2024年4月24日发(作者：盍华容)
1.1 液晶的基本概述
液晶(Liquid Crystal)最早是由奧地利植物学家莱尼茨尔发现的。1888年，其
在测定植物中的胆固醇苯甲酸脂的熔点时，发现了这种化合物质具有两个熔点的
奇特现象。即加热该固体样品到达某一温度时，该有机物能反射出多彩而美丽的
珍珠光泽，但此时其未熔化到各向同性相，而是变为了混浊、半透明液体；当进
一步加热到另一温度，该混浊的液体会突然变成各向同性、透明清亮的液体。第
二年，德国物理学家莱曼进一步对莱尼茨尔的胆固醇物质进行了细致的研究。他
发现，在一定温度下这种白而雾浊的物质外观上虽然属于液体，但却具有各向异
性晶体所特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，即液晶。
1.1.1液晶的分类
我们知道，物质从固体到液体的相变过程中，伴随着构成固体分子间点阵结
构的彻底破坏。在这个过程中物质的温度并不升高，外界提供的热能被吸收，用
于提供瓦解晶体点阵结构所需的能量。某些有机物的晶体，通常是由各向异性分
子所构成的晶体，它们在由固体向液体的转变过程中会生成一种性质介于晶体和
液体之间的中间相，称之为介晶相。例如，随着温度的升高，晶体中的分子之间
结合开始松弛，分子指向可以任意转动，但是分子还保持着在点阵中的位置；温
度进一步升高才熔融成各向同性的液体。这种介晶相称为塑性晶体。塑性晶体丧
失一部分各向异性的同时，还保持着晶体的外形。还有一类有机晶体在熔融中，
随着温度的升高，分子之间的结合开始解体，分子的位置不在点阵上而是随机地
排列，但是分子的指向保持不变。宏观地，这种有机晶体熔化具有流动性，但其
性质仍然像晶体一样呈各向异性；然后随温度进一步升高才使其成为真正的、各
方向的物理性能都一样的各向同性的液体。这种介晶相称为液晶
[1,2]
。
因液晶产生的条件不同，液晶可分为热致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶
(lyotropic LC)两种。利用热量来瓦解晶体点阵结构，使之在某一温度范围表现出
液晶性质的材料叫做热致液晶材料，也常简称为热致液晶。有些有机物溶解于某
种液体内，利用溶剂瓦解物质的晶体点阵结构，使之在一定浓度范围也能够得到
液晶相，这样获得的液晶相叫做溶致液晶。典型的溶致液晶是浓肥皂液。溶致液
晶主要与生命活动有关，溶致液晶的研究常常与生物的研究结合在一起。在光电
子技术包括显示器件方面用到的都是热致液晶，因此，本文中提到的液晶就是指
热致液晶
[1]
。
液晶是一种介于固体与液体之间，具有一定规则性分子排列的有机化合物。
液晶分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在液晶内部分子的排列具有一定
的规律。可以根据液晶分子排列方式的对称性将液晶相分为三大类：近晶相、向
列相和胆甾相，这种分类法是由弗郎德尔(l)在1922年提出的
[1]
。
图1.1液晶的分类
[1]
一般最常用的液晶相为向列型液晶，其分子的长程指向有序，即分子之间趋
于彼此互相平行排列；但向列相是流动的，即众多分子的中心排列是无序的或长
程无序。向列相液晶的棒状分子保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近
晶相液晶中那种层状结构，这是向列型液晶与近晶型液晶的不同。因为向列相是
目前应用中最重要的液晶相，所以本文选择由棒状分子组成的向列型液晶作为研
究对象。
1.1.2液晶的特点与性质
液晶的特点是构成液晶的分子的指向有规律，而分子之间的相对位置无规
律。前者使液晶具有晶体才具有的各向异性，后者使之具有液体才具有的流动性。
即一方面，液晶的力学性质、电学性质、光学性质和磁学性质都呈现出与其分子
排列有关的且与晶体相似的各向异性；另一方面，液晶又具有与液体类似的流动
性
[1]
。
在液晶相中，分子不容易转动，即使晶格解体以后分子还是不能自由转动，
所以分子的形状是使其具有一定的指向性而不容易自由转动的长棒状。常见的液
晶分子具有两个特点：第一，分子是细长的；第二，分子是刚性的。所以理论上
可把液晶分子看成是细长棒状分子，本文定义液晶的指向矢方向为所有液晶分子
指向的平均方向。液晶是由大量液晶分子构成的，对于向列型液晶，由于其分子
指向的长程有序性和其分子位置的随机性以及其分子绕长轴旋转的任意性，使得
该向列型液晶的光学和电学性质，沿指向矢方向与垂直于指向矢方向大为不同。
由此可知向列型液晶的宏观物理量，如介电常数、弹性模量和折射率等均具有以
指向矢为对称轴的各向异性。正是由于向列型液晶在光学上的双折射性的单轴性
与电学上的介电常数各向异性，使得可以用电来控制其光学性能，即液晶显示成
为了可能。
1.1.3液晶显示器件的显示原理
液晶是一种液态光电显示材料，液晶本身并不发光，但它能在电路中的电压与电
流的作用下对光产生过滤作用，使其显示出符合要求的各种图像。在此过程中，
离不开液晶屏里面或后面的发光体，即液晶的背光源。在背光源的照射下，一般
的液晶显示器件均是利用液晶分子的电光效应将电信号转换成文字、图像等可见
光信号。现在，在显示行业中，液晶显示器件占有越来越重要的地位。液晶显示
器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理
[3]
，是在两块导电玻璃基板间注入液晶
材料，通过外界电场的驱动，控制液晶分子的排列取向，即引起液晶分子的电场
效应，从而影响液晶单元的透光率与它的光学性质，使其在电源开关之间产生具
有不同灰度层次及颜色的图像。
2024年4月24日发(作者：盍华容)
1.1 液晶的基本概述
液晶(Liquid Crystal)最早是由奧地利植物学家莱尼茨尔发现的。1888年，其
在测定植物中的胆固醇苯甲酸脂的熔点时，发现了这种化合物质具有两个熔点的
奇特现象。即加热该固体样品到达某一温度时，该有机物能反射出多彩而美丽的
珍珠光泽，但此时其未熔化到各向同性相，而是变为了混浊、半透明液体；当进
一步加热到另一温度，该混浊的液体会突然变成各向同性、透明清亮的液体。第
二年，德国物理学家莱曼进一步对莱尼茨尔的胆固醇物质进行了细致的研究。他
发现，在一定温度下这种白而雾浊的物质外观上虽然属于液体，但却具有各向异
性晶体所特有的双折射性。于是莱曼将其命名为“液态晶体”，即液晶。
1.1.1液晶的分类
我们知道，物质从固体到液体的相变过程中，伴随着构成固体分子间点阵结
构的彻底破坏。在这个过程中物质的温度并不升高，外界提供的热能被吸收，用
于提供瓦解晶体点阵结构所需的能量。某些有机物的晶体，通常是由各向异性分
子所构成的晶体，它们在由固体向液体的转变过程中会生成一种性质介于晶体和
液体之间的中间相，称之为介晶相。例如，随着温度的升高，晶体中的分子之间
结合开始松弛，分子指向可以任意转动，但是分子还保持着在点阵中的位置；温
度进一步升高才熔融成各向同性的液体。这种介晶相称为塑性晶体。塑性晶体丧
失一部分各向异性的同时，还保持着晶体的外形。还有一类有机晶体在熔融中，
随着温度的升高，分子之间的结合开始解体，分子的位置不在点阵上而是随机地
排列，但是分子的指向保持不变。宏观地，这种有机晶体熔化具有流动性，但其
性质仍然像晶体一样呈各向异性；然后随温度进一步升高才使其成为真正的、各
方向的物理性能都一样的各向同性的液体。这种介晶相称为液晶
[1,2]
。
因液晶产生的条件不同，液晶可分为热致液晶(thermotropic LC)和溶致液晶
(lyotropic LC)两种。利用热量来瓦解晶体点阵结构，使之在某一温度范围表现出
液晶性质的材料叫做热致液晶材料，也常简称为热致液晶。有些有机物溶解于某
种液体内，利用溶剂瓦解物质的晶体点阵结构，使之在一定浓度范围也能够得到
液晶相，这样获得的液晶相叫做溶致液晶。典型的溶致液晶是浓肥皂液。溶致液
晶主要与生命活动有关，溶致液晶的研究常常与生物的研究结合在一起。在光电
子技术包括显示器件方面用到的都是热致液晶，因此，本文中提到的液晶就是指
热致液晶
[1]
。
液晶是一种介于固体与液体之间，具有一定规则性分子排列的有机化合物。
液晶分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在液晶内部分子的排列具有一定
的规律。可以根据液晶分子排列方式的对称性将液晶相分为三大类：近晶相、向
列相和胆甾相，这种分类法是由弗郎德尔(l)在1922年提出的
[1]
。
图1.1液晶的分类
[1]
一般最常用的液晶相为向列型液晶，其分子的长程指向有序，即分子之间趋
于彼此互相平行排列；但向列相是流动的，即众多分子的中心排列是无序的或长
程无序。向列相液晶的棒状分子保持着与分子轴方向平行的排列状态，但没有近
晶相液晶中那种层状结构，这是向列型液晶与近晶型液晶的不同。因为向列相是
目前应用中最重要的液晶相，所以本文选择由棒状分子组成的向列型液晶作为研
究对象。
1.1.2液晶的特点与性质
液晶的特点是构成液晶的分子的指向有规律，而分子之间的相对位置无规
律。前者使液晶具有晶体才具有的各向异性，后者使之具有液体才具有的流动性。
即一方面，液晶的力学性质、电学性质、光学性质和磁学性质都呈现出与其分子
排列有关的且与晶体相似的各向异性；另一方面，液晶又具有与液体类似的流动
性
[1]
。
在液晶相中，分子不容易转动，即使晶格解体以后分子还是不能自由转动，
所以分子的形状是使其具有一定的指向性而不容易自由转动的长棒状。常见的液
晶分子具有两个特点：第一，分子是细长的；第二，分子是刚性的。所以理论上
可把液晶分子看成是细长棒状分子，本文定义液晶的指向矢方向为所有液晶分子
指向的平均方向。液晶是由大量液晶分子构成的，对于向列型液晶，由于其分子
指向的长程有序性和其分子位置的随机性以及其分子绕长轴旋转的任意性，使得
该向列型液晶的光学和电学性质，沿指向矢方向与垂直于指向矢方向大为不同。
由此可知向列型液晶的宏观物理量，如介电常数、弹性模量和折射率等均具有以
指向矢为对称轴的各向异性。正是由于向列型液晶在光学上的双折射性的单轴性
与电学上的介电常数各向异性，使得可以用电来控制其光学性能，即液晶显示成
为了可能。
1.1.3液晶显示器件的显示原理
液晶是一种液态光电显示材料，液晶本身并不发光，但它能在电路中的电压与电
流的作用下对光产生过滤作用，使其显示出符合要求的各种图像。在此过程中，
离不开液晶屏里面或后面的发光体，即液晶的背光源。在背光源的照射下，一般
的液晶显示器件均是利用液晶分子的电光效应将电信号转换成文字、图像等可见
光信号。现在，在显示行业中，液晶显示器件占有越来越重要的地位。液晶显示
器(LCD/Liquid Crystal Display)的显像原理
[3]
，是在两块导电玻璃基板间注入液晶
材料，通过外界电场的驱动，控制液晶分子的排列取向，即引起液晶分子的电场
效应，从而影响液晶单元的透光率与它的光学性质，使其在电源开关之间产生具
有不同灰度层次及颜色的图像。