3.3　液晶电学

由于液晶具有介电各向异性的特点，在外加电压控制下，液晶分子发生转动，使液晶的折射率或透光率发生相应变化，从而控制TFT-LCD的出光量。液晶电学所阐述的就是液晶分子在外加电压作用下的转动现象。

3.3.1　液晶的介电各向异性

液晶分子中较刚性的结构，通常都是由σ键或π键所组成的，使得分子具有很强的电子共轭能力。液晶分子结构的电子共轭如图3-10所示。虽然液晶分子的理论模式是一个对称的椭圆体，但实际的液晶分子结构中，在末端存在一些比较容易吸引电子的基团，使得液晶分子中的电子云密度主要集中在靠近吸引电子基团一侧，并在这一侧显示出负极性，而相反的一侧就显示出正极性。在图3-10中，液晶分子因正电荷与负电荷的中心不相重合，相当于一个等效偶极子，称为永久偶极子，偶极子的偶极距方向定义为从负向正。处于电场中的永久偶极子会受到使液晶分子转动的力偶的作用，形成取向极化。

在外加电场的作用下，液晶分子中原子的原子核向电场的阴极一侧偏移，分子轨道上的电子负电荷的中心向阳极一面靠近。因此，电场中的液晶分子的正负电荷中心发生位置偏离，产生电偶极子，称为诱导偶极子。这种基于电子位移的极化称为电子极化。

极化强度P表示均匀电场中单位体积内所产生的偶极矩大小，是取向极化强度Po和电子极化强度Pe之和。可用单位电场强度E下的极化强度P，即P/E来表示液晶介质的介电性质。液晶的介电性质由介电常数ε表示。向列相液晶的相对介电常数如图3-11所示。与液晶指向矢平行的电场介电常数用ε∥表示，与液晶指向矢垂直的电场介电常数用ε⊥表示，介电各向异性常数?ε =ε∥?ε⊥。

图3-12给出了液晶介电各向异性的正负情况。如图3-12（a）所示，若液晶分子极性基永久偶极距的方向与分子长轴方向一致，则液晶分子长轴方向的电子偏移度最大，因此，与分子长轴平行的方向上具有大的偶极距，介电各向异性为正，?ε>0，并且值比较大，这样的液晶叫作正性液晶。如图3-12（b）所示，若液晶分子极性基永久偶极距的方向与分子长轴方向垂直，液晶分子短轴方向的电子偏移度最大，因此，与分子长轴垂直的方向上具有小的偶极距，介电各向异性为负，?ε<0，且值比较小，这样的液晶叫作负性液晶。

外加电压后，液晶分子中的电子往正电极方向移动，这就产生了液晶分子内的电偏，表征电偏容易程度的物理量是介电常数。介电常数各向异性为正的分子，在电场作用下，分子长轴倾向于平行电场方向排列，去掉电压后又回到原来的排列方式。介电常数各向异性为负的分子，在电场作用下，分子长轴倾向于垂直电场方向排列，去掉电压后又回到原来的排列方式。这种现象称为电场Freedericksz转变。介电常数各向异性为正的液晶，由于具有较大的介电常数，使液晶分子旋转所需的电压较小；介电常数各向异性为负的液晶，由于具有较小的介电常数，使液晶分子旋转所需的电压较大。

3.3.2　液晶的V-T特性

图3-13给出了液晶分子在电场中的电偶极与力矩。如图3-13（a）所示，当液晶分子处在上极板带正电、下极板带负电的电场中时，液晶分子靠近上极板的一侧呈负极性，靠近下极板的一侧呈正极性。液晶分子极化后，产生感应偶极矩P。偶极矩P在电场强度E的作用下形成力矩τ。

τ=P×E　（3-3）

在电场强度E作用下产生的偶极距P=ε0（εr?1）E，把P和E的关系带入式（3-3）中，可知液晶分子在电场中的力矩τ与电场强度E的平方成正比。这个力矩大于液晶的弹性力时，液晶分子朝着这个力矩的方向转动，实现外加电压对液晶分子排列状态的控制，进而控制液晶的透光率。以下量化分析力矩与外加电压的关系。

偶极距P和介电常数有关，液晶的介电常数各向异性，介电常数ε∥和ε⊥方向上的力矩分别为：

力距τ∥和τ⊥方向相反，合成后的力矩τ为：

式（3-6）中，VAC就是外加电压，d是液晶盒厚。当外加电场方向改变时，如图3-13（b）所示，液晶分子的电子云分布发生改变，液晶分子靠近上极板的一侧呈正极性，而靠近下极板的一侧呈负极性。液晶分子极化方向改变后，感应偶极矩P的方向也随之改变，偶极矩P和电场强度E的方向同时发生改变，力矩τ的方向负负得正，保持液晶分子原来的排列状态。这进一步证明，交流电压的作用不会影响液晶分子的排列状态。根据式（3-6）可知，液晶分子的排列状态只和外加电压VAC的平方有关。

当?ε>0时，τ>0；当?ε<0时，τ<0。τ越大，越容易克服液晶弹性，从而促使液晶分子转动。根据式（3-6）可知，?ε的绝对值越大，外加小电压的VAC就越能达到同样大小的τ值。即?ε的绝对值越大，分子受电场的作用而分子主轴n或光轴转向的阈值电压就越低。因此，控制外加电压的大小，便可以控制分子排列的状态，从而控制光的透光率。这种电压与透光率的关系就叫作液晶的V-T特性。

3.3.3　液晶的交流驱动

在TFT-LCD中，正负电极上的电压不直接作用于液晶，在正负电极和液晶之间隔着配向膜。电极间的液晶结构如图3-14（a）所示，相应的电极间的等效电路如图3-14（b）所示。由于电极和液晶之间存在配向膜，加上防止液晶物性固化，因此液晶两侧电极采用交流驱动方式。

一般配向膜的电阻率是1015数量级，液晶的电阻率是1013数量级，配向膜电阻率比液晶高2数量级。液晶层的厚度是10?6数量级，配向膜的厚度是10?8数量级，配向膜厚度比液晶层厚度小2个数量级。液晶和配向膜具有相同的工作区面积S，根据电阻公式R=ρd/S，配向膜电阻RPI≈RLC。根据如图3-14（b）所示的等效电路，如果在正负电极施加一个直流电压VDC，因为电容不能传导直流电压，所以如式（3-7）所示，加在液晶上的电压VLC只是VDC的三分之一左右。可见，在直流电压作用下，正负电极上的电压有一大部分消耗在配向膜上，外加电压不能精确地控制液晶转动。因此，在TFT-LCD中要采用交流驱动，来控制液晶转动。

液晶和配向膜具有相同的工作区面积S和相同数量级的介电常数ε。此外，配向膜厚度比液晶层厚度小2个数量级。根据电容公式C = εS/d，配向膜电容CPI≈100CLC。交流状态下的电容阻抗Z=1/jωC，在正负电极施加一个直流电压VAC，因为电阻不能传导高频交流电压，所以加在液晶上的电压VLC基本等于VAC，如式（3-8）所示：

这就是TFT-LCD必须采用交流驱动的一个主要原因。TFT-LCD的基本功能就是在这个交流驱动电压的作用下，控制液晶的转动，进而控制透过液晶的光量。