偏光就可以穿过检偏器而展现亮态显示（由于无电场时为白画面，所以称之为“常白方式”）。当我们给液晶盒施加一个大于阈值Vth的电压时，Np型向列液晶分子的扭曲结构就会被破坏，变成沿电场方向倾斜排列；当外加电压达到2Vth时，除上下基板表面处分子外其它所有液晶分子都变成沿电场方向再排列，这时TN盒的90º旋光性能消失，正交偏振片之间的液晶盒失去透光作用，从而得到暗态显示。

3、当前还有STN模式，它利用的是液晶分子的双折射特性进行工作的（而上面的TN模式利用的是特殊设置的液晶分子层的旋光特性进行工作的）。这种模式由于工艺复杂，彩色化显示不太理想（存在干涉色，亦即色彩还原能力不好），所以只用于低端显示，比如手机、PDA等。

STN模式的液晶盒跟TN模式的不同只在于以下几点：（1）起偏器偏振化方向和下基板处液晶分子长轴（即光轴方向）不是相互平行而是成30º角。这样经起偏器获得的线偏光在射入液晶层时就会发生双折射现象（2）上下基板处液晶分子长轴方向连续扭曲270º，而TN盒中是90º。

STN模式的工作原理如下：不加电时，液晶分子扭曲排列（上下基板处液晶分子长轴方向连续扭曲270º），由于下基板处液晶分子和起偏器偏振化方向不是相互平行而是成30º角，这样经起偏器获得的线偏光在射入液晶层时就会发生双折射现象，折射光的两个电向量分量在上极板处重新合成，变成椭圆偏振光，最终有一部分光从检偏器射出。加电时，液晶分子的扭曲结构被解体，变成垂面排列状态，正交设置的偏振片能阻断光的投射，得到暗态显示。

4、上面两种模式下，外加电压越大时，液晶分子的倾斜角度越大（越接近垂面排列状态），对应的透射光的强度越大；外加电压越小，液晶分子倾角越小（越接近沿面排列状态），对应的透射光强度越小。也就是说，通过控制外加电压的大小，就可以实现想要的灰阶显示。

5、彩色显示机理：
当前液晶显示器件的彩色显示是利用彩色滤色膜来实现的。彩色滤色膜制作过程如下图2.7所示：

组合成的液晶盒结构可参见下图（这是我的毕业设计中MVA模式液晶盒结构图，TN模式液晶盒只是没有上下小凸起而已，其它的基本一样），也就是说，彩色滤色膜的R、G、B三基色按一定图案排列，并与TFT基板上的TFT子象素一一对应（注意：一个象素由三个子象素组成）。背光源发出的白光，经滤色膜后变成相应的R、G、B色光。通过TFT数组可以调节加在各个子象素上的电压值，从而改变各色光的透射强度。不同强度的RGB色光混合在一起，就实现了彩色显示。

6、还有其它的模式，比如MVA模式、IPS模式等，都是为了改善视角特性和提高响应速度而新开发的液晶工作模式，是对TN模式的改进而已。

7、上下偏振片（亦即起偏器和检偏器）的设置情况决定着加电和不加电状态下液晶盒的亮暗状态：当上下偏振片正交设置（亦即起偏器和检偏器偏振化方向相互垂直）时，在不加电状态下TN、STN模式呈亮态（所以称之为常白方式）；加电状态下为暗态显示。而当上下偏振片平行设置（亦即起偏器和检偏器偏振化方向相互平行）时，在不加电状态下TN、STN模式呈暗态（所以称之为常黑方式），加电时反而呈亮态。