液晶的发展

液晶显示器(LCD/Liquid Crystal Display）的显像原理，是将液晶置于两 液晶显示器 ）的显像原理， 片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动， 片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场 效应，以控制光源透射或遮蔽功能， 效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示 出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。 出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向 所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度 膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离 度，所以液 晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时， 晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶 度扭转， ）；当玻璃基 做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如下图左）；当玻璃基 度扭转 通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如下图左）； 板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向， 板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向， 被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。 被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如下图右）。 液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。 液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。 (液晶显示原理图 )
随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶物质基本上都是有机化合物， 随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶物质基本上都是有机化合物，现有的 有机化合物中每200种中就有一种具有液晶相。 种中就有一种具有液晶相。 有机化合物中每 种中就有一种具有液晶相 从成分和出现液晶相的物理条件来看， 从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大 把某些有机物加热溶解， 类。把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶 就是如前面所说由于温度变化而出现的液晶相。 ，就是如前面所说由于温度变化而出现的液晶相。把某些有机物放在一定的溶剂 由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶， 中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度发生 变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。 变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。目前用于显示的液晶材料基本上都 是热致液晶，而生物系统中则存在大量溶致液晶。 是热致液晶，而生物系统中则存在大量溶致液晶。目前发现的液晶物质已有近万 构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平片状， 种。构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在每种液晶相中 形成特殊排列。 形成特殊排列。 由杆形分子形成的液晶，其液晶相共有三大类： 由杆形分子形成的液晶，其液晶相共有三大类： (近晶相 、 近晶相)、 (向列相 向列相) (胆甾相 。 胆甾相)。 近晶相 向列相 和 胆甾相
1963年，RCA公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时，其透光方式会改变。 年 公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时， 公司的威利阿姆斯发现了用电刺激液晶时 其透光方式会改变。 5年后，同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。这就是 年后， 年后 同一公司的哈伊卢马以亚小组，发明了应用此性质的显示装置。 液晶显示屏（ 液晶显示屏（Liquid Crystal Display）的开端。而当初，液晶作为显示屏的材料 ）的开端。而当初， 来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。然而， 来说，是很不稳定的。因此作为商业利用，尚存在着问题。然而，1973年，格雷 年 教授（英国哈尔大学）发现了稳定的液晶材料（联苯系）。 ）。1976年，由SHARP 教授（英国哈尔大学）发现了稳定的液晶材料（联苯系）。 年 公司在世界上首次，将其应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ于计算器（ 公司在世界上首次，将其应用于计算器（EL-8025）的显示屏中，此材料目前已 ）的显示屏中， 成为LCD材料的基础 成为 材料的基础
(液晶显示原理图 )
光是一种电磁波，我们将其电场方向称为光的偏极方向。 光是一种电磁波，我们将其电场方向称为光的偏极方向。我们可用偏光器来选 择某一特定方向之偏极光。 择某一特定方向之偏极光。已偏极化的光再经过一个偏光器时可全部通过或部分 通过，视第二个偏光器的方向而定。我们以（图一）说明偏光器的功能。 通过，视第二个偏光器的方向而定。我们以（图一）说明偏光器的功能。
液晶是由杆形分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。 液晶是由杆形分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。 它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有别于分子排列完全有序的晶体。 它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体，也有别于分子排列完全有序的晶体。 这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质， 这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质，导致了液 晶呈现出液体与晶体的特性，甚至远比它们更复杂的特性。 晶呈现出液体与晶体的特性，甚至远比它们更复杂的特性。 一方面，液晶具有流体的流动特性；另一方面， 一方面，液晶具有流体的流动特性；另一方面，液晶又呈现出晶体固有的 空间各向异性，包括介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。 空间各向异性，包括介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。液晶分子 的部分有序排列还使得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。 的部分有序排列还使得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。 也就是说，液晶具有切变弹性模量。 也就是说，液晶具有切变弹性模量。 在实际应用中，液晶的流动性， 在实际应用中，液晶的流动性，介电与光学性能的各向异性性以及液晶的 弹性，都是极为重要的， 弹性，都是极为重要的，它们可控制液晶显示性能的参数
近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层， 近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平 其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐， 行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性 接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移， 接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从而有 流动性，但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。 流动性，但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。 因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。 因为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。 近晶相液晶分子排列
液晶分子形状子构造
我们很早就知道物质有三态。固态是一个分子很靠近且整齐排列的态。 我们很早就知道物质有三态。固态是一个分子很靠近且整齐排列的态。液态 中的分子虽然很靠近，但不具有空间上排列之秩序性。 中的分子虽然很靠近，但不具有空间上排列之秩序性。气态中之分子则相互间分 离的很远。 离的很远。 液体也同样可具有不同之态。 液体也同样可具有不同之态。液体分子质心之排列虽然不具有任何规律性 但是如果这些分子是长形的（或扁形的）， ），它们的分子指向 ，但是如果这些分子是长形的（或扁形的），它们的分子指向 就可能有规律性 于是我们就可将液态又细分为许多态。 。于是我们就可将液态又细分为许多态。那些分子方向没有规律性的液体我们称 之为各向同性液体或直接称为液体，而具有方向性之液体则称之为液态晶体， 之为各向同性液体或直接称为液体，而具有方向性之液体则称之为液态晶体，又 简称液晶。请看（图二）中两者的差异。 简称液晶。请看（图二）中两者的差异。 无方向性之液态 有方向性之液态
液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（ 年发现的， 液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F.Reinitzer)于1888年发现的，他在 于 年发现的 测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂） 测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后会 经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽， 经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继 续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年， 续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼 使用他亲自设计， （O.Lehmann)使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微 使用他亲自设计 镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现， 镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于 液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“ 液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶 这就是“液晶”名称的由来。 体”，这就是“液晶”名称的由来。 液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物， 液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物，一般 最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在 最常用的液晶型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽约 ～ ， 不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列 产生透光度的差别， 度排列， 不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转 度排列，产生透光度的差别，如 此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图 下产生明暗的区别， 此在电源 下产生明暗的区别 依此原理控制每个像素， 像。
向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态， 向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有 近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序，但分子（ 近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序，但分子（杆）的指 向矢n大体一致 如图,图中故意用完全对称的杆来代表分子 即杆不是一头尖， 大体一致， 图中故意用完全对称的杆来代表分子， 向矢 大体一致，如图 图中故意用完全对称的杆来代表分子，即杆不是一头尖， 一头圆，没有n与 区分 这个等价性是向列相液晶与其他液晶（如近晶相） 区分。 一头圆，没有 与-n区分。这个等价性是向列相液晶与其他液晶（如近晶相）的 一个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列， 一个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列，却使向列相物质的光学与电学 性质，即折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。 性质，即折射系数与介电常数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。正是 由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常数各向异 使得用电来控制光学性能，或液晶显示成为了可能。 性，使得用电来控制光学性能，或液晶显示成为了可能。 此外，与近晶相液晶相比，向列液晶的粘度小，富于流动性。 此外，与近晶相液晶相比，向列液晶的粘度小，富于流动性。产生这种流 动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。 动性的原因，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实 上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。 上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列 和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液晶显示器， 和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。目前液晶显示器，例如 扭曲向列相液晶显示器、 扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相 液晶材料。 液晶材料。
胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾相液晶。 胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾相液晶。这类液晶 分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。 分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变 沿层的法线方向排列成螺旋结构。 化，沿层的法线方向排列成螺旋结构。 当不同的分子长轴排列沿螺旋方向经历360°的变化后，又回到初始取向， 当不同的分子长轴排列沿螺旋方向经历 °的变化后，又回到初始取向， 这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距（ ）。 ）。胆甾相实际上是向列相的 这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距（P）。胆甾相实际上是向列相的 一种畸变状态。 一种畸变状态。