3.1　液晶结构

液晶是介于液态和结晶态（固态）之间的软物质，兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性。液晶态的分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维的长程有序性。物质的各种状态都是基于一定的温度范围存在的：液晶在?50℃左右的低温，一般呈白色塑料状的晶体状态；随温度上升，液晶逐渐变软，呈透明的油脂状黏性流体状态；温度在室温附近，液晶黏度变得更小，呈白糖水状态；温度上升到一定程度，液晶会融化成各向同性的液体；如果温度继续上升到100℃左右，液晶就变成了透明的液体。变为透明时的温度叫作液晶的清亮点。

绝大多数的液晶分子呈棒状或条形状，其分子结构细长，中心区域由两三个环构成分子核。液晶的分子结构如图3-1所示，环与环之间直接相连或通过一个中央基团相连接，分子的两端由末端基团X和Y组成，两端的基团一般不一样。液晶分子的中心区域具有一定的刚性，这种刚性结构的存在，决定了液晶分子呈现出一种线状结构，同时使液晶能够像结晶那样相互规则地排列。液晶分子末端基团具有一定的柔软性，对液晶材料的介电、光学和其他各向异性的性质起着主要作用，同时，这种柔性结构的存在，决定了液晶分子具有永久偶极矩或感应偶极矩，也使液晶能够像液体那样自由地移动。

图3-1　液晶的分子结构

按分子量的高低不同，液晶可以分为高分子液晶与低分子液晶。TFT-LCD采用的是低分子液晶。根据成分和出现液晶态的物理条件不同，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。把某些有机物加热溶解，破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。把某些有机物放在一定的溶剂中，在一定的溶液浓度下，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶。常见的溶致液晶有肥皂水等，在生物系统中也存在大量溶致液晶，如细胞膜等。目前，用于TFT-LCD显示的液晶材料基本上都是热致液晶。

根据液晶分子排列的平移和取向有序性，热致液晶可分为近晶相液晶和向列相液晶。图3-2给出了近晶相和向列相液晶分子的聚集状态。如图3-2（a）所示，近晶相液晶的分子短轴方向引力强，分子分层排列，比较接近晶体，又叫层状液晶。近晶相液晶每层分子在长轴方向相互平行，长轴方向对于每一层平面或垂直或有一个倾斜角。近晶相液晶分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层间移动，由于其黏度大，响应速度慢，多用于光记忆材料。如图3-2（b）所示，向列相液晶分子在长轴方向的引力强，无法形成层状，而是像线一样连成一串，又叫线状液晶。向列相液晶在长轴方向可以自由移动，相比于近晶相液晶，向列相液晶的排列更无秩序，在分子长轴方向更容易移动，所以其黏度也更小，具有更强的流动性。有的近晶相液晶，在温度上升后会变成向列相液晶，简称相变。有的液晶只有一种液晶相，有的液晶可有多种液晶相，但无论哪种相，都对应一定的温度范围，TFT-LCD显示领域中的一个研究课题就是拓宽液晶的使用温度范围，目的是通过混合各种液晶，制成宽温显示屏。

液晶分子的构造决定了液晶既具有光学各向异性又具有电学各向异性。光学各向异性来自液晶分子中的手性碳原子。与手性碳原子结合的四种原子团或原子A、B、C、D都不一样，液晶分子作为一个整体具有镜像对称的关系。液晶光学异性体的镜面对称性如图3-3所示。具备对称性的物质具有光学活性，其中心的原子称为手性中心。如图3-3所示的两个镜像对称的分子叫作光学异性体。

图3-2　近晶相和向列相液晶分子的聚集状态

图3-3　液晶光学异性体的镜面对称性

具有光学活性的液晶分子一般呈螺旋状排列。手性液晶的螺旋结构如图3-4所示。旋转的中心叫作螺旋轴，螺旋结构的周期叫作螺旋节距。当螺旋节距和光的波长相等时，就会选择性地反射一部分光，并透过一部分光。这样，液晶就具备了特殊的光控制功能。

图3-4　手性液晶的螺旋结构

液晶分子除具有光学各向异性和电学各向异性外，液晶的黏滞系数、磁化率、电导率也具有各向异性。这些性质会因温度和驱动频率等外界因素的不同而改变。除温度外，在外电场或外磁场的作用下，液晶也会发生相变，发生相变后液晶的光学性质，如折射率或透光率就会发生相应变化。利用液晶的这些性质和相变，可以实现液晶显示。