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(wú)論哪一種液晶顯示器都是以下述原理為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的，即通過(guò)電場(chǎng)或熱等外場(chǎng)的作用，使液晶分子從特定的初始排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌帕袪顟B(tài)，隨著液晶分子排列方式的改變，其表現(xiàn)出來(lái)的光學(xué)特性（雙折射特性）發(fā)生相應(yīng)改變，最終變換為明暗視覺(jué)變化。

2、現(xiàn)在普通的TFT有源矩陣液晶顯示器采用的工作方式都是TN(Twisted Nematic)模式的常白方式（Normally White）。TN模式的最重要特點(diǎn)是液晶盒的設(shè)置滿(mǎn)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(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)的一半，即Δnd ?λ/2），這樣光在通過(guò)該液晶層時(shí)，其偏振面發(fā)生的旋轉(zhuǎn)就與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，（或者說(shuō)當(dāng)滿(mǎn)足摩根條件時(shí)，不同波長(zhǎng)的入射光經(jīng)過(guò)液晶層后各自偏振面產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度是一樣的）；液晶盒中充滿(mǎn)Np（正性向列相）液晶，液晶分子沿面排列，且分子長(zhǎng)軸在上下玻璃基片之間連續(xù)扭曲90o，上下偏振片正交設(shè)置。

TN盒子的工作原理如下圖1.1所示：在斷開(kāi)態(tài)，由于滿(mǎn)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(jīng)起偏器獲得的入射線(xiàn)偏光射入液晶層后會(huì)隨著液晶分子的逐步扭曲同步旋轉(zhuǎn)（這就是所謂的：旋光效應(yīng)），當(dāng)?shù)竭_(dá)上基板時(shí)其偏振面旋轉(zhuǎn)達(dá)到90o，此時(shí)其偏振方向變成與檢偏器的偏振化方向平行，這樣該線(xiàn)偏光就可以穿過(guò)檢偏器而展現(xiàn)亮態(tài)顯示（由于無(wú)電場(chǎng)時(shí)為白畫(huà)面，所以稱(chēng)之為“常白方式”）。當(dāng)我們給液晶盒施加一個(gè)大于閾值Vth的電壓時(shí)，Np型向列液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，變成沿電場(chǎng)方向傾斜排列；當(dāng)外加電壓達(dá)到2Vth時(shí)，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(chǎng)方向再排列，這時(shí)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(tài)顯示。

3、當(dāng)前還有STN模式，它利用的是液晶分子的雙折射特性進(jìn)行工作的（而上面的TN模式利用的是特殊設(shè)置的液晶分子層的旋光特性進(jìn)行工作的）。這種模式由于工藝復(fù)雜，彩色化顯示不太理想（存在干涉色，亦即色彩還原能力不好），所以只用于低端顯示，比如手機(jī)、PDA等。

STN模式的液晶盒跟TN模式的不同只在于以下幾點(diǎn)：（1）起偏器偏振化方向和下基板處液晶分子長(zhǎng)軸（即光軸方向）不是相互平行而是成30o角。這樣經(jīng)起偏器獲得的線(xiàn)偏光在射入液晶層時(shí)就會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象（2）上下基板處液晶分子長(zhǎng)軸方向連續(xù)扭曲270o，而TN盒中是90o。

STN模式的工作原理如下：不加電時(shí)，液晶分子扭曲排列（上下基板處液晶分子長(zhǎng)軸方向連續(xù)扭曲270o），由于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(jīng)起偏器獲得的線(xiàn)偏光在射入液晶層時(shí)就會(huì)發(fā)生雙折射現(xiàn)象，折射光的兩個(gè)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(shí)，液晶分子的扭曲結(jié)構(gòu)被解體，變成垂面排列狀態(tài)，正交設(shè)置的偏振片能阻斷光的投射，得到暗態(tài)顯示。

4、上面兩種模式下，外加電壓越大時(shí)，液晶分子的傾斜角度越大（越接近垂面排列狀態(tài)），對(duì)應(yīng)的透射光的強(qiáng)度越大；外加電壓越小，液晶分子傾角越?。ㄔ浇咏孛媾帕袪顟B(tài)），對(duì)應(yīng)的透射光強(qiáng)度越小。也就是說(shuō)，通過(guò)控制外加電壓的大小，就可以實(shí)現(xiàn)想要的灰階顯示。

5、彩色顯示機(jī)理：
當(dāng)前液晶顯示器件的彩色顯示是利用彩色濾色膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。彩色濾色膜制作過(guò)程如下圖2.7所示：

組合成的液晶盒結(jié)構(gòu)可參見(jiàn)下圖（這是我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中MVA模式液晶盒結(jié)構(gòu)圖，TN模式液晶盒只是沒(méi)有上下小凸起而已，其它的基本一樣），也就是說(shuō)，彩色濾色膜的R、G、B三基色按一定圖案排列，并與TFT基板上的TFT子象素一一對(duì)應(yīng)（注意：一個(gè)象素由三個(gè)子象素組成）。背光源發(fā)出的白光，經(jīng)濾色膜后變成相應(yīng)的R、G、B色光。通過(guò)TFT數(shù)組可以調(diào)節(jié)加在各個(gè)子象素上的電壓值，從而改變各色光的透射強(qiáng)度。不同強(qiáng)度的RGB色光混合在一起，就實(shí)現(xiàn)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(yīng)速度而新開(kāi)發(fā)的液晶工作模式，是對(duì)TN模式的改進(jìn)而已。

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