作者：宣 丽
从液晶手表的出现开始，液晶就作为电子时代的重要角色分外引人注目。之后又相继出现了带有液晶显示的电子手册、便携式电话、情报工具、游戏机、翻译辞典、文字处理机、笔记本电脑、PC监视器，乃至摄像机、数字相机、多功能电话、可视电话、液晶电视等。如今，液晶已是家喻户晓、人人皆知的名角了。但名归名，液晶到底是一种什么物质呢？
什 么 是 液 晶
通常说物质有三态，即气、固、液态，其实这是液晶还未被人们认识时的总结。液晶是介于固态和液态之间的一种物态，它具备液体的流动性，又具备固态晶体的排列性质。液晶状态可以向结晶态和液态相变。变为结晶态时，不仅具有分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移性；变为液态时，失去分子重心周期平移性，也失去了分子取向的有序性，成为完全无序状态。
1888年，奥地利科学家赖因策（F.Reinitzer）在布拉格植物生理研究所做实验时，发现他加热的化合物熔化后先变成了白浊液体，并且闪现某些颜色，继续加热后变成透明液体。于是他又对化合物进行降温后，重复实验，依然看到上述现象。赖因策没有像其他人那样将这种特有的现象简单看作是材料不纯造成的，而是更精心地制备材料，对颜色的起因进行探究。1888年3月14日，赖因策将样品寄给德国的年轻结晶学家雷曼（O.Lehmann），并附上一封长信。雷曼经过系统研究，发现有许多有机化合物都具有同样的性质，这些化合物在混浊状态，其力学性质与液体相似，具有流动性，而其光学性质与晶体相似，具有各向异性，故取名为液晶（liquid crystal）。
构成液晶的分子为有机分子，大多为棒状，即它的长度尺寸为直径尺寸的5倍以上。由于分子结构的这种对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。但是，液晶具有液体的流动性，不可能脱离固体容器的盛载，但固体容器表面往往给液晶带来干扰，破坏液晶整体一致的排列性，而变成一微米至数十微米取向不同的小畴。所以在制作液晶器件时，一定要在基板上附上液晶取向膜，以保持液晶整体的排列。
液晶具有光学各向异性，沿分子长轴方向上的折射率不同于沿短轴方向上的折射率。如果沿分子长轴方向上的折射率大于沿短轴方向上的折射率，称为正性液晶，反之称为负性液晶。偏振光入射正性液晶时有两种状况：偏振面平行液晶分子取向，折射率大，光速小；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则会产生双折射，所以无排列时的液晶畴织构在偏光显微镜下观察呈现五颜六色的美丽图案，那是由于双折射产生的寻常光（o光）与非寻常光（e光）的干涉造成的。
液 晶 的 种 类
液晶在排列方式上主要分三类：向列相、胆甾相、近晶相。
向列相液晶的排列方式分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性，此外还有与分子取向垂直的螺旋轴，分子取向沿轴旋转、即连续扭曲状态。
向列相液晶和胆甾相液晶目前已具有非常广泛的应用，尤其是在液晶平板显示器上的应用，市场极大。液晶显示器并非液晶本身发光，它是将光源光进行调制显示图像，因此无闪烁，长期观看无疲劳感，是有利于人眼健康的显示器。但向列相液晶的响应速度较慢，响应时间一般超过20毫秒，最适合做便携式电脑的显示器，以及摄像机上的取景器，车载导航仪等，做液晶电视一直存在困难，但近年来，通过技术的改进，液晶电视也已面市。
近晶相不但具有分子取向有序，而且还具有分子层状结构，分子重心可在层法线方向上周期平移，但在分子层内仍无平移周期。近晶相更接近晶体结构。实际在近晶相中又可细分很多相态，但多数都没有应用，只有对近晶相中的铁电相的研究比较透彻，目前已有很多尝试性应用。铁电液晶分子具有固有偶极矩，响应速度大约比向列相液晶快3个数量级，但其器件的制备技术要求很高。
上述三种液晶均为低分子液晶，其分子长只有2～3纳米，直径约0.5纳米。而高分子液晶则有数百个低分子的长度加和，其机械强度极强，美国已利用高分子液晶制作了防弹衣，它在微机械和纺织方面具有巨大的应用前景。
液晶特性及液晶显示的基本原理
液晶是弹性连续体，具有弹性畸变的特性。主要有三种弹性畸变形式：展曲、扭曲和弯曲。这三种畸变排列形式被有效地应用在液晶器件的排列模式中，以获得所需的光学特性和动力学特性。其中最重要的应用是扭曲排列。扭曲排列的液晶具有旋光性质，即入射光的偏振面能沿液晶的扭曲螺旋轴随液晶排列方向旋转。这种旋光性质被应用在具有极大市场的显示器和光调制器上。
液晶在电场中可诱导极化。向列相液晶分子不像近晶相液晶分子那样具有固有偶极矩。向列相液晶分子通常呈电中性，因此不分头尾。但在电场作用下分子中苯环上的电子云很容易发生移动，产生正负电中心，形成诱导偶极子。如果分子的电偶极矩与电场不平行，就会产生旋转力矩使分子转动直至电偶极矩平行于电场。
由于分子中的电子响应速度极快，即使采用交流电场诱导偶极也会产生同样效果，因偶极矩方向会随电场迅速发生改变，而电场和偶极矩同时改变方向时力矩方向不变，液晶分子会沿同一方向旋转，原来是横向的会竖起来，原来是竖着的会横倒，从而改变光学效果。实际上液晶的这种光电效应被发现后才产生了一系列液晶器件的重要应用。
液晶显示器的制作是将两块带透明电极（ITO）的玻璃基板用数微米直径的玻璃珠或塑料珠隔垫，边缘用胶固定，注入扭曲向列相液晶，液晶在上下基板之间扭曲90度，上下基板外侧附着两片光轴互相垂直的偏振片。上侧的偏振片光轴与上侧基板处的液晶取向平行，下侧的偏振片光轴与下侧基板处的液晶取向平行。自然光自上基板至下基板入射液晶屏，不加电场时光线通过第一块偏振片变为平行上基板处液晶取向的偏振光，偏振光被液晶层旋光，转过90°后正好与下基板处偏振片的光轴相平行，可以透过，作为显示器的亮态；加电场时液晶分子沿电场方向竖起，原来的扭曲排列变为垂直平行排列，偏振光与垂直排列的液晶不作用，透过第一块偏振片的偏振光通过液晶层时偏振面不再发生旋转，到达出射端的偏振片时，偏光轴与出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈现暗态。如果电场不特别强，液晶分子处于半竖立状态，旋光作用也处于半完全状态，则会有部分光透过，呈现中间灰度。这就是液晶显示器的工作原理。
显示汉字和图像的显示器，要将上下基板的电极刻蚀成条形，两基板上的条形电极垂直对置，形成矩阵电寻址形式。随着电极条数的增多，将出现矩阵屏中的交叉效应。为防止交叉效应，在电极线数目很多的屏中要做上薄膜晶体管（TFT），在下基板上对应每一象素都有一薄膜晶体管。晶体管作为开关，选通的象素为开态，未选通的象素为关态。为了具有彩色显示，屏中每一个象素又分为三个亚象素，对应红、蓝、绿三基色彩色滤光膜，因此晶体管的数目要增加3倍。三个亚象素的光强分别进行调制，通过加法混色获得彩色显示。
在液晶器件的玻璃基板最表层上都要有一层取向膜，其作用是使液晶沿预定方向取向。这一层膜虽薄，约在50～150纳米之间，但却是液晶器件的关键部分。液晶内部的取向通常服从表面的取向，如果不服从就会产生畸变，使体系能量增高。所以研究表面取向成为研究液晶器件的最重要部分，如液晶的预倾角控制涉及到驱动电压阈值、扭曲角度的严格定位涉及到对比度、弯曲型排列可以提高响应速度、同一象素中的多畴排列可以提高视角宽度等，都是利用表面取向过程。常规取向膜是采用高分子膜的印刷办法，然后用长纤维布定向摩擦基板表面的高分子膜，从而获得使液晶取向的方向，称之为自由轴方向。
摩擦取向简便易行，产业上均使用这种方法。但摩擦容易产生静电，也容易掉落异物，使背电极处的TFT击穿。因此人们希望能用其他方式来取代摩擦取向处理，目前最热门的取向研究是光控取向膜的制备研究。光控取向膜的制备是利用光敏有机分子在偏振光照射下的定向聚合或发生异构体转变来使液晶取向，甚至使液晶的取向在两个状态间切换。光控取向是非接触性取向方法，能够克服摩擦取向的缺点，目前它的稳定度还不够高，该问题一旦克服，光控取向的应用前景将会是巨大的。
液晶应用展望
由于液晶显示器的轻便、节能和低压驱动，目前已经广泛应用在便携式器件上。同时由于薄膜晶体管阵列（TFT）的进步，有源层从无定形硅（a-Si）发展到多晶硅（p-Si），TFT响应速度大幅度提高，小尺寸高分辨率的投射式液晶屏也已广泛应用在便携投影仪上。用于微显示的硅基板上的液晶发展迅速，已开始走向市场。超低能耗的反射式液晶显示屏，正在进行着提高亮度、降低成本等产业化前的准备。这种超低能耗的优势在于更强的便携性，以笔记本电脑为例，其电池现在可连续使用4小时，而换成反射式液晶屏的话，电池可连续使用4日以上。液晶材料上的改进，使显示器的响应速度逐步提高，大尺寸液晶电视已成为可能。同时视角方面的研究也取得了突破性进展，30英寸（76厘米）液晶电视已在日本电子产品市场上出现。日本夏普公司已设计了以37英寸（94厘米）电视为主导产品的第六代TFT液晶生产线，韩国三星公司设计了以46英寸（117厘米）电视为目标的生产线。从1990年到2000年间全球的液晶产品产值以20%的年增长率增长，预计这一增长率会保持到2010年。
液晶不但可以调制光强还可以调制光相位，因此各种光相位补偿器、波前校正器、捷变光束技术、非线性光学、可调变光栅、变焦透镜等液晶光学方面的研究正蓬勃展开，液晶将在光通讯、立体成像、图像存储、轨道探测、甚至人眼视网膜诊断等医疗方面产生重大应用。
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