荆 鹏，王 伟

（东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024）

液晶这种第四态的物质，其应用在现代已形成庞大的工业体系，无论是在显示器还是在天文探测等前沿科学中[1]，液晶都有着举足轻重的地位。扭曲向列型液晶屏（TN-LCD）由于其成熟的制造工艺和具佳的透光率，在液晶显示器件应用中起着重要的作用。

本文应用Origin 软件对实验数据进行3D 颜色映射曲面和二维图像结合，主要研究了TN 型液晶的电光特性与视角特性的关系。

1 TN 型液晶

图1 液晶分子示意图

1.1 TN 型液晶特性

液晶是一种特殊的物质，即具有液体的流动性也具有晶体的各项有序性。液晶分子的形状是细长的筷子状，其长宽比大于4，如图1 所示。液晶分子是含有极性基团的极性分子，液晶分子具有一个与分子长轴近乎平行的永久性偶极矩，对外电场很敏感，在外电场的作用下，很容易使这些偶极矩沿电场方向排列起来[2]，液晶的排列方式发生改变，它的光学特性也随之变化，这也是液晶产生电光特性的原因。

图2 液晶盒剖面图

TN 型液晶盒剖面图如图2 所示，在两层透明玻璃板间灌注液晶，内表面涂有电极，且在电极表面做定向处理，使表层分子处于摩擦所形成的微沟槽里，上下取向层相互垂直；中间的液晶分子由于范德瓦尔斯力的作用而扭曲成如图2 所示形状；此时，当一束偏振光入射时，其振动面以光的传播方向为轴线随液晶分子旋转（最大可达 90°），出现旋光现象[3]。

取两片偏振片分别贴在玻璃表面，且透光轴方向相互垂直与取向层方向一致，进而由外加电场来控制光的导通和关断，构成常白模式TN 型液晶光开关。

1.2 双折射现象

施加电压后，液晶分子的长轴方向在电场作用下开始旋转，倾向于电场方向重新排列，旋光效应开始减弱，最终大部分液晶分子的排列方向将平行于电场方向，具有光学的各向异性（两边锚定层除外）。

因而当线偏振光经过液晶层时，会发生双折射效应，从液晶层出射后会变为椭圆偏振光。向列相液晶属于正晶体（Δn=ne-no＞0），其光轴位于液晶分子长轴方向，取Z轴为液晶的光轴方向，则液晶的折射率椭球方程为：

若变换液晶分子长轴方向为n→，光波传输方向为z轴，与光轴不平行，与光轴有倾角θ（如图1 所示）：

适当改变外加电压，液晶分子因电场的作用而改变角度（倾角θ 有变），从而引起折射率变化，形成折射率梯度分布[4]。

本文以常白模式TN 型液晶光开关为例进行研究。

2 TN 型液晶光开关电光特性

因外电场导致的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应，我们来研究不同驱动电压对液晶光开关通断的影响。阈值电压对应于透过率为90%的驱动电压；关断电压对应于透过率为10%时的驱动电压。阈值电压与关断电压的差值越小，液晶电光特性曲线越陡，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多，显示的信息量就越大[5]。

过率随视角变化

实验采用ZKY-LCDEO-2 型号液晶电光效应综合实验仪。

分别研究了不同电压下，TN 型液晶光开关透过率随视角的变化曲线，如图3 所示。不同颜色的曲线代表施加了不同大小的电压，水平方向如图2 剖面图所示方向，垂直方向为将液晶片旋转90°时进行研究观察的方向。

水平方向：（1）可以看出随着电压的增加，透过率降低，到1.8v 时，几乎已处于关断的状态；（2）曲线近似处于左右对称状态；（3）随视角的增加，透过率会降低，超过50°，下降的幅度较大。

垂直方向：（1）可以看出透过率随视角变化很大；（2）曲线不具有对称性，左右峰值相差很大；（3）电压大于1v后，峰值往视角大的方向偏移，且有两个大小不一的峰值。

3 TN 型液晶光开关视角特性

液晶光开关的视角特性表示为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[6]。

图3 透过率变化3D 图

图4 视角特性3D 映射图

分别研究了TN 型液晶光开关垂直方向、水平方向上，不同电压下的对比度与视角的关系；将不同电压不同角度下的对比度用Origin 作了3D 颜色映射曲面图，更加形象立体的将变化趋势表现出来。

水平方向视角特性：从图4（a）可以看出，在测量范围内对比度都大于5，可以得到清晰的图像，对称性较好；并且除了2V 外都有对比度的两个峰值，5V 时出现最大值，3V（4V）时出现了两个峰值，对比度稳定性变差。

垂直方向视角特性：从图4（b）可以看出，电压2V 时仅仅-20°至20°之间的对比度大于5，视角较窄；随着电压的增加，峰值出现了左移现象，对比度严重不对称，2V时较好些。

4 结果与分析

结合2 与3 节分析，可见在水平方向比垂直方向有更好的视角特性。

由图像可以得到不论是水平方向、还是垂直方向上，2V 时视角对称性及对比度都较好，关键是功耗相对低，就可以获得清晰的图像了。

液晶具有各向异性从而有双折射现象。开态下，主要是液晶的旋光作用；随着外加电场的作用，液晶分子沿着电场的方向排列，双折射现象显现，折射率与电场的相关性，O 光和E 光在液晶中产生不同的相位差，这样改变了偏振状态，并且视角增大时双折射现象会越来越明显，引起了透过率发生变化，获得了不同的视角特性。

5 结束语

本文通过对TN 型液晶视角特性实验研究，测量的实验数据进行绘制3D 颜色映射曲面，直观地看出不同电压对TN 型液晶视角特性的影响，并得出了水平方向比垂直方向拥有更好的视角特性结论。