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1、平板显示技术 戴晔办公室 数理楼40215739185715yedai 一氦氖激光器 发出波长632 8nm激光束0 01W 发散角为1毫弧度 求 已知632 8nm的光见度函数值V 0 24 1 此激光束的光通量及发光强度 2 假定输出光束截面直径为1mm 则其光亮度是多少 3 此光束射在距激光器10m远的白色屏幕上 求其在幕上光照度 练习题 解 1 632 8nm的光见度函数值V l 0 24由1W 685 Vllm 即1瓦632 8nm光相当于685 0 24 164 4lm所以10毫瓦F 164 4 10 10 3 1 644lm 由 太阳到达地球表面的亮度为1 5 109cd m2
2、2 3 在10m的屏幕上产生的照度 1 液晶的化学性质2 液晶的物理性质3 液晶的光学性质 液晶的化学 物理及光学性质 前言物质的状态 物质由分子组成 常见的物质状态是 气态 液态和固态 气态 具有扩散性 无固定体积 形状 有压力 液态 具有流动性 有固定体积 无固定形状 固态 有固定体积 有固定形状 组成物质的分子在不停地运动 并且分子间存在着相互作用力 引力和斥力 固体内部粒子的相互作用力最强 液体次之 气体最弱 晶体学知识 一 液晶化学 1 液晶的发展史液晶研究已有上百年历史 早在1850年 普鲁士医生鲁道夫 菲尔绍 RudolfVirchow 等人就发现神经纤维的萃取物中含有一种不寻常
3、的物质 1888年 奥地利布拉格大学的植物生理学家斐德烈 莱尼茨尔 F Reinitzer 在测定有机化合物熔点时 发现安息香酸胆固醇脂在熔化后经历了一个不透明的浑浊液态阶段 继续加热 才成为透明的各向同性的液体 这种浑浊的液体中间相具有和晶体相似的性质 F Reinitzer 100年前液晶现象的发现者 奥地利植物生理学家 莱尼茨尔反复确定他的发现后 将这种现象告诉给晶体学家诺发斯基 VanZepharovich 诺发斯基没办法回答他的疑问 建议他向德国亚琛大学物理学教授奥托 雷曼 OttoLehmann 请教 3月14日 莱尼茨尔写了一封16页的长信寄给雷曼 雷曼了解这一情况后 制造了一座
4、具有加热功能的显微镜 去观察这些脂类化合物结晶的过程 后来还加上了偏光镜 此后雷曼对这些物质进行了系统性研究 发现了100多种类似性质的材料 他发现 这类白而浑浊的物质外观上虽然属于液体 但却显示出异性晶体特有的双折射性 雷曼证实了此中间相态具有光学各向异性 因此这种兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性的材料被称为液晶 德国物理学家奥托 雷曼 OttoLehmann 1855 1922年 1913年至1922年间 雷曼多次被提名为诺贝尔物理学奖候选人 但是由于液晶研究当时还不被学术界广泛认可 所以最终还是没能获奖 1922年6月17日 雷曼在德国卡尔斯鲁厄去世 他为后世留下了物理学的一个全新篇
5、章 可惜的是 雷曼所发现的液晶现象在当时并没有得到实际的应用 甚至几乎被遗忘了有将近六十年 物质液晶态出现的普遍过程 胆固醇苯甲酸脂是世界上首次被发现具有液晶相的化合物 其状态随温度变化 胆固醇苯甲酸脂特性 由此发现热致液晶 即在热的作用下产生一种液晶相态 Cholesterylbenzoate胆固醇苯甲酸脂 20世纪20 70年代 液晶化学家合成了大量的液晶材料 主要是氧化偶氮茴香醚等 液晶物理学家对液晶的性质进行了大量的研究 如液晶相态的划分 液晶连续体理论的创立 1958年 介电各向异性 1926 1932年 向列相的变形和阈值 1927年 和摩擦法制备单畴液晶并研究光学各向异性 196
6、0 1968年 进行了液晶热图术的应用研究 即利用胆甾相 Ch 液晶的光选择性反射原理 制造了液晶温度计 1961年 RCA公司的乔治 海尔迈耶 G H Heilmeir 博士提出了液晶显示原理 使应用朝向液晶平面显示器 1968年 首次合成了室温液晶材料 MBBA 液晶显示技术的快速发展 MBBA化学名 4 3 甲基 2 丁烯氧基 苯甲醛 分子式 C12H14O2由碳氢氧三种元素组成 显示稳定液晶状态的温度范围21 47 1980年日立实验低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器 LTPSTFT LCD 1990年开始应用彩色STN LCD到笔记本电脑上 1991年 夏普开发了世界上第一台14英寸彩色
7、薄膜晶体管液晶显示器 TFT LCD 开创了液晶显示器的历史 1971年 德国科学家W 海尔弗里希 W Helfrich 在 应用物理快报 上发表了一篇两页纸的论文 提出了 扭曲丝状相液晶 TN 显示器 的原理 这篇论文奠定了今天液晶显示技术的原理 并获得首次欧洲物理学会凝聚态物理最高奖 惠普奖 1973年后为液晶使用化和应用研究多样化时期 日本的Sharp和Seiko Epson开发出了向列型液晶平面显示器 TN LCD 1972年P Brody提出主动型矩阵模式 AM LCD 1980到1983则有铁电性液晶平面显示器 1983到1985年发明超扭曲向列性液晶平面显示器 STN LCD 1
8、983年精工研制的这款1 2英寸的DXA001型 出口型号为T001 彩色液晶电视手表 具有划时代意义 它首次展现出液晶显示技术的潜在价值 因为在此之前 液晶显示从未超出8位计算器和电子表这类既简单又转换缓慢的应用 显示屏主要是灰阶显示 没有彩色 这款手表电视采用的LCD液晶屏中 加入了蓝色二极性染料 使得屏幕可以出现蓝白10度灰阶显示 屏幕尺寸为1 2英寸 16 8 25 2mm 拥有31920个像素 手表只是显示终端 需要用一根电线穿过袖筒 连接到上衣口袋的谐调器 185克重 上才能接收电视信号 一组电池可供运行5个小时 这在当时是了不起的成就 右侧为1987年夏普研制的3C E1型3英寸
9、TFT 薄膜晶体管 液晶电视 是为TFT液晶的鼻祖 1973年上市的SharpEL 805 是第一台使用TN LCD液晶显示器的掌上计算器 1986年IBM推出的PCconvertible5140 左图 是其第一款笔记本电脑 采用8080处理器 4 77MHz主频 256K内存 两个3 5寸软驱 内置电池 重达5 5公斤 运行DOS3 2操作系统 它采用一块640 200分辨率的TN LCD液晶屏 1992年10月5日面市的ThinkPad700C 右图 是IBM第一台以ThinkPad命名的笔记本电脑 采用486SL处理器 25MHz主频 16MB内存 120MB硬盘 重量达3 5公斤 运行
10、Windows3 1操作系统 它采用一块10 4英寸TFT液晶屏 分辨率达到VGA 640 x480 水平 2 液晶的分类液晶是同时具有液体的流动性和晶体的各向异性的物质状态 液晶化合物一般根据形状和性质进行分类 2 1液晶分子几何形状分类 1 棒状分子 目前实用化的液晶材料 有近10万种 2 碟状分子 目前有大量文章发表 主要用在显示和存储技术等 3 条状分子 短而粗的分子 除棒状分子 碟状分子 条状分子以外 还有其他类型的液晶分子 如碗状分子 燕尾状分子等 2 2液晶分子的大小分类 1 小分子液晶 分子量较小 主要应用于液晶显示 2 高分子液晶 分子量较大 类似一般的高分子 主要用于高强度
11、材料 2 3液晶态形成的方式分类 1 热致液晶 2 溶致液晶 3 两性液晶 溶致液晶 热致液晶 这种液晶在一定的温度范围内存在 在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶 在某些情况下 液晶态只在低于熔点的温度下稳定存在 并且只能随着温度的降低才能得到液晶态 这种类型的热致液晶称为单变液晶 这种液晶是由极性 双亲 化合物和某些溶剂 如水 的作用而形成的 它们存在于一定的区域内 并随浓度和温度的变化而变化 请问胆固醇苯甲酸脂是哪类液晶 热致性液晶的应用 信息存储介质 首先将存储介质是固态透光的向列型液晶 所测试的入射光将完全透过 没有信息被记录 如果用另一束激光照射液晶盒 辐照的区域
12、温度会升高 聚合物熔融成各向同性的液体 聚合物失去了有序度 激光消失后 聚合物恢复成不透光的状态 信号被记录 此时 测试光照射时 将只有部分光透过 记录的信息在室温下将永久被保存 再加热到熔融态后 分子重新排列 消除记录信息 等待新的信息录入 因此可反复读写 热致性侧链高分子液晶为基材制作信息存储介质同光盘相比 由于其记录的信息是材料内部特征的变化 因此可靠性高 且不拍灰尘和表面划伤 适合与重要数据的长期保存 3 液晶的相态结构液晶的相结构是由分子排列 分子构型和分子间相互作用来描述的 法国晶体学家弗里德尔 Friedel 按液晶的排列方式 将其分为胆甾相型 向列相型 近晶相型 向列型 分子倾
13、向于沿特定的方向排列 存在长程的方序 分子的质心位置分布却是杂乱无章的 不存在长程的位置顺序 表现出液体的特征 具有流动性 向列相液晶 向列相液晶显微镜照片 可以通过偏光显微镜下观察到这种垂直织构的假性各向同性 向列型液晶材料的代表性分子结构 近晶型 棒状分子相互平行地排列成层状结构 分子的长轴垂直与层面 在层内 分子的排列具有二维有序性 分子的质心位置排列则是无序的 分子只能在本层内活动 在层间具有一维平移序 层间可以相互滑移 近晶相液晶 近晶相液晶显微镜照片 近晶C相条纹织构 焦锥织构是更复杂的扇形或多边形的系列直线和曲线 近晶A相扇形织构 镶嵌织构是固有倾斜的图像 近晶相液晶材料的代表性
14、分子结构 胆甾型 在胆甾相中 长型分子是扁平的 依靠端基的相互作用 依次平行排列成层状 它们的长轴在平面上 相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起 角度的变化呈螺旋型 胆甾相液晶 胆甾相液晶显微镜照片 胆甾相液晶这种特殊的分子排列方式 使其具有一系列特殊的性质 不同于上述两种液晶材料 它是呈负性的单轴光学特性 光轴与分子层垂直 沿该轴向的折射率很小 它的旋光性很强达每毫米几万度 远高于石英晶体 它的螺距极易受外力而改变 故可用调节螺距的方法对外界光进行调制 当入射光与光轴成q角度照射时 由布拉格干涉方程由于胆甾相液晶分子的螺旋排列还使其在特定波长范围内具有圆偏振二向色 温度上升 液晶分子螺旋
15、排列的螺距收缩 恰好发生反射的圆偏振光的波长随之变短 因此 温度升高部分液晶的颜色向更短波长光的颜色变化 例如 在室温 20 时 螺旋螺距为515nm的液晶 只对大致绿色发生选择性反射 而当置于手上时 液晶温度变得与体温大致相同 如36 在这一温度下 螺旋螺距收缩到大约440nm 从而发生选择反射的颜色大致呈蓝紫色 胆甾相液晶材料的代表性分子结构 4 液晶的化学结构与性质的关系只有具有分子结构各向异性的化合物才可能产生液晶相态 据统计 在全部的有机物中 能形成液晶态的分子大约占5 一般来说 可以形成液晶态的分子要满足以下三个条件 分子形状各向异性 分子的长径比 l d 4 如细长棒状 平板状或
16、盘状 分子长轴不易弯曲 有刚性 且为线性结构 如含有多重键 苯环等刚性基团 分子末端含有极性或可以极化的基团 通过分子间电性力 色散力等使分子保持取向有序 液晶分子的结构可以用以下通式表示 式中长方框表示分子中的刚性环状结构 如1 4 苯基 2 6 苯环 1 4 环已基等 X和Y为刚性基团上的取代基 可为烷基 烷氧基 硝基 卤素等 L为两环之间的连接基 可以为酯基 酰胺基 偶氮基 氧化偶氮基 反式乙烯基等 环与环之间还可直接相连 如联苯 三联苯等 5 分子结构影响液晶的相态不同的分子结构可以产生不同的液晶相态 如近晶 S 相 向列 N 相等 液晶材料可能只有S相或N相 也有可能具有多种相态 液晶分子的结构和相态的关系可应用下列理论解释 即通过分子结构中的各个基团的性质 判断液晶分子的侧向引力和末端引力的相对大小来解释液晶相态的类型 若分子的末端引力 侧向引力 易形成N相 若分子的侧端引力 末向引力 易形成S相 液晶材料的分子结构影响液晶的下列物理性质 相变温度 S N N I S I等 介电各向异性 折射率各向异性 n 和黏度 1 相变温度相变温度 指化合物各种相态之间的转变温度 熔点
