液晶

概念 | 固態向液態轉化中的有序流體

某些物質在熔融狀態或被溶劑溶解之后,盡管失去固態物質的剛性,卻獲得了液體的易流動性,并保留著部分晶態物質分子的各向異性有序排列,形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態,這種由固態向液態轉化過程中存在的取向有序流體稱為液晶。現在定義放寬,囊括了在某一溫度范圍可以是顯液晶相,在較低溫度為正常結晶的物質。例如,液晶可以像液體一樣流動(流動性),但它的分子卻是像道路一樣取向有序的(各向異性)。有許多不同類型的液晶相,這可以通過其不同的光學性質(如雙折射現象)來區分。當使用偏振光光源,在顯微鏡下觀察時,不同的液晶相將出現具有不同的紋理。在紋理對比區域不同的紋理對應于不同的液晶分子。然而,所述分子是具有較好的取向有序的。而液晶材料可能不總是在液晶相(正如水可變成冰或水蒸汽)。

液晶可分為熱致液晶、 溶致液晶 。熱致液晶是指由單一化合物或由少數化合物的 均勻混合物 形成的液晶。通常在一定溫度范圍內才顯現液晶相的物質。典型的長棒形熱致液晶的分子量一般在200~500g/mol左右。溶致液晶:是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。是在溶液中溶質分子濃度處于一定范圍內時出現液晶相。它的溶劑主要是水或其它 極性分子 液劑。這種液晶中引起分子排列長程有序的主要原因是溶質與溶劑分子之間的相互作用,而溶質分子之間的相互作用是次要的。溶致液晶是一種包含溶劑化合物在內的兩種或多種化合物形成的液晶。

研究歷史

1850年 普魯士 醫生 魯道夫·菲爾紹 (Rudolf Virchow)等人就發現神經纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質。

1877年德國物理學家 奧托·雷曼 (Otto Lehmann)運用 偏光顯微鏡 首次觀察到了液晶化的現象。

1883年3月14日植物生理學家斐德烈·萊尼澤(Friedrich Reinitzer)觀察到 膽固醇苯甲酸酯 在熱熔時有兩個熔點。

1888年萊尼澤反復確定他的發現后,向德國物理學家雷曼請教。當時雷曼建造了一座具有加熱功能的顯微鏡去探討液晶 降溫結晶 之過程,而從那時開始,雷曼的精力完全集中在該類物質。

1888年出版《分子物理學》,這是對這段時間他在材料物理領域知識的總結,特別值得一提的是,他在書中首次提出了顯微鏡學研究方法,通過對晶體顯微鏡和用它所作的觀察。

20世紀化學家伏蘭德(D. Vorlander)的努力由聚集經驗使他能預測哪一類的化合物最可能呈現液晶特性,然后合成取得該等化合物質,于是雷曼關于液晶的理論被證明。

1922年法國人弗里德(G. Friedel)仔細分析當時已知的液晶,把他們分為三類:向列型(nematic)、層列型(smectic)、膽甾型(cholesteric)。

1930-1960年在G.Freidel之后,液晶研究暫時進入低谷,也有人說,1930-1960年期間是液晶研究的空白期。究其原因,大概是由于當時沒有發現液晶的實際應用。但是,在此期間,半導體電子工業卻獲得了長足的發展。為使液晶能在顯示器中的應用,透明電極的圖形化以及液晶與半導體電路一體化的微細加工技術必不可缺。隨著半導體工業的進步,這些技術已趨向成熟。

20世紀40年代開發出硅半導體,利用傳導電子的n型半導體和傳導電洞的 p型半導體 構成pn介面,發明了二極管和晶體管。在此之前,在電路中為實現從交流到直流的整流功能,要采用二極管,而要實現放大功能,要采用 電子管 。這些大而笨重的元件完全可以由半導體二極管和晶體管代替,不需要向真空中發射電子,僅在固體特別是極薄的膜層中,即可實現整流、放大功能,從而使電子回路實現了小型化。接著,藉由光加工技術實現了包括二極管、晶體管在內的 電子回路 圖形的薄膜化、超微細化。這種技術簡稱為微影(photolithography)。20世紀60年代,隨著 半導體集成電路 (integrated circuit)技術的發展,電子設備實現了進一步的小型化。上述技術的進步,對于在液晶顯示裝置(display)中的應用是必不可少的,隨著材料科學和材料加工技術的進一步發展,以及新型顯示模式和驅動技術的開發,液晶顯示技術獲得了快速發展。

20世紀60年代隨著半導體集成電路(integrated circuit)技術的發展,電子設備實現了進一步的小型化。

1968年任職美國RCA公司的G.H.Heilmeier發表采用DS(dynamic scattering,動態散射)模式的液晶顯示裝置。在此之后,美國企業最早開始了數字式液晶手表實用化的嘗試。

1971年一家 瑞士 公司制造出了第一臺液晶顯示器。

截止到二十世紀末液晶的基礎研究已被很好的建立起來,同時在應用和商業用途方面也得到了發展。因為他們代表了一種介于普通液體與三維固體間的狀態,所以他們物理性質的調查是非常復雜的,而且需要利用到許多不同的工具和技術。液晶在材料科學中扮演著重要的角色,他們是有機化學家們調查化學結構與物理性質關系的模型材料,并且他們提供了研究生命系統特定現象的深入視角。由于他們的主要應用在顯示方面,顯示技術一些特定知識對于全面了解該物質是必須了解的。

液晶研究在很短的歷史時期內發生了許多事情,至今仍活躍于基礎科學和應用科研領域。

一般性定義

液晶態------長程取向有序,部分位置有序或完全位置無序的一種介晶態;

介晶態------分子 有序度 介于完美三維、長程位置及取向有序的固體晶體和缺乏長程有序的各向同性液體、氣體及非結晶固體之間的一種物質態;

液晶------處于液晶態的一種物質;

晶相------長程周期性位置/平移有序相;

液相------沒有長程周期或取向有序的相;

液晶相(中間相)------沒有長程位置有序,但有長程取向有序的相;

熱致液晶相------通過加熱固體,冷卻各向同性液體或通過加熱、冷卻熱力學穩定的中間相形成的中間相;

溶致液晶相------在適宜的濃度、溫度條件下,通過在合適的溶劑中溶解介晶化合物形成的中間相;

棒狀液晶相------由棒狀或板條狀分子結構的分子或大分子形成的一種液晶相;

柱狀液晶相------由堆疊成柱狀的分子形成的相;

介晶化合物------一種在適宜溫度、壓力、濃度條件下能以中間相存在的化合物;

棒狀液晶------由棒狀或板條狀分子結構的分子構成的一種介晶化合物;

盤狀液晶------由相對平整、盤子狀或薄片狀分子構成的一種介晶化合物;

錐體狀或碗狀液晶------由來自半剛性圓錐核的分子構成的一種介晶化合物;

多垂鏈液晶------由具有一個細長剛性核并連有幾個柔性鏈在其末端的分子構成的介晶化合物;

燕尾型液晶------由具有一個細長剛性核并連有一個柔性鏈在一端和一個長度一樣的分枝柔性鏈在另一端的分子構成的介晶化合物;

介晶(液晶)二聚物、三聚物等------由通常是相同結構的兩個、三個或更多連接介晶單元分子構成的介晶化合物;

板狀液晶------由板狀的分子構成的介晶化合物;

兩性液晶------由具有相反特性,即親水與疏水或親脂與疏脂兩部分分子構成的化合物;

雙向性材料------能表現熱致和溶致中間相(液晶相)的化合物。

命名法

液晶系統的命名法,像其他任何一種現代語言一樣,仍然是一種非常有活力的非系統語言。因此,自當前人所用的命名系統之后,人們對當前可被接受的術語進行了許多改變、新表示法有了引進、過時的表示法進行了刪除。因為命名系統處在不斷變化的狀態,對于所有的定義和與之相對應的記法是可以改變的。盡管如此,在一些地區,除了未被(科學院)認可的表示法,命名這一話題已經自然而然的被國際所接受,而在其他的研究依然是非常活躍的地區,表示法的變化是非常常見的。然而,國際液晶協會(ILCS)和國際理論化學和應用化學聯合會(IUPAC)的成員正嘗試著為液晶創造有史以來的第一個被廣泛接受的命名系統。這種描述和見解與ILCS和IUPAC的提議想一致。

在十九世紀二十年代早期,隨著Friedel對向列相和 近晶相 (smectic phases)的命名,液晶的表示法才真正的開始。實際上,在1950——1960年,是各種各樣的近晶相的存在這一事實,使得Sackmann和Demus提出這樣一個方案:在近晶相液晶上面刻字。最初只有三種近晶相被定義:SmA、SmB和SmC,但隨后很多新相就被很快發現了。這種概念是被Sackmann和Demus引進的,它依賴于中間相的熱力學性質和相互混合的能力,因此,一個有著已知的中間相形態學標準材料,和一個未知相類型的材料的和混合性,就成為了相分類的標準。另一方面,不和混合性沒有特殊的標準。因此,用Sackmann 和Demus的這種分類,所有的材料都應該被標準化。

簡單地說,在表示法系統引進之后,G相和H相的記法變得相互交叉,困惑(后來被Hull 和Halle研究組的共同的協商而解決了)就產生了。此外,D相先被認為是一種近晶相介紹,后來被證明是立方晶系的;B相最初被分為兩種:B相和正交B相,它們后來又被重命名為B相和G相;最初人們認為有兩種E相,一個是單軸的,另一個是雙軸的,后來都被定義為有雙軸的;當然,也有存在多年的問題,比如,是否一個相是軟相的還是一個真正的近晶相。這些后面的爭論最終為軟晶的表示法做出來重大改變,Sm表示法逐漸消失,而B這種舊的表示法被用在近晶相和軟液晶相。

物理特性

當通電時導通,排列變得有秩序,使光線容易通過;不通電時排列混亂,阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術上簡單地說, 液晶面板 包含了兩片相當精致的無鈉玻璃素材,稱為Substrates,中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時,液晶本身會排排站立或扭轉呈不規則狀,因而阻隔或使光束順利通過。大多數液晶都屬于有機復合物,由長棒狀的分子構成。在自然狀態下,這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經精良加工的開槽平面,液晶分子會順著槽排列,所以假如那些槽非常平行,則各分子也是完全平行的。液晶是一種介于晶體狀態和液態狀態之間的中間物質。它兼有液體和晶體的某些特點,表現出一些獨特的性質。

分類

液晶種類很多,通常按液晶分子的中心橋鍵和環的特征進行分類。已合成了1萬多種液晶材料,其中常用的液晶顯示材料有上千種,主要有 聯苯 液晶、 苯基環己烷 液晶及酯類液晶等。

按外因

因液晶產生之條件(狀況)不同而被分為熱致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶(lyotropic LC),分別由加熱、加入溶劑形成液晶熱相致液晶相產生兩種情形。液晶的 光電效應 受溫度條件控制的液晶稱為熱致液晶;溶致液晶則受控于濃度條件。顯示用液晶一般是低分子熱致液晶。

熱致液晶包括向列相、近晶相、膽甾相三種。

1. 近晶相液晶

近晶相液晶分子分層排列,根據層內分子排列的不同,又可細分為近晶相A近晶相B等多種。層內分子長軸互相平行,而且垂直于層面。分子質心在層內的位置無一定規律。這種排列稱為取向有序,位置無序。近晶相液晶分子間的側向相互作用強于層間相互作用,所以分子只能在本層內活動,而各層之間可以相互滑動。

2. 膽甾相液晶

膽甾相液晶是一種乳白色粘稠狀液體,是最早發現的一種液晶,其分子也是分層排列,逐層疊合。每層中分子長軸彼此平行,而且與層面平行。不同層中分子長軸方向不同,分子的長軸方向逐層依次向右或向左旋轉過一個角度。從整體看,分子取向形成螺旋狀,其螺距用p表示,約為0.3mm。

3. 向列相液晶

向列相液晶中,分子長軸互相平行,但不分層,而且分子質心位置是無規則的。

1922年,法國人弗里德(G. Friedel)仔細分析當時已知的液晶,把他們分為三類:向列型(nematic)、層列型(smectic)、膽固醇型(cholesteric)。名字的來源,前兩者分別取自希臘文線狀和清潔劑(肥皂);膽固醇型的名字有歷史意義,如以近代分類法,它們屬于向列型。其實弗里德對液晶一詞不贊同,他認為「中間相」才是最合適的表達。

向列相(nematic)是最簡單的液晶相,此類液晶的棒狀分子之間只是互相平等排列。但它們的重心排列是無序的,在外力作用下發生流動,很容易沿流動方向取向,并且互相穿越。因此,此類型液晶具有相當大的流動性。 向列相液晶 又分為單軸向列相液晶和雙軸向列相液晶。

電場與磁場對液晶有巨大的影響力, 向列型液晶 相的介電性行為是各類光電應用的基礎(用液晶材料制造以外加電場超作之顯示器,在1970年代以后發展很快。因為它們有小容積、微量耗電、低操作電壓、易設計多色面版等多項優點。不過因為它們不是發光型顯示器,在暗處的清晰度、視角和環境溫度限制,都不理想。無論如何,電視和電腦的屏幕以液晶材質制造,十分有利。大型屏幕在以往受制于高電壓的需求, 變壓器 的體積與重量不可言喻。其實,彩色投影電視系統,亦可利用 手性向列型液晶 去制造如偏光面版、濾片、光電調整器。

近晶相(smectic)

近晶型結構 是所有液晶中具有最接近結晶結構的一類。這類液晶中,棒狀分子依靠所含官能團提供的垂直于分子的長軸方向的強有力的相互作用,互相平等排列成層狀結構,分子的長軸垂直于層片平面。在層內,分子排列保持著大量二維固體有序性,但是這些層片又不是嚴格剛性的,分子可以在本層內活動,但不能來往于各層之間,結果這類柔性的二維分子薄片之間可以相互滑動,而垂直于層片方向的流動則要困難。因此, 近晶型液晶 一般在各個方向都是非常粘滯的。例如:對氧化偶氮苯甲醚:CH3O C6H4 (NO)=NC6H4OCH3

膽甾相(cholesteric)由于首先在膽甾醇的酯和鹵化物的液晶中觀察到,故得其名。在這類液晶中,長形分子是扁平的,依靠端基的相互作用,彼此平等排列成層狀,但是他們的長軸是在層片平面上的,層內分子與向列型相似,而相鄰兩層間,分子長軸的取向,由于伸出層片平面外的光學活性基團的作用,依次規則地扭轉一定角度,層層累加而形成 螺旋面 結構。取向方向經歷360°變化的距離稱作螺矩。

膽甾相最明顯的特征是其獨特的光學性質。它具有極強的 旋光性 、明顯的 圓二色性 和對波長的選擇性反射,后者使它在肉眼下即能顯現色彩。 液晶顯示器件 應用的主要是其旋光性。

例如:苯甲酸膽甾酶酯:C6H5COOC27H45

溶致型液晶

溶致液晶是由兩種或兩種以上的組分形成的液晶,其中一種是水或其它的極性溶劑。這是將一種溶質溶于一種溶劑而形成的液晶態物質。典型的溶質部分是由一個具有一端為親水基團,另一端為 疏水基團 的雙親分子構成的。如 十二烷基磺酸鈉脂肪酸鈉 肥皂等 堿金屬 脂肪鹽類等。它的溶劑是水,當這些溶質溶于水后,在不同的濃度下,由于雙親分子親水、疏水基團的作用會形成不同的核心相(middle)和層相(lamella),核心相為球形或柱形。層相則由與近晶相相似的層式排布構成。

溶致液晶中的長棒狀溶質分子一般要比構成熱致液晶的長棒狀分子大得多,分子軸比約在15左右。最常見的有肥皂水,洗衣粉溶液, 表面活化劑 溶液等。溶質與溶質之間的相互作用是次要的。

由于分子的有序排布必然給這種溶液帶來某種晶體的特性。例如光學的 異向性 ,電學的異向性,以至于親合力的異向性。例如肥皂泡表面的彩虹及洗滌作用就是這種異向性的體現。

溶致液晶不同于熱致液晶。它們廣泛存在于大自然界、生物體內,并被不知不覺應用于人類生活的各個領域。如肥皂洗滌劑等。生物物理學,生物化學、 仿生學 領域都深受注目。這是因為很多 生物膜 、生物體,如神經、血液、生物膜等生命物質與生命過程中的新陳代謝、消化吸收、知覺、信息傳遞等生命現象都與溶致液晶態物質及性能有關。因此在生物工程、生命、醫療衛生和人工生命研究領域,溶致液晶科學的研究都倍受重視。

溶致性液晶生成的例子,是肥皂水。在高濃度時,肥皂分子呈層列性,層間是 水分子 。濃度稍低,組合又不同。

按致晶單元與高分子的連接方式

分為主鏈型液晶、側鏈型液晶、樹枝狀液晶、復合型液晶和嵌段型液晶。

按液晶基元排列方向

分為單疇型和多疇型液晶。

按形成高分子液晶的單體結構

分為兩親型和非兩親型。

分子排列

依其分子排列方式,分為向列型(Nematic)、距列型 (Smectic)、膽固醇型(Cholesteric)、圓盤型(Disotic)

向列型液晶材料(Nematic)

自1998年開始主要集中于主動式矩陣驅動的液晶平面顯示器(AM-LCD)的開發,在AM-LCD用的液晶化合物中,其要求的特性有高的比電阻、低的粘度、正的鐵電率異方向性、高的化學和光化學的安定性,符合這些特性的材料以氟系化合物為主。液晶化合物之分子長軸方向的氟數增加時,則其非子長軸方向的雙極子動量變低。液晶鐵電異方向性的增加,可經由核心部結構內之極性基的導入結合,以達到其粘度將降低的,但是當逆向導入時則其液晶的鐵電異方向性變小。

液晶分子的排列,后果之一是呈現有選擇性的光散射。因排列可以受外力影響,液晶材料制造器件潛力很大。范圍于兩片玻璃板之間的手性向列型液晶,經過一定手續處理,就可形成不同的紋理。

距列型材料(Smectic)

可分為鐵電性液晶和 反鐵電性 液晶

鐵電性液晶(FLC) 是由Meyer於1974年發現的,然後於1979年發表表面安定化鐵電性液晶平面顯示器,鐵電性液晶是以簡單矩陣式驅動的并期待具有高響應、高解析度和大畫面的應用。Meyer認為要獲得鐵電性液晶的條件,有分子長軸和垂直方向應有永久偶極矩、無消旋體、具有向列型液晶C相。鐵電性液晶在電場施加時,其響應時間與鐵電性液晶的自發極化成反比,與粘性系數成正比。要獲得較高的響應速度,自發極化要大、粘性系數要小。自發行極化的改善對策,是在對掌性或光學活性結構中心倒入大的永久雙偶極矩、對掌性中心置於核心結構附近,以及復數的對掌性中心導入等設計理念,大的自發極化值之達成,可經由非對稱性 碳原子 和永久偶極矩(Permant Dipole Moment)。

反鐵電性液晶(AFLC) 是在電場的驅動下,由反鐵電性液晶轉換成鐵電性液晶的一種物理現像。并與非對稱性*在低分子液晶的AFLC中,核心構造的 苯環 和共軛之 苯基 結合碳原子鄰接者,在非對稱性中心將CH3基結合的狀況,要比將CF3基結合來的有安定的反鐵電性,另外在高分子液晶得AFLC中,核心構造的部份連接奇數的碳碳鏈,也可以獲得反鐵電性的配列。

膽固醇液晶 (Cholesteric)

不具有液晶性,但是當其 氫氧基鹵素 取代成鹵素化合物,以及和 碳酸脂肪酸 產生 酯化反應 之膽固醇衍生。膽固醇液晶材料具有特殊螺旋結構,而引發選擇性光散射、旋光性和圓偏光雙色性,可以利用膽固醇型液晶材料的外加電壓、氣體吸附和溫度等因素而引發色彩的變化。

類固醇型液晶,因螺旋結構而對光有選擇性反射,利用白光中的圓偏光,最簡單的是根據變色原理制成的溫度計(魚缸中常看到的溫度計)。在醫療上, 皮膚癌 和乳癌之偵測也可在可疑部位涂上類固醇液晶,然后與正常皮膚顯色比對(因為癌細胞代謝速度比一般細胞快,所以溫度會比一般細胞高些)。

碟型液晶(discotic)

碟型液晶發現1970年代,是具有高對稱性原狀分子重疊組成之向列型或柱行系統。

分子量

依分子量來分,有低分子型和高分子型,在高分子的液晶有主鏈型和側鏈型。

依溫度的因素,有互變轉換型(Enantiotropic)、單變轉換型(Monotropic)。

重現性液晶(recentrant LC)

其實一種物質可以具有多種液晶相。又有人發現,把兩種液晶混合物加熱,得到等向性液體后再冷卻,可以觀察到次第為向列型、層列型液晶。這種相變化的物質,稱為重現性液晶(recentrant LC)。

穩定液晶相是分子間的 范德華力 。因分子集結密度高,斥力異向性影響較大,但吸引力則是維持高密度,使集體達到液晶狀態之力量,斥力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有極性基團時,偶極相互作用成為重要吸引力。

研究方法

偏光顯微鏡

利用液晶態的光學雙折射現象,在帶有控溫熱臺的偏光顯微鏡下,可以觀察液晶物質的織構,測定轉變溫度。所謂織構,一般指液晶薄膜(厚度約10-100微米)在 光學顯微鏡 ,特別是正交偏光顯微鏡下用平行光系統所觀察到的圖像,包括消光點或者其他形式的消光結構乃至顏色的差異等。

熱分析

熱分析研究液晶態的原來在于用 DSC 或者DTA直接測定液晶相變時的熱效應及其轉變溫度。缺點是不能直接觀察液晶形態,并且少量雜質也會出現吸熱峰或者放熱峰,影響液晶態的準確判斷。除此之外還有,X射線衍射、 電子衍射 ,核磁共振, 電子自旋共振 ,流變學和流變光學等手段。,人們把液晶片掛在墻上,一旦有微量毒氣逸出,液晶變色了,就提醒人們趕緊去檢查、補漏。

影響因素

1.外加場對液晶的影響

科學家和工程師能夠使用液晶進行多樣化的應用是因為外電場的干擾會導致液晶體系顯微性質有意義的改變。電場和磁場都可以用來誘導這些變化。外加場的大小和它的變化速度一樣,是非常重要的特質在它在工業處理的應用上。特殊的表面處理在可以被用于液晶器件從而使液晶具有特定的取向。

分子的電子性質導致液晶具有沿著外加場取向的能力。永久電偶極導致當分子一端有凈正電荷時,它的另外一端會出現凈負電荷。在給液晶加上外電場時, 偶極分子 會趨向于沿 電場方向 取向。即使一個分子它并沒有形成永久電偶極,它仍然會受到電場的影響。在某些情況下,外加場會使分子中的電子與 質子 發生輕微的重排,這是帶電質子被激發的結果,雖然不像永久偶極子的效果那么強,但是分子沿外加場的取向仍會發生。

磁場對液晶分子的影響與電場類似,因為磁場是由移動的電荷產生的,而永久磁偶極是由圍繞原子運動的電子產生的。當液晶被加上一個磁場,分子會趨向于順著場的方向排列或沿反方向排列。

2.表面處理對液晶的影響

沒有外加場的作用,液晶分子會沿任何方向取向。無論如何,通過對系統引入一個外部的作用而使分子產生特定的取向是可能的。例如,當一個薄的聚合物涂層(通常為 聚酰亞胺 )鋪展在玻璃基上并用布沿一個方向摩擦它時,液晶分子會沿摩擦方向排列。對于這種現象,可以為人所接受的機理是人們相信液晶層會在部分的排列一致的高分子鏈上的聚酰亞胺層表面附近進行取向附生。

3.手性對液晶的影響

手性液晶分子通常會產生手性液晶相。這意味著液晶分子具有一定的不對稱性,如產生一個立構中心。這種性質有個附加條件,就是體系不能是外消旋的(左,右手性分子的混合將會抵消手性的影響)。然而,由于液晶取向的協同性,將少數量的手性摻雜劑加入非手性中間相中,將會使液晶分子都呈現手性。

手征相分子通常會螺旋性的旋轉。如果旋轉的螺距與可見光的波長類似,我們將觀測到光波干涉效應。液晶手征相的手性旋轉使體系發出向左或向右的不同的 圓偏振光 。這種材料能被用于制作偏振濾射片。

藍相液晶的工作原理

藍相液晶的工作原理是基于Kerr效應。將藍相液晶置于兩平行電極板之間就構成一個Kerr盒,外加電場通過平行電極板作用在藍相液晶上,在外電場作用下,藍相液晶就變為光學上的單軸晶體,其光軸方向與電場方向平行。當 線偏振光 以垂直于電場的方向通過藍相液晶時,將分解為兩束線偏振光,一束的 光矢量 沿著電場方向,另一束的光矢量與電場垂直。

它們的折射率分別稱為正常折射率n0 與 反常折射 率ne。藍相液晶是正或負雙折射物質,取決于ne- n0值的為正或負。

· 但是Kerr 盒的結構是不適用于顯示器的,因為按標準Kerr 盒結構,電壓是加在兩平行電極板之間,即電場是垂直于電極板的,入射光要與電場垂直必須從兩平行電極板之間入射。作為顯示器,入射光是垂直于兩平行透明電極板入射的,要產生與入射光垂直的電場,只能將平行電極制作在下透明電極板上。為了增強電場,每組兩平行電極必須很靠近,即做成如共平面 開關結構 液晶盒中的交叉指電極結構。

在液晶盒上、下各置一片偏振方向互相垂直的偏振片,當液晶盒上無電場時,藍相液晶的表現如同一個 各向同性介質 ,與上偏振片偏振方向相同的入射偏振光透不過液晶盒,呈現一個黑背景;當液晶盒上加有電場時,藍相液晶的表現如同一個具有雙折射特性的單軸晶體,其Δn 隨外加電場的平方而增加,透過的光強度也隨之增加,達到利用藍相液晶的Kerr效應,用外電場實現調光的目的。這類器件透射率T與相位延遲的關系為:

注意事項

液晶在使用前要充分攪拌后才能灌注使用,添加固體手性劑的液晶,要加熱到攝氏六十度,再快速冷卻到室溫并充分攪拌。而且在使用過程中不能靜置時間過長。特別是低閥值電壓液晶,由于低 閾值電壓 液晶具有這些不同的特性,因此在使用這些液晶時應該注意以下方面:

1.液晶在使用前應充分攪拌,調配好的液晶應立即投入生產使用,盡量縮短靜置存放時間,避免層析現象產生。

2.調配好的液晶要加蓋遮光存入,并且盡量在一個班次(八小時)內使用完,用不完的液晶需要回收攪拌后重測電壓再用。一般隨著時間延長,驅動電壓會增加。

3.液晶從原廠瓶取用后,原廠瓶要及時封蓋遮光保存,減少敞開暴露在空氣中的時間一般暴露在空氣中的時間過長,會增大液晶的漏電流。

4.灌低閾值電壓的液晶顯示片空盒最好是流存生產時間在二十四小時之內的空盒,灌液作業時一般使用比較低的灌注速度。

5.低閾值電壓液晶在封口時一定要加蓋合適的遮光罩,并且在整個灌液晶期間除了封口膠固化期間外,要盡量遠離紫外線源。否則會在靠近紫外線的地方出現錯向和閥值電壓增大的現象。

6.液晶是有機高分子物質,很容易在各種溶劑中溶解或與其它化學品產生反應,液晶本身也是一種很好的溶劑,所以在使用和存放過程中要盡量遠離其它化學品。

用途

液晶是在自然界中出現的一種十分新奇的中間態,并由此引發了一個全新的研究領域。自然界是由各種各樣不同的物質組成。以前,人們熟知的是物質存在有3態:固態、液態和氣態。而固態又可以分為晶態和非晶態。在晶態固體中分子具有取向有序性和位置有序性,即所謂的長程有序。當然這些分子在平衡位置會發生少許振動,但平均說來,它們一直保持這種高度有序的排列狀態。這樣使得單個分子間的作用力疊加在一起,需要很大的外力才能破壞固體的這種有序結構,所以固體是堅硬的,具有一定的形狀。很難形變。當一品態固體被加熱時,一般說來,在熔點處它將轉變成各向同性的液體。這各向同性的液體不具有分子排列的長程有序。也就是說,分子不占據確定的位置,也不以特殊方式取向。液體沒有固定形狀,通常取容器的形狀,具有流動性。但是分子間的相互作用力還相當強。使得分子彼此間保持有一個特定的距離,所以液體具有恒定的密度,難于壓縮。在更高的溫度下,物質通常呈現氣態。這時分子排列的有序性更小于液態。分子間作用更小,分子取雜亂無章的運動,使它們最終擴散到整個容器。所以氣體沒有一定形狀,沒有恒定密度,易于壓縮。

液晶應用歷史

1972年Gruen Teletime,第一支使用液晶顯示器的手表。

1973年Sharp EL-805,第一臺使用液晶顯示器的計算器。1973年日本的聲寶公司首次將液晶它運用于制作 電子計算器 的數字顯示。液晶是筆記本電腦和掌上計算機的主要顯示設備,在投影機中,它也扮演著非常重要的角色。

1981年EPSON HX-20,第一臺使用液晶顯示器的便攜式計算機。

1989年NEC UltraLite,第一臺筆記本計算機。

優點

液晶顯示材料具有明顯的優點:驅動電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、彩色顯示、無閃爍、對人體無危害、生產過程自動化、成本低廉、可以制成各種規格和類型的液晶顯示器,便于攜帶等。由于這些優點。用液晶材料制成的計算機終端和電視可以大幅度減小體積等。液晶顯示技術對顯示顯像產品結構產生了深刻影響,促進了微電子技術和光電信息技術的發展。

液晶顯示材料 最常見的用途是電子表和計算器的顯示板,為什么會顯示數字呢?原來這種液態光電顯示材料,利用液晶的電光效應把電信號轉換成字符、圖像等可見信號。液晶在正常情況下,其分子排列很有秩序,顯得清澈透明,一旦加上直流電場后,分子的排列被打亂,一部分液晶會改變 光的傳播 方向,液晶屏前后的 偏光片 會阻擋特定方向的光線,從而產生顏色深淺的差異,因而能顯示數字和圖象。

主要應用

液晶的電光效應是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受電場調制的光學現象。

根據液晶會變色的特點,人們利用它來指示溫度、報警毒氣等。例如,液晶能隨著溫度的變化,使顏色從紅變綠、藍。這樣可以指示出某個實驗中的溫度。液晶遇上 氯化氫氫氰酸 之類的有毒氣體,也會變色。

液晶在液晶顯示器的廣泛使用,依賴于電場的存在或不存在一定的液晶物質的光學性質。在一個典型的裝置,液晶層(通常為10μ米厚)坐在兩個偏振器,穿過(面向另一個在90°)。液晶取向的選擇是如此的放松階段是一個扭曲的人(見扭曲向列場效應)。這種扭曲的相位調整光通過第一個偏振片,使其傳輸通過第二偏振器(和反射回觀察者如果提供反射鏡)。該裝置的透明從而出現。當電場施加到液晶層,長分子軸往往對齊平行于電場從而逐步解開在液晶層的中心。在這種狀態下,液晶分子不調整光線,使 光的偏振 在第一偏振器在第二偏振片吸收,和設備失去透明度隨電壓。這樣,電場可以用來指揮使透明或不透明之間的像素開關。彩色液晶顯示系統使用相同的技術,用于生成紅色,綠色和藍色像素的 彩色濾光片 。類似的原理可以用來做其他的液晶光學器件。

液晶可調諧濾波器作為電光器件,例如,在高光譜成像。

手性液晶的螺距與熱溫度強烈變化可作為粗 液晶溫度計 ,因為該材料的顏色會隨著間距的改變。液晶色彩過渡是用于許多水族館和游泳池的溫度計以及嬰兒或沐浴溫度計。其他液晶材料改變顏色當拉伸或強調。因此,液晶片通常用于工業尋找熱點,地圖的熱流量,測量應力分布模式,等等。在流體形成液晶是用來檢測電產生的熱點在 半導體行業 的失效分析。

液晶激光器使用液晶在激光介質中的一個而不是外部的 鏡子 分布反饋機制。在光子帶隙由液晶周期介電結構創造了發射了低門檻高輸出裝置提供穩定的單色發射。

聚合物分散液晶PDLC )表和卷可作為粘合劑可用于電透明并提供隱私不透明之間切換的智能膜。

許多常見的液體,如肥皂水,其實液晶形式多種液晶相取決于其在水中的濃度。

液晶顯示器(LCD)的生產建立在扭曲向列液晶顯示器的基礎之上。向列相液晶被設計成在分子結構的末端具有兩種正好相反的組分以產生很強的正各向介電異性,結構被設計成線性體。相似地,液晶電視利用共面轉換模式及廣泛的視角,同時利用了具有正各向介電異性的線性體液晶結構。相反地,與之競爭的液晶電視技術則給予使用垂直取向的向列相液晶,并具有負各向介電異性。

液晶顯示器(LCD)在近幾年經歷了一系列的創新。例如 發光二極管LED ),越來越多地應用于背景光源,因為LED與普通的熒光燈相比性能有所提高,成本低,使用壽命長,而且最主要的是LED比熒光燈消耗的能量少。傳統的液晶顯示器(LCD)的 濾色鏡 會浪費一半以上的光能,LED通過產生色幀(FSC)順序減少了能量的損耗。

FSC帶來的利益將會是巨大的,這項技術造成的能量損耗水平比其他任何顯示器都低;簡單,環保,由于消除了濾色鏡,造價也更便宜;設備能再更低的溫度下使用,消除了 動態模糊 ,高亮顯示,真實的3D顯示的可能性以及在高分辨率多屏幕反映方面的成就。

中文名
液晶
外文名
liquid crystal
拼音
yè jīng
提出者
萊尼茨爾
發現時間
1888年
應用領域
信息輸出設備
形態
可以流動,擁有結晶的光學性質