常用材料器件

液晶显示器,锂电池,图床 equipment-img/

液晶显示器的原理,从基础到应用

晶体双折射现象:对于均匀的非晶体(玻璃、水)来说,没有原子的定向排列,那么宏观上各个方向的特性相同,也就是各向同性。对于晶体来说,定向排列导致了晶体的特性在各个方向上市不一样的。最终的结果就是,对晶体来说,介电常数不是定值,是一个张量,可以用矩阵表示,这就是微观层面上影响折射率(双折射)的原因。

        晶体的双折射现象(o光和e光一定都是线偏振光)

液晶单体(single liquid crystal):
(1)分子为棒状结构,长径比为4:1;
(2)分子末端含极性或可极化基团,使分子保持取向有序;
(3)分子长轴方向易弯曲并具有一定的刚性。

问:电偶极子在电场和磁场中的状态是什么?
答:首先我们回忆一下怎样形成电偶极子,对于非极性分子,比如二氧化碳、氢气等,它们的正负电荷中心重合,但是存在着瞬时偶极矩和诱导偶极矩,也就是同样存在电偶极子;对于极性分子,正负电荷中心不重合,形成永久偶极矩,也就可以看作是电偶极子。在电场下,电偶极子沿着电场线方向定向排列。

        永久偶极子的产生,本质上还是原子中电子的运动,磁场的产生,其实也电荷的运动产生的。既然都存在电荷的运动,那么对极性分子来说,外加一个磁场,等效于空间存在特定的运动的电荷,那么这两类运动电荷之间必然会产生相互作用。When a magnetic field is applied, the molecules will tend to align with or against the field. 具体的作用过程应该更复杂。

水平极化和垂直极化(参见这里

液晶分子和晶体以及传统的液体的区别
液晶是液态的高分子。液晶相由具有特殊形状分子组合时会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。液晶中的“晶”表示分子排列像固态晶体一下,有一定的规则,但是这种规则有没有固态晶体那么强。
液晶分子在电场下的状态
在电场作用下,液晶分子会发生定向偏转,电场增大到一定程度,液晶分子就垂直于两侧的玻璃基板。
无电压/加电压下液晶分子对水平极化光的影响

上面的图是没有电压,下面的图是加电压
液晶显示器的光源
三种,反射式、半反射式和透射式。反射式用于计算器、电子手表等,半反射用于部分小型显示器,透射式是目前液晶显示器的主流,具有高解析度。
TFT-LCD的结构

液晶显示器的原理比较複杂,主要是利用前后偏光片与前后导电玻璃之间的液晶分子改变极化光的极化方向,造成每一个画素亮(白)与暗(黑)的变化,再利用彩色滤光片产生红(R)、绿(G)、蓝(B)三种不同颜色排列组合成我们所看到的影像,我们先简单说明液晶显示器相关零组件的功能:
➤背光模组:背光模组包括光源、反射板、导光板等元件组成,使光源均匀分布在整个液晶显示器的画面上,看起来整个画面亮度相同。
➤后偏光片:由于光源发出来的白光为「非极化光」,后偏光片主要的目的在使非极化光变成「极化光(Polarized light)」。
➤后导电玻璃:在玻璃基板上使用溅镀法(Sputter)成长「氧化铟锡(ITO:Indium Tin Oxide)」形成可以导电的玻璃,称为「导电玻璃」。氧化铟锡(ITO)是一种陶瓷(金属氧化物),几乎所有的陶瓷都是绝缘体,但是科学家发现氧化铟锡(ITO)不但可以导电,而且在厚度很薄的时候,还是透明的,故称为「透明电极」。
➤薄膜电晶体:在导电玻璃的上面使用半导体製程技术成长「开关元件」,最简单的开关元件就是「CMOS」,但是CMOS必须具有金属、氧化物、半导体的结构,必须成长在硅晶圆上才行,要在导电玻璃上成长开关元件没办法使用CMOS,因此必须另外设计一种开关元件,它的工作原理和「CMOS」很像,我们称为「薄膜电晶体(TFT:Thin Film Transistor)」,使用薄膜电晶体(TFT)製作的液晶显示器称为「薄膜电晶体-液晶显示器(TFT-LCD)」。
➤前导电玻璃:与后导电玻璃相同。
➤彩色滤光片:在塑胶薄片上涂佈红(R)、绿(G)、蓝(B)三种不同颜色的颜料,不停地反覆排列在显示器的整个画面上,称为「彩色滤光片(Color filter)」。彩色滤光片的原理,当白光(红、绿、蓝的混合光)通过「红色的滤光片」,则只有红光可以通过,绿光、蓝光被吸收,所以眼睛只看到红光;当白光通过「绿色的滤光片」,则只有绿光可以通过,红光、蓝光被吸收,所以眼睛只看到绿光;当白光通过「蓝色的滤光片」,则只有蓝光可以通过,红光、绿光被吸收,所以眼睛只看到蓝光,「滤光片」其实就是滤掉我们不要的颜色,只让我们想要的颜色通过。
➤前偏光片:前偏光片主要的目的在决定是否要让旋转后的极化光通过,如果可以通过则眼睛看起来是「亮(白)」,如果无法通过则眼睛看起来是「暗(黑)」。

顺便提一下,制备大尺寸液晶显示器的难点:大尺寸的液晶电视必须将薄膜电晶体(TFT)製作在整个后导电玻璃上,要将每个薄膜电晶体製作的非常均匀平坦,而且要有很高的良率是非常困难的工作,就好像大尺寸的晶圆製作比较困难一样,不过随著液晶电视产业的发展,目前不但克服了良率的问题,解析度也从原的FHD(1920 x 1080)发展到目前的UHD 2K与UHD 4K。

等离子 versus 液晶
液晶显示开始应用的时候是小尺寸,小尺寸逐渐成熟,有了盈利空间之后,不断投入资金研发更大的液晶显示器,于是不断正向反馈之后,大尺寸的技术越来越成熟,成本越来越低。小尺寸面向消费电子,市场空间大,然后小尺寸反哺大尺寸。
        等离子(电浆)开始的时候就是面向大尺寸,技术原理(等离子显示屏是利用气体放电而发光的显示器件,需要给内部的气体留下空间)决定了很难做到小尺寸和轻薄,于是市场空间有限,盈利空间有限,最终限制了技术的发展。可以更加详细描述。

液晶面板的黑白控制
上图显示的是,在不给导电玻璃通电的时候,水平偏振光通过液晶分子,变成垂直偏振光,然后通过垂直偏振光片,得到的就是白光。给导电玻璃通电的时候,液晶分子水平定向排列,水平偏振光通过液晶分子依旧是水平偏振光,无法通过后面的垂直偏光片,因此看起来就是黑的。这种方式比较省电,亮的时候,不需要给基板通电。
每一个FHD有1920x1080=200万个像素,每一个像素点有三个次像素点(RGB)。为了快速切换这些像素点的状态,必须要用驱动集成电路。

➤黑白:利用「外加电压」来控制每个次像素显示黑白。
➤灰阶:使用「直接电压调变法」或「驱动电压调变法(时间调变法)」控制液晶分子的旋转角度,来决定每个次像素的亮度,就可以显示灰阶。
➤彩色:使用「彩色虑光片」将每个像素再分成红(R)、绿(G)、蓝(B)三个次画素,分别控制每个次像素发出不同亮度的红阶、绿阶、蓝阶,就可以组合成各种不同的彩色。

背光模组
视频里面说10寸以上用LED,10寸以上的用CCFL,但是目前很多大屏幕也用LED。侧边和后面都有反射板。如果选用LED作为光源的话,为了让光均匀,要使用很多颗LED。

光学塑胶(Optical plastic)
包含PMMA还有PC,PC是聚碳酸酯。可以应用在塑胶眼镜、数位相机的塑胶镜头(大立光学公司就是专门生产这种东西)、光碟片的聚碳酸酯基板、液晶显示器的导光板等。

参考/拓展资料:
(1) 光学经典理论|光的偏振和偏振光详解 
(2) 神奇的偏光片
(3) 液晶显示的种类
(4) 浅谈液晶面板的各种极性的变换方式

锂电池

参考资料:
(1) 锂离子电池100问,超全面
(2) 新能源干货|锂离子电池电解液介绍-材料人
(3) 锂电池电解液成分有哪些 锂电池电解液的种类
(4) 三菱化工电池材料-官网

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