[绝对冰点]液晶原理

液晶物质可分为三种:气态、液态和固态。随着人们对物质状态认识的加深，人们发现除了上述三种状态外，还有离子态、非晶态、液晶态、超导体中性态等。到目前为止，已经发现了成千上万种液晶物质。100多年前，澳大利亚植物学家Reinitzer在1888年通过显微镜观察到了一个奇怪的现象。苯甲酸胆固醇在145.5℃时融化成液体雾，在178.5℃时突然变得清澈。冷却时，紫蓝色首先出现，然后很快自行消失，物质再次变成混浊的液体。它继续冷却，然后蓝色再次出现，然后凝固成白色晶体。Reinitxer对晶体(固态)和透明状态(液态)之间的两个熔点现象感到困惑，所以他把样品和他的观察结果一起送给了当时著名的德国物理学家莱曼。莱曼，莱曼在自己的偏光显微镜下用热台仔细观察，发现有双折射，这是晶体的一个特殊性质。他的结论是，具有各向异性晶体的独特双折射和145.5℃至178.5℃之间的液体流动性的苯甲酸胆固醇酯呈现了一种新的材料形式！在流浪了几年后，他把这种物质命名为液晶。液晶物质的分类溶致液晶:当一些物质溶解在另一种物质中，从而变成溶致液晶时形成的液晶状态。两亲分子大多是溶致液晶，肥皂水是典型的溶致液晶。细胞膜是由酯分子组成的双层溶致液晶。溶致液晶广泛存在于自然界，尤其是生物体内。它们不仅广泛应用于人类生活的各个领域，而且在生物物理学、生物化学和仿生学方面也引起了极大的关注。许多生物体的结构，如大脑、神经、肌肉、血液等生物物质或生命的新陈代谢、感知、信息传递等生命现象都与这种液晶有关。热致液晶:液晶状态随温度变化。例如，用于手表、液晶电视和计算机液晶显示器的热致液晶主要分为:(1)向列相:由热致液晶组成的分子像普通流体一样随机分布。光学电磁特性表现出类似于明亮物体的各向异性，被称为三维各向异性流体。(2) Smetic:该组合物的分子中心在一个方向上具有周期序列，棒状分子形成一层，该层中分子的长轴相互平行，方向可以垂直于该层或与该层倾斜排列。(3)螺旋:如果组合物的分子具有手性，分子取向将在空间中形成扭曲的螺旋结构。因此，它的光学特性具有很强的圆二色性和其他光学活性(也称为螺旋度)。液晶分子是扁平的，排列成层。层中的分子相互平行，分子的长轴平行于层的平面。不同层中分子的长轴方向略有不同，并沿层的法线方向排列成螺旋结构。螺旋力矩P是指当不同层中分子的长轴排列沿螺旋方向经历360°变化然后返回初始取向时，螺旋相液晶的螺旋力矩。扭曲向列液晶向列液晶夹在两片玻璃之间。该玻璃的表面首先镀有用作电极的透明导电膜ITO(氧化铟锡)，然后在具有膜电极的玻璃上涂覆取向层PI(聚酰亚胺)，以在平行于玻璃表面的特定方向上取向液晶。液晶的自然状态有90度的扭曲。液晶分子可以通过电场旋转。液晶的双折射随着液晶的方向而变化。其效果是偏振光通过TN型液晶后偏振方向旋转。只要选择合适的厚度来将偏振光的偏振方向改变90度，就可以使用两个平行的偏振器来使光完全不能通过。然而，足够大的电压可以使液晶方向平行于电场方向，使得光的偏振方向不会改变，并且光可以穿过第二偏振器。因此，可以控制光的明暗。TN通常用于电子表、计算器和其他简单的显示器。超扭曲向列相液晶除了将入射光旋转180 ~ 270度而不是90度之外，其显示原理与TN液晶相同。此外，纯TN型液晶显示器本身只有明暗两种变化。而STN液晶主要是浅绿色和橙色。在液晶面板上增加一层补偿膜可以使其变成黑白，这就是所谓的薄膜补偿超扭曲向列液晶(FSTN)。但是，如果在传统的单色STN液晶显示器上增加一个滤色器，将单色显示矩阵中的每个像素分成三个子像素，通过滤色器分别显示红、绿、蓝三原色，就可以显示颜色，这就是所谓的CSTN(ColorSTN)，这就是人们通常所说的假彩色屏幕。STN、FSTN和CSTN通常用作手机显示屏、游戏控制台屏幕等。薄膜晶体管薄膜晶体管液晶显示器在玻璃基板上沉积一层硅，通过印刷光刻等工艺制作晶体管阵列，每个像素配有一个半导体开关，其加工过程类似于大规模集成电路。然后液晶被倒在两片玻璃之间。由于每个像素可以由点脉冲直接控制，所以每个节点相对独立并且可以被连续控制。这种设计不仅提高了显示屏的反应速度，而且可以精确控制显示灰度，使薄膜晶体管液晶的颜色更加逼真，被称为真彩色。薄膜晶体管分为多晶硅、非晶硅和单晶硅。2004年3月，三星发布了一款用于手机的液晶显示设备，名为UFB(超细&明亮)液晶显示器，其特点是超薄和高亮度。液晶的电光效应液晶的电光效应可分为四种:电场效应、电流效应、电热写入效应和热效应。常见的应用主要是电场效应，分为六种类型:扭曲向列效应(TN)、客体-主体效应(GH)、相变效应(PC)、电控双折射效应(ECB)、铁电效应(FLC)和超扭曲向列效应(STN)。下面描述各种效应的原理，扭曲向列效应(TN):上面讨论了TN模式，并且这里添加了TN在2-5V的电压下操作，并且液晶分子利用晶体的光学旋转平行于玻璃基板。以反射型TN为例，液晶盒的结构如下:起偏器、玻璃、ITO电极、液晶层(约10um厚)、ITO电极、玻璃、起偏器和反射器。施加不同的电压，它们的灰度不同。显示的图案是电极的图案。最常见的例子是计算器。电极被蚀刻成“8”形，称为笔段显示。将不再引入超扭曲向列效应。上面已经介绍过了。客体-主体效应(GH):以液晶分子的长轴方向和短轴方向对可见光吸收不同的双色染料为对象，溶解在取向液晶体内，染料分子会随着液晶分子的取向变化而变化。在电场的作用下，染料分子和液晶分子的排列会发生变化，染料对入射光的吸收也会发生变化。GH模式在实际应用中很少见。相变效应:将正介电胆甾醇型液晶混入正液晶，使其成为长螺距液晶。螺旋轴平行于玻璃板，并以白色混浊状态散射外部光。在施加一定的电压后，液晶的长轴沿着电场的方向变化，螺旋散开，液晶变得透明。它的优点是没有偏光片，视角大。电控双折射效应(ECB):负液晶垂直于玻璃表面排列，或者一个垂直面平行于玻璃表面。在不同的电场强度下，液晶分子的长轴和电极产生不同的角度，该角度随电场的大小而变化，从而使液晶单元产生电控双折射效应。入射偏振光变成椭圆偏振光，并在出射端被偏振板选择性地透射。铁电效应(FLC):手性近晶C*相液晶被称为铁电液晶。这种液晶的特点是液晶分子沿某一轴螺旋排列，具有很大的自发极化强度，所以对电场的响应非常快。目前，液晶显示器的响应速度最快，为8ms，但FLC的响应速度一般处于美国水平，因此有望成为下一代显示器行业的霸主，但仍有许多问题需要解决。例如，对盒子厚度的控制，FLC对盒子厚度要求非常严格，必须在2um左右。液晶层的缺陷控制也限制了其进展和灰度的实现。