液晶特性

液晶物性

1. 液晶简介

分子量小的大部分物质的状态随着温度的上升呈现物质的三种状态——固体(solid)、液体(liquid)和气体(gas)。但若是分子量大而且结构特殊的物质时，其状态的变化就不那么简单。1888年Reinizer在给cholesteric benzonate结晶加热时发现，当加热到145.5度时会变成混浊的白色有粘性的液体，当加热到178.5度时会完全变成透明的液体。Lehman发现结晶和透明液体之间的这种状态(phase)具有当时被认为是固体固有的光学各向异性，因此被命名为液晶(liquid crystal)。即液晶(liquid crystal)是liquid和crystal 的合成词，表示具有液体所特有的流动性(fluidity)的同时还具有结晶所特有的光学各向异性(optical anisotropy)。因是存在于固体与液体之间的状态，所以叫做中间相(mesophase)更准确，但更多的是按照惯例叫液晶。

随着研究的深入，在许多物质中发现了液晶相，而且发现具有液晶相的分子都带有类似长条状或圆盘状的分子结构(请参考图1)。如图2所示，带有液晶相的分子在达到一定的低温时是按一定规则排列的结晶结构，但达到一定的熔点(melting point)以上时，其质量中心自由移动，但其条状的方向形成一定的分布状态成为各向异性的液体(anisotropic liquid)，而这时就是液晶相。液晶可具有光学各向异性的根本原因就在于此。如果在此时再提高温度(clearing point)，其分子们不仅是质量中心，连条状的方向也自由分布，变成等方性液体(isotropic liquid)。

图1. 液晶分子结构例子，向列液晶5CB和铁电现象液晶DOBAMBC

(固体: 结晶) (液体: 各向异性的液体) (液体: 等方性的液体)

图2. 根据分子的分布及排列方法的各种相(phase)的类型

(1) 液晶的类型

具有液晶相的分子大致根据与形状或特定物质的亲和力形成各种各样的相，如前所述，可以分为只有在特定的温度区内具有液晶相的向热液晶(thermotropic liquid crystal)和在特定溶剂中溶化一定的比例时具有液晶相的溶致液晶(lyotropic liquid crystal)。用在显示器上的液晶大部分都属于向热液晶，溶致液晶大多在生物膜等中出现。向热液晶根据它们所具有的位置次序(positional order)、方向次序(orientaional order)可分为向列型(nematic)、胆甾型(cholesteric)和近晶型(smectic)。

- 向列液晶(nematic liquid crystal)

向列液晶个别分子的质量中心就像液体一样胡乱运动，而分子的长轴方向(long molecular axis)虽有时间性的热摆动但均匀地指向一定的方向。指定该方向的单位矢量叫做控制器(director)。向列液晶根据以控制器为中心的旋转对称性几乎所有宏观的物性常数都是单轴(uniaxial)。另外，控制器不分前后(头－尾对称)，因此即使其组成分子具有极性(polarity)，向列液晶中也没有极性。虽然其结构在三种液晶中最简单，但用在显示器的液晶大部分都是向列液晶。主要用N来表示。

<向列液晶> <胆甾型液晶> <近晶液晶>

图3. 液晶相的类型

- 胆甾型液晶(cholesteric liquid crystal)

胆甾型液晶类似于向列液晶，但不同的是具有其控制器随着自身方向的垂直轴旋转的螺旋结构(helical structure)。在垂直于螺旋轴的一个平面内与向列液晶没有什么不同。胆甾型液晶相的组成分子具有无绝对对称性的手征性(chiral)中心，在向列液晶中添加带有手征性基的分子也可显示。因此，胆甾型液晶还叫做胆固醇液晶(chiral nematic)。另外，根据手征性分子的handeness决定螺旋轴的旋转方向，因此，胆甾型液晶沿着方向次序和螺旋轴进行有规则的排列，具有空间次序。胆甾型液晶螺旋结构的1周期长度叫做程度(pitch)，就如同在向列液晶一样具有头－尾对称性，所以实际周期只有程度的一半。主要用CLC或ChLC表示，在表示胆固醇液晶的含义上也用N*来表示。Asterisk表示手征性。

图4. 胆甾型液晶的pitch

- 近晶(smectic)液晶

近晶液晶具有薄层构造(lamella structure)，根据在同一层内的位置次序及控制器的方向可细分为SmA、SmB、SmC、SmD....。因是薄层结构，将近晶相加在方向次序而具有对1个以上轴的空间次序。SmA指的是在薄层内的分子的质量中心自由、控制器的方向垂直于薄层的状态，SmC虽然分子的质量中心自由，但其控制器的方向略偏于薄层垂直的状态。

尤其用在显示器的SmC*(手征性SmC)具有铁电现象(ferroelectricity)的特点。如图5，液晶分子向薄层倾斜，并具有沿着薄层旋转的结构。在各薄层内的液晶分子垂直于各自的长轴，且向与薄层平行的方向具有自发的偶极矩(spontaneous dipole moment)，带有铁电现象。

SmA SmC

图5. 随薄层内控制器方向变化的具代表性的近晶相

图6. 铁电现象液晶SmC*的分子排列及自发偶极矩的方向

(2) 液晶在显示器应用方面的特点

液晶之所以能够作为显示器受欢迎，是因为可用较低的电压轻松调整光的相位推延(phase retardation)值。液晶是因其分子形状的非对称性，与控制器平行的方向和与之成垂直方向的物性值不同的各相异性物质(anisotropic material)。在各种物性值中对液晶显示器影响最大的是折射率各相异性(optical anisotropy)和介电各相异性(dielectiric anisotropy)。折射率各相异性(约0.05-0.2)是在光通过液晶时使其产生相位推延而影响光的反射及投射，介电各相异性(约3.0-8.0)可通过电场控制液晶分子的长轴方向。图8显示了根据液晶的方向和光的前进方向产生相位推延的过程。而且介电各相异性使液晶分子平行或垂直于电场，用电压来控制液晶分子的长轴方向。图7显示的是这种原理。

图7. 液晶分子因电场的旋转

n o

n

e

n o n e

图8. 随液晶方向的相位推延(phase retardation)效果的差异

电场