胆甾相液晶在显示中的应用

胆甾型液晶显示的研究及进展

摘要

胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景。本文系统阐述了其在光学显示领域的研究进展

关键字：胆甾相液晶，用途，特性，进展

1.胆甾型液晶简介

液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散射特性；它有多种液晶相态，例如胆甾相，近晶相，向列相等。由于液晶分子的有序排列，使得其呈现有选择的散射，也因此使其具有显示功能的潜力。

胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子

和周期性螺旋结构。在液晶相状态下具有独特的光学特性，类似一维光子晶体，具有选择性布拉格反射，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景[1]。

2.胆甾型液晶组成及排列

2.1.胆甾型液晶组成

单一成分的胆甾型液晶：此类胆甾相液晶分子本身就具有旋光性，大部分是胆甾醇的卤化物、脂肪酸或碳酸酯等衍生物，分子结构通式如图2-1所示，其中-R1为饱和碳链, -R2为任意原子团[2]。

图2-1 胆甾醇酯分子通式

此外对氧化偶氮苯甲醚类、对正甲氧基苯甲醛类化合物，具有不对称碳原子，呈长棒状的化合物等通常都可能成为胆甾相液晶。

多组分的胆甾型液晶：为满足液晶各方面性质的要求，故用于显示的胆甾相液晶一般是混合物，可以由胆甾型液晶与胆甾型液晶互混而成，也可以通过向具

有不对称碳原子、存在相互成对应体的旋光异构体的向列相液晶分子中添加手性掺杂剂来获得[3]。

2.2.胆甾型液晶分子排列

胆甾型液晶具有层状的分子排列结构，层与层间相互平行，其分子细长，长轴具有沿某一优先方向取向，相邻两层分子间的取向不同，一般相差15°左右，且该优先方向取向在空间沿螺旋轴(光轴方向) 螺旋状旋转。这种特殊的螺旋状结构使得胆甾相晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性布拉格反射。

图2-2 胆甾型液晶分子排列

按照螺旋轴的取向，胆甾相液晶主要分为两种组织结构，一种是平面结构，其螺旋轴与基片垂直；另外一种是焦锥结构，其螺旋轴与基片平行。

图2-3 胆甾相液晶两种组织结构

3.胆甾型液晶特性及用途

由于液晶分子头尾、两侧所接分子基团的不同，使得分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的物化性质。因此，液晶分子在外场作用下表现出介电各向异性、磁各向异性以及光学折射率各向异性。

胆甾型液晶具有双稳态特性（SSCT、PSCT），这是其应用于电子纸显示的基础。在施加不同强度外电场作用的情况下，胆甾型分子的螺旋结构发生改变而分别呈现亮和暗的状态。在亮的状态下，液晶分子处于平面态，液晶分子螺旋轴与基板表面基本都垂直，这时若螺距与入射光波长相近或相等，满足布拉格反射条件，则该波长的入射光就会被反射。相反，如果螺旋轴与基板表面在暗态时基本都平行，液晶分子呈现不规则排列时，入射光被散射，或被下基板表面的吸收层所吸收，没有光线射出。作为一种反射式显示技术，胆甾型液晶显示可采用无源矩阵方式进行驱动，不需要背光源和偏振片。若需要获得彩色显示，可以通过

添加不同螺距的旋光剂获得不同波长光的反射，而不需要彩色滤光片[4]。

利用胆甾型液晶特殊的光学特性，可以制成各种光学器件，如液晶激光器，光控开关与显示，光子晶体等。

自1992年发现胆甾相液晶具有零场下多稳定相态织构现象以来, 反射式胆甾相液晶显示(Cholesteric liquid crystal display , 简称:Ch-LCD)已发展成为一种新型显示模式[3]。最突出的优点是具有零场记忆特性, 在零电场时, 能长期保持显示内容, 其能耗只有TFT-LCD 的1/8 左右。由于不需要偏振片和背光源, 具有高反射能力和宽视角,能够实现类似纸般的阅读效果, 特别适用于电子书籍阅读器、商业广告等领域，其应用于显示器时不需要背光源、滤色膜，具有低功耗、多稳态、零场稳定、以及反射亮度高等优点，在便携显示设备如智能卡、电子书和写字板等领域也具有巨大的发展潜力。

4.胆甾型液晶制备

目前胆甾醇酯的合成方法有：DCC脱水法，酸酐酯化法、酰氯酯化法、酯交换法等方法。多种组分的采用掺杂手性分子法等。胆甾相实际是向列相的一种畸变。采用添加旋光性物质的办法，可使通常的向列相或近晶相液晶转变成胆甾相[5]。

5.结语

独特的螺旋状结构以及选择性反射，使得胆甾相液晶在光学材料方面展现了广阔的应用前景，其低功耗的彩色显示特性在电子书阅读器、手机、闪存盘、公告栏、包装与标签等领域有很大潜力。如果经过更进一步发展实现柔性显示，胆甾型液晶显示的发展空间将进一步扩大。并且在调制激光、光栅、光子晶体等方面也可扮演重要的角色。

参考文献：

[1] 韩国志, 王普, 耿欣等. 胆甾相液晶在光学材料中的研究进展[J]. 化学通报, 2013, 76(9):

791-794.

[2] Yang D K, Huang X Y, Zhu Y M. Bistable cholesteric reflective display: materials and drive

schemes[J]. Annu. Rev. Mater. Sci,1997,27:117-146.

[3]张智勇, 陈元模, 张宏伟等. 显示用胆甾相液晶材料发展现状[J]. 液晶与显示, 2003,

18(5): 317-324.

[4] 张天翼, 许军, 董佳篧. 胆甾型液晶显示技术和产业发展[J]. 液晶与显示, 2011, 26(6):

741.

[5] Ozaki M, Matsuhisa Y, Yoshida H, et al. Photonic crystals based on chiral liquid

crystal[J]. physica status solidi (a), 2007, 204(11): 3777-3789.