液晶的幾種模式的工作原理

液晶的幾種模式的工作原理

1、液晶材料是液晶顯示器件的主體。無論哪一種液晶顯示器都是以下述原理為基礎進行工作的，即通過電場或熱等外場的作用，使液晶分子從特定的初始排列狀態轉變為其它排列狀態，隨著液晶分子排列方式的改變，其表現出來的光學特性（雙折射特性）發生相應改變，最終變換為明暗視覺變化。

2、現在普通的TFT有源矩陣液晶顯示器採用的工作方式都是TN(Twisted Nematic)模式的常白方式（Normally White）。TN模式的最重要特點是液晶盒的設置滿足摩根條件（其具體表述為：液晶分子的扭曲螺距和其折射率各向異性的乘積遠大於入射光波長的一半，即Δnd »λ/2），這樣光在通過該液晶層時，其偏振面發生的旋轉就與波長無關，（或者說當滿足摩根條件時，不同波長的入射光經過液晶層後各自偏振面產生的旋轉角度是一樣的）；液晶盒中充滿Np（正性向列相）液晶，液晶分子沿面排列，且分子長軸在上下玻璃基片之間連續扭曲90º，上下偏振片正交設置。

TN盒子的工作原理如下圖1.1所示：在斷開態，由於滿足摩根條件，而且起偏器的偏振化方向與下基板表面處液晶分子指向矢平行，所以經起偏器獲得的入射線偏光射入液晶層後會隨著液晶分子的逐步扭曲同步旋轉（這就是所謂的：旋光效應），當到達上基板時其偏振面旋轉達到90º，此時其偏振方向變成與檢偏器的偏振化方向平行，這樣該線偏光就可以穿過檢偏器而展現亮態顯示（由於無電場時為白畫面，所以稱之為「常白方式」）。當我們給液晶盒施加一個大於閾值Vth的電壓時，Np型向列液晶分子的扭曲結構就會被破壞，變成沿電場方向傾斜排列；當外加電壓達到2Vth時，除上下基板表面處分子外其它所有液晶分子都變成沿電場方向再排列，這時TN盒的90º旋光性能消失，正交偏振片之間的液晶盒失去透光作用，從而得到暗態顯示。

3、當前還有STN模式，它利用的是液晶分子的雙折射特性進行工作的（而上面的TN模式利用的是特殊設置的液晶分子層的旋光特性進行工作的）。這種模式由於工藝複雜，彩色化顯示不太理想（存在幹涉色，亦即色彩還原能力不好），所以只用於低端顯示，比如手機、PDA等。

STN模式的液晶盒跟TN模式的不同只在於以下幾點：（1）起偏器偏振化方向和下基板處液晶分子長軸（即光軸方向）不是相互平行而是成30º角。這樣經起偏器獲得的線偏光在射入液晶層時就會發生雙折射現象（2）上下基板處液晶分子長軸方向連續扭曲270º，而TN盒中是90º。

STN模式的工作原理如下：不加電時，液晶分子扭曲排列（上下基板處液晶分子長軸方向連續扭曲270º），由於下基板處液晶分子和起偏器偏振化方向不是相互平行而是成30º角，這樣經起偏器獲得的線偏光在射入液晶層時就會發生雙折射現象，折射光的兩個電向量分量在上極板處重新合成，變成橢圓偏振光，最終有一部分光從檢偏器射出。加電時，液晶分子的扭曲結構被解體，變成垂面排列狀態，正交設置的偏振片能阻斷光的投射，得到暗態顯示。

4、上面兩種模式下，外加電壓越大時，液晶分子的傾斜角度越大（越接近垂面排列狀態），對應的透射光的強度越大；外加電壓越小，液晶分子傾角越小（越接近沿面排列狀態），對應的透射光強度越小。也就是說，通過控制外加電壓的大小，就可以實現想要的灰階顯示。

5、彩色顯示機理：
當前液晶顯示器件的彩色顯示是利用彩色濾色膜來實現的。彩色濾色膜製作過程如下圖2.7所示：

組合成的液晶盒結構可參見下圖（這是我的畢業設計中MVA模式液晶盒結構圖，TN模式液晶盒只是沒有上下小凸起而已，其它的基本一樣），也就是說，彩色濾色膜的R、G、B三基色按一定圖案排列，並與TFT基板上的TFT子象素一一對應（注意：一個象素由三個子象素組成）。背光源發出的白光，經濾色膜後變成相應的R、G、B色光。通過TFT數組可以調節加在各個子象素上的電壓值，從而改變各色光的透射強度。不同強度的RGB色光混合在一起，就實現了彩色顯示。

6、還有其它的模式，比如MVA模式、IPS模式等，都是為了改善視角特性和提高響應速度而新開發的液晶工作模式，是對TN模式的改進而已。

7、上下偏振片（亦即起偏器和檢偏器）的設置情況決定著加電和不加電狀態下液晶盒的亮暗狀態：當上下偏振片正交設置（亦即起偏器和檢偏器偏振化方向相互垂直）時，在不加電狀態下TN、STN模式呈亮態（所以稱之為常白方式）；加電狀態下為暗態顯示。而當上下偏振片平行設置（亦即起偏器和檢偏器偏振化方向相互平行）時，在不加電狀態下TN、STN模式呈暗態（所以稱之為常黑方式），加電時反而呈亮態。