[科普中國]-液晶顯示材料

液晶是介于固態(tài)晶體的三維有序和無規(guī)則液態(tài)之間的一種中間相態(tài)，又稱作介晶相，是一種取向有序的流體，既具有液體的易流動性，又有晶體的雙折射等各向異性的特征。液晶材料是一種高分子材料，分子間作用力比固體弱，容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)，微小的外部能量如電場、磁場、熱能等就能實現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶材料用于顯示器件就是利用它的光學(xué)性質(zhì)變化。

液晶分子結(jié)構(gòu)和特性液晶分子按幾何形狀可分為棒狀分子、板狀分子和碗狀分子。棒狀液晶分子可用于液晶顯示，板狀分子液晶應(yīng)用于液晶顯示器的光學(xué)補償膜，而碗狀分子液晶則尚未應(yīng)用，棒狀液晶的相對分子質(zhì)量一般在200~500，寬約幾個埃，長數(shù)納米，長寬比4~8棒狀液晶分子是由中心部和末端基團組成的。中心部是由剛性中心橋鍵連接苯環(huán)（或聯(lián)苯環(huán)、環(huán)己烷、嘧啶環(huán)、醛環(huán)等）。中心橋鍵是雙鍵、酯基、甲亞氨基、偶氮基、氧化偶氮基等功能團，這蝗功能團和苯環(huán)類組成訂電子共軛體系，形成整個分子鏈不易彎曲的剛性體。末端基團有烷基、烷氧基、酯基、羧基、氰基、硝基、氨基等，末端基直鏈長度和極性基團的極性使液晶分子具有—定的幾何形狀和極性。中心和末端基不同組合形成不同液晶相和不同物理特性。

液晶分子棒狀結(jié)構(gòu)的特性使其沿分子長軸方向光的折射率與垂直長軸方向光的折射率并不相等，液晶折射率上的各向異性產(chǎn)生入射光的雙折射，導(dǎo)致入射偏振光的偏振狀態(tài)和偏振方向發(fā)生變化。在電場的作用下，液晶分子偶極矩要按電場的方向取向，使分子原有的排列方式受到破壞，從而使液晶的光學(xué)性能變化，如原來是透光的則變成不透光，或者相反、這種因外加電場的作用導(dǎo)致液晶光學(xué)性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為液晶的電光效應(yīng)。1

液晶材料的物理性能液晶分子的幾何形狀、極性官能團位置和極性大小、苯環(huán)面向以及分子之間的相互作用等諸因素決定了液晶的物理性能和各向異性。在顯示應(yīng)用中液晶材料的主要物理參數(shù)有相變溫度、粘度、介電常數(shù)和折射率等。

1)相變溫度。對熱致性液晶來說，相變溫度決定液晶態(tài)存在的溫度范圍和各相存在的范圍。向列相液晶的相變溫度是指固態(tài)晶體轉(zhuǎn)變成向列相液晶的溫度(下限溫度)和各向異性的向列相液晶轉(zhuǎn)變成各向同性液態(tài)的溫度(上限溫度)。上、下限溫度范圍就是液晶存在的溫度范圍。液晶的相變溫度是用差熱分析和偏光顯微鏡方法測量的。單體液晶很難滿足顯示所需要的很寬溫度范圍，通常采用多組分液晶混合的方法來拓寬液晶存在的溫度范圍。

2)粘度。液晶的響應(yīng)速度與粘度有著密切的關(guān)系，而粘度的大小又與溫度有關(guān)，粘度也有各向異性，向列相液晶的粘度在指向矢方向小，近晶相液晶的粘度在分子層平行方向小。

3)介電常數(shù)。介電常數(shù)是液晶材料的主要電學(xué)性能參數(shù)。

4)折射率。折射率同樣有各向異性，在液晶分子中苯環(huán)、聯(lián)苯環(huán)、雙重鍵等組成的中心部。電子在分子長軸方向上容易極化。2

液晶材料的分類根據(jù)液晶形成的條件，液晶材料可分為熱致型液晶和溶致型液晶。

1、溶致型液晶。有些材料在溶劑中處于一定的濃度區(qū)間內(nèi)會產(chǎn)生液晶，這類液晶我們稱它為溶致液晶。例如可以利用溶致型液晶聚合物的液晶相的高濃度、低黏度的特性進行液晶紡絲制備高強度、高模量的纖維。溶致型液晶材料廣泛存在于自然界、生物體中，與生命息息相關(guān)，但在顯示中尚無應(yīng)用。溶致型液晶生成的例子是肥皂水。在高濃度時，肥皂分子呈層列性，層間是水分子。濃度稍低，組合又不同。

2、熱致型液晶。熱致型液晶分子會隨溫度上升而伴隨一連串相轉(zhuǎn)移，即由固體變成液晶狀態(tài)，最后變成等向性液體，在這些相變化的過程中液晶分子的物理性質(zhì)都會隨之變化，如折射率、介電異向性、彈性系數(shù)和黏度等。在熱致型液晶中，根據(jù)液晶分子排列結(jié)構(gòu)分為三大類：近晶相、向列相和膽甾相。其中近晶相的棒狀分子按分子長軸方向互相平行，分層排列，分子只能在層內(nèi)轉(zhuǎn)動或滑動，不能在層間移動。向列相的棒狀分子按分子長軸方向互相平行交錯排列，分子可以轉(zhuǎn)動，可以上下滑動，流動性好，是用于顯示的主要類型。3

常用液晶材料舉例任何已有的單質(zhì)液晶都無法滿足顯示器件的所有要求。顯示器件中實際使用的液晶材料通常都由二十幾種甚至三十幾種單質(zhì)液晶混合而成。下面介紹幾類常見的液晶顯示材料。

1)安息香酸酯類。這類液晶化合物中心部兩個苯環(huán)之間由酯類連接，液晶穩(wěn)定性好，化合物品種豐富，具有多種性能，混合液晶的主要組分得到廣泛應(yīng)用，這類液晶兩端均為烷基時，粘度高，末端基為氰基時，液晶具有正介電各向異性，常應(yīng)用于低閾值、多路驅(qū)動顯示。

2)聯(lián)苯類和聯(lián)三苯類。這類液晶是正性液晶，是末端基團為烷氧基的氰基聯(lián)苯液晶化合物。它具有五色、化學(xué)性能穩(wěn)定、光化學(xué)性能穩(wěn)定、介電各向異性及粘度和折射率適中的特點，廣泛應(yīng)用于LCD。氰基聯(lián)苯液晶和氰氧聯(lián)三苯液晶混配可增寬溫度范圍，增大雙折射率，改進多路驅(qū)動性能。

3)苯基環(huán)己烷基類和聯(lián)苯基環(huán)基類。這類液晶化合物其特點是穩(wěn)定性好，粘度低，因而成為非常有用的LCD材料。聯(lián)苯基環(huán)己烷基類液晶的向列相—各向同性溫度高。用于寬溫度混合液晶1。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李航 - 副教授 - 西南大學(xué)