V1.02013年6月21日铁电液晶技术简单介绍
V1.02013/6/21
液晶起源
进而发现：
145.5
Δ
完全透明液体
1) Thermotropic (热致液晶)
2) Lyotropic (溶致液晶)因温度的改变而产生相变
因溶于溶剂中浓度比例的改变而产生相变如肥皂泡
以产生相变的原因来区分
a) 长棒状c) 砖状1. Nematics (向列相)
2. Cholesterics (胆甾相)
3. Smectics (近晶相)
Thermotropic (热致液晶)分子形状
排列方式
b) 圆盘状
液晶简单分类
国际液晶与国际纯化学和应用化学联盟命名方法判断已知的液晶相有如下：（1）结晶相
Cr 代表结晶相，Cr1，Cr2，Cr3，…代表多种结晶模型。
Cr *代表手性结晶相。
（2）软晶体（位置长程有序）
B，E，G，H，J，K代替前面所用的SmB cryst ，SmE，SmG 等。
B *，E *，G *，H *，J *，K *代表由手性分子组成的软物质相。
（3）近晶相
SmA，SmB，SmC，SmI，SmF 代表非手性近晶液晶相。
SmA *，SmB *，SmC *，SmI *，SmF * 代表手性近晶液晶相。
（4）近晶相SmC *次级相
SmC *α仍然存在争议，但是假设存在于一些样品的SmA *以下的非对称相。
SmC *为螺电性手性近晶相C，它经常表现为铁电性。
SmC *1/3和SmC *1/ 4为中间相，经常被误导为压电相SmC *F11和SmC *F12。
SmC *A 为反铁电性手性近晶C。
（5）其他一些反铁电相SmI *A 代表反铁电近晶I相。
（6）扭曲晶界相（只在手性材料中出现）TGBA * 为扭曲晶界近晶A。
TGBC * 为铁电扭曲晶界近晶C。
TGBC *A 为反铁电扭曲近晶C。
Nematic
Isotropic SmecticA Smectic-C （7）向列相
向列相用N，手性向列相用N*，也可以用于胆甾相。
（8）蓝相（仅仅在手性材料中出现）
BPⅠ*，BPⅡ*，BPⅢ*为蓝相。
（9）各向同性相
非手性用Iso，手性用Iso*。
（10）其他相
另外还有立方相和香蕉相等。
三个重要液晶相
向列相N 近晶相SmA 近晶相SmC
胆甾相铁电C相SmC *
1922年Friedel把液晶分为向列相、近晶相和胆甾相。
1、向列相的分子具有长程的取向有序性而没有任何的长程位置有序性。
2、近晶相的分子是排列成层状结构。
在垂直于层的法线方向，分子具有一维的位置有序性。
而在每一层中分子具有取向有序性，所以它比向列相更有序。
3、当近晶相液晶中含有手性分子，液晶分子在层内的可能取向呈一圆锥形轨迹，自发极化矢量P s 垂直于指向矢。
铁电性
中文名称：铁电性
英文名称：Ferroelectricity
定义：某些电介质在一定温度范围内具有自发电极化，而且该电极化可以被外电场改变方向的性质。
说明：在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质叫铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体。
它之所以称为铁电体，是因为它与铁磁体在许多物理性质上有一一对应之处，如电滞回线对应磁滞回线，电畴对应磁畴，顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相变、电矩对应磁矩等等，而并非晶体中一定含有“铁”。
至于一种晶体是否是铁电体，我们并不能根据其内部结构的对称性来预测，只能通过实验来测定。
铁电体的重要特征之一是具有电滞回线，电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。
FLC/AFLC（Ferroelectric Liquid Crystal/Antiferroelectric Liquid Crystal）显示技术是指利用某些液晶具有的铁电或反铁电特性来进行显示的技术。
从1975年Meyer 发现了手性近晶C相液晶的铁电性到1980年Clark和Lagerwall研制成功具有双稳态的铁电装置，铁电型液晶一度引起巨大关注，成为液晶显示研究的重点。
近晶相可细分为流体近晶相（近晶A相SmA与近晶C相SmC）、螺旋近晶相（SmB、SmI、SmF）软晶相（B，J，G，E，K，H），其中可能具有铁电性的液晶相有SmC*、SmI*、SmF*、G*、H*、K*，*是添加手性剂使其具有螺旋结构。
而真正能实用于铁电液晶显示的液晶必须具有较大的自发极化、宽的温度范围、长螺距、高稳定性、合适的Δn和Δε以及较低的粘度等。
将相列相液晶降温，除了分子长轴统一取向以外，一维位置有序，分子质量中心在层面内各向异性取向，分子与近晶层分界线没有相关联或者相交，这就是SmA和SmC的层状结构。
近晶相SmA的指向矢和光轴都垂直于近晶层面。
近晶相SmC与SmA不同之处在于指向矢相对于近晶面有一定的平均倾斜角θ，它与温度、压强和织构有关。
商业上的SmC*混合物室温条件下一般θ≈22.5°，而θ>45°的情况还没有观察到。
近晶相SmA 近晶相SmC
产生。
旋转360°称为一个螺距。
反铁电液晶结构
Michelson等人在建立SmA-SmC转变的朗道模型理论上预言了反铁电液晶的存在。
而后Beresnev等人第一次实验证实了手性近晶液晶在电场作用下通过测量焦耳热获得了反铁电性质，但是并没有引起重视。
SmC A *显示出超螺旋结构，与SmC *相对比，它的自发极化矢量取向与近晶层方向相反，具有双螺旋轴并且每个螺旋轴以半螺距移动。
它具有视角补偿作用。
铁电液晶器件结构
将SmC*液晶将放入厚度小于超螺旋结构螺距的液晶盒中，借助表面作用导致螺旋松散，并在液晶盒的上下配置偏光板，这样就形成了表面稳定铁电液晶SSFLC（Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal）盒。
这种液晶层面垂直于平面的结构被称
为书架结构。
液晶层
SSFLC盒工作原理
通电后，由于自发极化和偶极距的作用SmC*分子将按一个方向（向上或向下）旋转，与偏光板偶合，使器件变得不透明（或透明）。
当施加相反极性电压后，SmC*分子反方向旋转，稳定到另一种状态（透明或不透明），从而实现双稳态显示。
不同层方向的SSFLC
准书架
人字形2
书架人字形1和人字形2
不同铁电相的液晶排列
SmC*SmC
A *SmAP
A
SmAP
F
-极性波动近晶A相液晶（PF：Polar Fluctuations）SmAP
F
由于存在聚合物网络，铁电液晶的稳态不在局限于φ等于正负90°，可以在任意角度，可以实现时分和空分灰阶显示功能。
d
φ-y
x
z θ
P s ISSN0099-0966X/99/3001-0180 1999 SID
光电特性
透过率曲线
1、透过光强公式：
2、响应速度公式：
3、阈值电压公式：
其中τ为响应时间，Ps为自发极化强度，E为外加电场，η为粘滞系数。
其中K 为弹性常数，P s 为自发极化强度，d
为盒厚。
铁电液晶的Δn 一般为0.1到0.2，所以d
一般在1.3到2.6um。
铁电液晶的优缺点
优点：
（1）具有亚毫秒的响应时间，不但使液晶显示器有可能实现场序彩色显示模式，还可以大大降低动态伪像，而场序彩色显示模式显示器的分辨率和光学效率是常规的3倍；（2）具有双稳态特性，具有记忆、存储功能，可以实现低功耗绿色环保显示；
（3）暗场时光学上是各向同性的，所以视角大；
缺点：
（1）盒厚较小，良品率不高；
（2）分子排列难，且耐冲击性差，分子层容易发生滑动和扭曲，造成Zigzag（蜿蜒）等缺陷产生。
Zigzag缺陷
薄墙厚墙
期待铁电液晶
液晶自发现至今已有一百余年历史，而铁电液晶的发展才二三十年。
由于其具有的响应速度快、视角大、低功耗等优点，上世纪八、九十年代，人们对于铁电液晶投入以极大的热情，抱以很大希望，形成了研究的高潮。
1988年出现了使用铁电液晶的个人电脑，1989年日本又展示了反铁电液晶样机。
不过后来，由于制作工艺上的若干难点难以在短期内克服，热潮逐渐退却。
目前TN 型TFT-LCD 已经发展到了很高的水平，并且已进入大规模生产，实现了价廉
物美。
以聚合物稳定的V型铁电液晶等为代表的快速响应显示器虽然较之前者具有巨大的
优势，预示着更加美好的发展前途，但是从工艺成熟度和样机特性来看，与前者的差距还是比较大的。
早期的TN 型TFT-LCD 较之CRT 也存在过巨大的差距，但是随着多年来大量研发资金的投入，克服了一个个难点，终于把CRT 挤出了显示器市场。
可以相信，只要在铁电液晶上投入足够的研发资金，说不定哪一天就可以在市场上与TN 型TFT-LCD一决高下。
其实，这何尝不是我国平板显示界追赶世界先进水平的一个良好机会。
Thank for your
attention!。