液晶的物理特性

8.2.1　液晶的物理特性

1.液晶的形成

一般认为物质有三态，分别是固态、液态和气态。其实物质的三态是针对水而言，而对于不同的物质，可能有不同的状态存在。以液晶态为例，它是介于固体与液体之间的一种状态，其实这种状态仅是材料的一种变化的过程，如图8-1所示。只要材料具有上述的过程，即在固态及液态之间有此状态存在，物理学家便称之为液态晶体。

图8-1　物态的相变化

固态的分子很靠近且整齐排列，液态中的分子虽然很靠近，但不具有空间上排列的秩序性，气态中的分子则相互间分离得很远。

液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子的形态是长形或扁形的，它们分子的指向就可能有规律性。那些分子方向没有规律性的液体，我们称之为液体，而具有方向性的液体称之为液态液晶，简称液晶。图8-2表示了液体的差异。

液晶是一种有机复合物，处于固态与液态之间，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行，在不同电流电场作用下，液晶分子会有规则地做旋转90°排列，产生透光度的差别，因此在电源ON/OFF下有明暗的区别。依此原理来控制每个像素，便可由像素点构成所需的图像。

图8-2　分子的排列方向

以水而言，固体中的晶格因为开始吸热而被破坏，当温度超过熔点时便会溶解变成液体。而热致型液晶则不一样，如图8-3所示。当其固态受热后，并不会直接变成液态，而是先溶解形成液晶态，当持续加热时，才会再溶解成液态（等方性液态）。这就是所谓二次溶解的现象。顾名思义液晶态，就会有固态的晶格及液态的流动性。

图8-3　各种热致型液晶分布的温度范围

当最初发现液态晶体时，因为种类很多，所以不同研究领域的人对液晶会有不同的分类方法。1922年由G· Friedel利用偏光显微镜所观察到的结果，将液晶大致分为Nematic、Smectic及Cholesteric三类。但是如果是依分子排列的有序性进行分类，液晶又分成四类，如图8-4所示。

图8-4　液晶的种类

2.液晶的分类

（1）层状液晶（Sematic）

层状液晶的结构是由液晶棒状分子聚集一起，形成一层一层的结构。其每一层的分子的长轴方向相互平行，且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角。由于其结构非常近似于晶体，所以又叫做近晶相。其秩序参数S（Order Parameter）趋近于1。在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂，所以层与层之间较易滑动，但是每一层内的分子键结较强，不易被打断，就单层来看，其排列不仅有序且黏性较大。

如果我们利用宏观现象来描述液晶的物理特性，那么我们可以把一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢（Director），这就是这一群区域性的液晶分子平均方向。而以层状液晶来说，由于其液晶分子会形成层状结构，因此又可就其指向矢的不同再分出不同的层状液晶。若其液晶分子的长轴都是垂直排列的，就称之为“Sematic A phase”。如果液晶分子的长轴排列方向有某种倾斜（Tilt）角度，就称之为“Sematic C phase”。C phase如果带chiral的结构就是B phase。也就是说Chiral Sematic C phase就是Sematic B phase，如图8-5所示。而其结构中的一层一层液晶分子，除了每一层的液晶分子都具有倾斜角度之外，层与层之间的倾斜角度还会形成像螺旋的结构。

图8-5　层状液晶

（2）线状液晶（Nematic）

用肉眼观察这种液晶时，看起来会有像丝线一般的图样。这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列，所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向（也就是指向矢）作为主轴并相互平行排列。而且不像层状液晶一样具有分层结构。与层列型液晶相比其排列比较无秩序，也就是其秩序参数S较层状型液晶小。另外其黏度较小，所以较易流动（它的流动性主要是由分子长轴方向较易自由运动所致）。线状液晶就是现在的液晶显示屏常用的TN（Twisted nematic）型液晶。

（3）胆固醇液晶（Cholesteric）

这个名字的来源，是因为它们大部分像胆固醇的衍生物结构，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相，这种液晶如图8-6所示。如果把它一层一层分开来看，会很像线状液晶，但是从Z轴方向看，会发现它的指向矢会随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布，我们把其指向矢旋转360°后所需的分子层的厚度称为Pitch。正因为它每一层都与线状液晶很像，所以也叫做Chiral nematic phase。以胆固醇液晶而言，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此具有了不同的特性。

图8-6　胆固醇液晶

（4）碟状液晶（Disk，Discoid）

也称为柱状液晶。以一个个的液晶来说，它的形状像碟状（Disk），但其排列却像柱状（Discoid）。

如果我们依分子量的高低来区分的话，还可以分成高分子液晶（Polymer Liquid Crystal，聚合许多液晶分子而成）与低分子液晶两种。TFT液晶显示器属于低分子液晶的应用。倘若就液晶态的形成原因，又可以分成由温度而形成的液晶态的热致型液晶（Thermotropic）与由浓度而形成的液晶态的溶致型液晶（Lyotropic）。以之前所提过的分类来说，层状液晶与线状液晶一般多为热致型液晶，是随着温度的变化而形成的液晶态。而对于溶致型液晶，需要考虑分子溶于溶剂中的情形。当浓度很低时，分子便杂乱地分布于溶剂中而形成等方向性的溶液。当浓度升高大于某一临界浓度时，由于分子已没有足够的空间来形成杂乱的分布，部分分子开始聚集形成较规则的排列，以减少空间的阻碍，因此形成异方性（Anisotropic）的溶液。所以溶致型液晶的产生就是液晶分子在适当溶剂中达到某一临界浓度时，所形成的液晶态。溶致型液晶有一个最好的例子，就是肥皂。肥皂泡在水中并不会立刻变成液态，而它在水中泡久了之后，所形成的乳白状物质，就是它的液晶态。

3.液晶的光学特性

光是一种电磁波，自然光线是朝四面八方随机发散的。由于液晶分子的结构为异方性（Anisotropic），所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异。简单地说，也就是液晶分子的介电系数及折射系数等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶，应用于显示器组件上。

光波的行进方向是与电场及磁场互相垂直的，光波本身的电场与磁场分量彼此也是互相垂直的。就是说行进方向与电场及磁场分量，彼此是两两互相平行的，如图8-7所示。偏光板的作用就如同栅栏，能阻隔掉与栅栏垂直的分量，只准许与栅栏平行的分量通过。如果我们拿一片偏光板对着光源看，感觉就像是戴了太阳眼镜，光线变得较暗；但是如果把两片偏光板叠在一起看，那就不一样了，当旋转两片偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不同，光线的亮度会越来越暗，当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时，光线就完全无法通过了，如图8-8所示。液晶显示器就是利用了这个特性来完成的。在上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间充满液晶，再利用电场控制液晶的转动改变光的行进方向，如此一来，不同的电场大小，就会形成不同的灰阶亮度，如图8-9所示。

图8-7　偏光板（Polarizer）的光透过图

图8-8　偏光板的工作原理

图8-9　TN型LCD的结构

当通电时，液晶分子的排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会规则排列或扭转呈不规则状，阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。如果将液晶倒入一个精良加工的平面开槽，液晶分子会顺着槽排列。假如那些槽排列非常平行，则各分子排列也是完全平行的。

4.液晶的应用

光线顺着分子的排列方向传播，两个偏光板之间充满了扭曲液晶，在光线穿出第一个偏光板后，被液晶分子扭转了90°，然后从第二个滤光片中穿出。这时若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，正好被第二个滤片挡住。总之，加电可以将光线阻断，不加电则使光线射出。当然，也可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于液晶显示屏幕几乎总是亮着的，所以只有用“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。

当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板随着液晶做90°扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法射出，液晶面板则显示黑色，上述过程如图8-10所示。

图8-10　光线顺着分子的排列方向传播