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LCD液态晶体的特性

来源:深圳市迈晶电子有限公司         添加时间:2018-11-17
LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒,下基板玻璃上设置TFT(薄膜晶体管),上基板玻璃上设置彩色滤光片,通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向,从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。 现在LCD已经替代CRT成为主流,价格也已经下降了很多,并已充分普及。液晶是由杆形分子、盘形分子等不具有球对称性的分子组成的部分有序物质。它不同于分子排列完全混乱的各向同性液体,也有别于分子排列完全有序的晶体。

这种介于晶体与液体之间的分子排列以及分子本身的特殊形状与性质,导致了液晶呈现出液体与晶体的特性,甚至远比它们更复杂的特性。一方面,液晶具有流体的流动特性;另一方面,液晶又呈现出晶体固有的空间各向异性,包括介电、磁极化、光折射系数等的空间各向异性性。

液晶分子的部分有序排列还使得液晶具有类似于晶体的能承受扰乱这种秩序的切变应力。也就是说,液晶具有切变弹性模量。在实际应用中,液晶的流动性,介电与光学性能的各向异性性以及液晶的弹性,都是极为重要的,它们可控制液晶显示性能的参数。

随着人们对液晶的逐渐了解,发现液晶物质基本上都是有机化合物,现有的有机化合物中每200种中就有一种具有液晶相。从成分和出现液晶相的物理条件来看,液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶解,由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶,就是如前面所说由于温度变化而出现的液晶相。把某些有机物放在一定的溶剂中,由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶,它是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相,最常见的有肥皂水等。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶,而生物系统中则存在大量溶致液晶。目前发现的液晶物质已有近万种。构成液晶物质的分子,大体上呈细长棒状或扁平片状,并且在每种液晶相中形成特殊排列。


由杆形分子形成的液晶,其液晶相共有三大类:近晶相(Smectic liquid crystals)、向列相(Nematic liquid crystals)和胆甾相(Cholesteric liquid crystals)。Smectic由希腊语而来,是肥皂状之意,因这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中,都显示特有的偏光显微镜像,因而命名为皂相。分子分层排列,有同一方向,比较接近晶体,故译近晶相。Nematic也是由希腊语而来,是丝状之意,因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观察时,呈现丝状型织构,故称之为丝相。分子位置杂乱,但方向大致一致,故译向列相。胆甾相液晶则是由于此种液晶最早是从胆甾醇类物质中发现的,故称之为胆甾相。

 
近晶相液晶是由棒状或条状分子组成,分子排列成层,层内分子长轴相互平行,其方向可以垂直于层面,或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐,其规整性接近晶体,具有二维有序性。分子质心位置在层内无序,可以自由平移,从而有流动性,但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。因为它的高度有序性,近晶相经常出现在较低温度范围内。

 

近晶相液晶分子排列

 向列相液晶的棒状分子也仍然保持着与分子轴方向平行的排列状态,但没有近晶相液晶中那种层状结构。向列相中分子的重心混乱无序,但分子(杆)的指向矢n大体一致,如图1-1-8所示。图中故意用完全对称的杆来代表分子,即杆不是一头尖,一头圆,没有n与-n区分。这个等价性是向列相液晶与其他液晶(如近晶相)的一个基本特性。而向列相分子指向矢的有序排列,却使向列相物质的光学与电学性质,即折射系数与介电常数,沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同。正是由于向列相液晶在光学上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常数各向异性,使得用电来控制光学性能,或液晶显示成为了可能。

 

向列相液晶分子排列  

此外,与近晶相液晶相比,向列液晶的粘度小,富于流动性。产生这种流动性的原因,主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实上不少向列相液晶的粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界作用相当敏感,因而应用广泛。目前液晶显示器,例如扭曲向列相液晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。胆甾醇经脂化或卤素取代后,呈现液晶相,称此为胆甾相液晶。这类液晶分子呈扁平形状,排列成层,层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化,沿层的法线方向排列成螺旋结构。

 

液晶分子   指向矢

当不同的分子长轴排列沿螺方向经历360°的变化后,又回到初始取向,这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距(P)。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。

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