毕业论文-液晶的物理特性及其应用研究.doc

本科毕业论文题 目：液晶的物理特性及 其应用研究院 （部）： 理学院专 业： 应用物理班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 年 月 日山东建筑大学毕业论文目 录摘 要IVABSTRACTV1前 言- 1 -1.1液晶及其发展现状- 1 -1.2 液晶物理特性的研究意义- 2 -2液晶概述- 3 -2.1 液晶的定义- 3 -2.2 液晶的形成条件- 4 -2.3 液晶的历史- 4 -2.4 液晶的分类- 5 -2.4.1 溶致型液晶- 6 -2.4.2 热致型液晶- 6 -2.4.3做为显示材料的液晶- 8 -2.4.5 生物液晶- 10 -3液晶的工作原理- 11 -3.1 液晶光开关的工作原理- 11 -3.2 液晶显示的工作原理- 12 -3.2.1 TN液晶显示原理- 13 -3.2.2 STN液晶显示原理- 13 -3.2.3 TFT液晶显示原理- 14 -3.3 液晶显示技术指标及其原理- 14 -3.3.1 视角- 14 -3.3.2 反应速度- 14 -3.3.3 耗电量- 15 -3.3.4 显示色彩- 15 -4液晶的物理特性- 17 -4.1 液晶的光学性质- 17 -4.2 液晶的的电光效应- 17 -4.3 液晶的弹性连续体性质- 18 -4.4 显著的温度效应和对蒸汽、应力的灵敏反应- 19 -5 液晶的应用- 20 -5.1 液晶的显示应用- 20 -5.2 液晶的工业应用- 21 -5.3 液晶的医学应用- 22 -5.3.1 医用温度计和热图象仪- 22 -5.3.2 液晶超声场视仪- 22 -5.3.3 心内血压和血流量测量- 23 -5.4 液晶检测- 24 -5.4.1 热检测- 24 -5.4.2 电磁检测- 24 -6结 论- 25 -谢 辞- 26 -参考文献- 27 -II山东建筑大学毕业论文摘 要液晶是一种高分子材料，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。液晶是由特殊形状分子组合，并在特定温度条件下产生，既具有液体的流动性，又拥有结晶物质的光学性质。本文首先系统的介绍液晶的定义、形成、和发展历史，然后从不同的方面对液晶进行分类，进而从液晶的种类，发展入手，结合现实存在的液晶产品，研究液晶的工作原理，系统的阐述液晶以一种界于固态和液态之间的中间状态所具有的物理性质。最后结合实际的生产和器件，对液晶的现实应用做深入探究，并对液晶在科技，医学，工业等领域发挥作用，创造更优秀器件做了展望。关键词：液晶；光开关；液晶显示器；高分子；生物液晶Physical Characterization and Application of Liquid CrystalABSTRACTLiquid crystal is a polymer materials, it began to be used widely in light-weight display technique in the mid-twentieth century. Liquid crystal is made of special shape molecular combination, and produced under specific temperature conditions; it both has the liquidity, and possessing liquid crystalline substance optical properties.This paper firstly introduces the definition of the liquid system, the formation and development history, then classify the liquid crystal from a different aspect of liquid crystal, and next according to the types, development of liquid, combined with the real liquid crystal products, to study the working principle of the liquid crystal, research liquid crystal systematic expatiation liquid crystal with a kind of bound at solid and liquid of intermediate state of the physical properties. Based on the actual production and devices, the reality of the application of liquid crystal probe of liquid crystal, and in science and technology, medicine, industries play a important role, creating more good device is prospected by this paper.Keywords： liquid crystal；light switch；liquid crystal display；polymer；biological liquid crystal山东建筑大学毕业论文1前 言1.1 液晶及其发展现状液晶是一门综合性的边缘学科，它涉及到物理、化学、生物等多门基础学科。由于液晶在各个技术领域尤其在显示技术方面的广泛应用，使得对液晶的各种性能及其应用方面的研究迅猛发展。我们一般都认为物质像水一样都有三态，分别是固态、液态和气态。其实物质的三态是针对水而言，对于不同的物质，可能有其它不同的状态存在。以我们要谈到的液晶态而言，它是介于固体跟液体之间的一种状态，其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程，只要材料具有上述的过程，即在固态及液态间有此一状态存在，物理学家便称之为液态晶体。液晶与各向同性液体的主要区别在于它在结构上具有一定程度的有序性。由于液晶分子一般呈细长棒状，分子长轴的有序排列将使液晶具有各向异性。分子长轴的方向相当于液晶的光轴，与普通晶体材料的光轴类似。由于液晶具有液体性质，其分子的排列方向易受外界条件的影响，即液晶的光轴可以随外界条件改变，使得液晶与一般晶体相比，具有更多的电光特性。在今天的科技时代，液晶显示装置已成为传递信息的压倒一切的工具，每个人在其生活中都与这样或者那样的液晶装置打交道，使用的手表、袖珍计算器、音响设备、汽车上的车速表或钟表，甚至家中的电器都带有液晶显示。计算机工业如今正在制造折叠式计算机，其终端就采用液晶显示。因为液晶显示终端的功耗小，体积比一般阴极射线管终端小得多。若把光源放在后面，并使用滤色后。还可能制造折叠计算机的彩显终端。当然这种设备也有它的缺点，清晰度仍然有限。目前，大量的研究工作正在围绕该问题展开。液晶不仅为各种应用提供了无穷无尽的可能，而且其奇特的性质多年来一直为广大科学家颇感兴趣。从现在到遥远的未来，液晶的独特性质以及诸相，将一直是物理学家关注的焦点。1.2 液晶物理特性的研究意义在这个日新月异发展快速的时期，液晶，半导体等产品的发展和升级速度不断加快，加深对液晶物理特性和工作原理的研究具有极其现实的意义。对医学，工业特别是显示领域的发展具有极强的推动作用。其次，与晶体材料、半导体材料、金属材料相比，液晶在材料设计上具有很大的灵活性，通过合成和混合，可以在很大程度上控制液晶材料的特性。光电子学领域需要具有各种特性的器件，因而研究液晶的物理特性对电子器件和显示器件的生产和制造提供技术上的支持。液晶器件是当前充满活力的电子产品，它的应用十分广泛，现已成为技术密集、资金密集的高新技术产业。液晶器件几乎满足空间光通信的所有大的指标要求如重量、尺寸、功耗、寿命、成本、驱动电压、光电集成、可编程性、光学接收孔径、光束扫描和偏转范围等等。液晶光开关、光偏转器、光扫描器已经开始应用于光纤通信的实验系统中。- 10 -2液晶概述2.1 液晶的定义液晶（Liquid Crystal，简称LC）是一种介于固态和液态之间的物质，当被加热时，它会呈现透明的液态，而冷却的时候又会结晶成混乱的固态，液晶是具有规则性分子排列的有机化合物。我们很早就知道物质有三态。此三态的特性可用图2.1来说明。固态是一个分子很靠近且整齐排列的态。液态中的分子虽然很靠近，但不具有空间上排列之秩序性。气态中之分子则相互间分离的很远。 固态液态气态图2.1物质三态液体也同样可具有不同之态。液体分子质心之排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的（或扁形的），它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多态。那些分子方向没有规律性的液体我们称之为各向相同液体或直接称为液体，而具有方向性之液体则称之为液态晶体，又简称液晶。液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。液晶的定义，现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相，在较低温度为正常结晶之物质。而液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光学性质，又对电磁场敏感，极有实用价值。2.2 液晶的形成条件研究发现，不是所有的物质都能形成液晶态。液晶态物质往往是长分子的有机化合物。液晶态分子多成棒状或近乎棒状，因为这样有利于分子的有序堆积；分子链具有一定的刚性，在高分子液晶中，刚性部分如果处于聚合物主链上，即为主链型液晶；刚性部分如果是由一段柔性链与聚合物主链相连，成梳状，即为侧链型液晶。目前还没有方法来肯定预见那种分子结构的材料会出现液晶，但从晶格能量的观点可以猜想到哪种形状的分子会出现液晶相。塑性晶体的分子在点阵上的自由转动先于晶体的解体，这就说明分子自由转动所需要的能量要小于晶格解体的能量，换句话说，就是分子的形状使得分子比较容易转动。球形分子容易在点阵上转动，所以组成塑性晶体的分子形状绝大部分是球形或者近似球形的，而液晶相中，分子不容易转动，即使晶体解体以后分子还是不能自由转动，所以分子的形状是使其具有一定的指向性而不容易自由转动的长棒状。故此，形成液晶常见的分子必须具有的两个特点：第一，分子的几何形状呈细长棒状，其长径比一般要大于4；第二，分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性。2.3 液晶的历史液晶的研究最早可追溯到1850年，德国科学家海因茨(W. Heintz)在其研究中发现，硬脂酸甘油脂在其熔点处有些奇怪的特性：这种物质在52时由固态融为混浊的液态，在58时变为更混浊的液体，而在62.5时则成为透明的液体。几年以后，生物学家维楚(Rudo Virchow)和德国眼科医生冯麦特海默(Von Mettenheimier)相继观察到了髓磷脂溶液具有的类似于晶体的双折射现象。1888年，奥地利植物学家莱尼泽尔(Friedrich Reinitzer)在加热胆甾醇苯甲酸酯的结晶时发现，145.5时这种结晶熔解成为混浊粘稠的液体，继续加热的过程中，液体呈现出短暂的蓝色，当加热到178.5时，液体变得清澈透明。后来，德国物理学家雷曼(Otto Lehman)发现，上述145.5178.5之间的粘稠混浊液体在用偏光显微镜进行观察时，具有双折射现象，而且这类物质并不是从透明的液体形成结晶，而是先变为一种非晶态形式，然后再形成结晶。他初称之为软晶体，然后改称晶态流体，最后深信偏振光性质是结晶特有，流动晶体(Fliessende kristalle)的名字才算正确。此名与液晶(Flussige kristalle)的差别就只有一步之遥了。莱尼泽和雷曼后来被誉为液晶之父。关于物质是否除了气液固三相还有其他的相在当时一直存在争论，在莱曼提出了上述概念后，一些科学家对这一概念提出异议，认为这些异常现象可以由这类物质是由两种不同的化合物或物相的混合物或乳状液组成来解释。但在经过了许多人的研究之后，科学家认为这种混浊的液体是不同于固相和液相的另一种相，后来被人们称之为液晶相，它的混浊性表明在某些基本性质方面它是不同于液体的。后来，德国化学家福伦德(Daniel Vorlaender)及其同事首次合成了近晶相液晶化合物，并于1908年发表了表现出液晶行为的物质与其分子结构之间存在着的规律：即液晶态的分子都是近似直线形的分子。这一规律是建立在其合成的一百多种液晶分子的基础上的，这一规律导致了关于液晶材料的统计描述，并对实验和理论工作的影响持续了多年。液晶是分子取向有序的流体，根据纹理结构的特点和性质，可以把液晶分为三种不同的类型，即向列相、胆甾相和近晶相液晶。这一分类是由法国化学家弗里德尔(Georges Friedel)于1922年提出的，并且一直沿用至今。2.4 液晶的分类随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶物质基本上都是有机化合物，现有的有机化合物中每200种中就有一种具有液晶相。显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的，现已发展成很多种类，例如各种联苯腈、酯类、环己基苯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类、二苯乙炔类、乙基桥键类和烯端基类以及各种含氟苯环类等。人们通常根据液晶形成的条件，将液晶分为溶致液晶(Lyotropic liquid crystals)和热致液晶(Thermotropic liquid crystals)两大类。2.4.1 溶致型液晶将某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶，被称为溶致液晶。比如：简单的脂肪酸盐、离子型和非离子型表面活性剂等。溶致液晶是由两种或两种以上的组分形成的液晶，其中一种是水或其它的极性溶剂。这是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。典型的溶质部分是由一个具有一端为亲水集团，另一端为疏水集团的双亲分子构成的。如十二烷基磺酸钠或脂肪酸钠肥皂等碱金属脂肪盐类等。它的溶剂是水，当这些溶质溶于水后，在不同的浓度下，由于双亲分子亲水、疏水集团的作用会形成不同的核心相和层相，核心相为球形或柱形，层相则由与近晶相相似的层式排布构成。溶致液晶中的长棒状溶质分子一般要比其构成热致液晶的长棒状分子大得多，分子轴比约在15左右。最常见的有肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化剂溶液等。2.4.2 热致型液晶热致液晶是由于温度变化而出现的液晶相。低温下它是晶体结构，高温时则变为液体。液晶单分子都有各自的熔点和清亮点，在中间温度则以液晶形态存在。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。在热致液晶中，又根据液晶分子排列结构分为三大类：近晶相(Smectic)、向列相(Nematic)和胆甾相(Cholesteric)。结构如图2.2所示。2.4.2.1 近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals)分子呈二维有序性，分子排列成层，层内分子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一平面内，其方向可以垂直层面，或与层面成倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层之间的距离可以变动，分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外界电、磁、温度等的变化不敏感。虽然目前液晶显示技术中主要应用的是向列相液晶，而近晶相液晶黏度大，分子不易转动，即响应速度慢，被认为不宜作显示器件。但是向列相液晶显示模式几乎已接近极限，从扭曲向列相到超扭曲向列相直至格式化超级扭曲向列，对其应用没有新的理论模式。因而，人们将目光重新转移到了近晶相液晶上，目前各近晶相中的手性近晶C相，即铁电相引起人们广泛兴趣。铁电液晶具备向列相液晶所不具备的高速度和记忆性的优异特征，它们在最近几年得到大量研究。2.4.2.2 向列相液晶(Nematic Liquid Crystals) 向列相液晶又称丝状液晶。分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但不排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行，分子间短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器件的主要材料。在应用上，与近晶相液晶相比，应用更加广泛。比如文章下面将会介绍向列相液晶在显示中的几种应用方式，扭曲向列相模式、高扭曲向列相模式、超扭曲向列相模式、薄膜晶体管模式等。向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。2.4.2.3 胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个名字的来源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生成的，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相。如果把这种液晶一层一层分开来看，很像线状液晶。但是在Z轴即垂直于液晶排列面的方向来看，会发现它的指向矢随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布，而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为pitch。它每一层跟线状液晶很像，以胆固醇液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此造就了不同的特性。胆甾醇本身不具有液晶性质，其中只有当碱性(OH)基团被置换，形成胆甾醇的酯化物、卤化物及碳酸酯，才成为胆甾相液晶。并且随着相变而显示出特有颜色的液晶相。胆甾相液晶在显示技术中很有用，TN、STN等显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的。另外，温度计也应用于此液晶。图2.2 热致液晶结构2.4.3做为显示材料的液晶液晶种类很多，通常按液晶分子的中心桥键和环的特征进行分类。目前已合成了一万多种液晶材料，其中常用的液晶显示材料有上千种。液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示屏，便于携带等。由于这些优点。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。目前，各种形态的液晶材料基本上都用于开发液晶显示器，现在已开发出的有各种向列相液晶、聚合物分散液晶、双稳态液晶、铁电液晶和反铁电液晶显示器等。而在液晶显示中，开发最成功、市场占有量最大、发展最快的是向列相液晶显示器。按照液晶显示模式，常见向列相显示就有扭曲向列相模式(TN)、高扭曲向列相模式(HTN)、超扭曲向列相(STN)模式、薄膜晶体管(TFT)模式等。其中TFT模式是发展最快的显示模式。2.4.3.1 TN(Twist Nematic)扭曲向列型液晶材料TN型液晶材料的发展起源于1968年，当时美国公布了动态散射液晶显示技术。但由于提供的液晶材料的结构不稳定性，使它们作为显示材料的使用受到极大的限制。1971年扭曲向列相液晶显示器(TN2LCD)问世后，介电各向异性为正的TN2液晶材料便很快开发出来；特别是1972年相对结构稳定的联苯腈系列液晶材料由Gray G等合成出来后，满足了当时电子手表、计算器和仪表显示屏等液晶显示器件的性能要求，从而真正形成了TN2LCD产业时代。2.4.3.2 STN(Super TN)超扭曲向列相型液晶材料STN型与TN型结构大体相同，只不过液晶分子扭曲角度更大一些，特点是电光响应曲线更好，可以适应更多的行列驱动。STN液晶显示屏主要成分是酯类和联苯类液晶化合物，这两类液晶黏度较低，液晶相范围较宽，适合配制不同性能的混晶材料。2.4.3.3 TFT(Thin Film Transistor)薄膜晶体管显示型液晶材料由于采用薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子，消除了交叉失真效应，因而显示信息容量大，配合使用低黏度的液晶材料，响应速度极大提高，能够满足视频图像显示的需要。因此，TFT-液晶显示较之TN型、STN型液晶显示有了质的飞跃。2.4.3.4 LCP (Liquid Crystal Polyme) 液晶聚合物上述液晶均为低分子液晶，其分子长只有23nm，直径约15nm。而液晶材料的另一重要领域是液晶聚合物，即高分子溶液或熔体呈现的液晶态，也称为液晶高分子材料。根据液晶形成的条件，液晶聚合物，可分为热致液晶高分子(Thermotropic Liquid Crystalline Polymer，TLCP)和溶致液晶高分子(Lyotropic Liquid Crystal-line Polymer，LLCP)两大类。前者主要代表是热致液晶性聚芳酯，后者主要代表是溶致液晶性聚芳酰胺。另外按照液晶元所处的位置可分为主链液晶聚合物、侧链液晶聚合物。基于以上出色的性能，LCP已经用于微波炉容器、印刷电路板、人造卫星电子部件、喷气发动机零件，用于电子电气和汽车机械零件或部件，制件成型后机械强度高，用以代替玻璃纤维增强的聚砜等塑料，既可提高机械强度性能，又可提高使用强度及化学稳定性等，如用来制造高强度的防弹衣、舰船缆绳等。2.4.5 生物液晶存在于生物体内的液晶称为生物液晶。生物液晶就其形成方式而言都是溶致液晶。现在已经发现不但所有的生物膜都处于液晶态，而且还在不少的组织器官中都发现了液晶态的物质，组成生命的不少物质分子也都可以形成液晶态。生物体内蛋白质、胶原、核酸等生物大分子的液晶行为，近年来成为人们研究的热点。2.4.5.1 生物膜液晶所谓生物膜是指细胞本身及周边以及大多数细胞质内的组成，包括叶绿体、细胞核、线粒体、高尔基体、液体泡和内质网都被一层“轨道”结构的膜所包裹，这种膜统称为生物膜。2.4.5.2 组织器官中的液晶态物质许多生物体系呈现液晶性质，人体的很多组织如肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经等含有大量介晶态化合物，它们都呈现出光双折射的性质，这是液晶的特征。这些化合物通常为胆固醇或类脂的衍生物。2.4.5.3 生命现象中的液晶行为液晶态普遍存在于生物体内。生物体内的蛋白质、核酸、脂类、多糖等在溶液中多呈棒状或扁平状，分子链上有苯环和能够形成氢键的极性基团及不对称原子，因此它们具备形成液晶态的条件，可以形成溶致液晶。由于科学家们在生物液晶方面的辛勤投入, 人类已有很大的希望来阐明生长和分化在发育方面的问题, 从而更好地去了解与生命本身有联系的许多复杂现象3液晶的工作原理液晶得名于其物理特性：它的分子晶体，不过以液态存在而非固态。大多数液晶都属于有机复合物。这些晶体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点：如果你让电流通过液晶层，这些分子将会以电流的流向方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。如果你提供了带有细小沟槽的外层，将液晶倒入后，液晶分子会顺着槽排列，并且内层与外层以同样的方式进行排列。液晶的第三个特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入之外的所有光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。3.1 液晶光开关的工作原理液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关-既可以阻碍光线，也可以允许光线通过。液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶成了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。因此可以通过电流的通断改变显示屏中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。也有某些设计了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。光开关的应用-液晶显示盒原理：将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来。这是液晶显示盒最基本的原理。 两片玻璃基板内装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型。玻璃基板外装有偏光片当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色如图3.1左所示。当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色如图3.1右所示。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。图3.1 液晶显示盒工作原理3.2 液晶显示器的工作原理在工业控制中，显示器件向来是很重要的一环，随着科技的迅速发展，显示器件的种类也是越来越多，目前主流的显示器件就是液晶显示器。液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。液晶显示器按其液晶材料分为三类：TN型液晶显示器、STN型液晶显示器、TFT型液晶显示器。下面分别介绍其工作原理。3.2.1 TN型液晶显示原理 TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液 晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度，离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈光亮。当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，电极面因此呈现黑暗的状态。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成3.2.2 STN液晶显示原理STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180270度。要在这里说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形，并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一个彩色滤光片，并将单色显示矩阵之任一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。3.2.3 TFT液晶显示原理TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板，然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。3.3 液晶显示技术指标3.3.1 视角在传统的阴极射线管(Cathode Ray Tube, 简称CRT)显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体-磷来实现的，光线从这一层向各个方向发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。LCD和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。LCD的特性决定了它所需的背景光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光源。如果你通过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线。但是如果你稍微移开眼睛，从其它的方向去看的话，你就无法观察到光线了。LCD技术正是如此。虽然液晶分子并不像吸管一样是中空的，但是它们的有序排列阻止了光线向其它方向发射。3.3.2 反应速度LCD单元在控制信号到达与变化完成之间存在滞后现象，这使得LCD在显示快速移动图像时与CRT相比具有一种先天的缺陷。CRT的电子枪发射电子束到被激发的荧光粉发光之间几乎是瞬间的。而LCD要更慢。这种时间滞后被称“反应时间”，其单位通常是毫秒。被动矩阵显示器响应时间很长，约有150毫秒或更多，所以不适于显示诸如电影的移动画面。在主动矩阵显示器中像素响应时间随设计的不同而异，主要受到几个因素影响，包括用来驱动单元的电压，单元的厚度和使用的液晶材料。标准的主动矩阵显示器一般有40毫秒的响应时间，也就是说每秒能显示25帧。平面内转换增加了可视角度，但显示会变慢，一般有70毫秒反应时间。显示器更快一些，有25毫秒反应时间。3.3.3 耗电量主动矩阵式LCD显示器与CRT相比较小，需要很少的电量。事实上，它已经变成了便携式设备的标准显示器，从掌上电脑（PDA）到笔记型计算机均广泛运用。但不管怎样，LCD技术还是可悲的效率低下：即使你将屏幕显示白色，从背景光源中发射的光也只有不到10%穿过屏幕发出，其它的都被吸收。笔记型计算机的低效迫使其设计者面临一些艰难的选择。如果你希望在户外这样强光环境下图像更明亮，你就需要一个更亮的背景光源，这将需要更多的电力。如果你使用的电池容量一定，更亮的背景光源就会在较短的时间内耗尽电源。设计者用更大的电池容量解决这个问题，但是对于目前的电池技术来说，就意味着设备重量的增加，对消费者的吸引力就会下降。这三者之间的三角平衡推动着显示器、电池及节能技术的研究。3.3.4 显示色彩LCD显示的一个重要的技术指标是显示色彩。CRT显示器所能表现出的色彩几乎是无穷的，因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度，你就可以得到不同的色彩。每个LCD的子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶其本身没有颜色，所以用滤色片产生各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。制造商还采用了两种技术来提高主动矩阵显示中每个液晶单元的灰阶显示数目。第一种是抖动方法。将四个毗连呈正方形的像素作为一个单元，如果其中一个的灰阶太低，那么相邻的像素就会提高自身的亮度，从而显示出一个比较适中的灰阶，四个像素最后会显示出三个适中的最终灰阶作为显示结果。这种方法的最大缺点在于降低了显示的分辨率。另一项技术是框架速率控制(FRC)或者暂时的高频振动。这种方法在显示每屏图像时多次刷新像素。与高频振动中将灰阶的混合用空间来显示不同，这种方法通过时间控制。如果显示一幅画面需要的时间分为很多帧，像素就可以在帧的切换当中造成一种灰阶的过渡态，四帧就可以造成三个过渡态。这种设计的优点是可以不降低图像的分辨率，被广泛应用于现代的主动矩阵显示器中。除了上述介绍，LCD还有许多其他的技术指标诸如低温多晶硅的使用，以及传统的工艺制作流程等等，在这不一一介绍。- 28 -4液晶的物理特性4.1 液晶的光学性质由于液晶分子的结构为异方性，所以液晶所引起的光学性质就会因为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光学量都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶。介电系数：我们可以将介电系数分开成两个方向的分量，分别是（指与向矢平行的分量）与（指与向矢垂直的分量）。当便称之为介电系数异方性为正型的液晶，可以用在平行配位。而则称之为介电系数异方性为负型的液晶，只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应。当有外加电场时，液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值，来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场，来决定光的穿透与否。折射系数：由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。与介电系数一样，折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向，分成两个方向的向量。分别为与。对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状，所以其指向矢的方向与分子长轴平行。4.2 液晶的的电光效应由于液晶分子的结构特性，其极化率及电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时，其总体的电学和光学特性如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果对液晶物质施加电场，就能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，这就是液晶的的电光效应。液晶的电光效应是指液晶在外电场的作用下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电和电导各向异性，因此，外加电场能使液晶分子的排列发生变化、进行光调制，同时由于双折射性可以显示出放光、干涉、散射等光学性质。目前已发现的电光效应如表4.1所示。表4.1 电光效应液晶电光效应电场效应扭曲向列效应宾主效应电控双折射效应相变效应铁电效应超扭曲效应电流效应动态散射效应热光学效应近晶热效应胆甾热变色效应在两个玻璃基片的内侧镀一层透明电极。当在这两个电极之间加适当电压时液晶分子可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向与外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图4.1中的排列形式。这时液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。大多数液晶器件都是这样工作的。图4.1 外场足够强时的液晶分子排列4.3 液晶的弹性连续体性质液晶的弹性常数很小，液晶分子的排列很容易受电场、磁场、应力、热能等外部影响而发生畸变。展曲、扭曲及弯曲三种基本畸变，如图4.2所示。图4.2 液晶分子的畸变4.4 显著的温度效应和对蒸汽、应力的灵敏反应胆甾相液晶光学特性的极其显著变化，多半是由于温度变化引起的。虽然胆甾相材料在各向同性的液相内大体上是无色的。在经过相变温度冷却的过程中，在反射光中观察到有些材料出现一系列彩色，依次为紫、蓝、绿、黄、红，而最大反射峰进入红外区时又最终变为无色。其非常显著和有用的特性是每种彩色与胆甾相材料的一个准确温度相对应。彩色变化率，特定彩色出现的温度，以及移动方向是可以预断的。因此变更材料能够得到所希望的构式。5 液晶的应用液晶在一定的温度范围内不但有像液体那样的流动性，而且有像晶体那样的各向异性，即各个方向上的物理特性有较大的差异，自1888年由奥地利植物学家发现之后，至今已经成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域，在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如：光导液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、各种传感器、微量毒气检测、夜视仿生等，尤其是液晶显示器体积小、轻而薄、工作电压低（仅数伏）、功耗小（显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦）、可用干电池供电、电子线路可小型化，目前已经在电脑笔记本、取景器、计算机终端显示以及投影电视等方面均有越来越广泛的应用。5.1 液晶的显示应用 液晶最广泛的应用是作为显示材料制造液晶显示器即LCD。从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。在各类显示器件特性比较中，液晶具有下列优点：(1) 低压，低功耗，极低的工作电压。(2) 平板结构，液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄型盒。这种结构的优点是：开口率高，最有利于作显示窗口；显示面积做大、做小都比较容易；便于自动化大量生产，生产成本低；器件很薄，只有几个毫米厚。(3) 被动显示型，液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。(4) 显示信息量大，液晶显示中，各像素之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口面积可容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视。(5) 易于彩色化，一般液晶为无色，所以可采用滤色膜很容易实现彩色。(6) 长寿命，液晶本身由于电压低，工作电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。(7) 无辐射，无污染，CRT显示中有X射线辐射，PDP显示中有高频电磁辐射，而液晶不会出现这类问题。除了以上的有点液晶也有一些不足有待完善比如在显示快速移动的画面时质量不好。5.2 液晶的工业应用液晶将用于电子工业，特别是用于热学测绘，测绘图是在操作条件下电子网络的热量分配图。采用液晶测试通路，并根据颜色的变化发现衰减区域或局部故障。液晶除对热和光能发生反应外，对应力也发生反应，所以可应用于金属测试技术，应变检验和测定轴承压力异常部位。液晶对机械刺激发生反应即或不产生热量，也使颜色发生变化。但大多数情况是在机械刺激下同时也产生热量，此时反应增强。利用液晶进行空气动力学测试，即以鲜艳彩色表示模型表面温度变化，在这方面有很大应用前途。主要优点在于液晶具有测绘模型表面热转换率和震动波效应的微细变化的能力。液晶也应用于航空工业和其他领域以测试薄金属板。例如可对用泡沫塑料夹心的两块薄铝板材料通以热量进行测试。测试结果可记录在用液晶浸渍过的胶片上。泡沫塑料的图形能清晰地显示出来，也可看出任何一处的裂口，这是因为对粘接不好的部位热量的透过速度与其他部位不同。5.3 液晶的医学应用 除温度、化学物、应力之外，许多物理条件都能使液晶的光学特性产生明显的变化。例如极化场能激活胆甾醇衍生物的偶极子，电磁辐射能够发生相似于加入反应化学物所产生不可逆的化学变化。液晶的特异性能在生物医学测量中得到日趋广泛的应用，特别是作为温度敏感元件方面有其独特的功能。5.3.1 医用温度计和热图象仪在医学诊断上，相应于小的温度变化的彩色变化可用于观察体温的分布、动脉与静脉的位置以及内部损伤恢复过程。尽管液晶不能存储温度信息，因而不能用于直肠和口腔的温度测量，然而把一塑料膜包着的液晶直接放在体表可见部位却能方便地测出体表的局部温度。这种温度计价格低廉，反应迅速，并且清晰直观。皮肤表面的彩色照相可以把温度分布用同样颜色的轮廓线面积表示，用一校准表就能给出一定位置的绝对温度，此技术可鉴别出0.1的温差。除了用红外热象仪记录体表二维热图象外，液晶记温仪由于价廉、简单，正越来越多地应用于临床实践。一般用于胸部疾病诊断（如乳癌）的辅助手段。国内在这方面已有不少临床报告。要提高这种液晶热图仪的空间分辩率关键就是要防止探测器的热扩散现象。其解决途径似乎在于要研制一种横向热传导极低的传感器。5.3.2 液晶超声场视仪超声断层技术在医学无创伤诊断中已占有极重要的地位。用超声进行某些治疗也重新引起了人们的兴趣。现在的努力集中在改进信号分析和显示技术上，以提高这些仪器的技术性能。因此在临床使用前极有必要完整地侧试超声换能器的特性，已引起普遍的重视。在这些侧试中超声场的图示是最重要的试验之一。用于超声场图示中的CLC声光转换器主要由一层吸收声能的粘强性层及和它后面的液晶温度显示器构成，图5.1为这种装置的简图。图5.1 液晶超声场视仪5.3.3 心内血压和血流量测量将液晶在压力作用下反射光的变化用于心内血压的测量已有报道。把液晶感压件直接装在光纤心导管端可安全地插入心内进行血压测量。液晶压力变化时(0-300mmHg)光的散射发生变化，从而把压力转换成光信号，由光纤传出在体外进行光电变换。液晶作为压力敏感元件还应作进一步的研究，这是一项很有意义的探讨。利用液晶对温度的敏感性已成功地用于热稀释法测量血流量。5.4 液晶检测5.4.1 热检测液晶的光学性质会随温度的改变而改变，一些胆甾相液晶化合物在温度改变1时，可以显示出从红到蓝色的不同颜色变化。利用胆甾相液晶对温度敏感的这一性质，可制成温度计。在医学上得到广泛的应用。医生在诊断血流障碍、恶性肿瘤和炎症时，经常使用用液晶热像图。由于正常生物组织与病变组织的表面温度不同，因而通过分析热像固就可判断是否有病变。5.4.2 电磁检测一般液晶分子是棒状结构的，因此都具有偶极矩。电场和磁场的存在与否以及分布形状况，会影响液