第三章 液晶的化学、物理及光学性质

1、平板显示技术平板显示技术平板显示技术戴晔 办公室：数理楼平板显示技术平板显示技术一氦氖激光器，发出波长632.8nm激光束0.01W，发散角为1毫弧度。求： （已知632.8nm的光见度函数值V()=0.24）1、此激光束的光通量及发光强度；2、假定输出光束截面直径为1mm，则其光亮度是多少；3、此光束射在距激光器10m远的白色屏幕上，求其在幕上光照度。练习题：平板显示技术平板显示技术解：（1）632.8nm的光见度函数值V(l)=0.24由1W=685Vllm，即1瓦632.8nm光相当于6850.24=164.4 lm所以10毫瓦F=164.41010-3=1.644 lm由dIdF2d

2、53 21.6445.23 10(1 10 )dIcddF太阳到达地球表面的亮度为1.5109 cd/m2223 221(/ 2)(10 )2dsrdmdILds511265.23 106.66 10/1104Lcd m（2）平板显示技术平板显示技术(3) 在10m的屏幕上产生的照度lxrddsdE5230)1010(644. 1)(232FF平板显示技术平板显示技术1、液晶的化学性质、液晶的化学性质2、液晶的物理性质、液晶的物理性质3、液晶的光学性质、液晶的光学性质平板显示技术平板显示技术前言 物质的状态物质由分子组成，常见的物质状态是：气态、液态和固态。气态：具有扩散性，无固定体积、形状、

3、有压力。液态：具有流动性，有固定体积，无固定形状。固态：有固定体积，有固定形状。 组成物质的分子在不停地运动，并且分子间存在着相互作用力（引力和斥力）。固体内部粒子的相互作用力最强，液体次之，气体最弱。平板显示技术平板显示技术晶体学知识晶体学知识晶体晶体 非晶体非晶体雪花、食盐、水晶雪花、食盐、水晶橡胶、玻璃、松香橡胶、玻璃、松香简单分子简单分子复杂分子复杂分子原子规则排列原子规则排列紊乱分布紊乱分布熔点固定熔点固定逐渐软化逐渐软化各向异性各向异性各向同性各向同性天然晶型天然晶型低能量、稳定低能量、稳定能量较高、亚稳能量较高、亚稳平板显示技术平板显示技术一、液晶化学1.液晶的发展史 液晶研究已

4、有上百年历史。早在1850年，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。 1888年，奥地利布拉格大学的植物生理学家斐德烈莱尼茨尔(F. Reinitzer)在测定有机化合物熔点时，发现安息香酸胆固醇脂在熔化后经历了一个不透明的浑浊液态阶段，继续加热，才成为透明的各向同性的液体，这种浑浊的液体中间相具有和晶体相似的性质。F. Reinitzer，100年前液晶现象的发现者，奥地利植物生理学家平板显示技术平板显示技术 莱尼茨尔反复确定他的发现后，将这种现象告诉给晶体学家诺发斯基（Van Zepharovich），诺发斯基没办法回答他的

5、疑问，建议他向德国亚琛大学物理学教授奥托雷曼（Otto Lehmann）请教。3月14日，莱尼茨尔写了一封16页的长信寄给雷曼。 雷曼了解这一情况后，制造了一座具有加热功能的显微镜，去观察这些脂类化合物结晶的过程，后来还加上了偏光镜。此后雷曼对这些物质进行了系统性研究，发现了100多种类似性质的材料。他发现，这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体，但却显示出异性晶体特有的双折射性。雷曼证实了此中间相态具有光学各向异性，因此这种兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性的材料被称为液晶。 德国物理学家奥托雷曼（Otto Lehmann）（1855-1922年） 1913年至1922年间，雷曼多次被提名为

6、诺贝尔物理学奖候选人，但是由于液晶研究当时还不被学术界广泛认可，所以最终还是没能获奖。1922年6月17日，雷曼在德国卡尔斯鲁厄去世，他为后世留下了物理学的一个全新篇章。可惜的是，雷曼所发现的液晶现象在当时并没有得到实际的应用，甚至几乎被遗忘了有将近六十年。平板显示技术平板显示技术物质液晶态出现的普遍过程平板显示技术平板显示技术胆固醇苯甲酸脂是世界上首次被发现具有液晶相的化合物，其状态随温度变化。胆固醇苯甲酸脂乳白色黏稠液体完全透明液体冷却冷却145.5178.5胆固醇苯甲酸脂特性由此发现热致液晶，即在热的作用下产生一种液晶相态。CH3HOCH3CHH3CCH2CH2CH2CHH3CCH3Ch

7、olesteryl benzoate胆固醇苯甲酸脂胆固醇苯甲酸脂平板显示技术平板显示技术20世纪2070年代，液晶化学家合成了大量的液晶材料，主要是氧化偶氮茴香醚等；液晶物理学家对液晶的性质进行了大量的研究，如液晶相态的划分、液晶连续体理论的创立（1958年）、介电各向异性（19261932年）、向列相的变形和阈值（1927年）和摩擦法制备单畴液晶并研究光学各向异性。19601968年，进行了液晶热图术的应用研究，即利用胆甾相（Ch）液晶的光选择性反射原理，制造了液晶温度计。1961年，RCA公司的乔治海尔迈耶(G.H.Heilmeir)博士提出了液晶显示原理，使应用朝向液晶平面显示器。 19

8、68年，首次合成了室温液晶材料-MBBA。液晶显示技术的快速发展MBBA 化学名：4-(3-甲基-2-丁烯氧基)苯甲醛。分子式 : C12H14O2 由碳氢氧三种元素组成 。显示稳定液晶状态的温度范围2147。平板显示技术平板显示技术1980年日立实验低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(LTPS TFT-LCD)。1990年开始应用彩色STN-LCD到笔记本电脑上。1991年，夏普开发了世界上第一台14英寸彩色薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)，开创了液晶显示器的历史。1971年，德国科学家W.海尔弗里希（W. Helfrich）在应用物理快报上发表了一篇两页纸的论文，提出了“扭曲丝状相液晶（

9、TN）显示器”的原理。这篇论文奠定了今天液晶显示技术的原理，并获得首次欧洲物理学会凝聚态物理最高奖惠普奖。 1973年后为液晶使用化和应用研究多样化时期，日本的Sharp和Seiko-Epson开发出了向列型液晶平面显示器（TN-LCD）。1972年P.Brody提出主动型矩阵模式（AM-LCD）。1980到1983则有铁电性液晶平面显示器。1983到1985年发明超扭曲向列性液晶平面显示器（STN-LCD）。1983年精工研制的这款1.2英寸的 DXA001型（出口型号为T001）彩色液晶电视手表，具有划时代意义。它首次展现出液晶显示技术的潜在价值。因为在此之前，液晶显示从未超出8位计算器和

10、电子表这类既简单又转换缓慢的应用，显示屏主要是灰阶显示，没有彩色。这款手表电视采用的LCD液晶屏中，加入了蓝色二极性染料，使得屏幕可以出现蓝白10度灰阶显示。屏幕尺寸为1.2英寸（16.825.2mm），拥有31920个像素。手表只是显示终端，需要用一根电线穿过袖筒，连接到上衣口袋的谐调器（185克重）上才能接收电视信号，一组电池可供运行5个小时。这在当时是了不起的成就。右侧为1987年夏普研制的3C-E1型3英寸TFT（薄膜晶体管）液晶电视，是为TFT液晶的鼻祖。1973年上市的Sharp EL-805，是第一台使用TN-LCD液晶显示器的掌上计算器 1986年IBM推出的PC conver

11、tible 5140（左图），是其第一款笔记本电脑，采用8080处理器，4.77MHz主频，256K内存，两个3.5寸软驱，内置电池，重达5.5公斤，运行DOS3.2操作系统。它采用一块640200分辨率的TN-LCD液晶屏。1992年10月5日面市的ThinkPad 700C（右图），是IBM第一台以ThinkPad命名的笔记本电脑，采用486SL处理器，25MHz主频，16MB内存、120MB硬盘，重量达3.5公斤，运行Windows 3.1操作系统。它采用一块10.4英寸TFT液晶屏，分辨率达到VGA（640 x480）水平。 平板显示技术平板显示技术2. 液晶的分类 液晶是同时具有液体

12、的流动性和晶体的各向异性的物质状态。 液晶化合物一般根据形状和性质进行分类。2.1 液晶分子几何形状分类（1）棒状分子：目前实用化的液晶材料，有近10万种。（2）碟状分子：目前有大量文章发表，主要用在显示和存储技术等。（3）条状分子：短而粗的分子。除棒状分子、碟状分子、条状分子以外，还有其他类型的液晶分子，如碗状分子、燕尾状分子等。平板显示技术平板显示技术2.2 液晶分子的大小分类（1）小分子液晶：分子量较小，主要应用于液晶显示。（2）高分子液晶：分子量较大，类似一般的高分子，主要用于高强度材料。2.3 液晶态形成的方式分类（1）热致液晶（2）溶致液晶（3）两性液晶平板显示技术平板显示技术这种

13、液晶在一定的温度范围内存在，在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶，在某些情况下，液晶态只在低于熔点的温度下稳定存在，并且只能随着温度的降低才能得到液晶态，这种类型的热致液晶称为单变液晶。这种液晶是由极性（双亲）化合物和某些溶剂（如水）的作用而形成的，它们存在于一定的区域内，并随浓度和温度的变化而变化。请问胆固醇苯请问胆固醇苯甲酸脂是哪类甲酸脂是哪类液晶？液晶？平板显示技术平板显示技术热致性液晶的应用信息存储介质 首先将存储介质是固态透光的向列型液晶，所测试的入射光将完全透过，没有信息被记录。如果用另一束激光照射液晶盒，辐照的区域温度会升高，聚合物熔融成各向同性的液体，聚合物失

14、去了有序度。激光消失后，聚合物恢复成不透光的状态，信号被记录。此时，测试光照射时，将只有部分光透过，记录的信息在室温下将永久被保存。 再加热到熔融态后，分子重新排列，消除记录信息，等待新的信息录入。因此可反复读写。 热致性侧链高分子液晶为基材制作信息存储介质同光盘相比，由于其记录的信息是材料内部特征的变化，因此可靠性高，且不拍灰尘和表面划伤，适合与重要数据的长期保存。平板显示技术平板显示技术3. 液晶的相态结构 液晶的相结构是由分子排列、分子构型和分子间相互作用来描述的，法国晶体学家弗里德尔(Friedel)按液晶的排列方式，将其分为胆甾相型、向列相型、近晶相型:平板显示技术平板显示技术向列型

15、：分子倾向于沿特定的方向排列，存在长程的方序。分子的质心位置分布却是杂乱无章的，不存在长程的位置顺序。表现出液体的特征，具有流动性。向列相液晶向列相液晶显微镜照片可以通过偏光显微镜下观察到这种垂直织构的假性各向同性。 平板显示技术平板显示技术向列型液晶材料的代表性分子结构平板显示技术平板显示技术近晶型：棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直与层面。在层内，分子的排列具有二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动。在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移。近晶相液晶近晶相液晶显微镜照片近晶C相条纹织构，焦锥织构是更复杂的扇形或多边形的系列直线和曲线。近晶A相扇形织构，

16、镶嵌织构是固有倾斜的图像。 平板显示技术平板显示技术近晶相液晶材料的代表性分子结构平板显示技术平板显示技术胆甾型：在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。胆甾相液晶胆甾相液晶显微镜照片平板显示技术平板显示技术胆甾相液晶这种特殊的分子排列方式，使其具有一系列特殊的性质： 不同于上述两种液晶材料，它是呈负性的单轴光学特性，光轴与分子层垂直，沿该轴向的折射率很小； 它的旋光性很强达每毫米几万度，远高于石英晶体； 它的螺距极易受外力而改变，故可用调节螺距的方法对外界光进行调制,当入射光与光轴

17、成角度照射时，由布拉格干涉方程 由于胆甾相液晶分子的螺旋排列还使其在特定波长范围内具有圆偏振二向色，, 2 , 1 , 0sinnpnl 温度上升，液晶分子螺旋排列的螺距收缩，恰好发生反射的圆偏振光的波长随之变短。因此，温度升高部分液晶的颜色向更短波长光的颜色变化。例如，在室温(20)时，螺旋螺距为515nm的液晶，只对大致绿色发生选择性反射。而当置于手上时，液晶温度变得与体温大致相同，如36，在这一温度下，螺旋螺距收缩到大约440nm，从而发生选择反射的颜色大致呈蓝紫色。平板显示技术平板显示技术胆甾相液晶材料的代表性分子结构平板显示技术平板显示技术4. 液晶的化学结构与性质的关系 只有具有分

18、子结构各向异性的化合物才可能产生液晶相态。据统计，在全部的有机物中，能形成液晶态的分子大约占5。一般来说，可以形成液晶态的分子要满足以下三个条件。 分子形状各向异性，分子的长径比（l/d）4。如细长棒状、平板状或盘状。 分子长轴不易弯曲，有刚性，且为线性结构。如含有多重键、苯环等刚性基团。1. 分子末端含有极性或可以极化的基团，通过分子间电性力、色散力等使分子保持取向有序。平板显示技术平板显示技术液晶分子的结构可以用以下通式表示：式中长方框表示分子中的刚性环状结构，如1，4苯基、2，6苯环、1，4环已基等；X和Y为刚性基团上的取代基，可为烷基、烷氧基、硝基、卤素等；L为两环之间的连接基，可以为

19、酯基、酰胺基、偶氮基、氧化偶氮基、反式乙烯基等；环与环之间还可直接相连，如联苯、三联苯等。平板显示技术平板显示技术5. 分子结构影响液晶的相态 不同的分子结构可以产生不同的液晶相态，如近晶（S）相、向列（N）相等。液晶材料可能只有S相或N相，也有可能具有多种相态。 液晶分子的结构和相态的关系可应用下列理论解释，即通过分子结构中的各个基团的性质，判断液晶分子的侧向引力和末端引力的相对大小来解释液晶相态的类型。若分子的末端引力 侧向引力，易形成N相；若分子的侧端引力 末向引力，易形成S相。平板显示技术平板显示技术 液晶材料的分子结构影响液晶的下列物理性质：相变温度（S-N，N-I，S-I等）、介电

20、各向异性（）、折射率各向异性（ n ）和黏度（）。1. 相变温度相变温度：指化合物各种相态之间的转变温度。熔点（m. p）：化合物从固态到液晶相态的转变温度。清亮点（c. p）：化合物从液晶相态到各向同性的转变温度。 此外，还有液晶相态之间的转变温度等，如TS-N是指化合物从近晶相到向列相的转变温度。 一般分子刚性强，分子之间结合紧密，则液晶的热稳定性大，即清亮点高，液晶相的温度范围宽。二、液晶物理平板显示技术平板显示技术 e= e- e2. 介电常数各向异性其中，e、e分别表示平行和垂直液晶分子长轴的介电常数，从分子的极性的角度，表示液晶分子长轴和纵轴的极性大小。0,)(0,)(/eeeee

21、eba正性液晶和负性液晶在电场作用下分子的行为平板显示技术平板显示技术3. 折射率各向异性n= ne-no其中，ne和no分别表示液晶分子对非寻常光和寻常光的折射率。一般与液晶分子的极化度有关，极化度越大，共轭体系大，共轭体系大，电子云密度大，离域电子多，液晶材料的n较大。 液晶材料的no变化不大，一般在1.5左右，而分子结构对液晶材料的ne影响较大。 (a) 向列和近晶液晶（光学正液晶）(b) 胆甾液晶（光学负液晶）平板显示技术平板显示技术4. 弹性常数 液晶分子排列收到外力的作用而产生变形状态，可被比喻为收到某种程度应变的弹力连续体，而液晶分子的三种基本变形分别是展曲（Splay）、扭曲（

22、Twist）、以及弯曲（Bend）的综合作用，其表示应变和弹力间关系的弹性系数分别是K11、 K22、K33。液晶分子长轴应该不易弯曲，要有一定的刚性，这就需要K33/K11比较大。展曲扭曲弯曲平板显示技术平板显示技术弹性系数与分子结构的关系 液晶分子侧向引进其他基团，使液晶变宽， 值增加，但 变化不大，结果是 下降。总之，能增加液晶刚性的因素大都能使 下降。例如用苯环代替易弯曲的丁基，便产生这种效果；末端烷基链长增加，会使分子间滑动变得困难，于是 降低；用环己烷、环辛烷、双环已烷代替液晶分子中的苯环，均导致 增加；含有氰基(CN)的液晶材料， 较小。11k33k3311/kk3311/kk3

23、311/kk3311/kk3311/kk平板显示技术平板显示技术5. 黏度 黏度是流体内部阻碍其相对流动的一种特性。可分为动力学黏度（）和运动黏度（）。两者之间的关系可以表示为= /，其中为流体的密度。6. 液晶的连续体理论及其应用 连续体理论是一种宏观理论。它不考虑在分子尺度范围内的结构细节而把液晶看成是一种连续介质。在这个框架内，液晶中描述分子取向的指向矢在外场作用下可以改变它的取向，因此可以用来研究外场中液晶的行为特征和性质。平板显示技术平板显示技术三、 液晶的光学特性 1.光的偏振和晶体光学简介 010122222222tvtvB BB BE EE E光是一种电磁波 平面简谐电磁波自然

24、光和偏振光 minmaxminmaxnPPIIIIIIIP平板显示技术平板显示技术线偏振光的传播特性两偏振片平行两偏振片正交平板显示技术平板显示技术晶体的双折射现象 晶体分类：（1）三个主介电常数相等，即x = y = z，这类晶体是光学各向同性；（2）有二个主介电常数相等，例如x = y z 称这类晶体为单轴晶体，如石英、红宝石等。大部分液晶材料具有单轴晶体的光学特性；（3）对应x y z 的情况，一般有两个光轴方向，称为双轴晶体，如云母、蓝宝石。 少量液晶具有双轴晶体光学特性。 光在晶体中的传播 平板显示技术平板显示技术2. 向列相液晶中的双折射现象 透过单轴性晶体结构物质的全方位光，被分

25、为两个偏振光(非寻常光和寻常光)。这便是“双折射”。 向列相液晶的各向异性使得在其中平行于指向矢偏振的光以一个折射率传播，而垂直于指向矢偏振的光则以另外一个折射率传播，所以向列相液晶在光学上是单轴双折射。在这里n相当于单轴晶体的ne ，而n则相当于其n0，两者的折射率之差n= n - n= ne-n0。 向列液晶分子的排列方向，即分子的长轴方向，分子的排列致密；而垂直于液晶分子的排列方向，即水平方向，分子的排列宽松、密度小。 平板显示技术平板显示技术 光在物质中传播时，光在使原子和电子振动的同时进行传输。因此，在原子密度高的面内振动，且垂直于振动方向传输的光，传输速度相对较慢，称这种速度非正常

26、的光为“非寻常光”；而在原子密度低的面内振动，且垂直于振动方向传输的光，传输速度比非寻常光快。称这种传输速度正常的光为“寻常光”。 因为液晶具有双折射，所以在液晶中沿着不同方向偏振的光会以不同的速度传播。因此，进入液晶后光的两个垂直分量会随着通过液晶的距离在相位上渐渐偏离开来。这个光学延迟现象十分重要。平板显示技术平板显示技术真空中光速C=3108m/sVcn 折射率大的方向，光传播的速度慢。折射率小的方向，光传播的速度快。从光传输的角度看，只有当大量电子完成偏离之后光才能向前传输。使电子偏离称为“电子极化”，表征其大小的参数为“介电常数”。也就是说，电子密度越高，光波前进过程中受电子的纠缠阻

27、碍作用更大，其结果，光的传输速度变慢。平板显示技术平板显示技术 沿着向列相液晶长轴方向振动的光波有一个最大的折射率n，而对于垂直这个方向振动的光波有一个最小的折射率n，按照晶体光学理论，这种液晶为单轴的，分子的长轴方向就是光轴，寻常光折射率n0=n，非寻常光折射率ne= n，其折射率的各向异性n为n= n - n= ne-n0 显示用的向列液晶一般呈正单轴晶体光学性质，它可以使入射光的偏振状态和方向发生改变。平板显示技术平板显示技术 假设入射光的偏振方向与向列液晶的指向矢的方向n成角，入射光在x、y方向上电矢量强度可用下式表示)2cos()2cos(sin)2cos()2cos(cos000/0/00zntbzntEEzntazntEEyxllll 两光场位相差记为，即znn/02l 则合成光场矢端方程为222sincos2abEEbEaEyxyx 当时，就会得到一个1/2光波，这样出射光的两个位