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大学物理综合设计实验
1.7.1 背景知识
背景知识

液晶(即液态晶体Liquid Crystal,LC)是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的,而液晶既具有液体的流动性,其分子又按一定规律有序排列,使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时,会产生偏振面旋转、双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子。在电场作用下,偶极子会按电场方向取向,导致分子原有的排列方式发生变化,从而液晶的光学性质也随之发生改变,这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。

菲德烈·莱尼茨尔
(Friedrich Reinitzer,1857~1927)
奥地利植物学家

奥托·雷曼
(Otto Lehmann,1855~1922)
德国物理学家

液晶可分为热致(thermotropic)液晶与溶致(lyotropic)液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性,溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶,它的特性随温度的改变而有一定变化。

液晶发现的历史已相当久远,1854年有人发现肥皂水以及神经细胞含适量水时,会变成具有光学均向性的有机分子集合体(溶致型液晶/浓度转变型液晶),这是液晶最早期的发现。

1888年,奥地利植物学家莱尼茨尔在研究植物中胆固醇的过程中,当他得到我们现在熟知的胆固醇苯甲酸酯时,发现这种化合物具有两个熔点的奇特现象:加热固体样品时,可以观察到晶体变为雾浊的液体;当进一步升高温度时,雾浊的液体突然变成清亮的液体(热致型液晶)。更重要的是,在两个熔点之间,他观测到了双折射现象和相应的颜色变化。莱尼茨尔对此百思不解,于是他写信给著名的晶体学家诺发斯基对此也很惊奇,于是又推荐莱尼茨尔给当时著名的德国物理学家、研究相变的权威雷曼写信。

雷曼在收到莱尼茨尔寄给他的两个样品后,对其进行了测定,并确认了莱尼茨尔的发现:在145.5℃物质变为雾浊状液体,升温至178.5℃时变为清亮;降温时先变为蓝色,然后是雾浊状;进一步降温,变为紫色,最后变为白色固体。异常的双熔点现象发现不久,液晶的另一个基本性质——双折射也在许多有机物中得以发现。由于生物体内许多物质具有晶体才有的双折射现象,因此这种物质被称为活晶体。雷曼进一步对莱尼茨尔的胆固醇物质进行了细致的研究,之后不久发表了题为“About Liquid Crystal”的文章。

1961年美国RCA公司的Heimeier发现了液晶的一系列电光效应,并制成了显示器件(LCD)。从20世纪70年代开始,日本公司将液晶与集成电路技术结合,制成了一系列的液晶显示器件,并在这一领域保持领先地位。液晶显示器件由于具有驱动电压低(一般为几伏)、功耗极小、体积小、寿命长、环保无辐射等优点,在当今各种显示器件中具有独特优势。