從液晶手表的出現開始，液晶就作為電子時代的重要角色分外引人注目。之后又相繼出現了帶有液晶顯示的電子手冊、便攜式電話、情報工具、游戲機、翻譯辭典、文字處理機、筆記本電腦、PC監視器，乃至攝像機、數字相機、多功能電話、可視電話、液晶電視等。如今，液晶已是家喻戶曉、人人皆知的名角了。但名歸名，液晶到底是一種什么物質呢？

什 么 是 液 晶

    通常說物質有三態，即氣、固、液態，其實這是液晶還未被人們認識時的總結。液晶是介于固態和液態之間的一種物態，它具備液體的流動性，又具備固態晶體的排列性質。液晶狀態可以向結晶態和液態相變。變為結晶態時，不僅具有分子取向的有序性，而且分子重心具有周期平移性；變為液態時，失去分子重心周期平移性，也失去了分子取向的有序性，成為完全無序狀態。

    1888年，奧地利科學家賴因策（F.Reinitzer）在布拉格植物生理研究所做實驗時，發現他加熱的化合物熔化后先變成了白濁液體，并且閃現某些顏色，繼續加熱后變成透明液體。于是他又對化合物進行降溫后，重復實驗，依然看到上述現象。賴因策沒有像其他人那樣將這種特有的現象簡單看作是材料不純造成的，而是更精心地制備材料，對顏色的起因進行探究。1888年3月14日，賴因策將樣品寄給德國的年輕結晶學家雷曼（O.Lehmann），并附上一封長信。雷曼經過系統研究，發現有許多有機化合物都具有同樣的性質，這些化合物在混濁狀態，其力學性質與液體相似，具有流動性，而其光學性質與晶體相似，具有各向異性，故取名為液晶（liquid crystal）。

    構成液晶的分子為有機分子，大多為棒狀，即它的長度尺寸為直徑尺寸的5倍以上。由于分子結構的這種對稱性，使得分子集合體在沒有外界干擾的情況下形成分子相互平行排列，以使系統自由能最小。但是，液晶具有液體的流動性，不可能脫離固體容器的盛載，但固體容器表面往往給液晶帶來干擾，破壞液晶整體一致的排列性，而變成一微米至數十微米取向不同的小疇。所以在制作液晶器件時，一定要在基板上附上液晶取向膜，以保持液晶整體的排列。

    液晶具有光學各向異性，沿分子長軸方向上的折射率不同于沿短軸方向上的折射率。如果沿分子長軸方向上的折射率大于沿短軸方向上的折射率，稱為正性液晶，反之稱為負性液晶。偏振光入射正性液晶時有兩種狀況：偏振面平行液晶分子取向，折射率大，光速小；偏振面垂直液晶分子取向，折射率小，光速大。如果沿其他方向入射則會產生雙折射，所以無排列時的液晶疇織構在偏光顯微鏡下觀察呈現五顏六色的美麗圖案，那是由于雙折射產生的尋常光（o光）與非尋常光（e光）的干涉造成的。

液 晶 的 種 類

    液晶在排列方式上主要分三類：向列相、膽甾相、近晶相。

    向列相液晶的排列方式分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性。膽甾相實際是向列相的特殊形式，分子重心無平移周期性，具有分子取向有序性，此外還有與分子取向垂直的螺旋軸，分子取向沿軸旋轉、即連續扭曲狀態。

    向列相液晶和膽甾相液晶目前已具有非常廣泛的應用，尤其是在液晶平板顯示器上的應用，市場極大。液晶顯示器并非液晶本身發光，它是將光源光進行調制顯示圖像，因此無閃爍，長期觀看無疲勞感，是有利于人眼健康的顯示器。但向列相液晶的響應速度較慢，響應時間一般超過20毫秒，最適合做便攜式電腦的顯示器，以及攝像機上的取景器，車載導航儀等，做液晶電視一直存在困難，但近年來，通過技術的改進，液晶電視也已面市。

    近晶相不但具有分子取向有序，而且還具有分子層狀結構，分子重心可在層法線方向上周期平移，但在分子層內仍無平移周期。近晶相更接近晶體結構。實際在近晶相中又可細分很多相態，但多數都沒有應用，只有對近晶相中的鐵電相的研究比較透徹，目前已有很多嘗試性應用。鐵電液晶分子具有固有偶極矩，響應速度大約比向列相液晶快3個數量級，但其器件的制備技術要求很高。

    上述三種液晶均為低分子液晶，其分子長只有2～3納米，直徑約0.5納米。而高分子液晶則有數百個低分子的長度加和，其機械強度極強，美國已利用高分子液晶制作了防彈衣，它在微機械和紡織方面具有巨大的應用前景。

液晶特性及液晶顯示的基本原理

    液晶是彈性連續體，具有彈性畸變的特性。主要有三種彈性畸變形式：展曲、扭曲和彎曲。這三種畸變排列形式被有效地應用在液晶器件的排列模式中，以獲得所需的光學特性和動力學特性。其中最重要的應用是扭曲排列。扭曲排列的液晶具有旋光性質，即入射光的偏振面能沿液晶的扭曲螺旋軸隨液晶排列方向旋轉。這種旋光性質被應用在具有極大市場的顯示器和光調制器上。

    液晶在電場中可誘導極化。向列相液晶分子不像近晶相液晶分子那樣具有固有偶極矩。向列相液晶分子通常呈電中性，因此不分頭尾。但在電場作用下分子中苯環上的電子云很容易發生移動，產生正負電中心，形成誘導偶極子。如果分子的電偶極矩與電場不平行，就會產生旋轉力矩使分子轉動直至電偶極矩平行于電場。

    由于分子中的電子響應速度極快，即使采用交流電場誘導偶極也會產生同樣效果，因偶極矩方向會隨電場迅速發生改變，而電場和偶極矩同時改變方向時力矩方向不變，液晶分子會沿同一方向旋轉，原來是橫向的會豎起來，原來是豎著的會橫倒，從而改變光學效果。實際上液晶的這種光電效應被發現后才產生了一系列液晶器件的重要應用。

    液晶顯示器的制作是將兩塊帶透明電極（ITO）的玻璃基板用數微米直徑的玻璃珠或塑料珠隔墊，邊緣用膠固定，注入扭曲向列相液晶，液晶在上下基板之間扭曲90度，上下基板外側附著兩片光軸互相垂直的偏振片。上側的偏振片光軸與上側基板處的液晶取向平行，下側的偏振片光軸與下側基板處的液晶取向平行。自然光自上基板至下基板入射液晶屏，不加電場時光線通過第一塊偏振片變為平行上基板處液晶取向的偏振光，偏振光被液晶層旋光，轉過90°后正好與下基板處偏振片的光軸相平行，可以透過，作為顯示器的亮態；加電場時液晶分子沿電場方向豎起，原來的扭曲排列變為垂直平行排列，偏振光與垂直排列的液晶不作用，透過第一塊偏振片的偏振光通過液晶層時偏振面不再發生旋轉，到達出射端的偏振片時，偏光軸與出射光的偏振方向垂直，光被截止，呈現暗態。如果電場不特別強，液晶分子處于半豎立狀態，旋光作用也處于半完全狀態，則會有部分光透過，呈現中間灰度。這就是液晶顯示器的工作原理。

    顯示漢字和圖像的顯示器，要將上下基板的電極刻蝕成條形，兩基板上的條形電極垂直對置，形成矩陣電尋址形式。隨著電極條數的增多，將出現矩陣屏中的交叉效應。為防止交叉效應，在電極線數目很多的屏中要做上薄膜晶體管（TFT），在下基板上對應每一象素都有一薄膜晶體管。晶體管作為開關，選通的象素為開態，未選通的象素為關態。為了具有彩色顯示，屏中每一個象素又分為三個亞象素，對應紅、藍、綠三基色彩色濾光膜，因此晶體管的數目要增加3倍。三個亞象素的光強分別進行調制，通過加法混色獲得彩色顯示。

    在液晶器件的玻璃基板最表層上都要有一層取向膜，其作用是使液晶沿預定方向取向。這一層膜雖薄，約在50～150納米之間，但卻是液晶器件的關鍵部分。液晶內部的取向通常服從表面的取向，如果不服從就會產生畸變，使體系能量增高。所以研究表面取向成為研究液晶器件的最重要部分，如液晶的預傾角控制涉及到驅動電壓閾值、扭曲角度的嚴格定位涉及到對比度、彎曲型排列可以提高響應速度、同一象素中的多疇排列可以提高視角寬度等，都是利用表面取向過程。常規取向膜是采用高分子膜的印刷辦法，然后用長纖維布定向摩擦基板表面的高分子膜，從而獲得使液晶取向的方向，稱之為自由軸方向。

    摩擦取向簡便易行，產業上均使用這種方法。但摩擦容易產生靜電，也容易掉落異物，使背電極處的TFT擊穿。因此人們希望能用其他方式來取代摩擦取向處理，目前最熱門的取向研究是光控取向膜的制備研究。光控取向膜的制備是利用光敏有機分子在偏振光照射下的定向聚合或發生異構體轉變來使液晶取向，甚至使液晶的取向在兩個狀態間切換。光控取向是非接觸性取向方法，能夠克服摩擦取向的缺點，目前它的穩定度還不夠高，該問題一旦克服，光控取向的應用前景將會是巨大的。

液晶應用展望

    由于液晶顯示器的輕便、節能和低壓驅動，目前已經廣泛應用在便攜式器件上。同時由于薄膜晶體管陣列（TFT）的進步，有源層從無定形硅（a-Si）發展到多晶硅（p-Si），TFT響應速度大幅度提高，小尺寸高分辨率的投射式液晶屏也已廣泛應用在便攜投影儀上。用于微顯示的硅基板上的液晶發展迅速，已開始走向市場。超低能耗的反射式液晶顯示屏，正在進行著提高亮度、降低成本等產業化前的準備。這種超低能耗的優勢在于更強的便攜性，以筆記本電腦為例，其電池現在可連續使用4小時，而換成反射式液晶屏的話，電池可連續使用4日以上。液晶材料上的改進，使顯示器的響應速度逐步提高，大尺寸液晶電視已成為可能。同時視角方面的研究也取得了突破性進展，30英寸（76厘米）液晶電視已在日本電子產品市場上出現。日本夏普公司已設計了以37英寸（94厘米）電視為主導產品的第六代TFT液晶生產線，韓國三星公司設計了以46英寸（117厘米）電視為目標的生產線。從1990年到2000年間全球的液晶產品產值以20%的年增長率增長，預計這一增長率會保持到2010年。

    液晶不但可以調制光強還可以調制光相位，因此各種光相位補償器、波前校正器、捷變光束技術、非線性光學、可調變光柵、變焦透鏡等液晶光學方面的研究正蓬勃展開，液晶將在光通訊、立體成像、圖像存儲、軌道探測、甚至人眼視網膜診斷等醫療方面產生重大應用。