掃盲 什么是液晶和液晶電視？

    從液晶手表的出現(xiàn)開始，液晶就作為電子時(shí)代的重要角色分外引人注目。之后又相繼出現(xiàn)了帶有液晶顯示的電子手冊(cè)、便攜式電話、情報(bào)工具、游戲機(jī)、翻譯辭典、文字處理機(jī)、筆記本電腦、PC監(jiān)視器，乃至攝像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、多功能電話、可視電話、液晶電視等。如今，液晶已是家喻戶曉、人人皆知的名角了。但名歸名，液晶到底是一種什么物質(zhì)呢？

什 么 是 液 晶

    通常說物質(zhì)有三態(tài)，即氣、固、液態(tài)，其實(shí)這是液晶還未被人們認(rèn)識(shí)時(shí)的總結(jié)。液晶是介于固態(tài)和液態(tài)之間的一種物態(tài)，它具備液體的流動(dòng)性，又具備固態(tài)晶體的排列性質(zhì)。液晶狀態(tài)可以向結(jié)晶態(tài)和液態(tài)相變。變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)時(shí)，不僅具有分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移性；變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，失去分子重心周期平移性，也失去了分子取向的有序性，成為完全無序狀態(tài)。

    1888年，奧地利科學(xué)家賴因策（F.Reinitzer）在布拉格植物生理研究所做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)他加熱的化合物熔化后先變成了白濁液體，并且閃現(xiàn)某些顏色，繼續(xù)加熱后變成透明液體。于是他又對(duì)化合物進(jìn)行降溫后，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，依然看到上述現(xiàn)象。賴因策沒有像其他人那樣將這種特有的現(xiàn)象簡(jiǎn)單看作是材料不純?cè)斐傻�，而是更精心地制備材料，�?duì)顏色的起因進(jìn)行探究。1888年3月14日，賴因策將樣品寄給德國(guó)的年輕結(jié)晶學(xué)家雷曼（O.Lehmann），并附上一封長(zhǎng)信。雷曼經(jīng)過系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)有許多有機(jī)化合物都具有同樣的性質(zhì)，這些化合物在混濁狀態(tài)，其力學(xué)性質(zhì)與液體相似，具有流動(dòng)性，而其光學(xué)性質(zhì)與晶體相似，具有各向異性，故取名為液晶（liquid crystal）。

    構(gòu)成液晶的分子為有機(jī)分子，大多為棒狀，即它的長(zhǎng)度尺寸為直徑尺寸的5倍以上。由于分子結(jié)構(gòu)的這種對(duì)稱性，使得分子集合體在沒有外界干擾的情況下形成分子相互平行排列，以使系統(tǒng)自由能最小。但是，液晶具有液體的流動(dòng)性，不可能脫離固體容器的盛載，但固體容器表面往往給液晶帶來干擾，破壞液晶整體一致的排列性，而變成一微米至數(shù)十微米取向不同的小疇。所以在制作液晶器件時(shí)，一定要在基板上附上液晶取向膜，以保持液晶整體的排列。

    液晶具有光學(xué)各向異性，沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射率不同于沿短軸方向上的折射率。如果沿分子長(zhǎng)軸方向上的折射率大于沿短軸方向上的折射率，稱為正性液晶，反之稱為負(fù)性液晶。偏振光入射正性液晶時(shí)有兩種狀況：偏振面平行液晶分子取向，折射率大，光速��；偏振面垂直液晶分子取向，折射率小，光速大。如果沿其他方向入射則會(huì)產(chǎn)生雙折射，所以無排列時(shí)的液晶疇織構(gòu)在偏光顯微鏡下觀察呈現(xiàn)五顏六色的美麗圖案，那是由于雙折射產(chǎn)生的尋常光（o光）與非尋常光（e光）的干涉造成的。

液 晶 的 種 類

    液晶在排列方式上主要分三類：向列相、膽甾相、近晶相。

    向列相液晶的排列方式分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性。膽甾相實(shí)際是向列相的特殊形式，分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性，此外還有與分子取向垂直的螺旋軸，分子取向沿軸旋轉(zhuǎn)、即連續(xù)扭曲狀態(tài)。

    向列相液晶和膽甾相液晶目前已具有非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在液晶平板顯示器上的應(yīng)用，市場(chǎng)極大。液晶顯示器并非液晶本身發(fā)光，它是將光源光進(jìn)行調(diào)制顯示圖像，因此無閃爍，長(zhǎng)期觀看無疲勞感，是有利于人眼健康的顯示器。但向列相液晶的響應(yīng)速度較慢，響應(yīng)時(shí)間一般超過20毫秒，最適合做便攜式電腦的顯示器，以及攝像機(jī)上的取景器，車載導(dǎo)航儀等，做液晶電視一直存在困難，但近年來，通過技術(shù)的改進(jìn)，液晶電視也已面市。

    近晶相不但具有分子取向有序，而且還具有分子層狀結(jié)構(gòu)，分子重心可在層法線方向上周期平移，但在分子層內(nèi)仍無平移周期。近晶相更接近晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)際在近晶相中又可細(xì)分很多相態(tài)，但多數(shù)都沒有應(yīng)用，只有對(duì)近晶相中的鐵電相的研究比較透徹，目前已有很多嘗試性應(yīng)用。鐵電液晶分子具有固有偶極矩，響應(yīng)速度大約比向列相液晶快3個(gè)數(shù)量級(jí)，但其器件的制備技術(shù)要求很高。

    上述三種液晶均為低分子液晶，其分子長(zhǎng)只有2～3納米，直徑約0.5納米。而高分子液晶則有數(shù)百個(gè)低分子的長(zhǎng)度加和，其機(jī)械強(qiáng)度極強(qiáng)，美國(guó)已利用高分子液晶制作了防彈衣，它在微機(jī)械和紡織方面具有巨大的應(yīng)用前景。

液晶特性及液晶顯示的基本原理

    液晶是彈性連續(xù)體，具有彈性畸變的特性。主要有三種彈性畸變形式：展曲、扭曲和彎曲。這三種畸變排列形式被有效地應(yīng)用在液晶器件的排列模式中，以獲得所需的光學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性。其中最重要的應(yīng)用是扭曲排列。扭曲排列的液晶具有旋光性質(zhì)，即入射光的偏振面能沿液晶的扭曲螺旋軸隨液晶排列方向旋轉(zhuǎn)。這種旋光性質(zhì)被應(yīng)用在具有極大市場(chǎng)的顯示器和光調(diào)制器上。

    液晶在電場(chǎng)中可誘導(dǎo)極化。向列相液晶分子不像近晶相液晶分子那樣具有固有偶極矩。向列相液晶分子通常呈電中性，因此不分頭尾。但在電場(chǎng)作用下分子中苯環(huán)上的電子云很容易發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生正負(fù)電中心，形成誘導(dǎo)偶極子。如果分子的電偶極矩與電場(chǎng)不平行，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使分子轉(zhuǎn)動(dòng)直至電偶極矩平行于電場(chǎng)。

    由于分子中的電子響應(yīng)速度極快，即使采用交流電場(chǎng)誘導(dǎo)偶極也會(huì)產(chǎn)生同樣效果，因偶極矩方向會(huì)隨電場(chǎng)迅速發(fā)生改變，而電場(chǎng)和偶極矩同時(shí)改變方向時(shí)力矩方向不變，液晶分子會(huì)沿同一方向旋轉(zhuǎn)，原來是橫向的會(huì)豎起來，原來是豎著的會(huì)橫倒，從而改變光學(xué)效果。實(shí)際上液晶的這種光電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后才產(chǎn)生了一系列液晶器件的重要應(yīng)用。

    液晶顯示器的制作是將兩塊帶透明電極（ITO）的玻璃基板用數(shù)微米直徑的玻璃珠或塑料珠隔墊，邊緣用膠固定，注入扭曲向列相液晶，液晶在上下基板之間扭曲90度，上下基板外側(cè)附著兩片光軸互相垂直的偏振片。上側(cè)的偏振片光軸與上側(cè)基板處的液晶取向平行，下側(cè)的偏振片光軸與下側(cè)基板處的液晶取向平行。自然光自上基板至下基板入射液晶屏，不加電場(chǎng)時(shí)光線通過第一塊偏振片變?yōu)槠叫猩匣�板處液晶取向的偏振光，偏振光被液晶層旋光，轉(zhuǎn)過90°后正好與下基板處偏振片的光軸相平行，可以透過，作為顯示器的亮態(tài)；加電場(chǎng)時(shí)液晶分子沿電場(chǎng)方向豎起，原來的扭曲排列變?yōu)榇怪逼叫信帕�，偏振光與垂直排列的液晶不作用，透過第一塊偏振片的偏振光通過液晶層時(shí)偏振面不再發(fā)生旋轉(zhuǎn)，到達(dá)出射端的偏振片時(shí)，偏光軸與出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈現(xiàn)暗態(tài)。如果電場(chǎng)不特別強(qiáng)，液晶分子處于半豎立狀態(tài)，旋光作用也處于半完全狀態(tài)，則會(huì)有部分光透過，呈現(xiàn)中間灰度。這就是液晶顯示器的工作原理。

    顯示漢字和圖像的顯示器，要將上下基板的電極刻蝕成條形，兩基板上的條形電極垂直對(duì)置，形成矩陣電尋址形式。隨著電極條數(shù)的增多，將出現(xiàn)矩陣屏中的交叉效應(yīng)。為防止交叉效應(yīng)，在電極線數(shù)目很多的屏中要做上薄膜晶體管（TFT），在下基板上對(duì)應(yīng)每一象素都有一薄膜晶體管。晶體管作為開關(guān)，選通的象素為開態(tài)，未選通的象素為關(guān)態(tài)。為了具有彩色顯示，屏中每一個(gè)象素又分為三個(gè)亞象素，對(duì)應(yīng)紅、藍(lán)、綠三基色彩色濾光膜，因此晶體管的數(shù)目要增加3倍。三個(gè)亞象素的光強(qiáng)分別進(jìn)行調(diào)制，通過加法混色獲得彩色顯示。

    在液晶器件的玻璃基板最表層上都要有一層取向膜，其作用是使液晶沿預(yù)定方向取向。這一層膜雖薄，約在50～150納米之間，但卻是液晶器件的關(guān)鍵部分。液晶內(nèi)部的取向通常服從表面的取向，如果不服從就會(huì)產(chǎn)生畸變，使體系能量增高。所以研究表面取向成為研究液晶器件的最重要部分，如液晶的預(yù)傾角控制涉及到驅(qū)動(dòng)電壓閾值、扭曲角度的嚴(yán)格定位涉及到對(duì)比度、彎曲型排列可以提高響應(yīng)速度、同一象素中的多疇排列可以提高視角寬度等，都是利用表面取向過程。常規(guī)取向膜是采用高分子膜的印刷辦法，然后用長(zhǎng)纖維布定向摩擦基板表面的高分子膜，從而獲得使液晶取向的方向，稱之為自由軸方向。

    摩擦取向簡(jiǎn)便易行，產(chǎn)業(yè)上均使用這種方法。但摩擦容易產(chǎn)生靜電，也容易掉落異物，使背電極處的TFT擊穿。因此人們希望能用其他方式來取代摩擦取向處理，目前最熱門的取向研究是光控取向膜的制備研究。光控取向膜的制備是利用光敏有機(jī)分子在偏振光照射下的定向聚合或發(fā)生異構(gòu)體轉(zhuǎn)變來使液晶取向，甚至使液晶的取向在兩個(gè)狀態(tài)間切換。光控取向是非接觸性取向方法，能夠克服摩擦取向的缺點(diǎn)，目前它的穩(wěn)定度還不夠高，該問題一旦克服，光控取向的應(yīng)用前景將會(huì)是巨大的。

液晶應(yīng)用展望

    由于液晶顯示器的輕便、節(jié)能和低壓驅(qū)動(dòng)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在便攜式器件上。同時(shí)由于薄膜晶體管陣列（TFT）的進(jìn)步，有源層從無定形硅（a-Si）發(fā)展到多晶硅（p-Si），TFT響應(yīng)速度大幅度提高，小尺寸高分辨率的投射式液晶屏也已廣泛應(yīng)用在便攜投影儀上。用于微顯示的硅基板上的液晶發(fā)展迅速，已開始走向市場(chǎng)。超低能耗的反射式液晶顯示屏，正在進(jìn)行著提高亮度、降低成本等產(chǎn)業(yè)化前的準(zhǔn)備。這種超低能耗的優(yōu)勢(shì)在于更強(qiáng)的便攜性，以筆記本電腦為例，其電池現(xiàn)在可連續(xù)使用4小時(shí)，而換成反射式液晶屏的話，電池可連續(xù)使用4日以上。液晶材料上的改進(jìn)，使顯示器的響應(yīng)速度逐步提高，大尺寸液晶電視已成為可能。同時(shí)視角方面的研究也取得了突破性進(jìn)展，30英寸（76厘米）液晶電視已在日本電子產(chǎn)品市場(chǎng)上出現(xiàn)。日本夏普公司已設(shè)計(jì)了以37英寸（94厘米）電視為主導(dǎo)產(chǎn)品的第六代TFT液晶生產(chǎn)線，韓國(guó)三星公司設(shè)計(jì)了以46英寸（117厘米）電視為目標(biāo)的生產(chǎn)線。從1990年到2000年間全球的液晶產(chǎn)品產(chǎn)值以20%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)這一增長(zhǎng)率會(huì)保持到2010年。

    液晶不但可以調(diào)制光強(qiáng)還可以調(diào)制光相位，因此各種光相位補(bǔ)償器、波前校正器、捷變光束技術(shù)、非線性光學(xué)、可調(diào)變光柵、變焦透鏡等液晶光學(xué)方面的研究正蓬勃展開，液晶將在光通訊、立體成像、圖像存儲(chǔ)、軌道探測(cè)、甚至人眼視網(wǎng)膜診斷等醫(yī)療方面產(chǎn)生重大應(yīng)用。