液晶材料的特性及应用

11绪论近年来液晶材料得到了飞速发展，液晶现在已经走进了人们的日常生活，应用广泛也是人们所共知的，它正在不断地改变着人们的日常生活，我们生活中的许多电器都带有液晶器件如空调、冰箱、微波炉等，液晶电子表、液晶显示器、液晶传感器也是我们所熟悉的产品。液晶材料被广泛地用到了显示方面，通过近几年的发展，我国在液晶显示面板的生产技术上有了明显的提升，但上游配套产品却一直限制着产业的发展，在液晶材料市场中外资占有较大的比例，从中受益远比我国多。近年来，国家有关部门联合发布了有关新型液晶平板研发及产业化的有关通知，我国在液晶材料的发展中大概面临两方面困难：一方面，液晶厂商存在较高的技术壁垒，我国企业技术水平没有那么先进；另一方面，德国默克（Merck）、智索（Chisso）和DIC等企业建立了有关技术的专利阵营，使中国液晶技术的发展变得相对困难。液晶材料也在其他方面得到了应用，如应用于制备航天飞行器的外壳、用作润滑剂、也可用于医学诊断和药物的生产，现在有科学家正在研究将液晶材料用于人工智能、形状记忆、信息储存等新兴方面，可见液晶材料在未来的应用将会更加广泛。本文通过对有关液晶的书籍、文献等材料的研究，总结出了液晶材料的特性和应用情况，并对一些应用给出了相关理论解释，最后对液晶材料的发展做出展望。1.1液晶的发现液晶的最早发现是在1888年，它由奥地利植物学家莱尼茨尔通过加热胆甾醇苯甲酸酯出现结晶发现的[1]。次年，德国的物理家莱曼用偏光显微镜发现这种结晶材料有双折射现象，后来他提出用“液晶”来命名这种材料，这两位科学家被人们认为是液晶领域的创始人。但在发现后的几十年间，液晶的研究并不被人看好，因为它长期以来没给人们带来太多的好处，直到上世纪60年代美国的Heilmeler[2]发现液晶动态散射效应，当他利用此效应研制出了第一台液晶显示器时，液晶的研究得到了人们的重视，这启发我们具体的应用能有力地推动基础研究的发展。21.2液晶的定义物质的相态可划分为固态、液态和气态，晶态和非晶态是固态的两种划分。物质可随着外界条件的变化在这三种相态之间发生变化，称为相变。通常境况下，物质在这三种相态之间转变不会发生中间态，也就是不存在中间过渡的状态，例如液态在零度受冷变为固态冰，在液态时物质是无序列的，而变换成冰时就变的有序了。但是有些物质在某种条件下融化后，它的外观会像液态一样具有流动性，但却保留了熔融前物质的有序排列并能呈现出各向异性，我们把这种既有晶体又有液体性质的中间态叫做液晶态，在这种状态下的物质我们叫做液晶。高分子液晶是将过渡相态的分子连接组成大分子，或者把它连接到聚合物框架上，但其仍保持液晶的性质。高分子液晶的结构由刚性和柔性部分组成，刚性部分一般会由两个苯环、脂肪环或者芳香杂环组成，这些环会由刚性连接单元连接，连接单元的一个作用是防止两个环的转动，刚性部分的外部则可以为其它柔软、易弯曲的极性或者非极性基团。液晶分子的结构举例：刚性连接单元为-N=N-烃基-R为非极性基团，腈基-CN为极性基团。1.3液晶的分类由液晶形成条件的不同，可一般将其分为溶致型液晶、热致性液晶[3]。溶致型液晶是在一定的温度和浓度下，极性物质与某些溶剂在溶解的过程中，当其分子达到一定的浓度时，这些分子的序列变成有序随后成为了一个稳定的系统，这一系列的变化呈现出了一个过程即从结晶到液晶再到胶束液体然后再到溶液，溶致液晶是一个复杂的系统，在不同区域有不同的性质，显然这类晶体并不存在于纯物质中。热致性液晶一般由一种或少数化合物混合均匀形成，在一定的温度范围内才呈现出液晶相的性质。图1-1液晶分子结构3由刚性部分在液晶分子中的位置不同，连接次序也不同，可将液晶分子分为主链型和侧链型两种形态。主链型液晶的刚性部分在聚合物主链上，侧链型液晶的刚性部分由柔性链与聚合物相连组成，形状成梳状，可将侧链型液晶分为非双亲侧链液晶高分子和双亲侧链液晶高分子，主链型液晶和侧链型液晶在物理化学性质上有相当大的差异。根据刚性分子堆积方式不同可将其分成向列型液晶、胆甾型液晶和近晶型液晶三种结构，如图1-2所示。向列型液晶的特点是液晶分子沿长轴方向保持平行排列，但分子轴的指向不一定一致，可能上下交错，总体上向上的分子和向下的分子数目大致相同，分子有很大的流动性，呈现出一维有序，重心位置无序。这种结构特点可导致当液晶分子在电场、磁场影响下，分子朝相同的方向运动，表现为取向有序，这点和单轴晶体相似。因为分子的重心排列是无规则的，分子能在三维空间运动，分子运动方向不完全一致，取向规则程度用参数S表示，则)1cos3(212s为分子长轴和n方向的夹角，表示取平均值，当S取1时表示所有分子长轴都平行于n方向，当31cos2时，S=0表示为无序态，若添加一些手性分子到此类分子中，在一定条件下可形成螺旋状液晶，向列型液晶在当今应用较广泛。胆甾型液晶具有独特的光学性质，是向列型的一种特殊情况。分子排成一层一层，层内的分子和向列型分子特点相同，分子的长轴平行层的平面，但层与层的长轴有规律偏转呈现出螺旋状。正是由于螺旋状的作用，它可以选择反射某些波长的图1-2液晶的三种结构4光，这取决于光的入射角、反射角。近晶型液晶和相列型不一样，它的特点是分子排列成层状，层内分子的长轴都相互平行且垂直于层平面，从外观上看，它和油脂状相似，具有较大的粘性。分子只能在层内滑动，而不能上下滑动，呈现出二维有序，这种类型的液晶具有较多的结构。2液晶材料的特性液晶相不同于固体相和液体相，它是液相和固相的一个中间相，这样的相态也促使它有许多优异的特性，例如液晶材料具有高强度、高模量、良好的阻燃性和耐热性以及电光效应、热光效应、各向异性等，正是由于液晶材料有这么多优异的特性才使它应用非常广泛。2.1液晶材料具有高拉伸强度和高模量热致性主链液晶有一个突出的特点就是容易在外力场中出现分子链取向的现象，在取向方向上拉伸强度和模量会有较大的提高[4]，这个特性使它非常适合做高性能的工程材料。例如，用聚对苯二甲酸对苯二胺和浓硫酸溶液作用后，可得到有名的kelvar纤维[5]，Kevlar纤维可用于飞机、火箭外壳、防弹衣等材料，其强度和模量比钢还要好10倍,而且密度也比钢丝小的多。2.2液晶材料具有良好的耐热性和阻燃性液晶的刚性部分通常是由芳环构成，所以相对来说其耐热性比较好。例如，Xydar的熔点高达四百多度，在空气中的分解温度也高达五百多度，明显比其它多数塑料耐热性要好。另外，大量的芳香环也使其有较好的阻燃性，被广泛用在电路板、接线板、传感器护套等。2.3液晶材料具有良好的电性能和加工成型性高分子液晶有较高的绝缘强度、较低的介电常数和膨胀因子，受温度的影响较小，也有较低的导热和导电性。由于分子中有柔性部分，其易发生滑动，压力也较5低，因此其加工成型较容易而且由于液晶膨胀因子较小也不容易收缩，容易达到理想的模型，当然液晶也存在价格较高、接缝强度低等缺点。2.4液晶材料具有电光效应由于液晶分子含有极性基团，当在电场作用下偶极子会按电场方向转动，液晶分子原有的排列方式就会改变，液晶的光学性质也会随之改变，这种现象叫做液晶的电光效应。电光效应中的动态散射是将两个特定的电极之间放入向列型液晶，电极间的距离10微米左右，逐渐增加电极间的电压，当电压为1V左右，液晶对光只进行镜面反射，继续增加电压到5V左右，液晶会出现明暗相间的条纹，再继续增加到某一值，液晶对光会发生漫反射，根据液晶的电光效应可制成显示器件。2.5液晶材料具有热色效应液晶的热色效应一般由胆甾相液晶引起，它的机理可由Fergason的反射模型证明。当可见光波长满足布拉格反射条件时[6]，人们会看到相应波长颜色的变化，这种变化的原因是随着温度的变化，液晶的螺距随之变化，从而产生色彩的变化，形成液晶的热色效应，有热色效应的液晶称为热色液晶[7]。液晶的热色效应可被用于温度传感器、热色成像、温度场的分布等方面。2.6液晶材料具有各向异性液晶的条状分子结构和其分子方向次序决定了液晶具有折射率各向异性，由于入射光电场的作用导致液晶分子的电子云发生变化，这种变化导致了偶极矩也发生了变化，从而产生了第二次光与入射光相互重叠，显示光的速度好象慢下来一样。液晶分子中的长轴方向和短轴方向对其电子云的反应程度不一样导致了液晶具有各向异性，由于液晶折射率各向异性的作用，入射光波的方向偏向了液晶分子的长轴，使偏振光的状态发生了改变，这种光学特性是液晶器件显示的理论基础。如图2-1所示，在折射率椭圆体中，控制器n的方向决定了折射率椭圆体的主轴，与控制器n平行方向上的折射率为ne而与其垂直方向的折射率为n0，则折射率各向异性n可表示为下式。(2-1)6nnneononenon图2-1折射率椭圆体3液晶材料的应用3.1液晶材料用于显示器件液晶现在已经被广泛地应用到计算机、笔记本电脑的显示屏，液晶电视等。用液晶做显示材料的基本原理是：随着电场强度的变化液晶分子会做有规律的90度旋转，从而改变了透光度，液晶会从无序透明变为有序非透明，会产生明暗的变化，可以依据此原理控制图像上每个像素的明暗，从而构成所需的图像，例如最简单的一种是7段数字显示，在7段中的每一段是被独立控制的，通过控制每一段光的显示，可以实现对0到9每个不同数字的显示。对于高一点的14段显示则可以显示数字和字母。但是不论显示器多么的复杂，它们的工作原理都是一样的，即控制不同区域的光，只不过有的区域是主动发光显示的，有的区域是是被动通过反射过来的光显示的。液晶的显示方式并不相同，大概可分为薄膜晶体管液晶显示(TFT-LCD)、胆甾向列相变液晶显示(CH-N)、超扭曲向列液晶显示(STN-LCD)、宾主型液晶显示(GH-LCD)、扭曲向列液晶显示(TN-LCD)、聚合物散射型液晶显示(PDLC)、铁电液晶显示(FLCD)[8]。如果单单用TN型液晶，则显示器只有黑白两种颜色，STN显示器主要是以橘黄色和淡绿色为主，为此需要给它加一层带有彩色的滤光片，当通过7滤光片时会显示出三原色，三原色经过一定的比例显示就能显示出彩色图像。TFT则在其背部设置了光管，这个光管的作用是控制屏幕上各个独立的像素，这种控制会显著提高图像显示的流畅度，对比度也会更加的明显同时因为它具备较高的电压保持率、低双折射率、低黏度等特征，即使在光线较强的条件下依然显示清晰，通常称为真彩色，所以TFT-LCD是市场上常见的显示器。2009年，由詹姆斯·卡梅隆导演的《阿凡达》电影让人们感受到了3D技术的神奇，从此3D影片逐渐被大家喜爱，也由此带动了3D电视的销售，3D电视市场蓬勃发展。3D技术当前可分为两种，一种是裸眼式，一种是眼镜式，这两种技术侧重有所不同，裸眼式侧重于商用显示，眼镜侧重于消费市场，其中《阿凡达》就是采用的眼镜式。拍摄3D影片时需要使用两个镜头的摄像机，为了模拟人的双眼，这两个镜头的间距为6cm，使两个镜头分开存储，当播出时人的双眼会分别接收。液晶材料主要有两种应用在3D显示中，一种是制作液晶面板，另一种是制作一些辅助器件以实现从2D到3D的转换，例如液晶眼镜、液晶透镜、液晶光栅等[9]。对液晶显示而言，为了追求用户有更好的观赏效果，如体育节目、赛车类游戏，其中一个重要条件就是有更快的刷新频率。为了提高刷新频率就必须有较快的响应时间，响应时间可分为上升时间和下降时间d，它们和液晶参数有如下公式。VVdth22021r(3-1)kdii221d(3-2)1表示液晶的旋转黏度，0是真空电容率，d表示为液晶单元盒间隙，vth是液晶阈值电压，v为单元盒驱动电压，为液晶材料的介电各向异性系数[10]。vth和kii在扭曲相列模式下有公式：80223311th2/)2(kkkv42223311kkkkii在IPS平面模式转换下有公式：kvdl22thkkii22在VA垂直相模式下有公式：kvdth22kkii33k11为液晶展曲弹性系数，k22为液晶扭曲弹性系数，k33为液晶弯曲弹性系数