標籤:物質狀態高分子材料

液晶是相態的一種,因為其特殊的物理、化學、光學特性,20世紀中葉開始被廣泛應用在輕薄型的顯示技術上。人們熟悉的物質狀態(又稱相)為氣、液、固,較為生疏的是電漿和液晶。液晶相要具有特殊形狀分子組合始會產生,它們可以流動,又擁有結晶的光學性質。液晶的定義,現在已放寬而囊括了在某一溫度範圍可以實現液晶相,在較低溫度為正常結晶之物質。而液晶的組成物質是一種有機化合物,也就是以碳為中心所構成的化合物。 同時具有兩種物質的液晶,是以分子間力量組合的,它們的特殊光學性質,又對電磁場敏感,極有實用價值。

1基本資料

液晶顯示屏

  液晶顯示屏

液晶,即液態晶體(Liquid Crystal,LC),是相態的一種,因為具有特殊的理化與光電特性,20世紀中葉開始被廣泛應用在輕薄型的顯示技術上。
人們熟悉的物質狀態(又稱相)為氣、液、固,較為生疏的是等離子和液晶。液晶相要具有特殊形狀分子組合才會產生,它們可以流動,又擁有結晶的光學性質。
液晶的定義,現在以放寬而囊括了在某一溫度範圍可以是現液晶相,在較低溫度為正常結晶之物質。而液晶的組成物質是一種有機化合物,也就是以碳為中心所構成的化合物。同時具有兩種物質的液晶,是以分子間力量組合的,它們的特殊光學性質,又對電磁場敏感,極有實用價值。

2發現

在1888年,奧地利植物學家萊尼茨爾合成了一種奇怪的有機化合物,它有兩個熔點。把它的液晶顯示屏固態晶體加熱到145℃時,便熔成液體,只不過是渾濁的,而一切純凈物質熔化時卻是透明的。如果繼續加熱到175℃時,它似乎再次熔化,變成清澈透明的液體。後來,德國物理學家發現了這種白濁物質具有多種彎曲性質,認為這種物質是流動性結晶的一種,由此而取名為Liquid Crystal,即液晶。
液晶

3首次商業用途

在1961年,美國RCA公司普林斯頓試驗室有一個年輕電子學者F·Heimeier正在準備博士論文的答辯,為了研究外部電場對晶體內部電場的作用,他想到了液晶。他將兩片透明導電玻璃之間夾上摻有染料的向列液晶。當在液晶層的兩面施以幾伏電壓時,液晶層就由紅色變成了透明態。出身於電子學的他立刻意識到這不就是彩色平板電視嗎?
RCA公司對他們的研究極為重視,一直將其列為企業的重大機密項目,直到1968年,才在一項最新科技成果的廣播報導中向世界報導。這一報導立刻引起了日本科技界、工業界的重視。日本將當時正在興起的大規模集成電路與液晶相結合,以"個人電子化"市場為導向,很快開發了一系列商品化產品,打開了液晶顯示實用化的局面,掌握了主動,致使這一發展勢頭促成了日本微電子業的驚人發展。而在美國,RCA公司中一些生產間部門的領導人一方面局限於傳統的半導體產品,一方面又過分強調了初出茅廬的液晶顯示器件的缺點,以市場還未開拓為借口,極力抵毀液晶顯示的產業化。為此,液晶小組成員開始外流,液晶顯示的專利也被賣出。據說,當70年代中期,液晶顯示已經形成一個產業的時候,RCA公司在一次董事會上沉痛地總結,在RCA百年發展歷史上液晶顯示技術的流失是巨大的一次失誤。
液晶應用歷史
液晶
1972年Gruen Teletime,第一支使用液晶顯示器的手錶。
液晶
1973年Sharp EL-805,第一台使用液晶顯示器的計算器。1973年日本的聲寶公司首次將液晶它運用於製作電子計算器的數字顯示。現在液晶是筆記本電腦和掌上計算機的主要顯示設備,在投影機中,它也扮演著非常重要的角色。
液晶
1981年EPSON HX-20,第一台使用液晶顯示器的攜帶型計算機。
液晶
1989年NEC UltraLite,第一台筆記本計算機。
結構
液晶是介於液態與結晶態之間的一種物質狀態。它除了兼有液體和晶體的某些性質(如流動性、各向異性等)外,還有其獨特的性質。對液晶的研究現已發展成為一個引人注目的學科。
液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有機物。液晶也存在於生物結構中,日常適當濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前,由有機物合成的液晶材料已有幾千種之多。由於生成的環境條件不同,液晶可分為兩大類:只存在於某一溫度範圍內的液晶相稱為熱致液晶;某些化合物溶解於水或有機溶劑后而呈現的液晶相稱為溶致液晶。溶致液晶和生物組織有關,研究液晶和活細胞的關係,是現今生物物理研究的內容之一。
液晶的分子有盤狀、碗狀等形狀,但多為細長棒狀。根據分子排列的方式,液晶可以分為近晶相、向列相和膽甾相三種,其中向列相和膽甾相應用最多。
偏光顯微鏡
利用液晶態的光學雙折射現象,在帶有控溫熱台的偏光顯微鏡下,可以觀察液晶物質的織構,測定轉變溫度。所謂織構,一般指液晶薄膜(厚度約10-100微米)在光學顯微鏡,特別是正交偏光顯微鏡下用平行光系統所觀察到的圖像,包括消光點或者其他形式的消光結構乃至顏色的差異等。
物理特性
當通電時導通,排列變得有秩序,使光線容易通過;不通電時排列混亂,阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術上簡單地說,液晶面板包含了兩片相當精緻的無鈉玻璃素材,稱為Substrates,中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時,液晶本身會排排站立或扭轉呈不規則狀,因而阻隔或使光束順利通過。大多數液晶都屬於有機複合物,由長棒狀的分子構成。在自然狀態下,這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經精良加工的開槽平面,液晶分子會順著槽排列,所以假如那些槽非常平行,則各分子也是完全平行的。液晶是一種介於晶體狀態和液態狀態之間的中間物質。它兼有液體和晶體的某些特點,表現出一些獨特的性質。

4研究歷史

1850普魯士醫生魯道夫菲爾紹(Rudolf Virchow)等人就發現神經纖維的萃取物中含有一種不尋常的物質。
1877德國物理學家奧托·雷曼(Otto Lehmann)運用偏光顯微鏡首次觀察到了液晶化的現象。
1883年3月14日植物生理學家斐德烈·萊尼澤(Friedrich Reinitzer)觀察到膽固醇苯甲酸酯在熱熔時有兩個熔點。
液晶顯示屏

  液晶顯示屏

1888萊尼澤反覆確定他的發現后,向德國物理學家雷曼請教。當時雷曼建造了一座具有加熱功能的顯微鏡去探討液晶降溫結晶之過程,而從那時開始,雷曼的精力完全集中在該類物質。
1888出版《分子物理學》,這是對這段時間他在材料物理領域知識的總結,特別值得一提的是,他在書中首次提出了顯微鏡學研究方法,通過對晶體顯微鏡和用它所作的觀察。
20世紀化學家伏蘭德(D. Vorlander)的努力由聚集經驗使他能預測哪一類的化合物最可能呈現液晶特性,然後合成取得該等化合物質,於是雷曼關於液晶的理論被證明。
1922法國人弗里德(G. Friedel)仔細分析當時已知的液晶,把他們分為三類:向列型(nematic)、層列型(smectic)、膽固醇(cholesteric)。
1930-1960G.Freidel之後,液晶研究暫時進入低谷,也有人說,1930-1960年期間是液晶研究的空白期。究其原因,大概是由於當時沒有發現液晶的實際應用。但是,在此期間,半導體電子工業卻獲得了長足的發展。為使液晶能在顯示器中的應用,透明電極的圖形化以及液晶與半導體電路一體化的微細加工技術必不可缺。隨著半導體工業的進步,這些技術已趨向成熟。
20世紀40年代開發出矽半導體,利用傳導電子的n型半導體和傳導電洞的p型半導體構成pn介面(pnjunction),發明了二極體和晶體管。在此之前,在電路中為實現從交流到直流的整流功能,要採用二極體,而要實現放大功能,要採用電子管。這些大而笨重的元件完全可以由半導體二極體和晶體管代替,不需要向真空中發射電子,僅在固體特別是極薄的膜層中,即可實現整流、放大功能,從而使電子迴路實現了小型化。  接著,藉由光加工技術實現了包括二極體、晶體管在內的電子迴路圖形的薄膜化、超微細化。這種技術簡稱為微影(photolithography)。20世紀60年代,隨著半導體集成電路(integrated circuit)技術的發展,電子設備實現了進一步的小型化。上述技術的進步,對於在液晶顯示裝置(display)中的應用是必不可少的,隨著材料科學和材料加工技術的進一步發展,以及新型顯示模式和驅動技術的開發,液晶顯示技術獲得了快速發展。
20世紀60年代隨著半導體集成電路(integrated circuit)技術的發展,電子設備實現了進一步的小型化。
1968任職美國RCA公司的G.H.Heilmeier發表採用DSdynamic scattering,動態散射)模式的液晶顯示裝置。在此之後,美國企業最早開始了數字式液晶手錶實用化的嘗試。
1971一家瑞士公司製造出了第一台液晶顯示器。

5分類

液晶種類很多,通常按液晶分子的中心橋鍵和環的特徵進行分類。目前已合成了1萬多種液晶材料,其中常用的液晶顯示材料有上千種,主要有聯苯液晶、苯基環己烷液晶及酯類液晶等。
分子排列
依其分子排列方式,分為向列型(Nematic)、距列型 (Smectic)、膽固醇型(Cholesteric)、圓盤型(Disotic)
向列型液晶材料(Nematic)
近年來主要開發,集中於主動式矩陣驅動的液晶平面顯示器(AM-LCD),在AM-LCD用的液晶化合物中,其要求的特性有高的比電阻、低的粘度、正的鐵電率異方向性、高的化學和光化學的安定性,符合這些特性的材料以氟系化合物為主。液晶化合物之分子長軸方向的氟數增加時,則其非子長軸方向的雙極子動量變低。液晶鐵電異方向性的增加,可經由核心部結構內之極性基的導入結合,以達到其粘度將降低的,但是當逆嚮導入時則其液晶的鐵電異方向性變小。
液晶分子的排列,後果之一是呈現有選擇性的光散射。因排列可以受外力影響,液晶材料製造器件潛力很大。範圍於兩片玻璃板之間的手性向列型液晶,經過一定手續處理,就可形成不同的紋理。
距列型材料(Smectic)
可分為鐵電性液晶和反鐵電性液晶
鐵電性液晶(FLC)是由Meyer於1974年發現的,然後於1979年發表表面安定化鐵電性液晶平面顯示器,鐵電性液晶是以簡單矩陣式驅動的並期待具有高響應、高解析度和大畫面的應用。Meyer認為要獲得鐵電性液晶的條件,有分子長軸和垂直方嚮應有永久偶極矩、無消旋體、具有向列型液晶C相。鐵電性液晶在電場施加時,其響應時間與鐵電性液晶的自發極化成反比,與粘性係數成正比。要獲得較高的響應速度,自發極化要大、粘性係數要小。自發行極化的改善對策,是在對掌性或光學活性結構中心倒入大的永久雙偶極矩、對掌性中心置於核心結構附近,以及複數的對掌性中心導入等設計理念,大的自發極化值之達成,可經由非對稱性碳原子和永久偶極矩(Permant Dipole Moment)。
反鐵電性液晶(AFLC)是在電場的驅動下,由反鐵電性液晶轉換成鐵電性液晶的一種物理現像。並與非對稱性*在低分子液晶的AFLC中,核心構造的笨環和共軛之笨基結合碳原子鄰接者,在非對稱性中心將CH3基結合的狀況,要比將CF3基結合來的有安定的反鐵電性,另外在高分子液晶得AFLC中,核心構造的部份連接奇數的探碳鏈,也可以獲得反鐵電性的配列。
膽固醇液晶(Cholesteric)
不具有液晶性,但是當其氫氧基被鹵素取代成鹵素化合物,以及和碳酸或脂肪酸產生酯化反應之膽固醇衍生。膽固醇液晶材料具有特殊螺旋結構,而引發選擇性光散射、旋光性和圓偏光雙色性,可以利用膽固醇型液晶材料的外加電壓、氣體吸附和溫度等因素而引發色彩的變化。
類固醇型液晶,因螺旋結構而對光有選擇性反射,利用白光中的圓偏光,最簡單的是根據變色原理製成的溫度計(魚缸中常看到的溫度計)。在醫療上,皮膚癌和乳癌之偵測也可在可疑部位塗上類固醇液晶,然後與正常皮膚顯色比對(因為癌細胞代謝速度比一般細胞快,所以溫度會比一般細胞高些)。
碟型液晶(discotic)
碟型液晶發現1970年代,是具有高對稱性原狀分子重疊組成之向列型或柱行系統。

分子量

依分子量來分,有低分子型和高分子型,在高分子的液晶有主鏈型和側鏈型。
依溫度的因素,有互變轉換型(Enantiotropic)、單變轉換型(Monotropic)
重現性液晶(recentrant LC)
其實一種物質可以具有多種液晶相。又有人發現,把兩種液晶混合物加熱,得到等向性液體后再冷卻,可以觀察到次第為向列型、層列型液晶。這種相變化的物質,稱為重現性液晶(recentrant LC)。
穩定液晶相是分子間的范德法力。因分子集結密度高,斥力異向性影響較大,但吸引力則是維持高密度,使集體達到液晶狀態之力量,斥力和吸引力相互制衡十分重要。又如分子有極性基團時,偶極相互作用成為重要吸引力。

6影響

液晶是在自然界中出現的一種十分新奇的中間態,並由此引發了一個全新的研究領域。自然界是由各種各樣不同的物質組成。以前,人們熟知的是物質存在有3態:固態、液態和氣態。而固態又可以分為晶態和非晶態。在晶態固體中分子具有取向有序性和位置有序性,即所謂的長程有序。當然這些分子在平衡位置會發生少許振動,但平均說來,它們一直保持這種高度有序的排列狀態。這樣使得單個分子間的作用力疊加在一起,需要很大的外力才能破壞固體的這種有序結構,所以固體是堅硬的,具有一定的形狀.很難形變。當一品態固體被加熱時,一般說來,在熔點處它將轉變成各向同性的液體。這各向同性的液體不具有分子排列的長程有序。也就是說,分子不佔據確定的位置,也不以特殊方式取向。液體沒有固定形狀,通常取容器的形狀,具有流動性。但是分子間的相互作用力還相當強.使得分子彼此間保持有一個特定的距離,所以液體具有恆定的密度,難於壓縮。在更高的溫度下,物質通常呈現氣態。這時分子排列的有序性更小於液態。分子間作用更小,分子取雜亂無章的運動,使它們最終擴散到整個容器。所以氣體沒有一定形狀,沒有恆定密度,易於壓縮。

7注意事項

液晶在使用前要充分攪拌后才能灌注使用,添加固體手性劑的液晶,要加熱到攝氏六十度,再快速冷卻到室溫並充分攪拌。而且在使用過程中不能靜置時間過長。特別是低閥值電壓液晶,由於低閾值電壓液晶具有這些不同的特性,因此在使用這些液晶時應該注意以下方面:
液晶在使用前應充分攪拌,調配好的液晶應立即投入生產使用,盡量縮短靜置存放時間,避免層析現象產生。
液晶顯示屏

  液晶顯示屏

調配好的液晶要加蓋遮光存入,並且盡量在一個班次(八小時)內使用完,用不完的液晶需要回收攪拌后重測電壓再用。一般隨著時間延長,驅動電壓會增加。
液晶從原廠瓶取用后,原廠瓶要及時封蓋遮光保存,減少敞開暴露在空氣中的時間一般暴露在空氣中的時間過長,會增大液晶的漏電流。
灌低閾值電壓的液晶顯示片空盒最好是從PI固烤到灌液晶工序間,流存生產時間在二十四小時之內的空盒,灌液作業時一般使用比較低的灌注速度。
低閾值電壓液晶在封口時一定要加蓋合適的遮光罩,並且在整個灌液晶期間除了封口膠固化期間外,要盡量遠離紫外線源。否則會在靠近紫外線的地方出現錯向和閥值電壓增大的現象。
液晶是有機高分子物質,很容易在各種溶劑中溶解或與其它化學品產生反應,液晶本身也是一種很好的溶劑,所以在使用和存放過程中要盡量遠離其它化學品。
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