液晶材料的发现和定义.docx

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1、液晶材料的发现和定义液晶材料的发现迄今已百年有余，虽然我们对液晶理论的研究还不十分深入，但对液晶材料的应用，尤其是在平板显示领域的应用，在近半个世纪以来，却得到了突飞猛进的发展。目前，液晶显示器正以其优异的显示品质及轻便性，而成为人类了解和认识信息资源的重要手段，并最终将引起信息科学，诸如扩大物质认识的前沿和信息显示方面的一场大革命。1.1液晶的发现及其定义1888年，奥地利植物学家FriedriChReinitZer在加热苯酸脂晶体时发现，当温度升至145.5*C时，晶体融化成为乳白色的液体，继续加热到178.5C,乳白色粘稠的液体就变成了完全透明的液体1l=ReinitZer将上述试样送到

2、德国卡尔斯吕爱大学位使用偏振光显微镜的结晶光学创始人OttOLehmann(18551922年)处，请他作一下检验CLehmann确认此种物质呈现出光学各向异性，并根据这种“兼有液体的流动性和晶体光学各向异性的液体”的特性，建议称之为液体晶体2(Liquidcrystal),即液晶。我们知道，一般物质存在三种状态：晶体、液态和气态。随着温度的升高和降低，三种状态相互转化。但是，还有类有机材料在一定的温度区间呈现第四种状态一中间相，又称液晶态，它处于液态和晶态之间。液晶态一般具有一类，有时是两类长程有序性，同时又表现出类似液体的性质，例如流动性，易于变化形状等。绝大多数的液晶分子是棒状的或条形的

3、，其分子结构细长，由两、三个环构成分子核。环与环之间直接相连或通过个中央基团(如图1.1中A所示)相连接，分子的两端由末端基团X和Y组成，两端的基团一般不一样。中央基团确定了液晶分子的线状结构，而末端基团则时液晶材料的介电、光学和其它各向异性性质起主要作用。XAY图Ll典型液晶分子结构图液晶材料的发现及其定义，揭开了人类对液晶物性研究的历史。1.2液晶材料的分类和性质目前已经发现以及合成的液晶材料的数量很多，大约200种有机物中就有种是液晶态，因此对液晶材料的分类就显得十分重要，并且对液晶的应用具有现实意义。一般情况下，液晶材料大致可分为溶致液晶和热致液晶两大类。我们在前面所提到的液晶材料，其

4、相变的过程与温度变化有关，因此这一类液晶材料被称为热致液晶。热致液晶主要应用于显示领域。另一类液晶称为溶致液晶，这类材料具有双亲性，只有在水的表面或以适当的浓度包裹在某些溶液（般是水）中时，它才呈液晶态。这类液晶在生物学中有着重要意义，在生命系统中可能扮演着重要角色。根据液晶分子排列的平移和取向有序性，我们也可以把液晶简单划分为三大类：近晶相、向列相和胆韵相。其中近晶相液晶材料按它们发现的时间顺序不同，又可分为近晶A、B、C、I相。三类液晶相的分子有序性如图1.2所示。图中，矢量n表示液晶分子的宏观取向，被称为指向矢。1.2 三类液晶相的分子有序性液晶材料的分子结构以及液晶分子的排列和取向，决

5、定了液晶分子及其体材料的各种特性。由于单个液晶分子都有各向异性的折射率（因为分子细长）和介电性（因为其永久偶极矩或感应偶极矩），所以体液晶材料的折射率和介电常数也是各向异性的。此外，液晶的粘滞系数、磁化率、电导率也是各向异性的。这些性质会因温度和驱动频率等外界因素的不同而改变。另外在外电场或外磁场的作用下，或者改变温度，会使液晶发生相变，发生相变后液晶的光学性质，例如折射率或透光率也会发生相应变化。利用液晶材料的这些性质和相变效应，可以实现液晶显示。1.3 液晶材料物性研究的历史液晶材料发现的初期并没有引起人们的普遍重视，对其物性的研究在很长一段时间内主要集中于实验室及科研领域。而其应用领域的

6、研究只是近四十年的事情，但却取得了令人瞩目的成就。本世纪二十年代随着更多的液晶材料的发现以及液晶合成材料技术的发展，人们开始对液晶材料进行了系统而深入地研究。1922年法国的GeorgeFriedel（1865-1933年）3完成了液晶历史上最重要的研究成果之一的液晶分类。即迄今一直被人们沿用的相的划分一近晶相、向列相和胆笛相。三十年代到五十年代之间是液晶物性研究大丰收的时期，这一阶段众多世界著名的物理学家对液晶的基本理论，液晶的电、光、磁学的各向异性，液晶材料的光电效应等各个领域进行了细致而深入的研究。有两项重大研究成果对液晶物性研究及显示应用具有划时代的意义，其中之一是在三十年代由G.W.

7、0seen和HZocher等创立的连续体理论，此理论最终由F.C.Frank在五十年代完成4,形成了描述液晶体系宏观性质的理论，并在未来的液晶显示器件中得到广泛应用。另一项重大成果是在三十年代发现的磁场（或电场）的作用可引起向列相的变形及其阈值。此阈值是VFreedericksz和V.Zolina（1927年）发现的，即所谓的FreederiCkSZ转变5。可以说，没有Freedericksz转变就不可能有今天的液晶显示器(LCD)0进入六十年代，随着液晶材料物性研究的深入及其研究领域的拓展，液晶材料的研究逐渐走出单纯的实验室研究的狭隘领域，而开始步入其实用研究阶段。六十年代初期，美国RCA公

8、司普林斯顿实验室的年轻博士Heilmeir开始着手进行在外电场下向列相液晶分子取向变化的研究。后来，他与其他小组成员一起相继发现了动态散射、相变效应等系列液晶的电光特性，这些发现揭开了液晶材料在显示领域应用的序幕。Heilmeir小组随后研制出了系列数字、字符显示器件以及液晶钟表、驾驶台显示器等应用样品，液晶应用进入了一个全新的领域，并开始了个崭新的发展阶段。1.4 液晶的应用研究液晶材料步入实用化开始就被广泛应用于字符和图形显示领域，随着图象显示技术，大规模集成电路和半导体工艺技术的不断进步，目前液晶显示器(LCD)已成为平板显示器中的佼佼者。据称，液晶应用研究当首推J.FQreyer所作的

9、光的偏振面旋转。更具体的研究则是1965年J.LFergason的Ch-LC光选择反射说明以及对热图测温法的应用6,7。另外，美国RCA公司R.W川iams和苏联A-P-Kapustin于1968年发现向列相液晶在作用电场中形成条纹畴(WilIiamS畴)和光散射现象8,9。随后G.KHeiImeir等发现了液晶的动态散射(dynamicscattering：DS)模式10,并把它应用于液晶显示器件中，从而开创了液晶的显示应用技术。同时，Heilmei等人还提出了液晶显示的宾主模式11,Xerox公司的JEAdams和W.Haas等人发现了Ch-LC的电场感应Ch-N相变的存储模式12,M.F

10、.SchiekekKFahrenschon和G.Assoulin提出了可变双折射(TB,又称ECB电控双折射)13,14。这一时期的重大发明，当数J.LFergaso11sM.Schadt和W.Helfrich的扭曲向列(TwistedNematic：TN)LCD15,这也是当今LCD显示领域的主要产品之一。1972年S-Kobayashi等人研制成了无缺陷的TN-LCD液晶显示屏16,从而使LCD产业化。同年，P.Brody提出了有源矩阵(ActiveMatrix)的概念。A.G.Fischer17于1972年提出了外力Il和T.Uchida等人18于1981年提出了内嵌R.G.B滤色片的混

11、色方案。现今，这些概念和技术已被应用于液晶显示器之中，并实现了全色、高显示容量、高清晰度的视频显示。信息时代的到来和发展，对作为人与信息资源进行交流的界面之一一显示终端，提出了越来越高的要求。未来液晶显示技术的主要研究方向包括：L显示容量的增多：2.显示面积的增大；3.宽的视角范围和较好的视角特性；4.全色化。在这些研究方面的进展和突破，必将推动液晶显示技术的实用化和多样化，拓宽液晶显示的应用领域。1.5 液晶显示器的分类及特点自从1968年G.H.Heilmeier等人研制了液晶显示器以来,在不到四卜年的时间里，人们已经提出了许多液晶显示技术方案。液晶显示器也由最初应用于手表、计算器等“小、

12、中型显示容量”显示器，逐步步入高级信息社会的各种办公自动化设备、高清晰度大容量的平板显示领域。不同显示模式的液晶平板显示器大致可分为以下三类：直视型简单多路驱动液晶显示、有源矩阵液晶显示及投膨型液晶光阀。其中，直视型简单多路驱动液晶显示器又可分为：1.动态散射(DS)型19；2.宾主(GH)型;3.相变(PC)型20；4.扭曲向列(TN)型：5.超扭曲向列(STN)型21；6.铁电(FE)型22；7.热写入SmA型23；8.SmA散射型24；9.电控双折射型。有源矩阵液晶显示器又可分为两大类，即二端子及三端子有源元件矩阵寻址的液晶显示。其中前者包括：1.二极管环阵列型25；2.背背二极管阵列型

13、26；3.变阻器阵列型27；4.金属-绝缘体-金属(MIM)阵列型28。后者包括：LCdSeTFT阵列型29；2.Te-TFT阵列型30：3.MOSFET阵列型31；4.aSTFT阵列型32；5.p-SiTFT阵列型33。投影型液晶光阀可分为：1.电子束写入式34；2.光写入式35；3.激光写入式36；4.点阵式(TFT阵列)光阀37。另外，直视型液晶显示器又可根据利用光源的方式不同而分为直接利用环境光源的反射型、背面装有荧光灯等光源的透射型以及反射型和透射型的混合，即反射膜是半透射型的反射透射兼用型。不管液晶显示器的分类如何，作为现今产量仅次于CRT的LCD平板显示方式，与其它显示器件相比，

14、具有以下独特的特点：1 .体积小及轻量化：同CRT显示相比，平板型液晶显示器小巧轻便，便于携带，使便携式及口袋式计算机、电视接收机成为可能。2 .低功耗低电压：工作电压低(35V),工作电流小(几个Acr2),与大规模集成电路相匹配。3 .信息含量大：与CRT显示相比，相同尺寸的显示面积所包含的象素数可大于CRT,可实现大容量高清晰度显示。4 .被动发光显示：液晶本身不发光，而是靠调制外界光源进行显示。因此，完全适合人眼接收外部信息的视觉习惯，不易引起视觉疲劳。5 .无电磁辐射和软X射线辐射，符合绿色环保要求，不会污染环境。虽然液晶显示的优点很多，但在其实用化的进程中，特别是在与传统CRT显示的竞争中，仍然存在许多不尽人意之处。如LCD显示器的视角范围和视角特性、亮度和对比度有待提高，快速的响应特性以及真彩色的实现，屏尺寸的进一步扩大，能耗的进一步降低等。另外，TFT-LCD显示器的工艺复杂和高成本也是阻碍其进一步实用化的重要原因。今后，在以上各个方面研究的每一次进步和突破，都将推动液晶平板显示器的进一步实用化。