液晶

关于液晶的初步了解

物理系光信息科学与技术1091120205 王建俊液晶是一种新型材料，对于我们学光学的学生来说有很大的研究价值，有很多关于这种新型材料的研究成果等待着我们这一代人去探索发现。

液晶的发现可以追溯到十九世纪末，它是由奥地利植物学家斐德烈莱尼泽在做加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。就是由这种前所未有的现象才拉开了液晶研究的序幕。

液晶实际上是物质存在的一种状态，也有人将液晶称为物质的第四态。从不同的角度可以对液晶进行不同的分类。

一种分类方法将液晶分成两类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。

还有一种分类将液晶分为向列型，近晶型，胆甾型等。向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料；近晶型液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性；胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。

液晶作为一种新型的物质，具有不同于普通物质的性质。特别是在光学性质方面由于它的特殊的结构使它具有非同寻常的特征。

首先，液晶具有类似偏振片的特点，一束偏振光经过向列型液晶后其偏振方向可能发生改变，因为在大部分向列型液晶中，光偏振方向与分子长轴方向相同时折射率较大；光偏振方向与分子长轴方向垂直时折射率较小。到底会不会改变决定于液态晶体分子的排列方向和所照射的偏振光的偏振方向的关系，所以改变液晶的排列方式即可改变通过光的偏振性。关于偏振光经过液晶后的偏振方向可以通过实验测定。在液晶后面加一个偏振片，旋转它找到光强最大时的偏振片的方向就是通过液晶后的光的偏振方向。

其次，液晶具有双折射性，即一束光射入液晶材料后会变成两束。出现这个现象的根本原因是液晶中不同方向上的介电常数和折射率是不同的。造成液晶这种特性的原因归根结底还是因为它的分子形状和分子排列方式。多数液晶只有一个光轴方向，在这种单轴晶体中光沿光轴方向传播时，不发生双折射现象，反之会出现分束现象。一般液晶的光轴沿分子长轴方向。由于液晶具有单轴晶体的特点，所以它是光学各向异性的，因此它具有以下光学特性：能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化；使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。

再次，液晶具有电光效应，即液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。常见的电光效应可以分为两大类，电场效应和电流效应。电流效应包括动态散射效应和存储效应。电场效应包括排列相畸变效应，混合排列相畸变效应，扭曲向列效应，相转变效应，宾主效应，电控双折射效应等。下面对液晶的电光效应举几个例子进行解释。动态散射效应是指加高频电场时液晶分子取向紊乱，使各处的折射率随时间发生变化，从而使入射光受到散射，透过率下降。利用动态散射效应，可以改变透过率，从而实现光强调制。电控双折射效应是在外加电场作用下，液晶分子取向变化，而使液晶对某一方向入射的光产生双折射的现象。利用电控双折射效应，在电场控制下改变液晶分子取向，从而实现对光偏振方向的调制，达到光强调制的目的。宾主效应指的是将沿液晶分子长轴方向和短轴方向对可见光的吸收不同的二色性染料作为客体，溶于定向排列的液晶主体中，染料分子会随液晶分子的排列变化而变化，在电场作用下，染料分子和液晶分子排列发生变化，染料对入射光的吸收也将发生变化。利用宾主效应染料分子的取向和吸收就可以实现光强的调制。相变效应是指在正型液晶中掺入正介电异性的胆甾液晶，使混合物成为具有长螺距的液晶，螺旋轴与玻璃板平行，对外界光产生散射，呈白浊状，施加一定电压后，液晶长轴沿电场方向变化，螺旋解开，液晶变成透明态。利用相变效应对光的散射，就可以实现光强调制。

由于液晶的不同于普通物质的性质，它在科技领域中也发挥着不同于一般物

质的作用。本世纪七十年代以来，液晶已被广泛地应用到许多尖端新技术领域中，例如：电子工业的显示装置；化工的公害测定；高分子反应中的定向聚合；仪器分析；航空机械及冶金产品的无损探伤和微波测定；医学上的皮癌检查、体温测定等等。特别是，改变液晶分子排列所需的驱动功率极低这一特性为研制袖珍计算机和全电子手表的数字显示提供了有利条件。液晶显示全电子数字石英手表是目前世界手表工业中的新产品。它具有走时准确、造价低、功耗小和功能多样等特点，在许多方面都优于机械表和其它电子手表。同时，液晶图像显示和液晶快速电视显示的研制也倍受注目。推动液晶研究迅速发展的另一个动力，就是液晶与生命现象有着紧密的关联。许多物理、化学、生物学者对生物膜具有介晶态结构很感兴趣，液晶生物物理已受到各国科学家相当普遍的重视。各种各样的假说、推论层出不穷，它们都把生物膜所特有的功能与液晶特性相结合，来探索生命科学的奥秘及生物液晶的特殊功能。

由于在大二的时候做过一个名叫《向列型液晶期间的构建及透过率优化》的创新实验，所以对液晶在显示器方面的应用有一些了解。扭曲向列型液晶显示器是原理最简单的一种显示器。这种显示器的最基本的结构是在两块玻璃基板之间灌入向列型液晶。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟和锡的氧化物，简称ITO。ITO玻璃基板表面做平行取向处理，即涂敷一层聚酰亚胺聚合物薄膜，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。在保证两块基板上沟糟方向正交的前提下，形成一个间隙为几个微米的液晶盒。由于内表面涂有定向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90°扭曲，这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。入射光通过偏振片后成为线偏振光，在外电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将

沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。以上说的这种黑色的显示称正显示。同样如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。以上就是这种显示器件的基

本原理。

TFT 型液晶显示器也采用了两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了FET 晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT 的显示采用"背透式"照射方式，即假想的光源路径不是像TN 液晶那样

的从左至右，而是从右向左，这样的作法是在液晶的背部设置了类似日光灯的光管。光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于左

右夹层的电极改成FET 电极和共通电极，在FET 电极导通时，液晶分子的表现如

TN 液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET 晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。

参考文献：

《液晶的性质及其应用》张琦，陈莜，吴军一，师安

《晶体物理学基础》陈纲，廖理几，郝伟

《液晶材料的性质与应用》蔡斌，何涛，姜杰，张颂昕

《液晶显示应用基础》李维諟，郭钢