9.液晶的物理光学特性

2. 液晶的物理特性——各向异性
1. 介电各向异性Δε 介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度。 液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的 重要参数。
设分子长轴方向的单位矢量为 n，分子永久电偶极矩 为 r ，液晶 n 与 r 的夹角为θ。 实验发现：不同类型的液晶分子，它们的θ不是接近 0° ，就是接近 90° 。即分子永久偶极矩偏向于平行分 子长轴或垂直分子长轴。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
3. 液晶的电光效应
4. 相变效应 P型胆甾相液晶无电场作用时呈乳白色不透明状态； 在施加电场增大时，液晶螺距逐渐增大；当施加电压 超过阈值时，液晶变成垂直排列的 N 型向列相液晶， 此时液晶呈透明状态。 5. 宾主效应
将多色染料与液晶混合，利用液晶分子在外加电场 作用下排列的改变带动染料分子排列的改变，从而达 到控制入射光颜色的目的。
（展曲）
（扭曲）
（弯曲）
2. 液晶的物理特性——各向异性
4. 弹性系数k 液晶分子的排布和各种畸变是液晶显示器件的核心 技术，因此K11、K22和K33与液晶显示器件的特性有着 密切的关系。
弹性常数大，则阈值电压也大。但一般液晶的弹性 常数很小，仅为10-6~10-7达因。 因此，液晶分子排列的稳定度不很高，很小的外场 作用就会使液晶分子发生形变，变为另一种排列状态。
当分子轴与主轴完全平行时， 0， cos
2
1
当分子轴无序时，所有θ值出现几率相同，有：
1 b cos f ( x)dx ba a 1 0 2 1 cos d cos 0 1 1 3
2
1. 液晶的物理特性——有序参量
对于有序——无序转变问题，一般取完全有序为1， 完全无序为0。 根据上述分析，定义向列液晶的有序参量（ Order parameter）： 2
1 S (3 cos 1) 2
有序参量S的大小直接影响液晶的各向异性，进而影 响液晶显示器的性能。
有序参量S是液晶本身的特性，不受外力、外场的影 响。
1. 液晶的物理特性——有序参量
分子排列越整齐，越没有缺陷，该物体的整体各向 异性就越明显。理想晶体在 T=0K时S=1；而各向同性 液体的S=0。 但不论在什么条件下，液晶分子的排列都不可能百 分之百的一致。液晶的有序参量在S = 0.3~ 0.8 之间。 有序参量S与液晶材料、温度有关：
对彩色显示液晶来说，显示各种波长λ的强度与△n 有直接关系，一般用λ(△n)来表征。
2. 液晶的物理特性——各向异性
4. 弹性系数k 液晶分子的指向矢由其自身性质所决定。而在外场 作用下，指向矢要发生变化；取消外场时，由于分子 间的交互作用，指向矢有恢复到原来平衡状态下取向 的趋势。按连续体理论，这类形变称为弹性形变。 液晶中的这种弹性形变有三种形式：展曲 (splay) 、 扭曲(twist)和弯曲(bend)。 K11、 K22和 K33分别表示展曲、扭曲和弯曲弹性常数。 一般来说，K33 > K11 > K22，且K22/K11在0.4 ~ 0.8， K33/K11在0.7~1.8，K33 /K22在1.3-3.2范围内变化。
2. 电阻率ρ和电导率ζ的各向异性 热致液 晶具有非离子结构，电阻率很高，一般为 108~1012Ω.cm ，接近于半导体和绝缘体的边界。电导 率为电阻率的倒数。
液晶的电阻率和电导率也是各向异性的。
在制备液晶时，电阻率常作为液晶纯度的表征量。ρ 小 (ζ 大 ) 表示杂质离子较多，液晶纯度较差。一般 ρ ＜ 1010Ω.cm 时就认为其不纯，在外电场作用下，由于电 化学分解会破坏液晶分子的结构，使其失去液晶性能， 使液晶器件寿命大大降低。 实用液晶材料的ρ值一般取1011~1012Ω.cm。
1. 液晶的物理特性——有序参量
在一定温度下，分子的热运动使棒状液晶分子不完 全平行于主轴方向排列。从分子间看，分子轴心线的 分布是无序的，但相对于主轴来说，分子轴线在主轴 方向上有个择优取向，即倾向于平行于主轴方向。
如图所示：
主轴方向 n 某一分子指向 a
分子择优角 分子水平旋转方向角 x
液晶分子长轴的平均方向称为该液晶的指向矢(n)。 沿分子长轴平均方向为平行(∥)方向； 沿分子短轴平均方向为垂直(⊥)方向。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
课次9：液晶的物理、光学特性
1. 液晶的物理特性
液晶，特别是应用最多的向列相液晶，其分子的质 心在整个体系中是无序的，如同普通液体。 然而不同于一般液体，液晶处于各向异性的状态。 向列相液晶的各向异性是由于分子所具有的圆棒状外 形造成的。确切的说，向列相液晶是圆柱对称的。即： 体系中存在一根轴线，平行于该轴的方向，向列相各 种物理参量为一组数值；垂直于该轴的方向，则是另 一组数值。通常称这根轴线为主轴。 液晶“看似无序，实则部分有序”，其有序程度的 度量——有序参量。
1. 介电各向异性Δε 液晶的介电各向异性 Δε 对光电效应有直接影响：介 电各向异性越大，液晶的阈值电压就会越小。 ε∥ 和 ε⊥ 的值可以用测量液晶电容变化的方法来确定。 在测量时除加电场外，还需加磁场。 大多数液晶的磁化率各向异性Δχ是正值，因此外磁 场中液晶分子长轴将平行于外磁场取向。 在测量液晶电容时，如果外加电场和磁场方向一致， 所测电容值为C∥；反之外加电场和磁场方向相互垂直 时，所测电容值为C⊥。
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶分子一般都是刚性的棒状分子。 由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
k22 2 Hc 2 P0 k22 Ec 2 P0
2
k11 Ec d
k11 Vc
k22 d Vc 2 P0
2
3. 液晶的电光效应
液晶材料在被施加电场(或电流)时，其光学性质会发 生变化，这种效应称为液晶的电光效应。 液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。 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。
2. 液晶的物理特性——各向异性
3. 光学折射率各向异性 当向列相液晶的光轴用指向矢n描述时： n∥= ne ，n⊥ = no，△n = n∥- n⊥= ne- no △n > 0表示单轴正晶体，如向列液晶和层状液晶； △n < 0表示单轴负晶体，如胆甾相液晶。 △n与偏振、旋光、折射、干涉所引起的电光效应有 直接关系。 △n的数量级在0.1～0.3左右。
2. 液晶的物理特性——各向异性
3. 光学折射率各向异性△n 光在液晶中传播时，会发生光学折射率各向异性， 即双折射。折射率(n)的大小受液晶分子结构影响 。 当光通过向列相液晶(单轴晶体)时，若非寻常光的折 射率(ne)大于寻常光的折射率(n0)，即ne>no，这表明光 在液晶中的传播速度(v)存在着ve<v0的关系，即寻常光 的传播速度大——这种液晶在光学上称为正光性。 向列相液晶几乎都是正光性材料；而胆甾相液晶的 光轴与螺旋平行，与分子长轴垂直，非寻常光的折射 率小，即ne<n0，所以胆甾相液晶为负光性材料。
粘滞系数是各向异性的，考虑到各种对称性后N型液 晶仍有5个独立方向组合的粘滞系数α；C型液晶有7个。
为了处理问题方便，有时适当组合新的粘滞系数。
最常用的粘滞系数有： r1， r2 ，η
2. 液晶的物理特性——各向异性
临界磁场、临界电场、临界电压 向列相液晶： 胆甾相液晶：
Hc d k11
为了数学上便于处理，采用分子在主轴上的投影作 为有序程度的度量： 。
cos
1. 液晶的物理特性——有序参量
由于液晶分子大都不存在头尾的区别，所以实际采 2 用 作为有序程度的度量。
cos
在描述整个体系中所有分子作为整体的取向程度时， 2 应采用所有分子取向程度的平均值，即 cos
n
z
a

y
1. 液晶的物理特性——有序参量
由于向列相液晶具有圆柱对称性，所以在绕分子长 轴的旋转方向上是无序的 ，即在绕 z 轴的水平旋转方 向 上是无序的。 因此，决定圆柱对称的唯一变量是 。
如果所有分子都取同一个择优角，则体系是真正的 圆柱对称；当所有分子的θ= 0 时，则得到排列完全有 序的各项异性晶体体系；当所有分子的 θ角在0~180 均 等出现时，则得到完全无序的各项同性液体体系。
不同的弹性常数比 K33/K11 还会对电光特性曲线的陡 度，即对液晶显示器件的多路性能有很大的影响。
2. 液晶的物理特性——各向异性
5. 粘滞系数η 粘滞度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。 影响液晶粘度的因素很多，不仅随温度降低，粘度 增加，而且与液晶的活化能相关。在相同的温度下， 低活化能的液晶，具有低的粘度系数，粘度随温度变 化也小。
2. 液晶的物理特性——各向异性
1. 介电各向异性Δε 介电常数的计算：
C/ / / / C0
C C0
C / / C C C0 C0
其中C0为除去液晶后电极极板间的电容。 一般来说，要使所有液晶分子长轴强迫取向于外磁 场，磁场强度必须达到1T左右。
2. 液晶的物理特性——各向异性
( DS ) 动态散射效应 电流效应 存储效应 排列相畸变效应 混合排列相畸变效应 电光效应 电场效应 (TN ) 扭曲向列效应 相转变效应 ( PC ) (GH ) 宾主效应
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射是当施加于液晶盒上的电压超过某一值时， 液晶分子就会产生紊乱运动，使得液晶盒内的折射率 随时间变化，因而导致外界的入射光发生散射。
有存储作用：当施加100Hz电压时，在电压超过阈值 产生动态散射后，即使除去电压也仍然保留原有的光 散射现象。（存储状态）
产生存储型动态散射的条件：在向列相液晶中加入 胆甾相液晶（一般质量比为90:10）
3. 液晶的电光效应
2. 扭曲向列效应 由于液晶分子的介电各向异性，在外加电场作用下， 液晶分子的排列状态会发生变化。 扭曲向列液晶在无电场作用时，液晶分子长轴沿面 旋转 90°；而在足够大电场作用时，液晶分子长轴沿 电场方向排列，从而引起液晶的光学性质发生改变。
2. 液晶的物理特性——各向异性
1. 介电各向异性Δε 正性液晶(Np)：Δε> 0，偶极矩平行于分子长轴 通常取值：10～30 负性液晶(Nn)：Δε< 0，偶极矩垂直于分子长轴 通常取值：-1～-2 两种液晶在电场作用下其分子行为如图所示： E
ε∥>wenku.baidu.comε⊥
E
ε∥< ε⊥
2. 液晶的物理特性——各向异性