LCD液晶物理学及其应用

分子形状
排列方式
1.Nematics (向列相)
a)长条状 LCDs:Thermotropic (热致液晶) b)圆盘状 2.Nematic
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2.Cholesterics (胆固醇相) 3.Smectics (近晶相) 1.Columnar
:LCDs
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液晶以分子形状分类
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Types of Low Molecular Weight Liquid Crystal Materials
qo > 0 表液晶分子为右旋排列， qo < 0 表液晶分子为左旋排列。
n n
螺距(Pitch) = 2L
Cholesteric相液晶的分子排列。
因为n与-n是不可区分的，所以其周期等于半螺距，即L =π 反射波长波长=np之入射光
/ |qo|
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The Chiral Nematic
Ordinary Nematic Chiral Nematic
2
Chapter 1 Introduction to Liquid Crystals (LCs)
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DISPLAY ISSUES



Viewability Wide-angle Contrast Brightness Reflectivity(sunlight readable) Power Consumption Cost of Drive Electronics Size and Weight Addressing Time (Video rate not always required) Color/Black-on-White Manufacturability and Reliability
Director axis
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Nematic液晶
Nematic液晶特性: (a)分子的重心位置没有次序性。
(b)分子的排列方向存在一定程度的次序性，分子倾向平行于某个共同的方向
去排列，如图所示，我们定义这个方向为Director (Director Axis)以n 表示。 (c) Directorn 与–n 的状态是不可区分的。
由上述可知，这些中间相的分子形状是决定其物性的重要因素。在 此我们仅对本课程相关的液晶作更进一步地介绍。 结晶固体溶解:晶格位子,方向 在此我们仅对本课程相关的液晶作更进一步地介绍。
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结晶状的固体 (Crystalline Solid)
各向同性的液体 (Isotropic Liquid)
中间相 (Mesophases)
(a)Smectic A (SmA) 每一层内，分子位置没有次 序性在光学上具单光轴特性 ，其光轴方向与层平面垂直。 (b)Smectic C (SmC)
w
d
d
Smectic A相液晶的分子排列。
Smectic C相液晶的分子排列。
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27
(c) Smectic C* (SmC*)-Ferroelectric LCs
Driving Forces
Market incentives, government support, superior human resources, international collaboration, plentiful capital
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ˉProspect of Taiwan FPD Industry
n
LCD用液晶
长条状之Nematic相液晶的分子排列。
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Cholesteric液晶
将Chiral溶解在Nematic相液晶中，原来的Nematic液晶结构会出现 螺旋畸变。我们将这种螺旋的Nematic相称为Cholesteric相。
z
n n
L
y x
nx = cos(qoz +φ) ny = sin(qoz +φ) nz = 0
LCD结构图
Or 3M DEBF
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Basic Concept 液晶简介
物质的相变
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何谓液晶?
对于一般常见的物质由结晶状的固体(Crystalline Solid)相变为各向同 性的液体(Isotropic Liquid)，通常是经由单一过程的相变。但有很多有机 物由结晶固体到各向同性液体间却需要经过多个步骤的相变。因此必定 存在一个或多个介于结晶固体与各向同性液体间的中间相(Mesophases)。 由于这些中间相的分子次序是介于结晶固体与各向同性液体间，所以这 些 相 的 力 学 、 光 学 性 质 和 对 称 性 也 介 于 结 晶 固体与液体之间。
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(2) Ordered Fluid Mesophases:通常称为「液态晶体」(Liquid Crystals)简称 液晶。由于此相常由长条状(Rod-like)或圆盘状(Dise-like)的分子所组成。 故易形成一分子重心位置无次序性，但方向有次序性的相。由于此相 分子重心位置不受限于晶格[位置无序]，故具有一定程度的流动性。
4
MARKETS




Consumer TV, movie, etc Transportation Aviantertainment Business Application Videoconferencing Automated Teller Pagers Industrial Applications Process control Analytical Equipment Medical Technology Computer Application Viewer Application Electronic books Electronic newspaper Document viewers
molecules consisting for a rigid core and flexible tail(s) )-form liquid crystal phase over certain temperature ranges
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溶液
4.分子排 列之有序 性
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Melting of a Solid
液晶物理学及其应用
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课程大纲



1.Introduction to Liquid Crystals (LCs) 2.Optical Properties of Liquid Crystals 3.Survey of LCDs: 4.Jones Calculus: Matrix Representation of Polarization 5.Optical Transmission of LC cells 6.Brightness Enhancement of LCDs 7.Aligments of Liquid Crystals 8.TFT-LCDs,color filters, and Cell Assembly 9.Fast response LCs 10.Wide-Viewing Angle 11.Backlighting 12 Color Vision
•Thriving Period (1998~ ):
-Mass production tech. transferred from Japan, venture capital -New technologies, such as LTPS-TFT LCDs, OLED and LCOS, probed.
缺点: Narrow bandwidth (LC之Δn~0.3)
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Smectic液晶
由结构上的差异Smectic液晶又可被细分成Smectic A、B、C....等共十 余种。但结构上看，所有的Smectics相都具有层状结构，层与层之间的距 离是一定的，层间距可以用X-ray绕射方法来量测。由此可见Smectics的之 次序性比Nematics高。对于任何俱备此两种相的材料 而言，其Smectic相的温度范围总比Nematic相为低。
•Attain production value of at least NT$1.37 trillion for the color imaging industry in 2006.
•Reach at least NT$350 billion in private-sector investment over the next five years.
到目前为止，已被发现的这些中间相大致可被区分成两大类别: (1) Disordered Crystal Mesophases:一般称之为「塑性晶体」(Plastic Crystals)。其分子形状常为圆球状(Globular)，故易形成分子位置有次 序性，但方向无次序性的相。因其分子位置仍保留三维晶格 排列，故不具流动性。
•Incubation Period (1987~1997):
STN-LCD, small and medium-size TFT-LCD -1987: ERSO/ITRI started to R&D in TFT-LCD technologies -1992: First α-TFT LCD pilot line set up in ERSO for experimental production -Governmental support enticed overseas brain-drain
•Aim to make Taiwan the world's largest supplier of TFT-LCD panels. •Build Taiwan into the world's most important center for color imaging device R&D and manufacturing.
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History of the Taiwan FPD Industry
•Embryo Period (1976~1986):TN-LCD and STN-LCM
-1976: TN-LCD assembly technology transferred from Hughes -1980: STN-LCD back-end assembly factories set up by Japanese companies -Export-oriented module assembly
Disordered Crystal Mesophases 「塑性晶体」 圆球状 位置有序，方向无序 晶格排列，不具流动性 Ordered Fluid Mesophases 「液态晶体」 长条状、圆盘状 位置无序，方向有序 位置无序，有流动性
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液晶的分类
以产生相变之原因来区分 1) Thermotropic (热致液晶) 2) Lyotropic (溶致液晶) 因温度的改变而产生相变 因溶于溶剂中浓度比例的改变而产生相变

Lyotropic Liquid Crystals (溶致液晶) form liquid crystal phases over certain concentration ranges when mixed with a solvent
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Thermotropic Liquid Crystal(热致液晶)(Used for LCDs)
RH chiral and LH chiral
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Application of cholesteric LC
1. 2. 3. 4.
Color reflective display 亮度加强膜 Smart windows in building Broadband circular polarizer
13中间相mesophasesdisorderedcrystalmesophases塑性晶体orderedfluidmesophases液态晶体圆球状长条状圆盘状位置有序方向无序位置无序方向有序晶格排列不具流动性位置无序有流动性结晶状的固体crystallinesolid各向同性的液体isotropicliquid14液晶的分类thermotropic热致液晶lyotropic溶致液晶因温度的改变而产生相变因溶于溶剂中浓度比例的改变而产生相变a长条状b圆盘状1nematics2cholesterics胆固醇相3smectics1columnar2nematic以产生相变之原因来区分lcds
与Smectic C相似其分子导轴之方向与层面法线方向有一夹角w。但相邻 之液晶层的分子导轴会沿着层面法线作缓慢之螺旋转动，如图所示。此结 构之形成通常可由Smectic C之液晶再加入chiral agent所形成。故又名为 chiral smectic C。
CN
director
CN
pitch
n
P
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Chiral structure
Chirality
H H H H H
H-C-C-C-C-C
H H H H H
CN non-chiral
H H H H H Chiral center
H-C-C-C-C-C
CH3 H H H H
CN chiral (RH)
mirror images