液晶顯示材料

液晶分子按幾何形狀可分為棒狀分子、板狀分子和碗狀分子。棒狀液晶分子可用於液晶顯示，板狀分子液晶應用於液晶顯示器的光學補償膜，而碗狀分子液晶則尚未應用，棒狀液晶的相對分子質量一般在200~500，寬約幾個埃，長數納米，長寬比4~8棒狀液晶分子是由中心部和末端基團組成的。中心部是由剛性中心橋鍵連接苯環（或聯苯環、環己烷、嘧啶環、醛環等）。中心橋鍵是雙鍵、酯基、甲亞氨基、偶氮基、氧化偶氮基等功能團，這蝗功能團和苯環類組成訂電子共軛體系，形成整個分子鏈不易彎曲的剛性體。末端基團有烷基、烷氧基、酯基、羧基、氰基、硝基、氨基等，末端基直鏈長度和極性基團的極性使液晶分子具有—定的幾何形狀和極性。中心和末端基不同組合形成不同液晶相和不同物理特性。

液晶分子棒狀結構的特性使其沿分子長軸方向光的折射率與垂直長軸方向光的折射率並不相等，液晶折射率上的各向異性產生入射光的雙折射，導致入射偏振光的偏振狀態和偏振方向發生變化。在電場的作用下，液晶分子偶極矩要按電場的方向取向，使分子原有的排列方式受到破壞，從而使液晶的光學性能變化，如原來是透光的則變成不透光，或者相反、這種因外加電場的作用導致液晶光學性能發生變化的現象稱為液晶的電光效應。 ^[1] 

液晶分子的幾何形狀、極性官能團位置和極性大小、苯環面向以及分子之間的相互作用等諸因素決定了液晶的物理性能和各向異性。在顯示應用中液晶材料的主要物理參數有相變温度、粘度、介電常數和折射率等。

1)相變温度。對熱致性液晶來説，相變温度決定液晶態存在的温度範圍和各相存在的範圍。向列相液晶的相變温度是指固態晶體轉變成向列相液晶的温度(下限温度)和各向異性的向列相液晶轉變成各向同性液態的温度(上限温度)。上、下限温度範圍就是液晶存在的温度範圍。液晶的相變温度是用差熱分析和偏光顯微鏡方法測量的。單體液晶很難滿足顯示所需要的很寬温度範圍，通常採用多組分液晶混合的方法來拓寬液晶存在的温度範圍。

2)粘度。液晶的響應速度與粘度有着密切的關係，而粘度的大小又與温度有關，粘度也有各向異性，向列相液晶的粘度在指向矢方向小，近晶相液晶的粘度在分子層平行方向小。

3)介電常數。介電常數是液晶材料的主要電學性能參數。

4)折射率。折射率同樣有各向異性，在液晶分子中苯環、聯苯環、雙重鍵等組成的中心部。電子在分子長軸方向上容易極化。 ^[2] 

根據液晶形成的條件，液晶材料可分為熱致型液晶和溶致型液晶。

1、溶致型液晶。有些材料在溶劑中處於一定的濃度區間內會產生液晶，這類液晶我們稱它為溶致液晶。例如可以利用溶致型液晶聚合物的液晶相的高濃度、低黏度的特性進行液晶紡絲製備高強度、高模量的纖維。溶致型液晶材料廣泛存在於自然界、生物體中，與生命息息相關，但在顯示中尚無應用。溶致型液晶生成的例子是肥皂水。在高濃度時，肥皂分子呈層列性，層間是水分子。濃度稍低，組合又不同。

2、熱致型液晶。熱致型液晶分子會隨温度上升而伴隨一連串相轉移，即由固體變成液晶狀態，最後變成等向性液體，在這些相變化的過程中液晶分子的物理性質都會隨之變化，如折射率、介電異向性、彈性係數和黏度等。在熱致型液晶中，根據液晶分子排列結構分為三大類：近晶相、向列相和膽甾相。其中近晶相的棒狀分子按分子長軸方向互相平行，分層排列，分子只能在層內轉動或滑動，不能在層間移動。向列相的棒狀分子按分子長軸方向互相平行交錯排列，分子可以轉動，可以上下滑動，流動性好，是用於顯示的主要類型。 ^[3] 

任何已有的單質液晶都無法滿足顯示器件的所有要求。顯示器件中實際使用的液晶材料通常都由二十幾種甚至三十幾種單質液晶混合而成。下面介紹幾類常見的液晶顯示材料。

1)安息香酸酯類。這類液晶化合物中心部兩個苯環之間由酯類連接，液晶穩定性好，化合物品種豐富，具有多種性能，混合液晶的主要組分得到廣泛應用，這類液晶兩端均為烷基時，粘度高，末端基為氰基時，液晶具有正介電各向異性，常應用於低閾值、多路驅動顯示。

2)聯苯類和聯三苯類。這類液晶是正性液晶，是末端基團為烷氧基的氰基聯苯液晶化合物。它具有五色、化學性能穩定、光化學性能穩定、介電各向異性及粘度和折射率適中的特點，廣泛應用於LCD。氰基聯苯液晶和氰氧聯三苯液晶混配可增寬温度範圍，增大雙折射率，改進多路驅動性能。

3)苯基環己烷基類和聯苯基環基類。這類液晶化合物其特點是穩定性好，粘度低，因而成為非常有用的LCD材料。聯苯基環己烷基類液晶的向列相—各向同性温度高。用於寬温度混合液晶 ^[1]  。