胆甾相液晶的光学性质
液晶显示原理期末试题
………密………封………线………以………内………答………题………无………效……电子科技大学二零零五至二零零六学年第二学期期期末考试液晶显示技术课程考试题 A 卷（120 分钟）考试形式：开卷考试日期200 6年6 月16 日课程成绩构成：平时20 分，期中分，实验30 分，期末50 分一、概念题（25分）1、TN型液晶显示器盒厚与双折射率的乘积之间应该满足什么条件？（3分）答：TN型液晶显示器的盒厚d与双折射率∆n应满足5.0=∆nd为∆nd为第一极小；1=第二极小。
2、胆甾型液晶有那些光学性质？（2分）答：胆甾型液晶光学有三种效应，光波导效应、布拉格效应、旋光效应。
3、宾主效应的液晶排列方式有哪几种，哪种方式使用正性液晶，哪种方式使用负性液晶？（5分）答：宾主效应的液晶排列方式有沿面排列、垂面排列和HAN型排列（2分）。
沿面排列方式使用正性液晶，垂面排列方式使用负性液晶，HAN型排列既可以使用正性液晶，也可以使用负型液晶（3分）。
………密………封………线………以………内………答………题………无………效……4、 盒厚和液晶的粘度均增加一倍，液晶的响应时间会如何变化？（5分）答：由kV d on 222πεητ-*∆*=和 kd off22πητ*=（其中d 为盒厚，η为粘性参数）可知当盒厚增加一倍后液晶的响应时间变为原来的4倍（2分）；液晶的黏度均增加一倍后，液晶的响应时间变为原来的2倍（2分），两个因素相加，响应时间变为原来的8倍（1分）。
5、 如何选择1133/k k 和选择盒厚提高TN 型液晶显示器件的多路驱动能力？（5分）答：因为：()211339050)]2/[ln(0443.0]1/[0266.0133.0λγnd k k ∆+-+=- （1） 为了改善锐度特性，即为了减小9050-γ，可以有两个方法：一是在材料上想办法，选择一种材料，使1133k k ≤（2分）；二是在LCD 的结构参数上想办法，让02ln→∆λd n ，按入射光波长为绿光的波长计，λ＝0.5μm ，这时Δn d ＝ 1。
公共基础知识液晶基础知识概述
《液晶基础知识综合性概述》一、引言在现代科技的飞速发展中，液晶作为一种独特的物质状态，发挥着至关重要的作用。
从日常使用的电子设备显示屏到先进的光学仪器，液晶的应用无处不在。
本文将深入探讨液晶的基础知识，包括其基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势，为读者提供一个全面而深入的了解。
二、液晶的基本概念1. 定义与特性液晶是一种介于固体和液体之间的中间状态物质，具有独特的光学、电学和力学特性。
它既具有液体的流动性，又具有固体的有序性。
液晶分子通常呈长棒状或扁平状，在特定的条件下，这些分子可以排列成有序的结构。
液晶的主要特性包括：（1）光学各向异性：液晶分子在不同方向上对光的折射率不同，这使得液晶可以产生双折射、旋光等光学现象。
（2）电学各向异性：液晶分子在电场作用下可以改变其排列方向，从而改变液晶的光学性质。
这一特性被广泛应用于液晶显示屏中。
（3）流动性：液晶具有一定的流动性，可以在一定的压力下流动。
但与普通液体不同的是，液晶的流动具有一定的方向性。
2. 分类液晶可以根据其分子结构和性质进行分类。
常见的分类方法有以下几种：（1）按照分子排列方式分类：可以分为向列型液晶、近晶型液晶和胆甾型液晶。
- 向列型液晶：分子长轴大致平行，但没有层状结构。
这种液晶具有较高的流动性和较低的有序性。
- 近晶型液晶：分子排列成层状结构，层内分子长轴大致平行，层与层之间有一定的夹角。
这种液晶具有较高的有序性和较低的流动性。
- 胆甾型液晶：分子呈螺旋状排列，具有独特的光学性质，如选择性反射和旋光性。
（2）按照形成方式分类：可以分为热致液晶和溶致液晶。
- 热致液晶：通过加热某些物质使其从固体转变为液晶状态。
这种液晶的相变温度与分子结构有关。
- 溶致液晶：在某些溶剂中，某些物质可以形成液晶状态。
这种液晶的形成与溶剂的性质和浓度有关。
三、液晶的核心理论1. 液晶的分子结构与性质关系液晶的分子结构对其性质起着决定性的作用。
选择性反射胆甾相液晶研究进展
选择性反射胆甾相液晶研究进展1. 引言1.1 背景介绍选择性反射胆甾相液晶是一种在液晶领域备受关注的新型材料，具有多种潜在应用价值。
胆甾相液晶在不同温度下会呈现出不同的相态，这种特性使其被广泛应用于光学显示器件、智能材料等领域。
随着科技的发展和对新材料需求的增加，对选择性反射胆甾相液晶的研究也愈加引起人们的关注。
胆甾相液晶的研究意义主要体现在其在光学和电子方面的潜在应用价值。
该材料的特殊结构和性能使其具有较高的光学透明性和反射性能，可用于制备高清晰度、高对比度的液晶显示器。
选择性反射胆甾相液晶还具有快速响应、低功耗等优点，有望在可穿戴设备、智能手机等电子产品中得到广泛应用。
选择性反射胆甾相液晶的研究具有重要的科学意义和应用前景，对其特性和性能的深入探究将有助于推动液晶材料领域的发展，并为相关领域的技术创新提供新的思路与可能性。
1.2 研究意义选择性反射胆甾相液晶是一种特殊的液晶相，具有独特的结构和性质。
对其进行深入研究可以揭示液晶相的形成机制，为新型液晶材料的设计和合成提供理论依据。
选择性反射胆甾相液晶还具有广泛的应用前景，可以用于光学显示器件、光电器件、生物传感器等领域。
研究选择性反射胆甾相液晶的意义在于推动液晶科学的发展，促进技术创新和产业升级。
通过对其特性和性能的深入了解，我们可以更好地利用其优异的光学和电学性质，开发出更加高效、稳定和环保的液晶材料，为人类社会的进步做出贡献。
选择性反射胆甾相液晶的研究具有重要的科学意义和应用价值。
2. 正文2.1 选择性反射胆甾相液晶的特点选择性反射胆甾相液晶是一种在液晶领域具有重要应用前景的新型材料。
其主要特点包括：1. 具有优异的热稳定性：选择性反射胆甾相液晶在高温环境下依然能保持稳定的液晶结构，具有良好的热传导性能，适用于高温条件下的显示器件。
2. 具有高度选择性反射性能：选择性反射胆甾相液晶在特定波长的光线入射时能够实现高度选择性的反射，具有良好的抗干扰能力，适用于各种光学传感器和光学设备。
液晶的光学特性
液晶的光学特性测控101贾如1007040119摘要液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。
液晶是当前国内外研究的前沿热点，尤其是液晶材料的合成与应用。
液晶材料具有优异的性能和广阔的应用前景。
关键词：液晶的分类光学特性液晶显示器引言：LCD（Liquid Crystal Display）对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象——在1888年，一位奥地利的植物学家F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。
在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。
现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。
液晶的特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。
液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入的光线以外所有的光线。
此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。
一、液晶的工作原理液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。
上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶为了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。
结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。
如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。
如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。
因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。
也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。
二、液晶的分类及其光学特性液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。
液晶也存在于生物结构中，日常适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。
胆甾相液晶的光学性质
•一、胆甾相液晶的光学性质胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。
较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。
（1）选择性反射有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。
这是它选择反射某些波长的光的结果。
实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。
一级反射光的波长为：λ=2nPsinφ其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为入射波与液晶表面的夹角。
（2）旋光效应在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。
这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。
在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。
因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。
（3）圆二色性圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。
如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。
二、胆甾相液晶的电光效应液晶的电光效应很多，由于本文主要研究胆甾相液晶，所以下面仅介绍几种常见的胆甾相电光效应。
（1）退螺旋效应对于介电各向异性>0的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。
液晶材料简介与几种胆甾型液晶材料的合成
自1992年发现胆甾相液晶具有零场下多稳定相态织构现象以来,反射式胆甾相液晶显示(Cholesteric liquid crystal display ,简称:Ch2LCD)已发展成为一种新型显示模式。最突出的优点是具有零场记忆特性,在零电场时,能长期保持显示内容,其能耗只有TFT2LCD的1/ 8左右。由于不需要偏振片和背光源,具有高反射能力和宽视角,能够实现类似纸般的阅读效果,特别适用于电子书籍阅读器、商业广告等领域。美国、日本、欧洲和中国等国家投入了大量人力、物力从事这方面的基础研究和应用开发工作,发展很快。2000年开发出黄绿模式胆甾相液晶电子书籍,2001年开发出黑白模式电子书籍2003年已发展到全彩色模式e2book ,成为近几年液晶显示领域的一个热点。显示用胆甾相液晶材料是由宽温向列相液晶组合物(Nematic liquid crystal components)和手性组合物(Chiral components)配制而成,具有平面织构(Planar Texture)、焦锥织构(Focal Conic Texture)等多种稳定相态的液晶材料。与其他液晶材料相比,胆甾相液晶材料的螺距较短、双折射率大、手性组分含量高。
1胆甾相液晶材料的性能要求
胆甾相液晶材料独特的螺旋结构决定了它特殊的光学特性[7 ]。对于反射式液晶显示,其液晶材料必须满足Bragg方程(1) ,即中心反射波长(λ0)与液晶材料的螺矩( p)及其平均折射率(n)成正比:λ0=.n p (1)由于液晶材料具有介电各向异性、折射率ne和no ,平均折射率(n )为( ne + 2no ) / 3。例如,若一液晶的ne = 1. 70 ,no = 1. 50 ,为了反射出波长λ=550nm的可见光,其螺矩应约为350nm。另一方面,液晶显示的反射光谱波带(Δλ)是与液晶材料的螺矩( p)及双折射率(Δn=ne -no)成正比:Δλ= pΔn (2)从公式(2)中可见,当p值一定时,在满足Bragg反射(即Δλ值一定)的前提下,提高胆甾相液晶材料的Δn ,有利于改善液晶反射效果。液晶材料的螺距p和手性掺加剂的螺旋扭曲力常数(Helical Twisting Power ,简称HTP值)及其在液晶组合物中的含量Xc关系是:p = [(HTP)Xc] -1(3)胆甾相液晶材料的HTP值是由手性分子自身性质决定。当p值一定时,手性分子的HTP值越大,在其液晶材料中的含量(Xc)相对越少,越有利于胆甾相液晶的性能改善。由于不同Ch2LCD模式具有不同的螺矩,只有通过调节不同HTP值的手性组分及其在液晶材料中的含量来改变螺矩和反射波长(或显示屏颜色)。在胆甾相液晶材料中,其Δn、介电各向异性(Δε)是由向列相液晶组合物性能决定,其粘度是由向列相液晶组合物和手性组合物共同决定。要改善胆甾相液晶显示性能,降低工作电压、增加亮度、提高响应速度和工作温度范围、实现黑白或全色彩的高对比度显示,除了改进显示方法外,必须在提高液晶材料的双折射率、扩大介电各向异性、降低粘度、减少手性组分含量等方面解决问题。因此,设计与合成新型高HTP值的手性化合物分子,开发低粘度、高Δn值、高Δε值液晶分子已成为近几年的重要新课题。
胆甾相液晶在显示中的应用
胆甾型液晶显示的研究及进展摘要胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构。
在液晶相状态下具有独特的光学特性，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景。
本文系统阐述了其在光学显示领域的研究进展关键字：胆甾相液晶，用途，特性，进展1.胆甾型液晶简介液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散射特性；它有多种液晶相态，例如胆甾相，近晶相，向列相等。
由于液晶分子的有序排列，使得其呈现有选择的散射，也因此使其具有显示功能的潜力。
胆甾相液晶是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物，其分子内具有手性碳原子和周期性螺旋结构。
在液晶相状态下具有独特的光学特性，类似一维光子晶体，具有选择性布拉格反射，因此在功能材料领域具有广阔的应用前景[1]。
2.胆甾型液晶组成及排列2.1.胆甾型液晶组成单一成分的胆甾型液晶：此类胆甾相液晶分子本身就具有旋光性，大部分是胆甾醇的卤化物、脂肪酸或碳酸酯等衍生物，分子结构通式如图2-1所示，其中-R1为饱和碳链, -R2为任意原子团[2]。
图2-1 胆甾醇酯分子通式此外对氧化偶氮苯甲醚类、对正甲氧基苯甲醛类化合物，具有不对称碳原子，呈长棒状的化合物等通常都可能成为胆甾相液晶。
多组分的胆甾型液晶：为满足液晶各方面性质的要求，故用于显示的胆甾相液晶一般是混合物，可以由胆甾型液晶与胆甾型液晶互混而成，也可以通过向具有不对称碳原子、存在相互成对应体的旋光异构体的向列相液晶分子中添加手性掺杂剂来获得[3]。
2.2.胆甾型液晶分子排列胆甾型液晶具有层状的分子排列结构，层与层间相互平行，其分子细长，长轴具有沿某一优先方向取向，相邻两层分子间的取向不同，一般相差15°左右，且该优先方向取向在空间沿螺旋轴(光轴方向) 螺旋状旋转。
这种特殊的螺旋状结构使得胆甾相晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性布拉格反射。
胆甾相液晶的光学特性_李昌立
第17卷 第3期2002年6月 液 晶 与 显 示Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol .17,No .3 Jun .,2002文章编号:1007-2780(2002)03-0193-06胆甾相液晶的光学特性李昌立,孙 晶,蔡红星,翁占坤,高俊杰(长春光学精密机械学院,吉林长春 130022)摘 要:基于胆甾相液晶的特殊分子结构,综合阐述了胆甾相液晶的旋光性、选择性光散射和偏振光二色性等光学特性,揭示了它的光学特性主要源于它螺旋状的分子结构及其光学各相异性。
关键词:胆甾相液晶;选择性光散射;螺距;布喇格反射中图分类号:O753.2 文献标识码:A 收稿日期:2001-12-02;修订日期:2001-12-261 引 言胆甾相液晶同其他液晶态物质一样,既有液体的流动性、形变性、粘性,又具有晶体的光学各向异性,是一种优良的非线性光学材料[1],具有明显的热光效应、电光效应、电热光效应[2]、磁光效应[3]、压光效应[4,5]等。
较一般液晶不同的是它具有螺旋状分子取向的排列结构,因此,它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。
2 胆甾相液晶胆甾相液晶也称螺旋状液晶,是一种在一定温度范围内呈现液晶相的胆甾醇衍生物(酯化物或卤代物)以及分子内具有不对称碳原子的高分子化合物,它具有层状的分子排列结构,层与层间相互平行,其分子细长,长轴具有沿某一优先方向取向,相邻两层分子间的取向不同,一般相差15°左右,且该优先方向取向在空间沿螺旋轴(光轴方向)螺旋状旋转。
因此,各层间的取向渐变可连成一条空间扭曲的螺旋线,该液晶整体形成螺旋结构(如图1)。
设胆甾相液晶的优先方向(指向矢)为n ,螺距为p ,由于在液晶相中,胆甾相结构沿指向矢方向呈周期性变化,且n 和-n 具有等价性,所以,其螺距周期为p 2,其典型值约为0.3μm ,远远大于分子线度,为可见光波长数量级。
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•一、胆甾相液晶的光学性质
胆甾相液晶同其他液晶态物质一样，既有液体的流动性、形变性、粘性，又具有晶体光学各向异性，是一种优良的非线性光学材料。
较一般液晶不同的是它具有螺旋的状的分子取向的排列结构，因此，它除了具有普通液晶具有的光学性质外还具有它本身特有的光学特性。
（1）选择性反射
有些胆甾相液晶在白光的照射下，会呈现美丽的色彩。
这是它选择反射某些波长的光的结果。
实验表明，这种反射遵守晶体衍射的布拉格（Bragg）公式。
一级反射光的波长为：
λ=2nPsinφ
其中：λ为反射波的波长，P为胆甾相液晶的螺距，n为平均折射率，φ为
入射波与液晶表面的夹角。
（2）旋光效应
在液晶盒中充入向列相液晶，把两玻璃片绕于他们相互垂直的轴相对扭转90°角度，这样向列相液晶的内部就发生了扭曲，于是形成一个具有扭曲排列的向列相液晶的液晶盒。
这样的液晶盒前后放置起偏振片和检偏振片，并使其偏振方向平行。
在不加电场时，一束白光射入，液晶盒使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转了90°。
因而光进入检偏振片时，由于偏振光轴相互垂直，光不能通过检偏片，液晶盒不透明，外视场呈暗态，增加外电压，超过某一电压值时，外视场呈亮态，由此就可以得到黑底白像若起偏片与检偏片的偏振方向互相垂直，可得到白底黑像。
（3）圆二色性
圆二色性指材料选择性吸收或反射光束中两个旋向相反的圆偏振光分量中的一个。
如果一束入射光照射在液晶盒上，位于反射带内与盒中液晶旋向相同的圆偏振光几乎都被反射出去，而旋向相反的圆偏振光几乎都透射过去，这是一个非常罕见的性质，荷兰菲利浦实验室的两位科学家1998年在Nature上撰文说，利用凝胶态液晶（liquid-crystal gels）的圆二色性，可以实现镜面状态和透明状态之间的切换。
二、胆甾相液晶的电光效应
液晶的电光效应很多，由于本文主要研究胆甾相液晶，所以下面仅介绍几种常见的胆甾相电光效应。
（1）退螺旋效应
对于介电各向异性>0的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相。
（2）方格栅效应
当对液晶施加电场时，所施加的电场还未达到退螺旋效应的阈值之前，会出现另一种形式的畸变，即胆甾相的层面出现周期起伏，且在两个相互垂直的方向上叠加出现，从而可以观察到方格栅图案，这种效应一般在螺距比较大时出现。
（3）记忆效应
记忆效应也被称为存储效应（Storage effect），胆甾相液晶的记忆效应最早由Heilmeier和Goldmacher发现。
当对某些处于平面织构的胆甾相液晶施加一个低频电场时，液晶会发生动态散射，处于焦锥织构，呈现牛奶一样的乳白色，关掉电场乳白色将继续保持一段时间，几天甚至几年；对处于焦锥织构的液晶再施加一个高频电场，液晶会立刻变成透明，处于平面织构，关掉电场，透明状态也将继续保持,这也称为双稳态。
三、胆甾相液晶的织构
胆甾液晶表现出的各种性质取决于给它所施加的电压和表面取向层。
当把胆甾液晶装在液晶盒内，一般来说会呈现平面织构、焦锥态织构和场致向列相三种状态。
平面织构和焦锥态织构，它们具有螺旋结构，并且都能在零场的条件下存在。
如在液晶上加上足够高的电压：
其中：V是所加电压，Vc是阈值电压，h是样品厚度，K2是扭曲弹性系数，P0是胆甾相的螺距。
液晶将变化到场致向列相织构，螺旋结构就不存在了。
（1）平面织构
平面态（planar state 或planar texture）是在液晶盒中，螺旋轴方向平均而言垂直于基板表面，而液晶分子的指向失踪是垂直于螺旋轴，平行于基板表面，
2）焦锥织构
焦锥态（focal conic state）同平面态一样，也有其固有的扭曲螺旋距，但是在液晶盒中，液晶分子处于一种多畴（Polydomain）状态，在每一个畴内，螺旋结构仍然存在，但不同畴的螺旋轴在空间的取向杂乱无章。
不同畴的螺旋轴具有不同的指向便形成了焦锥织构，这种织构由于折射率在畴边界上的不连续变化而表现出强烈的光散射，。
焦锥织构还有一种螺旋轴平行于玻璃基板的特殊排列的情况，这种织构在偏光显微镜下看起来像指纹，因此命名为指纹织构，其结构图如图。
我们可以看到从偏光显微镜下所观察到的液晶盒中的焦锥织构和指纹织构的实际形貌
3）场致向列相织构
场致向列相（field-induced nematic state 或homeotropic texture）只有在液晶盒处在外电场中才能看见，这种状态是没有扭转，螺旋轴被解旋，而液晶分子的指向是都垂直于基板表面，。