光電功能材料課程-12

《光電功能材料》13

劉磊電話：84315437Email:liulei442@3.光功能材料3.1.激光材料3.2．非線性光學材料3.3.光纖材料3.4光電顯示材料3.5.光伏材料及太陽能電池3.6.納米材料

3.7.液晶材料與LCD目錄液晶材料與液晶顯示器液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的分類液晶的光電效應液晶顯示器的基本原理（LCD:LiquidCrystalDisplay

）

液晶是自然界中一個神奇的物相。自1888年發(fā)現(xiàn)以來，由于它的神奇，成為生物學、化學和物理學的一個重要研究領域。液晶在顯示技術信息技術中的應用，創(chuàng)造了一個五彩繽紛的世界，推動了信息技術的發(fā)展。液晶顯示器件是眾多平面顯示器件中發(fā)展最成熟、應用面最廣、已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并且仍在迅猛發(fā)展著的一種顯示器件。

LiquidCrystalDisplay(LCD)液晶顯示器夏普108英寸LCDTV2007.01.09

1、液晶的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過程簡介

1888年奧地利布拉格德國大學的植物生理學家斐德烈?萊尼澤（FriedrichReinitzer）在加熱安息香酸膽固醇脂（CholesterylBenzoate）研究膽固醇在植物內之角色，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，混濁又復出現(xiàn)，瞬間呈現(xiàn)藍色，又在結晶開始的前一刻，顏色是藍紫的。萊尼澤反復確定他的發(fā)現(xiàn)后，向德國物理學家雷曼請教。當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晶之過程，后來更加上了偏光鏡，他并發(fā)現(xiàn)呈渾濁狀液體的中間具有和晶體相似的性質．故稱為“液晶”。這是世界上首次被發(fā)現(xiàn)的一種熱致液晶：膽甾醇苯甲酸脂。由于歷史條件所限，當時并沒有引起很大重視，只是把液晶用在壓力和溫度的指示器上。萊尼澤和雷曼后來被譽為液晶之父。

1、液晶的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展過程簡介

液晶的發(fā)展在1963年出現(xiàn)了轉折點。該年，美國無線電公司(RCA)普林斯頓研究所的一個從事微波固體元件研究已兩年的年輕技術工作者G．H．Heimeier，即將完成他的博土學位答辨。他有一個朋友正在從事有機半導體的研究工作，在上下班路上向Heimeier介紹他所從事的研究工作，使他發(fā)生了濃厚的興趣。就這樣，這位電子學專家改變了自己的專業(yè),進入了有機化學領域，他把電子學應用于有機化學，僅一年就發(fā)表了五篇論文。他將染料與向列液晶混合，夾在兩片透明導電玻璃基片之間，只施加幾伏電壓，功率不到幾個微瓦每平方厘米，液晶盒就由紅色變成透明態(tài)。Heimeier心想到這不就是平板彩色電視嗎?興奮的小組成員日以繼夜地工作，相繼發(fā)現(xiàn)了動態(tài)散射、相變等一系列液晶的電光效應，并且研究出一系列數(shù)字、字符顯示器件以及液晶鐘表、駕駛臺顯示器等應用產(chǎn)品。RCA公司領導對有關液晶的發(fā)明極為重視，將其列為企業(yè)的重大秘密。1968年RCA公司向世界公布這些液晶發(fā)明。

1969年2月日本NHK向國內進行了液晶發(fā)明報導，引起日本科技、工業(yè)界的極大重視。日本將當時的大規(guī)模集成電路與液晶相結合，以“個人電子化”’市場為導向，很快打開了液晶的應用局面。日本人從液晶于表、液晶計算器等低檔產(chǎn)品起步，發(fā)展到小尺寸無源矩陣黑白電視、非晶硅有源矩陣彩色電視，直到目前多晶硅有源矩陣高分辨率彩色液晶顯示器，不但促進了日本微電子工業(yè)的驚人發(fā)展，還一直領導著世界液晶工業(yè)的發(fā)展方向，掌握著液晶工業(yè)最前端的技術。液晶的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有100多年的歷史，但近20年來才獲得了快速的發(fā)展。這是因為液晶材料的光電效應被發(fā)現(xiàn)。因而被應用在低電壓和輕薄短小的顯示組件上。經(jīng)過近30年的發(fā)展，液晶巳形成一個獨立的學科。液晶知識涉及多門學科，如化學、電子學、光學、計算機、微電子、精細加工、色度學、照明等。目前液晶材料已被廣泛應用于計算機顯示屏，電子表，手機，計算器等電子產(chǎn)品上。成為顯示工業(yè)不可或缺的重要材料。

生活中的液晶顯示器2、液晶基礎

（1）物質的第四態(tài)-------液晶

一般常識：

物質像水一樣都有三態(tài)：固體、液體和氣體，通常固體加熱至熔點就變成透明的液體，溫度再升高就變成氣體。其實：物質的三態(tài)是針對水等一類物質而言，對于不同的物質，可能有其它不同的狀態(tài)存在。有些有機材料不是直接從固體轉變?yōu)橐后w，而是先要經(jīng)過中間狀態(tài)，然后才轉變?yōu)橐后w。這種中間狀態(tài)外觀是流動性的混濁液體，同時又有光學各向異性晶體所特有的雙折射特性。液晶的分類方法1.按照液晶的形成條件分類2.按照分子排列的形式和有序性分類按照液晶的形成條件分類

當對某些晶體物質體加熱時，由于溫度的升高破壞結晶晶格，使其任某一溫度范圍內呈現(xiàn)出各向異性的熔體而形成液晶態(tài)。用于顯示的都是可工作于室溫的熱致液晶，由于熱致各向異性的液晶物質的特殊穩(wěn)定的溫度范圍應在室溫以上，只有這類液晶才能作為顯示器件的材料。熱致液晶按照液晶的形成條件分類

有機分子溶解在溶劑中，使溶液中溶質的濃度增加，溶劑的濃度減小，有機分子的排列有序而獲得液晶．溶致液晶肥皂水就是溶致液晶，具有雙折射特性，使肥皂泡表面具有彩虹色彩。構成液晶態(tài)的結構單元１．棒狀分子２．盤狀分子３．由長鏈或盤狀分子連接而成的柔性長鏈聚合物４．由雙親分子自組裝而成的膜熱致液晶按分子的排列有序方式可以分為以下幾種類別：近晶相液晶由棒狀或條狀分子組成，分子排列成層，層內分子長軸互相平行，其方向可以垂直于層面，或與層面成傾斜排列，如圖所示。因分子排列整齊，其規(guī)整性接近晶體，具有二維有序這類液晶分子呈扁平狀，排列成層，層內分子互相平行，分子長軸平行于層平面，不同層的分子長軸方向稍有變化，沿層的法線方向排列成螺旋狀結構

向列相液晶由長徑比很大的捧狀分子所組成，具有類似于普通液體的流動性，分子不能排列成層，它能上下、左右、前后滑動，只在分子長鈾方向上保持相互平行或近于平行。

從宏觀整體上看，向列液晶由于其液晶分子重心混亂無序，可以象液體一樣流動，所有液晶分子的長軸大體指向一個方向，使向列液晶具有單軸晶體的光學特性。而在電學上，又具有明顯的介電各向異性。這樣可以利用外加電場對具有各向異性的向列液晶分子進行控制，改變原有分子的有序狀態(tài)，從而改變液晶的光學性能，實現(xiàn)液晶對外界光的調制，達到顯示目的。向列液晶這種明顯的電學、光學各向異性，加上其粘度較小，使向列液晶成為顯示器件中應用最為廣泛的一類液晶。液晶的三種結構類型向列型（Nematic)：分子傾向于沿特定的方向排列，存在長程的方序．分子的質心位置分布卻是雜亂無章的，不存在長程的位置序．表現(xiàn)出液體的特征，具有流動性．向列型液晶液晶的三種結構類型膽甾型(Cholesteric)：

在膽甾相中，長型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成層狀。它們的長軸在平面上，相鄰兩層間分子長軸的取向規(guī)則地扭轉在一起，角度的變化呈螺旋型。螺旋狀液晶液晶的三種結構類型：近晶型(Smectic)：

棒狀分子相互平行地排列成層狀結構，分子的長軸垂直與層面．在層內，分子的排列具有二維有序性，分子的質心位置排列則是無序的，分子只能在本層內活動．在層間具有一維平移序，層間可以相互滑移．近晶型液晶液晶材料液晶相：具有各向異性的液態(tài)，由各向異性分子構成，且分子傾向定向排列。液晶：凡出現(xiàn)液晶相的物質至今，這些分子均為有機分子，無機分子的液晶還沒有發(fā)現(xiàn)液晶相：處于熔點和清亮點之間的相

在從晶體到液晶，再到液體的相變過程中，Tl為熔點，T2為清亮點。在T1—T2之間為液晶相區(qū)間。液晶分子的光電效應描述液晶分子光電效應的重要物理量：

１．介電系數(shù)２．折射系數(shù)液晶分子的光電性質

液晶分子大多由棒狀或碟狀分子形成,所以與分子長軸平行或垂直方向的物理特征會有所差異，這就是液晶分子結構的異方性．由于液晶分子結構的異方性，所以液晶分子在介電系數(shù)和光電系數(shù)等光電系數(shù)上都具有異方性．液晶顯示中三大光學特性

①能使入射光的前進方向向液晶分子長軸（即指向矢n)方向偏轉；液晶呈單軸的光學各向異性所致，各種液晶顯示器基本上是根據(jù)這三大光學特性而設計制造的。②能改變入射光的偏振狀態(tài)(線偏振、圓侗振、橢圓偏振)或偏振的方向③能使入射偏振光相應于左旋光或右旋光進行反射或者透射。液晶材料的物理性質與顯示技術的關系液晶顯示器(LCD)的基本原理

LiquidCrystalDisplay１．偏振片透光原理２．液晶對光線的調制作用３．常見的三種液晶顯示器液晶顯示器的基本原理偏振片透光原理：偏振片只允許偏振方向與它的偏振化方向平行的光透過，如果讓兩個偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向與第二個偏振片的偏振化方向垂直，光不能通過第二個偏振片．液晶顯示器的基本原理

把液晶放在兩個偏振片之間，如果有光線進入,通過第一個偏振片后，將被液晶分子逐漸改變偏振方向.由于光線沿著分子排列的方向傳播，光線最終將從另一端射出．如果兩玻璃板之間加上電壓，分子排列方向將與電場方向平行，光線由于不能扭轉將不會通過第二個極板．液晶顯示器的基本原理

液晶顯示器就是利用這一特性，在兩塊