[科普中国]-液晶显示材料

液晶是介于固态晶体的三维有序和无规则液态之间的一种中间相态，又称作介晶相，是一种取向有序的流体，既具有液体的易流动性，又有晶体的双折射等各向异性的特征。液晶材料是一种高分子材料，分子间作用力比固体弱，容易呈现各种状态，微小的外部能量如电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从而引起它的光、电、磁的物理性质发生变化。液晶材料用于显示器件就是利用它的光学性质变化。

液晶分子结构和特性液晶分子按几何形状可分为棒状分子、板状分子和碗状分子。棒状液晶分子可用于液晶显示，板状分子液晶应用于液晶显示器的光学补偿膜，而碗状分子液晶则尚未应用，棒状液晶的相对分子质量一般在200~500，宽约几个埃，长数纳米，长宽比4~8棒状液晶分子是由中心部和末端基团组成的。中心部是由刚性中心桥键连接苯环（或联苯环、环己烷、嘧啶环、醛环等）。中心桥键是双键、酯基、甲亚氨基、偶氮基、氧化偶氮基等功能团，这蝗功能团和苯环类组成订电子共轭体系，形成整个分子链不易弯曲的刚性体。末端基团有烷基、烷氧基、酯基、羧基、氰基、硝基、氨基等，末端基直链长度和极性基团的极性使液晶分子具有—定的几何形状和极性。中心和末端基不同组合形成不同液晶相和不同物理特性。

液晶分子棒状结构的特性使其沿分子长轴方向光的折射率与垂直长轴方向光的折射率并不相等，液晶折射率上的各向异性产生入射光的双折射，导致入射偏振光的偏振状态和偏振方向发生变化。在电场的作用下，液晶分子偶极矩要按电场的方向取向，使分子原有的排列方式受到破坏，从而使液晶的光学性能变化，如原来是透光的则变成不透光，或者相反、这种因外加电场的作用导致液晶光学性能发生变化的现象称为液晶的电光效应。1

液晶材料的物理性能液晶分子的几何形状、极性官能团位置和极性大小、苯环面向以及分子之间的相互作用等诸因素决定了液晶的物理性能和各向异性。在显示应用中液晶材料的主要物理参数有相变温度、粘度、介电常数和折射率等。

1)相变温度。对热致性液晶来说，相变温度决定液晶态存在的温度范围和各相存在的范围。向列相液晶的相变温度是指固态晶体转变成向列相液晶的温度(下限温度)和各向异性的向列相液晶转变成各向同性液态的温度(上限温度)。上、下限温度范围就是液晶存在的温度范围。液晶的相变温度是用差热分析和偏光显微镜方法测量的。单体液晶很难满足显示所需要的很宽温度范围，通常采用多组分液晶混合的方法来拓宽液晶存在的温度范围。

2)粘度。液晶的响应速度与粘度有着密切的关系，而粘度的大小又与温度有关，粘度也有各向异性，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层平行方向小。

3)介电常数。介电常数是液晶材料的主要电学性能参数。

4)折射率。折射率同样有各向异性，在液晶分子中苯环、联苯环、双重键等组成的中心部。电子在分子长轴方向上容易极化。2

液晶材料的分类根据液晶形成的条件，液晶材料可分为热致型液晶和溶致型液晶。

1、溶致型液晶。有些材料在溶剂中处于一定的浓度区间内会产生液晶，这类液晶我们称它为溶致液晶。例如可以利用溶致型液晶聚合物的液晶相的高浓度、低黏度的特性进行液晶纺丝制备高强度、高模量的纤维。溶致型液晶材料广泛存在于自然界、生物体中，与生命息息相关，但在显示中尚无应用。溶致型液晶生成的例子是肥皂水。在高浓度时，肥皂分子呈层列性，层间是水分子。浓度稍低，组合又不同。

2、热致型液晶。热致型液晶分子会随温度上升而伴随一连串相转移，即由固体变成液晶状态，最后变成等向性液体，在这些相变化的过程中液晶分子的物理性质都会随之变化，如折射率、介电异向性、弹性系数和黏度等。在热致型液晶中，根据液晶分子排列结构分为三大类：近晶相、向列相和胆甾相。其中近晶相的棒状分子按分子长轴方向互相平行，分层排列，分子只能在层内转动或滑动，不能在层间移动。向列相的棒状分子按分子长轴方向互相平行交错排列，分子可以转动，可以上下滑动，流动性好，是用于显示的主要类型。3

常用液晶材料举例任何已有的单质液晶都无法满足显示器件的所有要求。显示器件中实际使用的液晶材料通常都由二十几种甚至三十几种单质液晶混合而成。下面介绍几类常见的液晶显示材料。

1)安息香酸酯类。这类液晶化合物中心部两个苯环之间由酯类连接，液晶稳定性好，化合物品种丰富，具有多种性能，混合液晶的主要组分得到广泛应用，这类液晶两端均为烷基时，粘度高，末端基为氰基时，液晶具有正介电各向异性，常应用于低阈值、多路驱动显示。

2)联苯类和联三苯类。这类液晶是正性液晶，是末端基团为烷氧基的氰基联苯液晶化合物。它具有五色、化学性能稳定、光化学性能稳定、介电各向异性及粘度和折射率适中的特点，广泛应用于LCD。氰基联苯液晶和氰氧联三苯液晶混配可增宽温度范围，增大双折射率，改进多路驱动性能。

3)苯基环己烷基类和联苯基环基类。这类液晶化合物其特点是稳定性好，粘度低，因而成为非常有用的LCD材料。联苯基环己烷基类液晶的向列相—各向同性温度高。用于宽温度混合液晶1。

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李航 - 副教授 - 西南大学