3.4 液晶力学
液晶光学的根本原理是液晶具有光学各向异性（?n），液晶电学的根本原理是液晶具有介电各向异性（?ε），液晶力学的根本原理是液晶具有弹性和黏滞性。通常使用“弹性连续体理论”来解释液晶显示的原理，把液晶看作一个连续的介质。在外加电场作用下，弹性液晶体发生弹性形变，外力撤除后依靠弹性势能恢复到施加外力前的状态，其光学特性的改变正是液晶体形状改变的结果。
3.4.1 液晶的黏弹性
外加电压对液晶偶极矩产生作用，使液晶分子的取向发生变化，在液晶中就会产生使该取向变化消除的力，这种性质就是液晶的弹性。液晶的弹性用于描述液晶力学中的液晶分子转动。外加电场前后液晶的弹性力作用效果如图3-15所示。在外加电场的作用下，液晶发生取向变化，去掉外加电场后，在弹性力的作用下，液晶可以恢复原来的状态。在一定强度的电场中，稳定的液晶分子取向状态取决于静电能和弹性能的匹配。TFT-LCD中使用的向列相液晶分子的静态平衡分布都可以分解成展曲（splay）、扭曲（twist）、弯曲（bend）三种基本取向变形的形式组合，相应的弹性系数分别为K11，K22和K33。向列相液晶分子的三种取向变形及相应的弹性系数如图3-16所示。随着液晶分子取向变化增加的弹性能是展曲、扭曲、弯曲变形能的总和，分别用各自的弹性系数进行描述。弹性系数的大小与产生分子取向有序结构的分子间相互作用能有关。
图3-15 外加电场前后液晶的弹性力作用效果
图3-16 向列相液晶分子的三种取向变形及相应的弹性系数
不同液晶在外加电压后发生取向变化的时间不同，消除取向变化的时间也不同，这种与时间相关的特性就是液晶的黏滞性。液晶的黏滞性用于描述液晶力学中的流动性和转动性，反应的是液晶内部阻止流动的阻力。在液晶物质中，存在与发生变形的速率成比例的黏滞应力，相应的比例系数为黏滞系数，或黏度。
TFT-LCD中使用的向列相液晶的流体力学特征可以由三个滑动黏滞系数η1、η2、η3和两个旋转黏滞系数γ1、γ2来描述。滑动黏滞系数用于描述液晶分子在指定方向被固定的状态下，并进运动（流动）的难易程度。旋转黏滞系数γ1提供了液晶分子旋转运动时的阻力，分子取向在外加电场后重新取向所需的响应时间与γ1d2（d表示液晶盒厚）成正比。黏滞性与温度有关，低温时的黏滞性较大，室温状态下的旋转黏滞性大小为0.02～0.5Pa·s（大致上与轻机油相同），20℃的水的旋转黏滞性约为1.002 mPa·s。
3.4.2 液晶动态电容效应
外加电压后产生的力矩是促使液晶分子转动的原动力，阻止液晶分子转动的阻力来自液晶的弹性和黏度。力矩只有克服了弹性和黏度的约束后，才能转动液晶分子。由于液晶材料本身阻力的存在，外加电压后，液晶分子不会马上转动，而是有一小段时间的延迟，加上液晶分子的介电常数各向异性，液晶分子转动过程中介电常数发生变化，导致液晶电容随之变化。根据电荷守恒原理，外加在液晶两端的电荷重新分配，使得保持在液晶两端的电压发生变化，这种现象称为液晶动态电容效应。
虽然，外加电压和透光率存在逐一对应的关系。但是，由于存在如图3-17所示的液晶动态电容效应，这种对应关系存在滞后现象。图3-17给出了某种液晶从外加电压0V、透光率为100%时，到外加电压为6V、透光率为0时所需要的时间。
图3-17 液晶动态电容效应
如图3-17所示，在（0V，100%）状态的液晶“平躺”着，相应的介电常数ε⊥=2.9。根据电容公式C=ε0εS/d，因为考虑的是同一个液晶电容体，ε0S/d不变，设为常数k，单位为pF。这样，可以把（0V，100%）状态对应的液晶电容设为2.9k。开始用16ms的选址时间，把液晶电容逐渐充电到6V。在16ms内，受液晶的迟滞效应影响，液晶基本维持平躺状态，这时液晶电容上所储存的电荷量Q1=2.9k×6=17.4k（pC）。第一次充电完成后，液晶进入时间长达1/60s（一帧时间）的保持状态，液晶分子开始慢慢转动，相应的介电常数变大，液晶电容也变大。因为Q=CV，根据电荷守恒原理，电容增加后，两端的电压随着下降。这样，实际的液晶电压没有达到6V，一帧后液晶的相对透光率只达到70%左右。
假设第一帧结束后的液晶介电常数为εT1=5.8，继续用16ms对液晶电容充电至6V（实际的TFT-LCD像素要进行极性反转），液晶电容上所储存的电荷量Q2=5.8k×6=34.8k（pC）。在第二帧时间内，液晶电容继续增大，两端电压依次降低，最后液晶分子进入介电常数εT2=6.9的稳定状态。
继续用16ms对液晶电容充电至6V（实际的TFT-LCD像素要进行极性反转），液晶电容上所储存的电荷量Q3=6.9k×6=41.4k（pC）。在第三帧时间内，液晶分子基本转到了“站立”状态，相应的介电常数ε∥=7.3。虽然，这时候的液晶电压有所下降，但是液晶分子的“站立”状态决定了液晶的透光率基本达到了100%。图3-18给出了液晶透光率在三帧充电时间后实现0～100%转变的过程。
图3-18 液晶透光率在三帧充电时间后实现0～100%转变的过程