液晶概述

液晶（Liquid Crystal）是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性，20世紀中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。
人們熟悉的物質(zhì)狀態(tài)（又稱相）為氣、液、固，較為生疏的是電漿和液晶（Liquid Crystal，簡稱LC）。液晶相要具有特殊形狀分子組合始會產(chǎn)生，它們可以流動，又擁有結(jié)晶的光學(xué)性質(zhì)。液晶的定義，現(xiàn)在以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)是一種有機化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。 同時具有兩種物質(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)，又對電磁場敏感，極有實用價值。
1888年，澳大利亞叫萊尼茨爾的科學(xué)家，合成了一種奇怪的有機化合物，它有兩個熔點。把它的固態(tài)晶體加熱到145℃時，便熔成液體，只不過是渾濁的，而一切純凈物質(zhì)熔化時卻是透明的。如果繼續(xù)加熱到175℃時，它似乎再次熔化，變成清澈透明的液體。后來，德國物理學(xué)家列曼把處于“中間地帶”的渾濁液體叫做晶體。它好比是既不象馬，又不象驢的騾子,所以有人稱它為有機界的騾子.液晶自被發(fā)現(xiàn)后，人們并不知道它有何用途，直到1968年,人們才把它作為電子工業(yè)上的的材料。
液晶顯示材料最常見的用途是電子表和計算器的顯示板，為什么會顯示數(shù)字呢？原來這種液態(tài)光電顯示材料，利用液晶的電光效應(yīng)把電信號轉(zhuǎn)換成字符、圖像等可見信號。液晶在正常情況下，其分子排列很有秩序，顯得清澈透明，一旦加上直流電場后，分子的排列被打亂，一部分液晶變得不透明，顏色加深，因而能顯示數(shù)字和圖象。
液晶的電光效應(yīng)是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受電場調(diào)制的光學(xué)現(xiàn)象。
一些有機化合物和高分子聚合物，在一定溫度或濃度的溶液中，既具有液體的流動性，又具有晶體的各向異性，這就是液晶。液晶光電效應(yīng)受溫度條件控制的液晶稱為熱致液晶；溶致液晶則受控于濃度條件。顯示用液晶一般是低分子熱致液晶。
根據(jù)液晶會變色的特點，人們利用它來指示溫度、報警毒氣等。例如，液晶能隨著溫度的變化，使顏色從紅變綠、藍。這樣可以指示出某個實驗中的溫度。液晶遇上氯化氫、氫氰酸之類的有毒氣體，也會變色。在化工廠，人們把液晶片掛在墻上，一旦有微量毒氣逸出，液晶變色了，就提醒人們趕緊去檢查、補漏。
液晶種類很多，通常按液晶分子的中心橋鍵和環(huán)的特征進行分類。目前已合成了1萬多種液晶材料，其中常用的液晶顯示材料有上千種，主要有聯(lián)苯液晶、苯基環(huán)己烷液晶及酯類液晶等。液晶顯示材料具有明顯的優(yōu)點：驅(qū)動電壓低、功耗微小、可靠性高、顯示信息量大、彩色顯示、無閃爍、對人體無危害、生產(chǎn)過程自動化、成本低廉、可以制成各種規(guī)格和類型的液晶顯示器，便于攜帶等。由于這些優(yōu)點。用液晶材料制成的計算機終端和電視可以大幅度減小體積等。液晶顯示技術(shù)對顯示顯像產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深刻影響，促進了微電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的發(fā)展。

液晶的歷史

具結(jié)晶性的液體 ——液晶早在1850年，普魯士醫(yī)生魯?shù)婪?#8231;菲爾紹（Rudolf Virchow）等人就發(fā)現(xiàn)神經(jīng)纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質(zhì)。1877年，德國物理學(xué)家奧托‧雷曼（Otto Lehmann）運用偏光顯微鏡首次觀察到了液晶化的現(xiàn)象，但他對此一現(xiàn)象的成因并不了解。
奧地利布拉格德國大學(xué)的植物生理學(xué)家斐德烈‧萊尼澤（Friedrich Reinitzer）在加熱安息香酸膽固醇脂（Cholesteryl Benzoate）研究膽固醇在植物內(nèi)之角色，于1883年3月14日觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時的異常表現(xiàn)。它在145.5℃時熔化，產(chǎn)生了帶有光彩的混濁物，溫度升到178.5℃后，光彩消失，液體透明。此澄清液體稍微冷卻，混濁又復(fù)出現(xiàn)，瞬間呈現(xiàn)藍色，又在結(jié)晶開始的前一刻，顏色是藍紫的。
萊尼澤反復(fù)確定他的發(fā)現(xiàn)后，向德國物理學(xué)家雷曼請教。當(dāng)時雷曼建造了一座具有加熱功能的顯微鏡去探討液晶降溫結(jié)晶之過程，后來更加上了偏光鏡，正是深入研究萊涅澤的化合物之最儀器。而從那時開始，雷曼的精力完全集中在該物類物質(zhì)。他初時之為軟晶體，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，流動晶體（Fliessende kristalle）的名字才算正確。此名與液晶（Flussige kristalle）的差別就只有一步之遙了。萊尼澤和雷曼后來被譽為液晶之父。
由嘉德曼（L. gattermann）、利區(qū)克（A Ristschke）合成的氧偶氮醚，也是被雷曼鑒定為液晶的。但在20世紀，有名的科學(xué)家如坦曼（G. tammann）都以為雷曼等的觀察，只是極微細晶體懸浮在意體形成膠體之現(xiàn)象。涅斯特（W. Nernst）則認為液晶只是化合物的互變異構(gòu)物之混合物。不過，化學(xué)家伏蘭德（D. Vorlander）的努力由聚集經(jīng)驗使他能預(yù)測哪一類的化合物最可能呈現(xiàn)液晶特性，然后合成取得該等化合物質(zhì)，理論于是被證明。

液晶的分類

向列相（nematic）
近晶相（smectic）
膽甾相（cholesteric）
碟型（discotic）
熱致液晶（thermotropic LC）
重現(xiàn)性液晶（recentrant LC）

1922年，法國人弗里德（G. Friedel）仔細分析當(dāng)時已知的液晶，把他們分為三類：向列型（nematic）、層列型（smectic）、膽固醇型（cholesteric）。名字的來源，前兩者分別取自希臘文線狀和清潔劑（肥皂）；膽固醇型的名字有歷史意義，如以近代分類法，它們屬于手向列型。其實弗里德對液晶一詞不贊同，他認為“中間相”才是最合適的表達。
1970年代才發(fā)現(xiàn)的碟型（discotic）液晶，是具有高對稱性原狀分子重疊組成之向列型或柱行系統(tǒng)。除了型態(tài)分類外，液晶因產(chǎn)生之條件（狀況）不同而被分為熱致液晶（thermotropic LC）和溶致液晶（lypotropic LC），分別由加熱、加入溶劑形成液晶熱相致液晶相產(chǎn)生兩種情形。
溶致性液晶生成的例子，是肥皂水。在高濃度時，肥皂分子呈層列性，層間是水分子。濃度稍低，組合又不同。
其實一種物質(zhì)可以具有多種液晶相。又有人發(fā)現(xiàn)，把兩種液晶混合物加熱，得到等向性液體后再冷卻，可以觀察到次第為向列型、層列型液晶。這種相變化的物質(zhì)，稱為重現(xiàn)性液晶（recentrant LC）。 液晶分子結(jié)構(gòu)。
穩(wěn)定液晶相是分子間的凡得瓦力。因分子集結(jié)密度高，斥力異向性影響較大，但吸引利則是維持高密度，使集體達到液晶狀態(tài)之力量，聽力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有極性基團時，偶極相互作用成為重要吸引力。[!--empirenews.page--]

液晶的用途

液晶分子的排列，后果之一是呈現(xiàn)有選擇性的光散射。因排列可以受外力影響，液晶材料制造器件潛力很大。范圍于兩片玻璃板之間的手性向列型液晶，經(jīng)過一定手續(xù)處理，就可形成不同的紋理。
類固醇型液晶，因螺旋結(jié)構(gòu)而對光有選擇性反射，利用白光中的圓偏光，最簡單的是根據(jù)變色原理制成的溫度計（魚缸中?？吹降臏囟扔嫞Ｔ卺t(yī)療上，皮膚癌和乳癌之偵測也可在可疑部位涂上類固醇液晶，然后與正常皮膚顯色比對（因為癌細胞代謝速度比一般細胞快，所以溫度會比一般細胞高些）。
電場與磁場對液晶有巨大的影響力，向列型液晶相的介電性行為是各類光電應(yīng)用的基礎(chǔ)（用液晶材料制造以外加電場超作之顯示器，在1970年代以后發(fā)展很快。因為它們有小容積、微量耗電、低操作電壓、易設(shè)計多色面版等多項優(yōu)點。不過因為它們不是發(fā)光型顯示器，在暗處的清晰度、視角和環(huán)境溫度限制，都不理想。無論如何，電視和電腦的屏幕以液晶材質(zhì)制造，十分有利。大型屏幕在以往受制于高電壓的需求，變壓器的體積與重量不可言喻。其實，彩色投影電式系統(tǒng)，亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、濾片、光電調(diào)整器。

生物系統(tǒng)的液晶

液晶在生物體的重要性，實在難以估計。液晶性類固醇、脂肪類的化合物分布極廣，細胞膜不能沒有這些成分，而細胞分裂也有賴具有液晶性的結(jié)構(gòu)。

液晶面板

液晶面板與液晶顯示器有相當(dāng)密切的關(guān)系，液晶面板的產(chǎn)量、優(yōu)劣等多種因素都連系著液晶顯示器自身的質(zhì)量、價格和市場走向。
VA型：VA型液晶面板在目前的顯示器產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的，使用在高端產(chǎn)品中，16.7M色彩（8bit面板）和大可視角度是它最為明顯的技術(shù)特點，目前VA型面板分為兩種：MVA、PVA。
MVA型：全稱為（Multi-domain Vertical Alignment），是一種多象限垂直配向技術(shù)。它是利用突出物使液晶靜止時并非傳統(tǒng)的直立式，而是偏向某一個角度靜止；當(dāng)施加電壓讓液晶分子改變成水平以讓背光通過則更為快速，這樣便可以大幅度縮短顯示時間，也因為突出物改變液晶分子配向，讓視野角度更為寬廣。在視角的增加上可達160度以上，反應(yīng)時間縮短至20ms以內(nèi)。
PVA型：是三星推出的一種面板類型，是一種圖像垂直調(diào)整技術(shù)，該技術(shù)直接改變液晶單元結(jié)構(gòu)，讓顯示效能大幅提升可以獲得優(yōu)于MVA的亮度輸出和對比度。此外在這兩種類型基礎(chǔ)上又延出改進型S-PVA和P-MVA兩種面板類型，在技術(shù)發(fā)展上更趨向上，可視角度可達170度，響應(yīng)時間被控制在20毫秒以內(nèi)（采用Overdrive加速達到8ms GTG），而對比度可輕易超過700:1的高水準，三星自產(chǎn)品牌的大部份產(chǎn)品都為PVA液晶面板。
IPS型：IPS型液晶面板具有可視角度大、顏色細膩等優(yōu)點，看上去比較通透，這也是鑒別IPS型液晶面板的一個方法，PHILIPS不少液晶顯示器使用的都是IPS型的面板。而S-IPS則為第二代IPS技術(shù)，它又引入了一些新的技術(shù)，以改善IPS模式在某些特定角度的灰階逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 LG和飛利浦自主的面板制造商也是以IPS為技術(shù)特點推出的液晶面板。
TN型：這種類型的液晶面板應(yīng)用于入門級和中端的產(chǎn)品中，價格實惠、低廉，被眾多廠商選用。在技術(shù)上，與前兩種類型的液晶面板相比在技術(shù)性能上略為遜色，它不能表現(xiàn)出16.7M艷麗色彩，只能達到16.7M色彩（6bit面板）但響應(yīng)時間容易提高?？梢暯嵌纫彩艿搅艘欢ǖ南拗?，可視角度不會超過160度?，F(xiàn)在市場上一般在8ms響應(yīng)時間以內(nèi)的產(chǎn)品大多都采用的是TN液晶面板。

液晶顯示器

液晶顯示器，或稱LCD(Liquid Crystal Display)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。
每個畫素由以下幾個部分構(gòu)成：懸浮于兩個透明電極(氧化銦錫)間的一列液晶分子，兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾片，如果沒有電極間的液晶，光通過其中一個過濾片勢必被另一個阻擋，通過一個過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過另一個。
液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個畫素或者子畫素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過的光線同時也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過偏振過濾片。
在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無約束狀態(tài)，分子上的電荷使得這些分子組成了螺旋形或者環(huán)形（晶體狀）， 在有些LCD中，電極的化學(xué)物質(zhì)表面可作為晶體的晶種，因此分子按照需要的角度結(jié)晶，通過一個過濾片的光線在通過液芯片后偏振防線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線能夠通過另一個偏振片，一小部分光線被偏振片吸收，但其余的設(shè)備都是透明的。
將電荷加到透明電極上后，液晶分子將順著電場方向排列，因此限制了透過光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過的光線其偏振方向?qū)⒑偷诙€偏振片完全垂直，因此被光線完全阻擋了，此時畫素不發(fā)光，通過控制每個畫素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫素的光線，可多可少。
許多LCD在交流電作用下變黑，交流電破壞了液晶的螺旋效應(yīng)，而關(guān)閉電流后，LCD會變亮或者透明。
為了省電，LCD顯示采用復(fù)用的方法，在復(fù)用模式下，一端的電極分組連接在一起，每一組電極連接到一個電源，另一端的電極也分組連接，每一組連接到電源另一端，分組設(shè)計保證每個畫素由一個獨立的電源控制，電子設(shè)備或者驅(qū)動電子設(shè)備的軟件通過控制電源的開/關(guān)序列，從而控制畫素的顯示。
檢驗LCD顯示器的指標包括以下幾個重要方面：顯示大小，反應(yīng)時間(同步速率)，陣列類型（主動和被動），視角，所支持的顏色，亮度和對比度，分辨率和屏幕高寬比，以及輸入接口（例如視覺接口和視頻顯示陣列）。

簡史
第一臺可操作的LCD基于動態(tài)散射模式(Dynamic Scattering Mode,DSM)，RCA公司喬治•海爾曼帶領(lǐng)的小組開發(fā)了這種LCD。海爾曼創(chuàng)建了奧普泰公司，這個公司開發(fā)了一系列基于這種技術(shù)的的LCD。 1970年12月，液晶的旋轉(zhuǎn)向列場效應(yīng)在瑞士被仙特和赫爾弗里?；舴蚵?勒羅克中央實驗室注冊為專利。 1969年，詹姆士•福格森在美國俄亥俄州肯特州立大學(xué)（Ohio University）發(fā)現(xiàn)了液晶的旋轉(zhuǎn)向列場效應(yīng)并于1971年2月在美國注冊了相同的專利。1971年他的公司（ILIXCO）生產(chǎn)了第一臺基于這種特性的LCD，很快取代了性能較差的DSM型LCD。[!--empirenews.page--]

顯示原理
在不加電壓下，光線會沿著液晶分子的間隙前進而轉(zhuǎn)折90度，所以光可通過。但加入電壓后，光順著液晶分子的間隙直線前進，因此光被濾光板所阻隔。
液晶是具有流動特性的物質(zhì)，所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子運動，以最常見普遍的向列型液晶為例，液晶分子可輕易的借著電場作用使得液晶分子轉(zhuǎn) 向，由于液晶的光軸與其分子軸相當(dāng)一致，故可借此產(chǎn)生光學(xué)效果，而當(dāng)加于液晶的電場移除消失時，液晶將借著其本身的彈性及黏性，液晶分子將十分迅速的回復(fù) 原來未加電場前的狀態(tài)。

透射和反射顯示
LCD可透射顯示，也可反射顯示，決定于它的光源放哪里。透射型LCD由一個屏幕背后的光源照亮，而觀看則在屏幕另一邊(前面)。這種類型的LCD多用在需高亮度顯示的應(yīng)用中，例如電腦顯示器、PDA和手機中。用于照亮LCD的照明設(shè)備的功耗往往高于LCD本身。
反射型LCD，常見于電子鐘表和計算機中，（有時候）由后面的散射的反射面將外部的光反射回來照亮屏幕。這種類型的LCD具有較高的對比度，因為光線要經(jīng)過液晶兩次，所以被削減了兩次。不使用照明設(shè)備明顯降低了功耗，因此使用電池的設(shè)備電池使用更久。因為小型的反射型LCD功耗非常低，以至于光電池就足以給它供電，因此常用于袖珍型計算器。
半穿透反射式LCD既可以當(dāng)作透射型使用，也可當(dāng)作反射型使用。當(dāng)外部光線很足的時候，該LCD按照反射型工作，而當(dāng)外部光線不足的時候，它又能當(dāng)作透射型使用。

彩色顯示
彩色LCD中，每個畫素分成三個單元，或稱子畫素，附加的濾光片分別標記紅色，綠色和藍色。三個子畫素可獨立進行控制，對應(yīng)的畫素便產(chǎn)生了成千上萬甚至上百萬種顏色。老式的CRT采用同樣的方法顯示顏色。根據(jù)需要，顏色組件按照不同的畫素幾何原理進行排列。

（編輯：文靜）