本科畢業(yè)論文題目：液晶的物理特性及其應(yīng)用研究院（部）：理學(xué)院專業(yè)：應(yīng)用物理班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：完成日期：年月日山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文PAGEII目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IVABSTRACT V1前言 -1-1.1 液晶及其發(fā)展現(xiàn)狀 -1-1.2液晶物理特性的研究意義 -2-2液晶概述 -3-2.1液晶的定義 -3-2.2液晶的形成條件 -4-2.3液晶的歷史 -4-2.4液晶的分類 -5-2.4.1溶致型液晶 -6-2.4.2熱致型液晶 -6-2.4.3做為顯示材料的液晶 -8-2.4.5生物液晶 -10-3液晶的工作原理 -11-3.1液晶光開關(guān)的工作原理 -11-3.2液晶顯示的工作原理 -12-3.2.1TN液晶顯示原理 -13-3.2.2STN液晶顯示原理 -13-3.2.3TFT液晶顯示原理 -14-3.3液晶顯示技術(shù)指標(biāo)及其原理 -14-3.3.1視角 -14-3.3.2反應(yīng)速度 -14-3.3.3耗電量 -15-3.3.4顯示色彩 -15-4液晶的物理特性 -17-4.1液晶的光學(xué)性質(zhì) -17-4.2液晶的的電光效應(yīng) -17-4.3液晶的彈性連續(xù)體性質(zhì) -18-4.4顯著的溫度效應(yīng)和對(duì)蒸汽、應(yīng)力的靈敏反應(yīng) -19-5液晶的應(yīng)用 -20-5.1液晶的顯示應(yīng)用 -20-5.2液晶的工業(yè)應(yīng)用 -21-5.3液晶的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 -22-5.3.1醫(yī)用溫度計(jì)和熱圖象儀 -22-5.3.2液晶超聲場(chǎng)視儀 -22-5.3.3心內(nèi)血壓和血流量測(cè)量 -23-5.4液晶檢測(cè) -24-5.4.1熱檢測(cè) -24-5.4.2電磁檢測(cè) -24-6結(jié)論 -25-謝辭 -26-參考文獻(xiàn) -27-山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文摘要液晶是一種高分子材料，20世紀(jì)中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。液晶是由特殊形狀分子組合，并在特定溫度條件下產(chǎn)生，既具有液體的流動(dòng)性，又擁有結(jié)晶物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)。本文首先系統(tǒng)的介紹液晶的定義、形成、和發(fā)展歷史，然后從不同的方面對(duì)液晶進(jìn)行分類，進(jìn)而從液晶的種類，發(fā)展入手，結(jié)合現(xiàn)實(shí)存在的液晶產(chǎn)品，研究液晶的工作原理，系統(tǒng)的闡述液晶以一種界于固態(tài)和液態(tài)之間的中間狀態(tài)所具有的物理性質(zhì)。最后結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)和器件，對(duì)液晶的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用做深入探究，并對(duì)液晶在科技，醫(yī)學(xué)，工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用，創(chuàng)造更優(yōu)秀器件做了展望。關(guān)鍵詞：液晶；光開關(guān)；液晶顯示器；高分子；生物液晶PhysicalCharacterizationandApplicationofLiquidCrystalABSTRACTLiquidcrystalisapolymermaterials,itbegantobeusedwidelyinlight-weightdisplaytechniqueinthemid-twentiethcentury.Liquidcrystalismadeofspecialshapemolecularcombination,andproducedunderspecifictemperatureconditions;itbothhastheliquidity,andpossessingliquidcrystallinesubstanceopticalproperties.Thispaperfirstlyintroducesthedefinitionoftheliquidsystem,theformationanddevelopmenthistory,thenclassifytheliquidcrystalfromadifferentaspectofliquidcrystal,andnextaccordingtothetypes,developmentofliquid,combinedwiththerealliquidcrystalproducts,tostudytheworkingprincipleoftheliquidcrystal,researchliquidcrystalsystematicexpatiationliquidcrystalwithakindofboundatsolidandliquidofintermediatestateofthephysicalproperties.Basedontheactualproductionanddevices,therealityoftheapplicationofliquidcrystalprobeofliquidcrystal,andinscienceandtechnology,medicine,industriesplayaimportantrole,creatingmoregooddeviceisprospectedbythispaper.Keywords：liquidcrystal；lightswitch；liquidcrystaldisplay；polymer；biologicalliquidcrystal山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文10-1前言液晶及其發(fā)展現(xiàn)狀液晶是一門綜合性的邊緣學(xué)科，它涉及到物理、化學(xué)、生物等多門基礎(chǔ)學(xué)科。由于液晶在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域尤其在顯示技術(shù)方面的廣泛應(yīng)用，使得對(duì)液晶的各種性能及其應(yīng)用方面的研究迅猛發(fā)展。我們一般都認(rèn)為物質(zhì)像水一樣都有三態(tài)，分別是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。其實(shí)物質(zhì)的三態(tài)是針對(duì)水而言，對(duì)于不同的物質(zhì)，可能有其它不同的狀態(tài)存在。以我們要談到的液晶態(tài)而言，它是介于固體跟液體之間的一種狀態(tài)，其實(shí)這種狀態(tài)僅是材料的一種相變化的過(guò)程，只要材料具有上述的過(guò)程，即在固態(tài)及液態(tài)間有此一狀態(tài)存在，物理學(xué)家便稱之為液態(tài)晶體。液晶與各向同性液體的主要區(qū)別在于它在結(jié)構(gòu)上具有一定程度的有序性。由于液晶分子一般呈細(xì)長(zhǎng)棒狀，分子長(zhǎng)軸的有序排列將使液晶具有各向異性。分子長(zhǎng)軸的方向相當(dāng)于液晶的光軸，與普通晶體材料的光軸類似。由于液晶具有液體性質(zhì)，其分子的排列方向易受外界條件的影響，即液晶的光軸可以隨外界條件改變，使得液晶與一般晶體相比，具有更多的電光特性。在今天的科技時(shí)代，液晶顯示裝置已成為傳遞信息的壓倒一切的工具，每個(gè)人在其生活中都與這樣或者那樣的液晶裝置打交道，使用的手表、袖珍計(jì)算器、音響設(shè)備、汽車上的車速表或鐘表，甚至家中的電器都帶有液晶顯示。計(jì)算機(jī)工業(yè)如今正在制造折疊式計(jì)算機(jī)，其終端就采用液晶顯示。因?yàn)橐壕э@示終端的功耗小，體積比一般陰極射線管終端小得多。若把光源放在后面，并使用濾色后。還可能制造折疊計(jì)算機(jī)的彩顯終端。當(dāng)然這種設(shè)備也有它的缺點(diǎn)，清晰度仍然有限。目前，大量的研究工作正在圍繞該問(wèn)題展開。液晶不僅為各種應(yīng)用提供了無(wú)窮無(wú)盡的可能，而且其奇特的性質(zhì)多年來(lái)一直為廣大科學(xué)家頗感興趣。從現(xiàn)在到遙遠(yuǎn)的未來(lái)，液晶的獨(dú)特性質(zhì)以及諸相，將一直是物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。1.2液晶物理特性的研究意義在這個(gè)日新月異發(fā)展快速的時(shí)期，液晶，半導(dǎo)體等產(chǎn)品的發(fā)展和升級(jí)速度不斷加快，加深對(duì)液晶物理特性和工作原理的研究具有極其現(xiàn)實(shí)的意義。對(duì)醫(yī)學(xué)，工業(yè)特別是顯示領(lǐng)域的發(fā)展具有極強(qiáng)的推動(dòng)作用。其次，與晶體材料、半導(dǎo)體材料、金屬材料相比，液晶在材料設(shè)計(jì)上具有很大的靈活性，通過(guò)合成和混合，可以在很大程度上控制液晶材料的特性。光電子學(xué)領(lǐng)域需要具有各種特性的器件，因而研究液晶的物理特性對(duì)電子器件和顯示器件的生產(chǎn)和制造提供技術(shù)上的支持。液晶器件是當(dāng)前充滿活力的電子產(chǎn)品，它的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)已成為技術(shù)密集、資金密集的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。液晶器件幾乎滿足空間光通信的所有大的指標(biāo)要求如重量、尺寸、功耗、壽命、成本、驅(qū)動(dòng)電壓、光電集成、可編程性、光學(xué)接收孔徑、光束掃描和偏轉(zhuǎn)范圍等等。液晶光開關(guān)、光偏轉(zhuǎn)器、光掃描器已經(jīng)開始應(yīng)用于光纖通信的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。2液晶概述2.1液晶的定義液晶（LiquidCrystal，簡(jiǎn)稱LC）是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，當(dāng)被加熱時(shí)，它會(huì)呈現(xiàn)透明的液態(tài)，而冷卻的時(shí)候又會(huì)結(jié)晶成混亂的固態(tài)，液晶是具有規(guī)則性分子排列的有機(jī)化合物。我們很早就知道物質(zhì)有三態(tài)。此三態(tài)的特性可用圖2.1來(lái)說(shuō)明。固態(tài)是一個(gè)分子很靠近且整齊排列的態(tài)。液態(tài)中的分子雖然很靠近，但不具有空間上排列之秩序性。氣態(tài)中之分子則相互間分離的很遠(yuǎn)。固態(tài)－－－－－－－－－－液態(tài)－－－－－－－－－氣態(tài)圖2.1物質(zhì)三態(tài)液體也同樣可具有不同之態(tài)。液體分子質(zhì)心之排列雖然不具有任何規(guī)律性，但是如果這些分子是長(zhǎng)形的（或扁形的），它們的分子指向就可能有規(guī)律性。于是我們就可將液態(tài)又細(xì)分為許多態(tài)。那些分子方向沒(méi)有規(guī)律性的液體我們稱之為各向相同液體或直接稱為液體，而具有方向性之液體則稱之為液態(tài)晶體，又簡(jiǎn)稱液晶。液晶是一種高分子材料，因?yàn)槠涮厥獾奈锢怼⒒瘜W(xué)、光學(xué)特性，20世紀(jì)中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。液晶相要具有特殊形狀分子組合始會(huì)產(chǎn)生，它們可以流動(dòng)，又擁有結(jié)晶的光學(xué)性質(zhì)。液晶的定義，現(xiàn)在已放寬而囊括了在某一溫度范圍可以是現(xiàn)液晶相，在較低溫度為正常結(jié)晶之物質(zhì)。而液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。同時(shí)具有兩種物質(zhì)的液晶，是以分子間力量組合的，它們的特殊光學(xué)性質(zhì)，又對(duì)電磁場(chǎng)敏感，極有實(shí)用價(jià)值。2.2液晶的形成條件研究發(fā)現(xiàn)，不是所有的物質(zhì)都能形成液晶態(tài)。液晶態(tài)物質(zhì)往往是長(zhǎng)分子的有機(jī)化合物。液晶態(tài)分子多成棒狀或近乎棒狀，因?yàn)檫@樣有利于分子的有序堆積；分子鏈具有一定的剛性，在高分子液晶中，剛性部分如果處于聚合物主鏈上，即為主鏈型液晶；剛性部分如果是由一段柔性鏈與聚合物主鏈相連，成梳狀，即為側(cè)鏈型液晶。目前還沒(méi)有方法來(lái)肯定預(yù)見那種分子結(jié)構(gòu)的材料會(huì)出現(xiàn)液晶，但從晶格能量的觀點(diǎn)可以猜想到哪種形狀的分子會(huì)出現(xiàn)液晶相。塑性晶體的分子在點(diǎn)陣上的自由轉(zhuǎn)動(dòng)先于晶體的解體，這就說(shuō)明分子自由轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的能量要小于晶格解體的能量，換句話說(shuō)，就是分子的形狀使得分子比較容易轉(zhuǎn)動(dòng)。球形分子容易在點(diǎn)陣上轉(zhuǎn)動(dòng)，所以組成塑性晶體的分子形狀絕大部分是球形或者近似球形的，而液晶相中，分子不容易轉(zhuǎn)動(dòng)，即使晶體解體以后分子還是不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以分子的形狀是使其具有一定的指向性而不容易自由轉(zhuǎn)動(dòng)的長(zhǎng)棒狀。故此，形成液晶常見的分子必須具有的兩個(gè)特點(diǎn)：第一，分子的幾何形狀呈細(xì)長(zhǎng)棒狀，其長(zhǎng)徑比一般要大于4；第二，分子長(zhǎng)軸應(yīng)不易彎曲，要有一定的剛性。2.3液晶的歷史液晶的研究最早可追溯到1850年，德國(guó)科學(xué)家海因茨(W.Heintz)在其研究中發(fā)現(xiàn)，硬脂酸甘油脂在其熔點(diǎn)處有些奇怪的特性：這種物質(zhì)在52℃時(shí)由固態(tài)融為混濁的液態(tài)，在58℃時(shí)變?yōu)楦鞚岬囊后w，而在62.5℃時(shí)則成為透明的液體。幾年以后，生物學(xué)家維楚(RudoVirchow)和德國(guó)眼科醫(yī)生馮?麥特海默(VonMettenheimier)相繼觀察到了髓磷脂溶液具有的類似于晶體的雙折射現(xiàn)象。1888年，奧地利植物學(xué)家萊尼澤爾(FriedrichReinitzer)在加熱膽甾醇苯甲酸酯的結(jié)晶時(shí)發(fā)現(xiàn)，145.5℃時(shí)這種結(jié)晶熔解成為混濁粘稠的液體，繼續(xù)加熱的過(guò)程中，液體呈現(xiàn)出短暫的藍(lán)色，當(dāng)加熱到178.5℃時(shí)，液體變得清澈透明。后來(lái)，德國(guó)物理學(xué)家雷曼(OttoLehman)發(fā)現(xiàn)，上述145.5～178.5℃之間的粘稠混濁液體在用偏光顯微鏡進(jìn)行觀察時(shí)，具有雙折射現(xiàn)象，而且這類物質(zhì)并不是從透明的液體形成結(jié)晶，而是先變?yōu)橐环N非晶態(tài)形式，然后再形成結(jié)晶。他初稱之為軟晶體，然后改稱晶態(tài)流體，最后深信偏振光性質(zhì)是結(jié)晶特有，流動(dòng)晶體(Fliessendekristalle)的名字才算正確。此名與液晶(Flussigekristalle)的差別就只有一步之遙了。萊尼澤和雷曼后來(lái)被譽(yù)為液晶之父。關(guān)于物質(zhì)是否除了氣液固三相還有其他的相在當(dāng)時(shí)一直存在爭(zhēng)論，在萊曼提出了上述概念后，一些科學(xué)家對(duì)這一概念提出異議，認(rèn)為這些異?，F(xiàn)象可以由這類物質(zhì)是由兩種不同的化合物或物相的混合物或乳狀液組成來(lái)解釋。但在經(jīng)過(guò)了許多人的研究之后，科學(xué)家認(rèn)為這種混濁的液體是不同于固相和液相的另一種相，后來(lái)被人們稱之為液晶相，它的混濁性表明在某些基本性質(zhì)方面它是不同于液體的。后來(lái)，德國(guó)化學(xué)家福倫德(DanielVorlaender)及其同事首次合成了近晶相液晶化合物，并于1908年發(fā)表了表現(xiàn)出液晶行為的物質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)之間存在著的規(guī)律：即液晶態(tài)的分子都是近似直線形的分子。這一規(guī)律是建立在其合成的一百多種液晶分子的基礎(chǔ)上的，這一規(guī)律導(dǎo)致了關(guān)于液晶材料的統(tǒng)計(jì)描述，并對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論工作的影響持續(xù)了多年。液晶是分子取向有序的流體，根據(jù)紋理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性質(zhì)，可以把液晶分為三種不同的類型，即向列相、膽甾相和近晶相液晶。這一分類是由法國(guó)化學(xué)家弗里德爾(GeorgesFriedel)于1922年提出的，并且一直沿用至今。2.4液晶的分類隨著人們對(duì)液晶的逐漸了解，發(fā)現(xiàn)液晶物質(zhì)基本上都是有機(jī)化合物，現(xiàn)有的有機(jī)化合物中每200種中就有一種具有液晶相。顯示用液晶材料是由多種小分子有機(jī)化合物組成的，現(xiàn)已發(fā)展成很多種類，例如各種聯(lián)苯腈、酯類、環(huán)己基苯類、含氧雜環(huán)苯類、嘧啶環(huán)類、二苯乙炔類、乙基橋鍵類和烯端基類以及各種含氟苯環(huán)類等。人們通常根據(jù)液晶形成的條件，將液晶分為溶致液晶(Lyotropicliquidcrystals)和熱致液晶(Thermotropicliquidcrystals)兩大類。2.4.1溶致型液晶將某些有機(jī)物放在一定的溶劑中，由于溶劑破壞結(jié)晶晶格而形成的液晶，被稱為溶致液晶。比如：簡(jiǎn)單的脂肪酸鹽、離子型和非離子型表面活性劑等。溶致液晶是由兩種或兩種以上的組分形成的液晶，其中一種是水或其它的極性溶劑。這是將一種溶質(zhì)溶于一種溶劑而形成的液晶態(tài)物質(zhì)。典型的溶質(zhì)部分是由一個(gè)具有一端為親水集團(tuán)，另一端為疏水集團(tuán)的雙親分子構(gòu)成的。如十二烷基磺酸鈉或脂肪酸鈉肥皂等堿金屬脂肪鹽類等。它的溶劑是水，當(dāng)這些溶質(zhì)溶于水后，在不同的濃度下，由于雙親分子親水、疏水集團(tuán)的作用會(huì)形成不同的核心相和層相，核心相為球形或柱形，層相則由與近晶相相似的層式排布構(gòu)成。溶致液晶中的長(zhǎng)棒狀溶質(zhì)分子一般要比其構(gòu)成熱致液晶的長(zhǎng)棒狀分子大得多，分子軸比約在15左右。最常見的有肥皂水，洗衣粉溶液，表面活化劑溶液等。2.4.2熱致型液晶熱致液晶是由于溫度變化而出現(xiàn)的液晶相。低溫下它是晶體結(jié)構(gòu)，高溫時(shí)則變?yōu)橐后w。液晶單分子都有各自的熔點(diǎn)和清亮點(diǎn)，在中間溫度則以液晶形態(tài)存在。目前用于顯示的液晶材料基本上都是熱致液晶。在熱致液晶中，又根據(jù)液晶分子排列結(jié)構(gòu)分為三大類：近晶相(Smectic)、向列相(Nematic)和膽甾相(Cholesteric)。結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。近晶相液晶(SmecticLiquidCrystals)分子呈二維有序性，分子排列成層，層內(nèi)分子長(zhǎng)軸相互平行，排列整齊，重心位于同一平面內(nèi)，其方向可以垂直層面，或與層面成傾斜排列，層的厚度等于分子的長(zhǎng)度，各層之間的距離可以變動(dòng)，分子只能在層內(nèi)做前后、左右滑動(dòng),但不能在上下層之間移動(dòng)。近晶相液晶的粘度與表面張力都比較大，對(duì)外界電、磁、溫度等的變化不敏感。

雖然目前液晶顯示技術(shù)中主要應(yīng)用的是向列相液晶，而近晶相液晶黏度大，分子不易轉(zhuǎn)動(dòng)，即響應(yīng)速度慢，被認(rèn)為不宜作顯示器件。但是向列相液晶顯示模式幾乎已接近極限，從扭曲向列相到超扭曲向列相直至格式化超級(jí)扭曲向列，對(duì)其應(yīng)用沒(méi)有新的理論模式。因而，人們將目光重新轉(zhuǎn)移到了近晶相液晶上，目前各近晶相中的手性近晶C相，即鐵電相引起人們廣泛興趣。鐵電液晶具備向列相液晶所不具備的高速度和記憶性的優(yōu)異特征，它們?cè)谧罱鼛啄甑玫酱罅垦芯?。向列相液?NematicLiquidCrystals)向列相液晶又稱絲狀液晶。分子只有一維有序，分子長(zhǎng)軸互相平行，但不排列成層，它能上下、左右、前后滑動(dòng)，只在分子長(zhǎng)軸方向上保持相互平行或近于平行，分子間短程相互作用微弱，向列相液晶分子的排列和運(yùn)動(dòng)比較自由，對(duì)外界電、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力都比較敏感，是目前顯示器件的主要材料。在應(yīng)用上，與近晶相液晶相比，應(yīng)用更加廣泛。比如文章下面將會(huì)介紹向列相液晶在顯示中的幾種應(yīng)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、薄膜晶體管模式等。向列相液晶與膽甾相液晶可以互相轉(zhuǎn)換，在向列相液晶中加入旋光材料，會(huì)形成膽甾相，在膽甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能將膽甾相轉(zhuǎn)變成向列相。膽甾相液晶（CholestericLiquidCrystals）這個(gè)名字的來(lái)源是因?yàn)榇蟛糠菔怯赡懝檀嫉难苌锼傻模行](méi)有膽固醇結(jié)構(gòu)的液晶也會(huì)具有此液晶相。如果把這種液晶一層一層分開來(lái)看，很像線狀液晶。但是在Z軸即垂直于液晶排列面的方向來(lái)看，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的指向矢隨著一層一層的不同而像螺旋狀一樣分布，而當(dāng)其指向矢旋轉(zhuǎn)360度所需的分子層厚度就稱為pitch。它每一層跟線狀液晶很像，以膽固醇液晶而言，與指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就會(huì)有不同的光學(xué)或是電學(xué)的差異，也因此造就了不同的特性。膽甾醇本身不具有液晶性質(zhì)，其中只有當(dāng)堿性(OH)基團(tuán)被置換，形成膽甾醇的酯化物、鹵化物及碳酸酯，才成為膽甾相液晶。并且隨著相變而顯示出特有顏色的液晶相。膽甾相液晶在顯示技術(shù)中很有用，TN、STN等顯示都是在向列相液晶中加入不同比例的膽甾相液晶而獲得的。另外，溫度計(jì)也應(yīng)用于此液晶。圖2.2熱致液晶結(jié)構(gòu)2.4.3做為顯示材料的液晶液晶種類很多，通常按液晶分子的中心橋鍵和環(huán)的特征進(jìn)行分類。目前已合成了一萬(wàn)多種液晶材料，其中常用的液晶顯示材料有上千種。液晶顯示材料具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、彩色顯示、無(wú)閃爍、對(duì)人體無(wú)危害、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示屏，便于攜帶等。由于這些優(yōu)點(diǎn)。用液晶材料制成的計(jì)算機(jī)終端和電視可以大幅度減小體積等。液晶顯示技術(shù)對(duì)顯示顯像產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深刻影響，促進(jìn)了微電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的發(fā)展。目前，各種形態(tài)的液晶材料基本上都用于開發(fā)液晶顯示器，現(xiàn)在已開發(fā)出的有各種向列相液晶、聚合物分散液晶、雙穩(wěn)態(tài)液晶、鐵電液晶和反鐵電液晶顯示器等。而在液晶顯示中，開發(fā)最成功、市場(chǎng)占有量最大、發(fā)展最快的是向列相液晶顯示器。按照液晶顯示模式，常見向列相顯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、薄膜晶體管(TFT)模式等。其中TFT模式是發(fā)展最快的顯示模式。TN(TwistNematic)扭曲向列型液晶材料TN型液晶材料的發(fā)展起源于1968年，當(dāng)時(shí)美國(guó)公布了動(dòng)態(tài)散射液晶顯示技術(shù)。但由于提供的液晶材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，使它們作為顯示材料的使用受到極大的限制。1971年扭曲向列相液晶顯示器(TN2LCD)問(wèn)世后，介電各向異性為正的TN2液晶材料便很快開發(fā)出來(lái)；特別是1972年相對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聯(lián)苯腈系列液晶材料由GrayG等合成出來(lái)后，滿足了當(dāng)時(shí)電子手表、計(jì)算器和儀表顯示屏等液晶顯示器件的性能要求，從而真正形成了TN2LCD產(chǎn)業(yè)時(shí)代。STN(SuperTN)超扭曲向列相型液晶材料STN型與TN型結(jié)構(gòu)大體相同，只不過(guò)液晶分子扭曲角度更大一些，特點(diǎn)是電光響應(yīng)曲線更好，可以適應(yīng)更多的行列驅(qū)動(dòng)。STN液晶顯示屏主要成分是酯類和聯(lián)苯類液晶化合物，這兩類液晶黏度較低，液晶相范圍較寬，適合配制不同性能的混晶材料。TFT(ThinFilmTransistor)薄膜晶體管顯示型液晶材料由于采用薄膜晶體管陣列直接驅(qū)動(dòng)液晶分子，消除了交叉失真效應(yīng)，因而顯示信息容量大，配合使用低黏度的液晶材料，響應(yīng)速度極大提高，能夠滿足視頻圖像顯示的需要。因此，TFT-液晶顯示較之TN型、STN型液晶顯示有了質(zhì)的飛躍。LCP(LiquidCrystalPolyme)液晶聚合物上述液晶均為低分子液晶，其分子長(zhǎng)只有2～3nm，直徑約15nm。而液晶材料的另一重要領(lǐng)域是液晶聚合物，即高分子溶液或熔體呈現(xiàn)的液晶態(tài)，也稱為液晶高分子材料。根據(jù)液晶形成的條件，液晶聚合物，可分為熱致液晶高分子(ThermotropicLiquidCrystallinePolymer，TLCP)和溶致液晶高分子(LyotropicLiquidCrystal-linePolymer，LLCP)兩大類。前者主要代表是熱致液晶性聚芳酯，后者主要代表是溶致液晶性聚芳酰胺。另外按照液晶元所處的位置可分為主鏈液晶聚合物、側(cè)鏈液晶聚合物?；谝陨铣錾男阅?，LCP已經(jīng)用于微波爐容器、印刷電路板、人造衛(wèi)星電子部件、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件，用于電子電氣和汽車機(jī)械零件或部件，制件成型后機(jī)械強(qiáng)度高，用以代替玻璃纖維增強(qiáng)的聚砜等塑料，既可提高機(jī)械強(qiáng)度性能，又可提高使用強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性等，如用來(lái)制造高強(qiáng)度的防彈衣、艦船纜繩等。2.4.5生物液晶存在于生物體內(nèi)的液晶稱為生物液晶。生物液晶就其形成方式而言都是溶致液晶?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不但所有的生物膜都處于液晶態(tài)，而且還在不少的組織器官中都發(fā)現(xiàn)了液晶態(tài)的物質(zhì)，組成生命的不少物質(zhì)分子也都可以形成液晶態(tài)。生物體內(nèi)蛋白質(zhì)、膠原、核酸等生物大分子的液晶行為，近年來(lái)成為人們研究的熱點(diǎn)。生物膜液晶所謂生物膜是指細(xì)胞本身及周邊以及大多數(shù)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的組成，包括葉綠體、細(xì)胞核、線粒體、高爾基體、液體泡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)都被一層“軌道”結(jié)構(gòu)的膜所包裹，這種膜統(tǒng)稱為生物膜。組織器官中的液晶態(tài)物質(zhì)許多生物體系呈現(xiàn)液晶性質(zhì)，人體的很多組織如肌肉、腱、卵巢、腎上腺皮質(zhì)和神經(jīng)等含有大量介晶態(tài)化合物，它們都呈現(xiàn)出光雙折射的性質(zhì)，這是液晶的特征。這些化合物通常為膽固醇或類脂的衍生物。生命現(xiàn)象中的液晶行為液晶態(tài)普遍存在于生物體內(nèi)。生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸、脂類、多糖等在溶液中多呈棒狀或扁平狀，分子鏈上有苯環(huán)和能夠形成氫鍵的極性基團(tuán)及不對(duì)稱原子，因此它們具備形成液晶態(tài)的條件，可以形成溶致液晶。由于科學(xué)家們?cè)谏镆壕Х矫娴男燎谕度?人類已有很大的希望來(lái)闡明生長(zhǎng)和分化在發(fā)育方面的問(wèn)題,從而更好地去了解與生命本身有聯(lián)系的許多復(fù)雜現(xiàn)象28-3液晶的工作原理液晶得名于其物理特性：它的分子晶體，不過(guò)以液態(tài)存在而非固態(tài)。大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物。這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點(diǎn)：如果你讓電流通過(guò)液晶層，這些分子將會(huì)以電流的流向方向進(jìn)行排列，如果沒(méi)有電流，它們將會(huì)彼此平行排列。如果你提供了帶有細(xì)小溝槽的外層，將液晶倒入后，液晶分子會(huì)順著槽排列，并且內(nèi)層與外層以同樣的方式進(jìn)行排列。液晶的第三個(gè)特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。液晶層表現(xiàn)的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過(guò)濾掉除了那些從特殊方向射入之外的所有光線。此外，如果液晶層發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，光線將會(huì)隨之扭轉(zhuǎn)，以不同的方向從另外一個(gè)面中射出。3.1液晶光開關(guān)的工作原理液晶的這些特點(diǎn)使得它可以被用來(lái)當(dāng)作一種開關(guān)-既可以阻礙光線，也可以允許光線通過(guò)。液晶單元的底層是由細(xì)小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過(guò)當(dāng)上下兩個(gè)表面之間呈一定的角度時(shí)，液晶成了隨著兩個(gè)不同方向的表面進(jìn)行排列，就會(huì)發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個(gè)扭曲了的螺旋層使通過(guò)的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過(guò)液晶，所有的分子將會(huì)按照電流的方向進(jìn)行排列，這樣就會(huì)消除光線的扭轉(zhuǎn)。因此可以通過(guò)電流的通斷改變顯示屏中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。也有某些設(shè)計(jì)了省電的需要，有電流時(shí)，光線不能通過(guò)，沒(méi)有電流時(shí)，光線通過(guò)。光開關(guān)的應(yīng)用-液晶顯示盒原理：將液晶置于兩片導(dǎo)電玻璃之間，靠?jī)蓚€(gè)電極間電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，引起液晶分子扭曲向列的電場(chǎng)效應(yīng)，以控制光源透射或遮蔽功能，在電源關(guān)開之間產(chǎn)生明暗而將影像顯示出來(lái)。這是液晶顯示盒最基本的原理。

兩片玻璃基板內(nèi)裝有配向膜，所以液晶會(huì)沿著溝槽配向，由于玻璃基板配向膜溝槽偏離90度，所以液晶分子成為扭轉(zhuǎn)型。玻璃基板外裝有偏光片當(dāng)玻璃基板沒(méi)有加入電場(chǎng)時(shí)，光線透過(guò)偏光板跟著液晶做90度扭轉(zhuǎn)，通過(guò)下方偏光板，液晶面板顯示白色如圖3.1左所示。當(dāng)玻璃基板加入電場(chǎng)時(shí)，液晶分子產(chǎn)生配列變化，光線通過(guò)液晶分子空隙維持原方向，被下方偏光板遮蔽，光線被吸收無(wú)法透出，液晶面板顯示黑色如圖3.1右所示。液晶顯示器便是根據(jù)此電壓有無(wú)，使面板達(dá)到顯示效果。圖3.1液晶顯示盒工作原理3.2液晶顯示器的工作原理在工業(yè)控制中，顯示器件向來(lái)是很重要的一環(huán)，隨著科技的迅速發(fā)展，顯示器件的種類也是越來(lái)越多，目前主流的顯示器件就是液晶顯示器。液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，簡(jiǎn)稱LCD)的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生畫面。液晶顯示器按其液晶材料分為三類：TN型液晶顯示器、STN型液晶顯示器、TFT型液晶顯示器。下面分別介紹其工作原理。3.2.1TN型液晶顯示原理TN型的液晶顯示技術(shù)可說(shuō)是液晶顯示器中最基本的，而之后其它種類的液晶顯示器也可說(shuō)是以TN型為原點(diǎn)來(lái)加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)來(lái)的簡(jiǎn)單。不加電場(chǎng)的情況下，入射光經(jīng)過(guò)偏光板后通過(guò)液晶層，偏光被分子扭轉(zhuǎn)排列的液晶層旋轉(zhuǎn)90度，離開液晶層時(shí)，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，因此光線能順利通過(guò)，整個(gè)電極面呈光亮。當(dāng)加入電場(chǎng)的情況時(shí)，每個(gè)液晶分子的光軸轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向一致，液晶層因此失去了旋光的能力，結(jié)果來(lái)自入射偏光片的偏光，其偏光方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關(guān)系，并無(wú)法通過(guò)，電極面因此呈現(xiàn)黑暗的狀態(tài)。其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場(chǎng)未形成，光線會(huì)順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無(wú)法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理所制成3.2.2STN液晶顯示原理STN型的顯示原理與TN相類似，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。要在這里說(shuō)明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形，并沒(méi)有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關(guān)系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一個(gè)彩色濾光片，并將單色顯示矩陣之任一像素分成三個(gè)子像素，分別通過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。3.2.3TFT液晶顯示原理TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要的構(gòu)成包括了，螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過(guò)一個(gè)偏光板，然后再經(jīng)過(guò)液晶，這時(shí)液晶分子的排列方式進(jìn)而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來(lái)還必須經(jīng)過(guò)前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，并進(jìn)而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。3.3液晶顯示技術(shù)指標(biāo)3.3.1視角在傳統(tǒng)的陰極射線管(CathodeRayTube,簡(jiǎn)稱CRT)顯示器或電視機(jī)中，圖像的顯示是通過(guò)發(fā)光物體-磷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，光線從這一層向各個(gè)方向發(fā)射，只是強(qiáng)弱稍有不同而已。因此，你可以從一個(gè)很大的可視角范圍來(lái)觀看屏幕，無(wú)論從哪個(gè)角度去觀察，顯示的亮度、色彩都和正視效果相近。LCD和其它大多數(shù)顯示技術(shù)，都需要強(qiáng)的背景光線穿過(guò)液晶層或者其它顯示層來(lái)形成圖像，從而完成圖像的傳遞過(guò)程。LCD的特性決定了它所需的背景光是定向的。舉一個(gè)形象的例子來(lái)說(shuō)，就好比你手中握有一把吸管，它們的一端對(duì)準(zhǔn)光源。如果你通過(guò)另一端直視吸管，你將會(huì)看到光源射出的光線。但是如果你稍微移開眼睛，從其它的方向去看的話，你就無(wú)法觀察到光線了。LCD技術(shù)正是如此。雖然液晶分子并不像吸管一樣是中空的，但是它們的有序排列阻止了光線向其它方向發(fā)射。3.3.2反應(yīng)速度LCD單元在控制信號(hào)到達(dá)與變化完成之間存在滯后現(xiàn)象，這使得LCD在顯示快速移動(dòng)圖像時(shí)與CRT相比具有一種先天的缺陷。CRT的電子槍發(fā)射電子束到被激發(fā)的熒光粉發(fā)光之間幾乎是瞬間的。而LCD要更慢。這種時(shí)間滯后被稱“反應(yīng)時(shí)間”，其單位通常是毫秒。被動(dòng)矩陣顯示器響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，約有150毫秒或更多，所以不適于顯示諸如電影的移動(dòng)畫面。在主動(dòng)矩陣顯示器中像素響應(yīng)時(shí)間隨設(shè)計(jì)的不同而異，主要受到幾個(gè)因素影響，包括用來(lái)驅(qū)動(dòng)單元的電壓，單元的厚度和使用的液晶材料。標(biāo)準(zhǔn)的主動(dòng)矩陣顯示器一般有40毫秒的響應(yīng)時(shí)間，也就是說(shuō)每秒能顯示25幀。平面內(nèi)轉(zhuǎn)換增加了可視角度，但顯示會(huì)變慢，一般有70毫秒反應(yīng)時(shí)間。顯示器更快一些，有25毫秒反應(yīng)時(shí)間。3.3.3耗電量主動(dòng)矩陣式LCD顯示器與CRT相比較小，需要很少的電量。事實(shí)上，它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)顯示器，從掌上電腦（PDA）到筆記型計(jì)算機(jī)均廣泛運(yùn)用。但不管怎樣，LCD技術(shù)還是可悲的效率低下：即使你將屏幕顯示白色，從背景光源中發(fā)射的光也只有不到10%穿過(guò)屏幕發(fā)出，其它的都被吸收。筆記型計(jì)算機(jī)的低效迫使其設(shè)計(jì)者面臨一些艱難的選擇。如果你希望在戶外這樣強(qiáng)光環(huán)境下圖像更明亮，你就需要一個(gè)更亮的背景光源，這將需要更多的電力。如果你使用的電池容量一定，更亮的背景光源就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)耗盡電源。設(shè)計(jì)者用更大的電池容量解決這個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于目前的電池技術(shù)來(lái)說(shuō)，就意味著設(shè)備重量的增加，對(duì)消費(fèi)者的吸引力就會(huì)下降。這三者之間的三角平衡推動(dòng)著顯示器、電池及節(jié)能技術(shù)的研究。3.3.4顯示色彩LCD顯示的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)是顯示色彩。CRT顯示器所能表現(xiàn)出的色彩幾乎是無(wú)窮的，因?yàn)樗悄M設(shè)備。只需改變紅綠藍(lán)三種模擬信號(hào)的強(qiáng)度，你就可以得到不同的色彩。每個(gè)LCD的子像素顯示的顏色取決于色彩過(guò)濾器。由于液晶其本身沒(méi)有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色，而不是子像素，子像素只能通過(guò)控制光線的通過(guò)強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)灰階，只有少數(shù)主動(dòng)矩陣顯示采用模擬信號(hào)控制，大多數(shù)則采用數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)。制造商還采用了兩種技術(shù)來(lái)提高主動(dòng)矩陣顯示中每個(gè)液晶單元的灰階顯示數(shù)目。第一種是抖動(dòng)方法。將四個(gè)毗連呈正方形的像素作為一個(gè)單元，如果其中一個(gè)的灰階太低，那么相鄰的像素就會(huì)提高自身的亮度，從而顯示出一個(gè)比較適中的灰階，四個(gè)像素最后會(huì)顯示出三個(gè)適中的最終灰階作為顯示結(jié)果。這種方法的最大缺點(diǎn)在于降低了顯示的分辨率。另一項(xiàng)技術(shù)是框架速率控制(FRC)或者暫時(shí)的高頻振動(dòng)。這種方法在顯示每屏圖像時(shí)多次刷新像素。與高頻振動(dòng)中將灰階的混合用空間來(lái)顯示不同，這種方法通過(guò)時(shí)間控制。如果顯示一幅畫面需要的時(shí)間分為很多幀，像素就可以在幀的切換當(dāng)中造成一種灰階的過(guò)渡態(tài)，四幀就可以造成三個(gè)過(guò)渡態(tài)。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以不降低圖像的分辨率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的主動(dòng)矩陣顯示器中。除了上述介紹，LCD還有許多其他的技術(shù)指標(biāo)諸如低溫多晶硅的使用，以及傳統(tǒng)的工藝制作流程等等，在這不一一介紹。4液晶的物理特性4.1液晶的光學(xué)性質(zhì)由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性，所以液晶所引起的光學(xué)性質(zhì)就會(huì)因?yàn)榉较虿煌兴町?，?jiǎn)單的說(shuō)也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光學(xué)量都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來(lái)改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度，以便形成灰階。介電系數(shù)：我們可以將介電系數(shù)分開成兩個(gè)方向的分量，分別是（指與向矢平行的分量）與（指與向矢垂直的分量）。當(dāng)>便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶，可以用在平行配位。而<則稱之為介電系數(shù)異方性為負(fù)型的液晶，只可用在垂直配位才能有所需要的光電效應(yīng)。當(dāng)有外加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子會(huì)因介電系數(shù)異方性為正或是負(fù)值，來(lái)決定液晶分子的轉(zhuǎn)向是平行或是垂直于電場(chǎng)，來(lái)決定光的穿透與否。折射系數(shù)：由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長(zhǎng)軸平行或垂直方向上的物理特性會(huì)有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數(shù)一樣，折射系數(shù)也依照跟指向矢垂直與平行的方向，分成兩個(gè)方向的向量。分別為與。對(duì)層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長(zhǎng)的像棒狀，所以其指向矢的方向與分子長(zhǎng)軸平行。4.2液晶的的電光效應(yīng)由于液晶分子的結(jié)構(gòu)特性，其極化率及電導(dǎo)率等都具有各向異性的特點(diǎn)，當(dāng)大量液晶分子有規(guī)律的排列時(shí)，其總體的電學(xué)和光學(xué)特性如介電常數(shù)、折射率也將呈現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)。如果對(duì)液晶物質(zhì)施加電場(chǎng)，就能改變分子排列的規(guī)律。從而使液晶材料的光學(xué)特性發(fā)生改變，這就是液晶的的電光效應(yīng)。液晶的電光效應(yīng)是指液晶在外電場(chǎng)的作用下分子的排列狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起液晶盒光學(xué)性質(zhì)也隨之變化的一種電的光調(diào)制現(xiàn)象。因?yàn)橐壕Ь哂薪殡姾碗妼?dǎo)各向異性，因此，外加電場(chǎng)能使液晶分子的排列發(fā)生變化、進(jìn)行光調(diào)制，同時(shí)由于雙折射性．可以顯示出放光、干涉、散射等光學(xué)性質(zhì)。目前已發(fā)現(xiàn)的電光效應(yīng)如表4.1所示。表4.1電光效應(yīng)液晶電光效應(yīng)電場(chǎng)效應(yīng)扭曲向列效應(yīng)賓主效應(yīng)電控雙折射效應(yīng)相變效應(yīng)鐵電效應(yīng)超扭曲效應(yīng)電流效應(yīng)動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)熱光學(xué)效應(yīng)近晶熱效應(yīng)膽甾熱變色效應(yīng)在兩個(gè)玻璃基片的內(nèi)側(cè)鍍一層透明電極。當(dāng)在這兩個(gè)電極之間加適當(dāng)電壓時(shí)液晶分子可被外電場(chǎng)極化形成一種感生電極矩。這個(gè)感生電極矩也會(huì)有一個(gè)自己的方向，當(dāng)這個(gè)方向與外電場(chǎng)的方向不同時(shí)，外電場(chǎng)就會(huì)使液晶分子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直到各種互相作用力達(dá)到平衡。液晶分子在外電場(chǎng)作用下的變化，也將引起液晶合中液晶分子的總體排列規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，兩電極之間的液晶分子將會(huì)變成如圖4.1中的排列形式。這時(shí)液晶分子對(duì)偏振光的旋光作用將會(huì)減弱或消失。大多數(shù)液晶器件都是這樣工作的。圖4.1外場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)的液晶分子排列4.3液晶的彈性連續(xù)體性質(zhì)液晶的彈性常數(shù)很小，液晶分子的排列很容易受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力、熱能等外部影響而發(fā)生畸變。展曲、扭曲及彎曲三種基本畸變，如圖4.2所示。圖4.2液晶分子的畸變4.4顯著的溫度效應(yīng)和對(duì)蒸汽、應(yīng)力的靈敏反應(yīng)膽甾相液晶光學(xué)特性的極其顯著變化，多半是由于溫度變化引起的。雖然膽甾相材料在各向同性的液相內(nèi)大體上是無(wú)色的。在經(jīng)過(guò)相變溫度冷卻的過(guò)程中，在反射光中觀察到有些材料出現(xiàn)一系列彩色，依次為紫、藍(lán)、綠、黃、紅，而最大反射峰進(jìn)入紅外區(qū)時(shí)又最終變?yōu)闊o(wú)色。其非常顯著和有用的特性是每種彩色與膽甾相材料的一個(gè)準(zhǔn)確溫度相對(duì)應(yīng)。彩色變化率，特定彩色出現(xiàn)的溫度，以及移動(dòng)方向是可以預(yù)斷的。因此變更材料能夠得到所希望的構(gòu)式。5液晶的應(yīng)用液晶在一定的溫度范圍內(nèi)不但有像液體那樣的流動(dòng)性，而且有像晶體那樣的各向異性，即各個(gè)方向上的物理特性有較大的差異，自1888年由奧地利植物學(xué)家發(fā)現(xiàn)之后，至今已經(jīng)成為由物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、工程技術(shù)人員和醫(yī)藥工作者共同關(guān)心與研究的領(lǐng)域，在物理、化學(xué)、電子、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。如：光導(dǎo)液晶光閥、光調(diào)制器、液晶顯示器件、各種傳感器、微量毒氣檢測(cè)、夜視仿生等，尤其是液晶顯示器體積小、輕而薄、工作電壓低（僅數(shù)伏）、功耗?。@示板本身每平方厘米功耗僅數(shù)十微瓦）、可用干電池供電、電子線路可小型化，目前已經(jīng)在電腦筆記本、取景器、計(jì)算機(jī)終端顯示以及投影電視等方面均有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。5.1液晶的顯示應(yīng)用液晶最廣泛的應(yīng)用是作為顯示材料制造液晶顯示器即LCD。從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來(lái)看，無(wú)論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過(guò)第一層偏振過(guò)濾層之后進(jìn)入包含成千上萬(wàn)水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過(guò)改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過(guò)第二層過(guò)濾層的過(guò)濾在屏幕上顯示出來(lái)。在各類顯示器件特性比較中，液晶具有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)低壓，低功耗，極低的工作電壓。(2)平板結(jié)構(gòu)，液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是兩片導(dǎo)電玻璃，中間灌有液晶的薄型盒。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：開口率高，最有利于作顯示窗口；顯示面積做大、做小都比較容易；便于自動(dòng)化大量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低；器件很薄，只有幾個(gè)毫米厚。(3)被動(dòng)顯示型，液晶本身不發(fā)光，靠調(diào)制外界光達(dá)到顯示目的，即依靠對(duì)外界光的不同反射和透射形成不同對(duì)比度來(lái)達(dá)到顯示目的。(4)顯示信息量大，液晶顯示中，各像素之間不用采取隔離措施，所以在同樣顯示窗口面積可容納更多的像素，利于制成高清晰度電視。(5)易于彩色化，一般液晶為無(wú)色，所以可采用濾色膜很容易實(shí)現(xiàn)彩色。(6)長(zhǎng)壽命，液晶本身由于電壓低，工作電流小，所以幾乎不會(huì)劣化，壽命很長(zhǎng)。(7)無(wú)輻射，無(wú)污染，CRT顯示中有X射線輻射，PDP顯示中有高頻電磁輻射，而液晶不會(huì)出現(xiàn)這類問(wèn)題。除了以上的有點(diǎn)液晶也有一些不足有待完善比如在顯示快速移動(dòng)的畫面時(shí)質(zhì)量不好。5.2液晶的工業(yè)應(yīng)用液晶將用于電子工業(yè)，特別是用于熱學(xué)測(cè)繪，測(cè)繪圖是在操作條件下電子網(wǎng)絡(luò)的熱量分配圖。采用液晶測(cè)試通路，并根據(jù)顏色的變化發(fā)現(xiàn)衰減區(qū)域或局部故障。液晶除對(duì)熱和光能發(fā)生反應(yīng)外，對(duì)應(yīng)力也發(fā)生反應(yīng)，所以可應(yīng)用于金屬測(cè)試技術(shù)，應(yīng)變檢驗(yàn)和測(cè)定軸承壓力異常部位。液晶對(duì)機(jī)械刺激發(fā)生反應(yīng)即或不產(chǎn)生熱量，也使顏色發(fā)生變化。但大多數(shù)情況是在機(jī)械刺激下同時(shí)也產(chǎn)生熱量，此時(shí)反應(yīng)增強(qiáng)。利用液晶進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，即以鮮艷彩色表示模型表面溫度變化，在這方面有很大應(yīng)用前途。主要優(yōu)點(diǎn)在于液晶具有測(cè)繪模型表面熱轉(zhuǎn)換率和震動(dòng)波效應(yīng)的微細(xì)變化的能力。液晶也應(yīng)用于航空工業(yè)和其他領(lǐng)域以測(cè)試薄金屬板。例如可對(duì)用泡沫塑料夾心的兩塊薄鋁板材料通以熱量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可記錄在用液晶浸漬過(guò)的膠片上。泡沫塑料的圖形能清晰地顯示出來(lái)，也可看出任何一處的裂口，這是因?yàn)閷?duì)粘接不好的部位熱量的透過(guò)速度與其他部位不同。5.3液晶的醫(yī)學(xué)應(yīng)用除溫度、化學(xué)物、應(yīng)力之外，許多物理?xiàng)l件都能使液晶的光學(xué)特性產(chǎn)生明顯的變化。例如極化場(chǎng)能激活膽甾醇衍生物的偶極子，電磁輻射能夠發(fā)生相似于加入反應(yīng)化學(xué)物所產(chǎn)生不可逆的化學(xué)變化。液晶的特異性能在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中得到日趨廣泛的應(yīng)用，特別是作為溫度敏感元件方面有其獨(dú)特的功能。5.3.1醫(yī)用溫度計(jì)和熱圖象儀在醫(yī)學(xué)診斷上，相應(yīng)于小的溫度變化的彩色變化可用于觀察體溫的分布、動(dòng)脈與靜脈的位置以及內(nèi)部損傷恢復(fù)過(guò)程。盡管液晶不能存儲(chǔ)溫度信息，因而不能用于直腸和口腔的溫度測(cè)量，然而把一塑料膜包著的液晶直接放在體表可見部位卻能方便地測(cè)出體表的局部溫度。這種溫度計(jì)價(jià)格低廉，反應(yīng)迅速，并且清晰直觀。皮膚表面的彩色照相可以把溫度分布用同樣顏色的輪廓線面積表示，用一校準(zhǔn)表就能給出一定位置的絕對(duì)溫度，此技術(shù)可鑒別出0.1℃的溫差。除了用紅外熱象儀記錄體表二維熱圖象外，液晶記溫儀由于價(jià)廉、簡(jiǎn)單，正越來(lái)越多地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。一般用于胸部疾病診斷（如乳癌）的輔助手段。國(guó)內(nèi)在這方面已有不少臨床報(bào)告。要提高這種液晶熱圖儀的空間分辯率關(guān)鍵就是要防止探測(cè)器的熱擴(kuò)散現(xiàn)象。其解決途徑似乎在于要研制一種橫向熱傳導(dǎo)極低的傳感器。5.3.2液晶超聲場(chǎng)視儀超聲斷層技術(shù)在醫(yī)學(xué)無(wú)創(chuàng)傷診斷中已占有極重要的地位。用超聲進(jìn)行某些治療也重新引起了人們的興趣?，F(xiàn)在的努力集中在改進(jìn)信號(hào)分析和顯示技術(shù)上，以提高這些儀器的技術(shù)性能。因此在臨床使用前極有必要完整地側(cè)試超聲換能器的特性，已引起普遍的重視。在這些側(cè)試中超聲場(chǎng)的圖示是最重要的試驗(yàn)之一。用于超聲場(chǎng)圖示中的CLC聲光轉(zhuǎn)換器主要由一層吸收聲能的粘強(qiáng)性層及和它后面的液晶溫度顯示器構(gòu)成，圖5.1為這種裝置的簡(jiǎn)圖。圖5.1液晶超聲場(chǎng)視儀5.3.3心內(nèi)血壓和血流量測(cè)量將液晶在壓力作用下反射光的變化用于心內(nèi)血壓的測(cè)量已有報(bào)道。把液晶感壓件直接裝在光纖心導(dǎo)管端可安全地插入心內(nèi)進(jìn)行血壓測(cè)量。液晶壓力變化時(shí)(0-300mmHg)光的散射發(fā)生變化，從而把壓力轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，由光纖傳出在體外進(jìn)行光電變換。液晶作為壓力敏感元件還應(yīng)作進(jìn)一步的研究，這是一項(xiàng)很有意義的探討。利用液晶對(duì)溫度的敏感性已成功地用于熱稀釋法測(cè)量血流量。5.4液晶檢測(cè)5.4.1熱檢測(cè)液晶的光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨溫度的改變而改變，一些膽甾相液晶化合物在溫度改變1℃時(shí)，可以顯示出從紅到藍(lán)色的不同顏色變化。利用膽甾相液晶對(duì)溫度敏感的這一性質(zhì)，可制成溫度計(jì)。在醫(yī)學(xué)上得到廣泛的應(yīng)用。醫(yī)生在診斷血流障礙、惡性腫瘤和炎癥時(shí)，經(jīng)常使用用液晶熱像圖。由于正常生物組織與病變組織的表面溫度不同，因而通過(guò)分析熱像固就可判斷是否有病變。5.4.2電磁檢測(cè)一般液晶分子是棒狀結(jié)構(gòu)的，因此都具有偶極矩。電場(chǎng)和磁場(chǎng)的存在與否以及分布形狀況，會(huì)影響液晶分子的排列情況，由此可以將電場(chǎng)和磁場(chǎng)的有無(wú)，變成可見的圖像，從而檢測(cè)大規(guī)模集成電路的缺陷部分。除了以上列舉的液晶的各項(xiàng)應(yīng)用，液晶還在高分子材料，光學(xué)器件等領(lǐng)域都具有比較成熟的應(yīng)用技術(shù)。比如利用液的折射率大小隨電場(chǎng)變化的特點(diǎn)，液晶可用作光學(xué)器件，電子快門和變焦透鏡的應(yīng)用。液晶高分子材料具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕和電絕緣性，被廣泛應(yīng)用于航空、航海和汽車工業(yè)，還可用它來(lái)做防彈材料等等。6結(jié)論液晶從產(chǎn)生到發(fā)展到如今運(yùn)用的技術(shù)成熟，給人類社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)革新增添了動(dòng)力，本文介紹的液晶作為一種固液中間態(tài)，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)應(yīng)用之中，基于對(duì)液晶闡述，分別從以下幾方面對(duì)液晶及其應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了描述：首先，本文介紹了液晶的形成，歷史以及對(duì)液晶的分類進(jìn)行詳細(xì)深入的闡述。然后，本文系統(tǒng)介紹了液晶的工作原理，具體到應(yīng)用層面，如光開關(guān)，顯示器等等。然后對(duì)液晶的物理特性做了深入研究。最后，本文重點(diǎn)介紹了液晶在現(xiàn)代科技，工業(yè)，應(yīng)用等各個(gè)方面的應(yīng)用。在今天的科技時(shí)代，液晶裝置已成為傳遞信息的壓倒一切的工具，每個(gè)人在其生活中都與這樣或者那樣的液晶裝置打交道。液晶不僅為各種應(yīng)用提供了無(wú)窮無(wú)盡的可能，而且其奇特的性質(zhì)多年來(lái)一直為廣大科學(xué)家頗感興趣。從現(xiàn)在到遙遠(yuǎn)的未來(lái)，液晶的獨(dú)特性質(zhì)以及諸相，將一直是物理學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。1991年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者德格尼斯教授之所以獲此大獎(jiǎng)，部分原因就是因?yàn)樗麨橐壕锢韺W(xué)作出了巨大的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在，把液晶問(wèn)題引入物理學(xué)的引論課程的時(shí)機(jī)比以往任何時(shí)假都更加成熟。大家都聽說(shuō)過(guò)液晶，但很少有人真正了解它的特性。在討論物相、物質(zhì)的電磁特性、光學(xué)特性、偏振概念、物相轉(zhuǎn)變以及折射率時(shí)，液晶也是一個(gè)理想的討論題目。至關(guān)重要的是，液晶可以在基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用技術(shù)之間架起一座橋梁。我們經(jīng)常聽到學(xué)生說(shuō)：“我學(xué)這個(gè)到底有什么用？”難道不是這樣嗎？科學(xué)技術(shù)上對(duì)液晶的興趣，體現(xiàn)在許多國(guó)家都大大加強(qiáng)了這個(gè)領(lǐng)域的研究。完全可以預(yù)期這個(gè)趨勢(shì)在今后還將繼續(xù)下去，不久來(lái)一定會(huì)有更令人向往的液晶器件問(wèn)世。謝辭在論文完成之際，首先感謝我的論文輔導(dǎo)老師宋洪勝宋老師們對(duì)我的悉心培養(yǎng)，宋老師在我寫作論文的各個(gè)階段給予我的細(xì)心指導(dǎo)，對(duì)我論文的錯(cuò)誤或不當(dāng)之處提出改正，給予了我極大的鼓勵(lì)和幫助，在這里獲得的知識(shí)將令我終生受益。同時(shí)也感謝和我一起的同學(xué)們?cè)谖艺撐馁Y料搜集的過(guò)程當(dāng)中，給予了我極大的幫助！感謝山東建筑大學(xué)圖書館給我提供了很多的參考資料以及網(wǎng)絡(luò)資源。還要感謝山東建筑大學(xué)理學(xué)院給我免費(fèi)提供了充足的上機(jī)時(shí)間，幫助我很好的完成了論文。另外在此畢業(yè)之際，我還要感謝理學(xué)院各位老師在我大學(xué)四年中給予我悉心的指導(dǎo)。感謝四年來(lái)一直支持我?guī)椭业耐瑢W(xué)和舍