液晶技术第一章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第1章 液晶基础知识,液晶的种类,液晶的物理特性,液晶的光学特性,1.1 液晶的种类,液晶状态被喻为是自然界中物质的,第四状态,，而有别于固态、液态和气态的物质三大状态，液晶分子是一种具有光学异方向性和流动性之结晶性液体，是一种机能性材料。具有液体的流动性及表面张力，同时又有晶体所特有的光学各向异性的双折射性。这种能在某个温度范围内兼液体和晶体二者特性的物质就叫做液晶，一般分向列型、近晶型、胆甾型和异型型。,液态晶体,Liquid Crystal,固体,結晶,液晶,液体,加热,加热,冷却,冷却,附錄,:,參考資料,:,張文固博士,-,平面顯示器技術,溶致液晶,(Lypotropic LC)，,要溶解在水中或有机溶剂中才显示出液晶状态.,热致液晶,(Thermotropic LC)，,在一定温度范围内呈现出液晶状态。,本课程只对热值液晶进行介绍。,各种热致型液晶分布的温度范围,向列液晶(Nematic LC),近晶相液晶(Sematic LC)（,层状液晶）,胆固醇液晶(Cholesteric LC),碟状液晶(Disctic LC),向列相(Nematic Liquid Crystals),液晶分子只有一维有序，分子长轴相互平行（大体指向一个方向），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、温度、应力都比较敏感。,其结构是由液晶棒状分子聚集一起,形成一层一层的结构。其每一层的分子的长轴方向相互平行。且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角。由于其结构非常近似于晶体,所以又称做近晶相。在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂，所以层与层间较易滑动。但是每一层内的分子键结较强，所以不易被打断。因此就单层来看，其排列不仅有序且黏性较大。,当温度升高时，一般都可以转变为向列相液晶。,层状液晶(Smectic Liquid Crystals),层状液晶（,Smectic Liquid Crystals）,它们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。这种液晶如果把它的一层一层分开来看，会很像线状液晶。但是在Z轴方向来看，会发现它的指向矢会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,螺距(,pitch)。正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫Chiralnematicphase，或胆甾相液晶。,胆固醇液晶(Cholesteric LC),胆固醇液晶,(Cholesteric),1970年才发现的的,碟型,(discotic),液晶,，是具有高对称性原状分子重叠组成的向列型或柱行系统。,碟状液晶(Disctic LC),1.2液晶的物理性质,1.2.1、液晶的有序参量,向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于平行于主轴方向。,为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器件显示质量下降。,a,n,y,x,z,o,各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1,液晶的有序参量S一般在0.30.8之间,。,1.2.2、液晶的各向异性,液晶的分子一般都是刚性的棒状分子，由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质，液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，液晶分子集合在一起时，分子长轴总是互相平行的，或有一个择优方向，液晶分子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液晶的,指向矢,。,沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。,一般称沿分子长轴平均方向为,平行方向,，称沿分子短轴平均方向为,垂直方向,。,（1）介电各向异性,介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度，的数值可正可负，根据实验发现：不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方向）。,偶极矩平行于分子长轴的一类液晶称为,正性液晶,（N,P,）；,垂直于分子长轴的那一类液晶称为,负性液晶,（Nn）；,这两类液晶的电光效应是不同的，在大部分LCD显示屏中，我们加入的是正性液晶。,（2）电阻率和电导率,液晶的电阻率的数量级一般为10,8,10,12,cm，它接近于半导体和绝缘体的边界。电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶纯度的一个检测值，小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度差，一般当0的正性液晶施加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会发生与,电场E平行的再排列；,对于 ny,相位差最大,ny,nx,ny,nx,nx ny,有相位差,液晶的雙折射特性,平行長軸方向前進，光的極化方向不變,垂直長軸方向前進，光的極化方向改變最大,對極化光的調變效果,下面我们来简单研究液晶相关的光学性质，主要是分析线偏振光在液晶介质中的传播原理。,一、能使入射光的前进方向向液晶分子长轴方向偏转。,1、当入射光是线偏振光（振动垂直于纸面），媒质是液晶，光在晶体中如何传播呢？,我们知道自然光经波晶片双折射产生的o光和e光，是两束光强各为入射光强一半的振动方向互相垂直的偏振光。,当偏振光（o光或e光）经波晶片时也发生双折射现象（不要认为只有自然光才能发生双折射，才能分出o光和e光），同样产生产生o光和e光，其光强的计算同样遵循马吕斯定律：,式中I为入射偏振光的光强，为入射偏振光的振动方向与晶片光轴方向的夹角。,对于本例情况，由于 =90,o,故液晶片中只有单一的o光无e光，且 故o光折射的方向就是偏振光入射的方向，也就是偏振光在液晶介质中,传播方向,不变，且o光的光强就等于入射偏振光的光强。,2、当入射光是线偏振光（振动平行于纸面），在液晶介质中既有e光也有o光，光的传播方向是e光和o光的合成方向。,特别地，当入射偏振光的振动方向与液晶分子长轴成,90,o,时，由马吕斯定律可得：,上式说明寻常光（o光）的光强达到最大，且在液晶中的传播方向不变，光振动方向也不变，而非常光（e光）的光强为零，如右图所示：,二,、能改变入射光的偏转状态（线偏振、圆偏振、椭圆偏转，或偏振的方向。,改變光偏極化方向,縱向,前進了,2,個波,橫向,前進了,1.5,個波,半波延遲器,(Half Wave Retarder),1.,不同方向的折射率不同,2.,讨论：,相位差的大小由谁引起？大小不同会导致什么结果？,当入射光的电矢量振动方向与入射面液晶分子指向矢,n,的长轴成 时，则出射面根据偏振光的平行分量Ex和垂直分量Ey的光程差 的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。,晶体的旋光现象,1811年阿拉果发现，当线偏振光沿某些晶体如石英的光轴传播时，透射光虽然是线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面却旋转了一个角度，这种现象称为,旋光现象,，能产生旋光现象的物质称为旋光物质，它的这种特性称为旋光性。,实验还表明，振动面的旋转具有方向性，迎着光观看，如振动面按顺时针方向旋转的称为右旋物质，反之称为左旋物质。,液晶在一定条件下也具有旋光性，向列型液晶分子呈长棒形，正常情况下彼此平行排列，但是如果采取特殊工艺使得液晶分子的初始排列呈,扭曲方式排列,，从而产生旋光性，即在不加电时液晶分子表现出一定的旋光性，加电时在外场的作用下液晶分子重新排列，旋光性消失，这种加电与不加电所呈现的不同的光学特性非常适合用来制成显示器件。,在向列相液晶中加入少量旋光性物质，或把液晶盒的两个内表面作扭曲分子排列处理，并使线偏振光的振动方向与上表面液晶分子的指向矢在同一个平面内且互相平行，这样便可得到 (螺距)的情况，如左图所示：,线偏振光在扭曲向列液晶中的传播,液晶盒不加电时呈,扭曲方式,排列,当线偏振光电矢量的振动方向与分子的指向矢在同一平面内且互相平行,，则当液晶扭曲螺距,时，入射光将沿平行于入射口的液晶分子n的扭曲方向发生旋转，最终出射光的振动方向平行于出口处的液晶分子指向矢n 的方向；,当线偏振光电矢量的振动方向与入射面分子的n垂直时,，则出射光的电矢量的振动方向仍保持与出射面液晶分子指向矢n的方向相垂直；,由于寻常光（o光）的速度就是 ，它的方向平行于液晶的光轴，另外由于o光的偏振方向与光轴垂直，所以偏振光入射到液晶盒时，光的传播方向不变，光的偏振性也不变。,液晶盒加电时的分子排列：,三,、能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或投射。,对于 的胆甾相液晶，入射的偏光旋光方向若与液晶的旋光方向相同，则入射偏光被反射。若入射偏光方向与液晶分子旋光方向不同，则入射光将透过液晶层。,这种反射是一种二色性选择光散射，使液晶出现一种美丽的干涉彩虹色。,通过改变温度、外加电场、磁场、应力、吸附物等的影响，可以改变液晶螺距P的大小，这意味着波长（颜色）的改变。,如上所述,三大光学特性,：,使入射光波偏向液晶分子长轴方向,使偏振光状态和偏振光方向发生变化,选择性反射,这就是液晶显示器件工作的物理光学基础。,讨论,液晶材料主要有哪些各向异性？,液晶对偏振光的影响有哪些？,