解析液晶

液晶概述

液晶（Liquid Crystal）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(kāi)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(chēng)相）為氣、液、固，較為生疏的是電漿和液晶（Liquid Crystal，簡(jiǎn)稱(chēng)LC）。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(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。
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(jī)化合物，它有兩個(gè)熔點(diǎn)。把它的固態(tài)晶體加熱到145℃時(shí)，便熔成液體，只不過(guò)是渾濁的，而一切純凈物質(zhì)熔化時(shí)卻是透明的。如果繼續(xù)加熱到175℃時(shí)，它似乎再次熔化，變成清澈透明的液體。后來(lái)，德國(guó)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(chēng)它為有機(jī)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(jiàn)的用途是電子表和計(jì)算器的顯示板，為什么會(huì)顯示數(shù)字呢？原來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)換成字符、圖像等可見(jiàn)信號(hào)。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(chǎng)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(chǎng)調(diào)制的光學(xué)現(xiàn)象。
一些有機(jī)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(dòng)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(chēng)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(huì)變色的特點(diǎn)，人們利用它來(lái)指示溫度、報(bào)警毒氣等。例如，液晶能隨著溫度的變化，使顏色從紅變綠、藍(lán)。這樣可以指示出某個(gè)實(shí)驗(yàn)中的溫度。液晶遇上氯化氫、氫氰酸之類(lèi)的有毒氣體，也會(huì)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(bǔ)漏。
液晶種類(lèi)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(lèi)。目前已合成了1萬(wàn)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(lèi)液晶等。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(lèi)型的液晶顯示器，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。

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(guó)物理學(xué)家?jiàn)W托‧雷曼（Otto Lehmann）運(yùn)用偏光顯微鏡首次觀察到了液晶化的現(xiàn)象，但他對(duì)此一現(xiàn)象的成因并不了解。
奧地利布拉格德國(guó)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(shí)的異常表現(xiàn)。它在145.5℃時(shí)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(lán)色，又在結(jié)晶開(kāi)始的前一刻，顏色是藍(lán)紫的。
萊尼澤反復(fù)確定他的發(fā)現(xiàn)后，向德國(guó)物理學(xué)家雷曼請(qǐng)教。當(dāng)時(shí)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(guò)程，后來(lái)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(shí)開(kāi)始，雷曼的精力完全集中在該物類(lèi)物質(zhì)。他初時(shí)之為軟晶體，然后改稱(chēng)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（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(lái)被譽(yù)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(jì)，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(xì)晶體懸浮在意體形成膠體之現(xiàn)象。涅斯特（W. Nernst）則認(rèn)為液晶只是化合物的互變異構(gòu)物之混合物。不過(guò)，化學(xué)家伏蘭德（D. Vorlander）的努力由聚集經(jīng)驗(yàn)使他能預(yù)測(cè)哪一類(lèi)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(lèi)

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(guó)人弗里德（G. Friedel）仔細(xì)分析當(dāng)時(shí)已知的液晶，把他們分為三類(lèi)：向列型（nematic）、層列型（smectic）、膽固醇型（cholesteric）。名字的來(lái)源，前兩者分別取自希臘文線(xiàn)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(lèi)法，它們屬于手向列型。其實(shí)弗里德對(duì)液晶一詞不贊同，他認(rèn)為“中間相”才是最合適的表達(dá)。
1970年代才發(fā)現(xiàn)的碟型（discotic）液晶，是具有高對(duì)稱(chēng)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(lèi)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(shí)，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(shí)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(chēng)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(dá)到液晶狀態(tài)之力量，聽(tīng)力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有極性基團(tuán)時(shí)，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(guò)一定手續(xù)處理，就可形成不同的紋理。
類(lèi)固醇型液晶，因螺旋結(jié)構(gòu)而對(duì)光有選擇性反射，利用白光中的圓偏光，最簡(jiǎn)單的是根據(jù)變色原理制成的溫度計(jì)（魚(yú)缸中常看到的溫度計(jì)）。在醫(yī)療上，皮膚癌和乳癌之偵測(cè)也可在可疑部位涂上類(lèi)固醇液晶，然后與正常皮膚顯色比對(duì)（因?yàn)榘┘?xì)胞代謝速度比一般細(xì)胞快，所以溫度會(huì)比一般細(xì)胞高些）。
電場(chǎng)與磁場(chǎng)對(duì)液晶有巨大的影響力，向列型液晶相的介電性行為是各類(lèi)光電應(yīng)用的基礎(chǔ)（用液晶材料制造以外加電場(chǎng)超作之顯示器，在1970年代以后發(fā)展很快。因?yàn)樗鼈冇行∪莘e、微量耗電、低操作電壓、易設(shè)計(jì)多色面版等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)因?yàn)樗鼈儾皇前l(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(wú)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(shí)，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(shí)在難以估計(jì)。液晶性類(lèi)固醇、脂肪類(lèi)的化合物分布極廣，細(xì)胞膜不能沒(méi)有這些成分，而細(xì)胞分裂也有賴(lài)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(jià)格和市場(chǎng)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(diǎn)，目前VA型面板分為兩種：MVA、PVA。
MVA型：全稱(chēng)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(shí)并非傳統(tǒng)的直立式，而是偏向某一個(gè)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(guò)則更為快速，這樣便可以大幅度縮短顯示時(shí)間，也因?yàn)橥怀鑫锔淖円壕Х肿优湎?，讓視野角度更為寬廣。在視角的增加上可達(dá)160度以上，反應(yīng)時(shí)間縮短至20ms以?xún)?nèi)。
PVA型：是三星推出的一種面板類(lèi)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(duì)比度。此外在這兩種類(lèi)型基礎(chǔ)上又延出改進(jìn)型S-PVA和P-MVA兩種面板類(lèi)型，在技術(shù)發(fā)展上更趨向上，可視角度可達(dá)170度，響應(yīng)時(shí)間被控制在20毫秒以?xún)?nèi)（采用Overdrive加速達(dá)到8ms GTG），而對(duì)比度可輕易超過(guò)700:1的高水準(zhǔn)，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(xì)膩等優(yōu)點(diǎn)，看上去比較通透，這也是鑒別IPS型液晶面板的一個(gè)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(diǎn)推出的液晶面板。
TN型：這種類(lèi)型的液晶面板應(yīng)用于入門(mén)級(jí)和中端的產(chǎn)品中，價(jià)格實(shí)惠、低廉，被眾多廠商選用。在技術(shù)上，與前兩種類(lèi)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(dá)到16.7M色彩（6bit面板）但響應(yīng)時(shí)間容易提高?？梢暯嵌纫彩艿搅艘欢ǖ南拗?，可視角度不會(huì)超過(guò)160度。現(xiàn)在市場(chǎng)上一般在8ms響應(yīng)時(shí)間以?xún)?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(chēng)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(huà)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(gè)畫(huà)素由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：懸浮于兩個(gè)透明電極(氧化銦錫)間的一列液晶分子，兩個(gè)偏振方向互相垂直的偏振過(guò)濾片，如果沒(méi)有電極間的液晶，光通過(guò)其中一個(gè)過(guò)濾片勢(shì)必被另一個(gè)阻擋，通過(guò)一個(gè)過(guò)濾片的光線(xiàn)偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過(guò)另一個(gè)。
液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個(gè)畫(huà)素或者子畫(huà)素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過(guò)的光線(xiàn)同時(shí)也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過(guò)偏振過(guò)濾片。
在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無(wú)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(guò)一個(gè)過(guò)濾片的光線(xiàn)在通過(guò)液芯片后偏振防線(xiàn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線(xiàn)能夠通過(guò)另一個(gè)偏振片，一小部分光線(xiàn)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(chǎng)方向排列，因此限制了透過(guò)光線(xiàn)偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過(guò)的光線(xiàn)其偏振方向?qū)⒑偷诙€(gè)偏振片完全垂直，因此被光線(xiàn)完全阻擋了，此時(shí)畫(huà)素不發(fā)光，通過(guò)控制每個(gè)畫(huà)素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫(huà)素的光線(xiàn)，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(huì)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(gè)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(jì)保證每個(gè)畫(huà)素由一個(gè)獨(dú)立的電源控制，電子設(shè)備或者驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的軟件通過(guò)控制電源的開(kāi)/關(guān)序列，從而控制畫(huà)素的顯示。
檢驗(yàn)LCD顯示器的指標(biāo)包括以下幾個(gè)重要方面：顯示大小，反應(yīng)時(shí)間(同步速率)，陣列類(lèi)型（主動(dòng)和被動(dòng)），視角，所支持的顏色，亮度和對(duì)比度，分辨率和屏幕高寬比，以及輸入接口（例如視覺(jué)接口和視頻顯示陣列）。

簡(jiǎn)史
第一臺(tái)可操作的LCD基于動(dòng)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(kāi)發(fā)了這種LCD。海爾曼創(chuàng)建了奧普泰公司，這個(gè)公司開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)在瑞士被仙特和赫爾弗里希霍夫曼-勒羅克中央實(shí)驗(yàn)室注冊(cè)為專(zhuān)利。 1969年，詹姆士•福格森在美國(guó)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(chǎng)效應(yīng)并于1971年2月在美國(guó)注冊(cè)了相同的專(zhuān)利。1971年他的公司（ILIXCO）生產(chǎn)了第一臺(tái)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(xiàn)會(huì)沿著液晶分子的間隙前進(jìn)而轉(zhuǎn)折90度，所以光可通過(guò)。但加入電壓后，光順著液晶分子的間隙直線(xiàn)前進(jìn)，因此光被濾光板所阻隔。
液晶是具有流動(dòng)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(yùn)動(dòng)，以最常見(jiàn)普遍的向列型液晶為例，液晶分子可輕易的借著電場(chǎng)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(chǎng)移除消失時(shí)，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(lái)未加電場(chǎng)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(gè)屏幕背后的光源照亮，而觀看則在屏幕另一邊(前面)。這種類(lèi)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(jī)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(jiàn)于電子鐘表和計(jì)算機(jī)中，（有時(shí)候）由后面的散射的反射面將外部的光反射回來(lái)照亮屏幕。這種類(lèi)型的LCD具有較高的對(duì)比度，因?yàn)楣饩€(xiàn)要經(jīng)過(guò)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?yàn)樾⌒偷姆瓷湫蚅CD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(jì)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(xiàn)很足的時(shí)候，該LCD按照反射型工作，而當(dāng)外部光線(xiàn)不足的時(shí)候，它又能當(dāng)作透射型使用。

彩色顯示
彩色LCD中，每個(gè)畫(huà)素分成三個(gè)單元，或稱(chēng)子畫(huà)素，附加的濾光片分別標(biāo)記紅色，綠色和藍(lán)色。三個(gè)子畫(huà)素可獨(dú)立進(jìn)行控制，對(duì)應(yīng)的畫(huà)素便產(chǎn)生了成千上萬(wàn)甚至上百萬(wàn)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(huà)素幾何原理進(jìn)行排列。

（編輯：文靜）