液晶 - DGSO百科
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液晶是相态的一种,因为其特殊的物理、化学、光学特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固,较为生疏的是电浆和液晶。液晶相要具有特殊形状分子组合才会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。液晶的定义,现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以实现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。

基本资料

液晶显示屏

液晶显示屏

液晶,即液态晶体(Liquid Crystal,LC),是相态的一种,因为具有特殊的与光电特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。
人们熟悉的物质状态(又称相)为气、液、固,较为生疏的是等离子和液晶。液晶相要具有特殊形状分子组合才会产生,它们可以流动,又拥有结晶的光学性质。
液晶的定义,以放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相,在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以为中心所构成的化合物。

发现

在1888年,奥地利植物学家Reinitzer合成了一种奇怪的有机化合物,它有两个熔点。把它的固态晶体加热到145℃时,便熔成液体,只不过是浑浊的,而一切纯净物质熔化时却是透明的。如果继续加热到175℃时,它似乎再次熔化,变成清澈透明的液体。后来,德国物理学家发现了这种白浊物质具有多种弯曲性质,认为这种物质是流动性结晶的一种,由此而取名为Liquid Crystal,即液晶。

商业用途

在1961年,美国RCA公司普林斯顿试验室有一个年轻电子学者F·Heimeier正在准备博士论文的答辩,为了研究外部电场对晶体内部电场的作用,他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时,液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视吗?
RCA公司对他们的研究极为重视,一直将其列为企业的重大机密项目,直到1968年,才在一项最新科技成果的广播报导中向世界报导。这一报导立刻引起了日本科技界、工业界的重视。日本将当时正在兴起的大规模集成电路与液晶相结合,以"个人电子化"市场为导向,很快开发了一系列商品化产品,打开了液晶显示实用化的局面,掌握了主动,致使这一发展势头促成了日本微电子业的惊人发展。而在美国,RCA公司中一些生产间部门的领导人一方面局限于传统的半导体产品,一方面又过分强调了初出茅庐的液晶显示器件的缺点,以市场还未开拓为借口,极力抵毁液晶显示的产业化。为此,液晶小组成员开始外流,液晶显示的专利也被卖出。据说,当70年代中期,液晶显示已经形成一个产业的时候,RCA公司在一次董事会上沉痛地总结,在RCA百年发展历史上液晶显示技术的流失是巨大的一次失误。
液晶应用历史
1972年Gruen Teletime,第一支使用液晶显示器的手表。
1973年Sharp EL-805,第一台使用液晶显示器的计算器。1973年日本的声宝公司首次将液晶它运用于制作电子计算器的数字显示。液晶是笔记本电脑和掌上计算机的主要显示设备,在投影机中,它也扮演着非常重要的角色。
1981年EPSON HX-20,第一台使用液晶显示器的便携式计算机。
1989年NEC UltraLite,第一台笔记本计算机。

优点

液晶显示材料具有明显的优点:驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器,便于携带等。由于这些优点。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响,促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

结构

液晶是介于液态与结晶态之间的一种物质状态。它除了兼有液体和晶体的某些性质(如流动性、各向异性等)外,还有其独特的性质。对液晶的研究现已发展成为一个引人注目的学科。
液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶也存在于生物结构中,日常适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。由有机物合成的液晶材料已有几千种之多。由于生成的环境条件不同,液晶可分为两大类:只存在于某一温度范围内的液晶相称为热致液晶;某些化合物溶解于水或有机溶剂后而呈现的液晶相称为溶致液晶。溶致液晶和生物组织有关,研究液晶和活细胞的关系,是现今生物物理研究的内容之一。
液晶的分子有盘状、碗状等形状,但多为细长棒状。根据分子排列的方式,液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种,其中向列相和胆甾相应用最多。

用途

液晶显示材料最常见的用途是电子表计算器的显示板,为什么会显示数字呢?原来这种液态光电显示材料,利用液晶的电光效应把电信号转换成字符、图像等可见信号。液晶在正常情况下,其分子排列很有秩序,显得清澈透明,一旦加上直流电场后,分子的排列被打乱,一部分液晶变得不透明,颜色加深,因而能显示数字和图象。
液晶的电光效应是指它的干涉、散射衍射旋光吸收等受电场调制的光学现象。
根据液晶会变色的特点,人们利用它来指示温度、报警毒气等。例如,液晶能随着温度的变化,使颜色从红变绿、蓝。这样可以指示出某个实验中的温度。液晶遇上氯化氢氢氰酸之类的有毒气体,也会变色。

研究方法

偏光显微镜

利用液晶态的光学双折射现象,在带有控温热台的偏光显微镜下,可以观察液晶物质的织构,测定转变温度。所谓织构,一般指液晶薄膜(厚度约10-100微米)在光学显微镜,特别是正交偏光显微镜下用平行光系统所观察到的图像,包括消光点或者其他形式的消光结构乃至颜色的差异等。

热分析

热分析研究液晶态的原来在于用DSC或者DTA直接测定液晶相变时的热效应及其转变温度。缺点是不能直接观察液晶形态,并且少量杂质也会出现吸热峰或者放热峰,影响液晶态的准确判断。  除此之外还有,X射线衍射、电子衍射,核磁共振,电子自旋共振,流变学和流变光学等手段。,人们把液晶片挂在墙上,一旦有微量毒气逸出,液晶变色了,就提醒人们赶紧去检查、补漏。

物理特性

当通电时导通,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。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说,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,液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状,因而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。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面,液晶分子会顺着槽排列,所以假如那些槽非常平行,则各分子也是完全平行的。液晶是一种介于晶体状态和液态状态之间的中间物质。它兼有液体和晶体的某些特点,表现出一些独特的性质。

研究历史

1850 普鲁士医生鲁道夫菲尔绍(Rudolf Virchow)等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常的物质。
1877 德国物理学家奥托·雷曼(Otto Lehmann)运用偏光显微镜首次观察到了液晶化的现象。
1883 年3月14日植物生理学家斐德烈·莱尼泽(Friedrich Reinitzer)观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时有两个熔点。
液晶显示屏

液晶显示屏

1888 莱尼泽反复确定他的发现后,向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程,而从那时开始,雷曼的精力完全集中在该类物质。
1888 出版《分子物理学》,这是对这段时间他在材料物理领域知识的总结,特别值得一提的是,他在书中首次提出了显微镜学研究方法,通过对晶体显微镜和用它所作的观察。
20 世纪化学家伏兰德(D. Vorlander)的努力由聚集经验使他能预测哪一类的化合物最可能呈现液晶特性,然后合成取得该等化合物质,于是雷曼关于液晶的理论被证明。
1922 法国人弗里德(G. Friedel)仔细分析当时已知的液晶,把他们分为三类:向列型(nematic)、层列型(smectic)、胆固醇(cholesteric)。
1930-1960 G.Freidel之后,液晶研究暂时进入低谷,也有人说, 1930-1960年期间是液晶研究的空白期。究其原因,大概是由于当时没有发现液晶的实际应用。但是,在此期间,半导体电子工业却获得了长足的发展。为使液晶能在显示器中的应用,透明电极的图形化以及液晶与半导体电路一体化的微细加工技术必不可缺。随着半导体工业的进步,这些技术已趋向成熟。
20 世纪40年代开发出矽半导体,利用传导电子的 n型半导体和传导电洞的 p型半导体构成 pn介面( pnjunction),发明了二极管和晶体管。在此之前,在电路中为实现从交流到直流的整流功能,要采用二极管,而要实现放大功能,要采用电子管。这些大而笨重的元件完全可以由半导体二极管和晶体管代替,不需要向真空中发射电子,仅在固体特别是极薄的膜层中,即可实现整流、放大功能,从而使电子回路实现了小型化。  接着,藉由光加工技术实现了包括二极管、晶体管在内的电子回路图形的薄膜化、超微细化。这种技术简称为微影( photolithography)。 20世纪 60年代,随着半导体集成电路( integrated circuit)技术的发展,电子设备实现了进一步的小型化。上述技术的进步,对于在液晶显示装置( display)中的应用是必不可少的,随着材料科学和材料加工技术的进一步发展,以及新型显示模式和驱动技术的开发,液晶显示技术获得了快速发展。
20 世纪60年代随着半导体集成电路( integrated circuit)技术的发展,电子设备实现了进一步的小型化。
1968 任职美国 RCA公司的 G.H.Heilmeier发表采用 DSdynamic scattering,动态散射)模式的液晶显示装置。在此之后,美国企业最早开始了数字式液晶手表实用化的尝试。
1971 一家瑞士公司制造出了第一台液晶显示器。

分类

液晶种类很多,通常按液晶分子的中心桥键和环的特征进行分类。已合成了1万多种液晶材料,其中常用的液晶显示材料有上千种,主要有联苯液晶、苯基环己烷液晶及酯类液晶等。

按外因

因液晶产生之条件(状况)不同而被分为热致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶(lyotropic LC),分别由加热、加入溶剂形成液晶热相致液晶相产生两种情形。液晶的光电效应受温度条件控制的液晶称为热致液晶溶致液晶则受控于浓度条件。显示用液晶一般是低分子热致液晶。
热致液晶包括向列相、近晶相、胆甾相三种。
1. 近晶相液晶
近晶相液晶分子分层排列,根据层内分子排列的不同,又可细分为近晶相A近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行,而且垂直于层面。分子质心在层内的位置无一定规律。这种排列称为取向有序,位置无序。近晶相液晶分子间的侧向相互作用强于层间相互作用,所以分子只能在本层内活动,而各层之间可以相互滑动。
2. 胆甾相液晶
胆甾相液晶是一种乳白色粘稠状液体,是最早发现的一种液晶,其分子也是分层排列,逐层叠合。每层中分子长轴彼此平行,而且与层面平行。不同层中分子长轴方向不同,分子的长轴方向逐层依次向右或向左旋转过一个角度。从整体看,分子取向形成螺旋状,其螺距用p表示,约为0.3mm。
3. 向列相液晶
向列相液晶中,分子长轴互相平行,但不分层,而且分子质心位置是无规则的。
1922年,法国人弗里德(G. Friedel)仔细分析当时已知的液晶,把他们分为三类:向列型(nematic)、层列型(smectic)、胆固醇型(cholesteric)。名字的来源,前两者分别取自希腊文线状和清洁剂(肥皂);胆固醇型的名字有历史意义,如以近代分类法,它们属于向列型。其实弗里德对液晶一词不赞同,他认为「中间相」才是最合适的表达。
向列相

向列相

向列相(nematic)是最简单的液晶相,此类液晶的棒状分子之间只是互相平等排列。但它们的重心排列是无序的,在外力作用下发生流动,很容易沿流动方向取向,并且互相穿越。因此,此类型液晶具有相当大的流动性。向列相液晶又分为单轴向列相液晶和双轴向列相液晶。
电场与磁场对液晶有巨大的影响力,向列型液晶相的介电性行为是各类光电应用的基础(用液晶材料制造以外加电场超作之显示器,在1970年代以后发展很快。因为它们有小容积、微量耗电、低操作电压、易设计多色面版等多项优点。不过因为它们不是发光型显示器,在暗处的清晰度、视角和环境温度限制,都不理想。无论如何,电视和电脑的屏幕以液晶材质制造,十分有利。大型屏幕在以往受制于高电压的需求,变压器的体积与重量不可言喻。其实,彩色投影电视系统,亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、滤片、光电调整器。
例如:油酸铵CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COONH4
近晶相

近晶相

近晶相(smectic)
近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中,棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用,互相平等排列成层状结构,分子的长轴垂直于层片平面。在层内,分子排列保持着大量二给固体有序性,但是这些层片又不是严格刚性的,分子可以在本层内活动,但不能来往于各层之间,结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动,而垂直于层片方向的流动则要困难。因此,近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。例如:对氧化偶氮苯甲醚:CH3OC6H4(NO)=NC6H4OCH3
胆甾相

胆甾相

胆甾相(甾音zāi) (cholesteric)由于首先在胆甾醇的卤化物液晶中观察到,故得其名。在这类液晶中,长形分子是扁平的,依靠端基的相互作用,彼此平等排列成层状,但是他们的长轴是在层片平面上的,层内分子与向列型相似,而相邻两层间,分子长轴的取向,由于伸出层片平面外的光学活性基团的作用,依次规则地扭转一定角度,层层累加而形成螺旋面结构。取向方向经历360°变化的距离称作螺矩
胆甾相最明显的特征是其独特的光学性质。它具有极强的旋光性、明显的圆二色性和对波长的选择性反射,后者使它在肉眼下即能显现色彩。液晶显示器件应用的主要是其旋光性。
例如:苯甲酸胆甾酶酯:C6H5COOC27H45
溶致型液晶
溶致液晶是由两种或两种以上的组分形成的液晶,其中一种是水或其它的极性溶剂。这是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。典型的溶质部分是由一个具有一端为亲水基团,另一端为疏水基团的双亲分子构成的。如十二烷基磺酸钠或脂肪酸钠肥皂等碱金属脂肪盐类等。它的溶剂是水,当这些溶质溶于水后,在不同的浓度下,由于双亲分子亲水、疏水基团的作用会形成不同的核心相(middle)和层相(lamella),核心相为球形或柱形。层相则由与近晶相相似的层式排布构成。
溶致液晶中的长棒状溶质分子一般要比构成热致液晶的长棒状分子大得多,分子轴比约在15左右。最常见的有肥皂水,洗衣粉溶液,表面活化剂溶液等。溶质与溶质之间的相互作用是次要的。
由于分子的有序排布必然给这种溶液带来某种晶体的特性。例如光学的异向性,电学的异向性,以至于亲合力的异向性。例如肥皂泡表面的彩虹及洗涤作用就是这种异向性的体现。
溶致液晶不同于热致液晶。它们广泛存在于大自然界、生物体内,并被不知不觉应用于人类生活的各个领域。如肥皂洗涤剂等。生物物理学,生物化学、仿生学领域都深受注目。这是因为很多生物膜、生物体,如神经、血液、生物膜等生命物质与生命过程中的新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等生命现象都与溶致液晶态物质及性能有关。因此在生物工程、生命、医疗卫生和人工生命研究领域,溶致液晶科学的研究都倍受重视。
溶致性液晶生成的例子,是肥皂水。在高浓度时,肥皂分子呈层列性,层间是水分子。浓度稍低,组合又不同。

分子排列

依其分子排列方式,分为向列型(Nematic)、距列型 (Smectic)、胆固醇型(Cholesteric)、圆盘型(Disotic)
向列型液晶材料(Nematic)
自1998年开始主要集中于主动式矩阵驱动的液晶平面显示器(AM-LCD)的开发,在AM-LCD用的液晶化合物中,其要求的特性有高的比电阻、低的粘度、正的铁电率异方向性、高的化学和光化学的安定性,符合这些特性的材料以氟系化合物为主。液晶化合物之分子长轴方向的氟数增加时,则其非子长轴方向的双极子动量变低。液晶铁电异方向性的增加,可经由核心部结构内之极性基的导入结合,以达到其粘度将降低的,但是当逆向导入时则其液晶的铁电异方向性变小。
液晶分子的排列,后果之一是呈现有选择性的光散射。因排列可以受外力影响,液晶材料制造器件潜力很大。范围于两片玻璃板之间的手性向列型液晶,经过一定手续处理,就可形成不同的纹理。
距列型材料(Smectic)
可分为铁电性液晶和反铁电性液晶
铁电性液晶(FLC)是由Meyer於1974年发现的,然後於1979年发表表面安定化铁电性液晶平面显示器,铁电性液晶是以简单矩阵式驱动的并期待具有高响应、高解析度和大画面的应用。Meyer认为要获得铁电性液晶的条件,有分子长轴和垂直方向应有永久偶极矩、无消旋体、具有向列型液晶C相。铁电性液晶在电场施加时,其响应时间与铁电性液晶的自发极化成反比,与粘性系数成正比。要获得较高的响应速度,自发极化要大、粘性系数要小。自发行极化的改善对策,是在对掌性或光学活性结构中心倒入大的永久双偶极矩、对掌性中心置於核心结构附近,以及复数的对掌性中心导入等设计理念,大的自发极化值之达成,可经由非对称性碳原子和永久偶极矩(Permant Dipole Moment)。
反铁电性液晶(AFLC)是在电场的驱动下,由反铁电性液晶转换成铁电性液晶的一种物理现像。并与非对称性*在低分子液晶的AFLC中,核心构造的苯环和共轭之苯基结合碳原子邻接者,在非对称性中心将CH3基结合的状况,要比将CF3基结合来的有安定的反铁电性,另外在高分子液晶得AFLC中,核心构造的部份连接奇数的碳碳链,也可以获得反铁电性的配列。
胆固醇液晶(Cholesteric)
不具有液晶性,但是当其氢氧基被卤素取代成卤素化合物,以及和碳酸或脂肪酸产生酯化反应之胆固醇衍生。胆固醇液晶材料具有特殊螺旋结构,而引发选择性光散射、旋光性和圆偏光双色性,可以利用胆固醇型液晶材料的外加电压、气体吸附和温度等因素而引发色彩的变化。
类固醇型液晶,因螺旋结构而对光有选择性反射,利用白光中的圆偏光,最简单的是根据变色原理制成的温度计(鱼缸中常看到的温度计)。在医疗上,皮肤癌和乳癌之侦测也可在可疑部位涂上类固醇液晶,然后与正常皮肤显色比对(因为癌细胞代谢速度比一般细胞快,所以温度会比一般细胞高些)。
碟型液晶(discotic)
碟型液晶发现1970年代,是具有高对称性原状分子重叠组成之向列型或柱行系统。

分子量

依分子量来分,有低分子型和高分子型,在高分子的液晶有主链型和侧链型。
依温度的因素,有互变转换型(Enantiotropic)、单变转换型(Monotropic)
重现性液晶(recentrant LC)
其实一种物质可以具有多种液晶相。又有人发现,把两种液晶混合物加热,得到等向性液体后再冷却,可以观察到次第为向列型、层列型液晶。这种相变化的物质,称为重现性液晶(recentrant LC)。
稳定液晶相是分子间的范德华力。因分子集结密度高,斥力异向性影响较大,但吸引力则是维持高密度,使集体达到液晶状态之力量,斥力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有极性基团时,偶极相互作用成为重要吸引力。

影响

液晶是在自然界中出现的一种十分新奇的中间态,并由此引发了一个全新的研究领域。自然界是由各种各样不同的物质组成。以前,人们熟知的是物质存在有3态:固态、液态和气态。而固态又可以分为晶态和非晶态。在晶态固体中分子具有取向有序性和位置有序性,即所谓的长程有序。当然这些分子在平衡位置会发生少许振动,但平均说来,它们一直保持这种高度有序的排列状态。这样使得单个分子间的作用力叠加在一起,需要很大的外力才能破坏固体的这种有序结构,所以固体是坚硬的,具有一定的形状.很难形变。当一品态固体被加热时,一般说来,在熔点处它将转变成各向同性的液体。这各向同性的液体不具有分子排列的长程有序。也就是说,分子不占据确定的位置,也不以特殊方式取向。液体没有固定形状,通常取容器的形状,具有流动性。但是分子间的相互作用力还相当强.使得分子彼此间保持有一个特定的距离,所以液体具有恒定的密度,难于压缩。在更高的温度下,物质通常呈现气态。这时分子排列的有序性更小于液态。分子间作用更小,分子取杂乱无章的运动,使它们最终扩散到整个容器。所以气体没有一定形状,没有恒定密度,易于压缩。

注意事项

液晶在使用前要充分搅拌后才能灌注使用,添加固体手性剂的液晶,要加热到摄氏六十度,再快速冷却到室温并充分搅拌。而且在使用过程中不能静置时间过长。特别是低阀值电压液晶,由于低阈值电压液晶具有这些不同的特性,因此在使用这些液晶时应该注意以下方面:
1.液晶在使用前应充分搅拌,调配好的液晶应立即投入生产使用,尽量缩短静置存放时间,避免层析现象产生。
液晶显示屏

液晶显示屏

2.调配好的液晶要加盖遮光存入,并且尽量在一个班次(八小时)内使用完,用不完的液晶需要回收搅拌后重测电压再用。一般随着时间延长,驱动电压会增加。
3.液晶从原厂瓶取用后,原厂瓶要及时封盖遮光保存,减少敞开暴露在空气中的时间一般暴露在空气中的时间过长,会增大液晶的漏电流。
4.灌低阈值电压的液晶显示片空盒最好是从PI固烤到灌液晶工序间,流存生产时间在二十四小时之内的空盒,灌液作业时一般使用比较低的灌注速度。
5.低阈值电压液晶在封口时一定要加盖合适的遮光罩,并且在整个灌液晶期间除了封口胶固化期间外,要尽量远离紫外线源。否则会在靠近紫外线的地方出现错向和阀值电压增大的现象。
6.液晶是有机高分子物质,很容易在各种溶剂中溶解或与其它化学品产生反应,液晶本身也是一种很好的溶剂,所以在使用和存放过程中要尽量远离其它化学品。