藍相液晶綜述

張澎釗

摘要：藍相液晶作為一種新型的液晶顯示材料，具有寬視角、響應速度快、制作工藝簡單等優點，近年來多國研究人員對該領域進行了深入剖析。本文歸納總結了藍相液晶的最初發現、發展歷程及其相關性質，總結了近幾年國內外藍相液晶的研究現狀，并對藍相液晶材料在顯示領域中的應用成果和未來發展趨勢做了評估展望。

關鍵詞：藍相;液晶;相寬

一、藍相液晶的發展歷程

藍相液晶作為一種具有特殊相態的液晶，早在1888年奧地利的植物學家Reinitzer在觀察膽固醇苯甲酸酯（Cholesteryl Benzoate）的過程中，首度發現不尋常液晶現象時，就曾在降溫中觀察到澄清轉換至霧態的過程中出現藍色的反光，這是藍相液晶首次進入人們的視線。

在1906年，德國的物理學家Lehmann就注意到，這種色彩是一種光學上各向同性的變態到1956年才被Gray稱這種中介相為藍相。

直至1970年藍相才被鑒定出是至少擁有兩種流體晶格（Fluid Lattice）的新液晶形態。藍相因早期研究的藍色外觀而得名，實際上也會反射其它光，甚至包括近紅外光。最初證明藍相是一個熱力學穩定的獨立相態的實驗是由Armitage和Price 在1975 年使用差分掃描量熱術的方法完成的證實了在各向同性相和膽甾相之間存在著穩定的藍相。

到1980年，藍相液晶的相關研究報告才被大量提出，其中研究成果包含：（1）液晶藍相屬于一種自聚組，有周期性排列的結構;（2）液晶藍相雖然可以靠著周期性的結構反射炫麗的顏色，但由于其體積之折射率異方性幾近于零，所以不具有光子晶體的能隙結構;（3）不同的藍相液晶隨著系統的螺旋能力增加有不同的改變;（4）藍相液晶因缺陷所形成的晶格結構可能因外加電場的作用發生扭曲或者進一步造成相態轉移。

二、 藍相液晶的近年來的研究進展

2.1 拓寬藍相液晶相寬的進展

藍相獨特的光學性質，引起了各國科學家的廣泛研究興趣。為了實現藍相液晶的真正應用，首先必須對藍相的溫度范圍進行拓寬，至少要將其控制在室溫附近的范圍。

日本的菊池教授首先提出了采用聚合物穩定藍相的方法，即由具有藍相的低分子液晶組合物5CB、JC1041XX與手性劑ZLI4572，由光照引發聚合得到的含聚合物6%～12%（摩爾分數）的聚合物穩定藍相液晶。2005年劍橋大學Harry J . Coles和Mikhail N. Pivneoko教授[1]Nature雜志報道的含氟對稱液晶二聚物，其藍相I液晶相區間最寬為44℃（16～60℃）。該材料摻雜有少量高度扭曲手性添加劑，在常溫下亦可呈現藍相，且由于其二聚體分子結構和高撓曲電系數，使得其在電場作用下，響應時間僅為10ms，不但開辟了新的光學應用，并有望突破理論研究運用于實踐。

同樣研究聚合物穩定藍相液晶的奇美電子也發現，腈類多苯環藍相液晶體系使用高分子穩定后，不會影響液晶組分的其它物理性能。友達光電也對5CB和JC1041XX體系進行了聚合物穩定研究，通過合成新型的二元異山梨醇體系手性劑分子并調整手性劑的含量，得到了寬溫（9K）且驅動電壓更低的聚合物穩定藍相液晶樣品。誠志永華公司公開了一種新型的藍相液晶組合物[2]該組合物使用原本不具有藍相性質的液晶化合物，配以經過大量篩選后確定的適合的手性化合物進行誘導，得到了性能優良的藍相液晶組合物。

2008年，三星公司在Society for information display展會上，首次展示了擁有其多項“藍相”技術的15英寸液晶顯示器，它最大的特點是擁有高達240HZ的刷新率。這是世界上第一臺藍相液晶模式顯示器，其中使用的就是聚合物穩定藍相液晶。

2009年，楊槐教授[3]導的功能高分子材料研究室課題組，在液晶藍相的研究方面取得了重要進展，液晶分子中引入吡啶、羧基等基團，可在分子之間形成鍵能較高的氫鍵，而得到寬溫藍相。張寶硯教授合成了BPIII，區間寬達200℃和藍相區間寬達340℃（藍相降溫從到160℃- 180℃）的藍相液晶聚合物[8]已位于聚合物藍相研究的前沿，但此系列的藍相液晶材料分子量大，多用于相態結構模擬和理論研究。

華東理工大學的沈冬教授等人了彎曲型的液晶分子，雙軸液晶具有雙扭曲結構，可以增大藍相的旋光性，通過摻雜手性向列相液晶，從而得到的藍相溫寬可達29℃。研究結果表明，寬溫藍相的獲得與液晶之間的界面張力降低和缺陷以及彎曲分子進行手性摻雜之后體系中缺陷核心的半徑收縮密切相關。

2.2 降低操作電壓的進展

大量寬溫度范圍的藍相液晶的開發為藍相液晶的實際應用提供了巨大的便利，但是高操作電壓、由于殘余雙折射引起的低對比度和滯后現象仍然妨礙它的廣泛應用。為了降低操作電壓，研究者們付出了巨大的努力，并且取得了一定的成果。在器件方面，主要是設計合適的電極結構以降低驅動電壓，主要包括（1） 采用梯形橫截面交叉指電極結構降低驅動電壓（2）尋找最佳電極形狀降低驅動電壓（3）采用波浪形電極結構降低驅動電壓。

華星光電公司開發了一種藍相液晶顯示面板，采用兩層或兩層以上方向不同的平行電極形成層間交錯的橫向電場驅動藍相液晶分子，可在不同的方向上誘導藍相液晶分子產生相位差，進而縮短藍相液晶顯示面板的響應時間，降低藍相液晶顯示面板的遲滯效應，降低藍相液晶顯示面板的驅動電壓。

2.3 提高透射率的努力

一般而論，提高液晶顯示器的透射率一是要提高像素的開口率。二是提高所用各種材料的光透射率;三是提高背光源的亮度。但這里單指藍相模式用混合材料的透射率。下面一些途徑可能有助于提高藍相模式混合材料的透射率：

a.在光學各向同性液晶相混合物中添加性能改進劑時，不但注意其與其他組分的相容性，更要注意提高其透射率;

b.用來穩定各向同性液晶相的可聚合單體應該是具有中介相的。在其聚合后不但擴大和穩定藍相液晶相，而且可隨外加電壓取向，增加透射率。

三、 展望

藍相液晶的三維平面液體晶格性質和科爾液體各向同性相性質決定了它的可開發性：利用添加物，如聚合物或者大端基分子液晶穩定其約100nm螺距的雙扭曲筒狀立方晶格，拓寬其操作溫度范圍;利用大科爾常數藍相液晶降低其操作電壓?？梢灶A期，通過各國液晶界的努力，未來的藍相液晶LCD的各項性能一定會優于其他平面顯示器。

德國Merck 公司董事長兼社長Karl Roeser先生在2008年7月24日的新聞發布會上說：“目前備受關注的藍相液晶近期不會完全取代現有的VA和IPS液晶顯示模式，三者將共存，但藍相液晶顯示將逐漸取代后兩者，并將與有機電致發光顯示器（OLED）平分天下?！毕嘈旁谙嚓P技術突破后，藍相液晶能很快與現有的液晶技術并駕齊驅。

參考文獻：

[1] Armitage D， Price F P. Precision recording dilatometer with tesults cholesteryl nonanoate[J]. Journal of Applied Physics， 1976，47（6）：2735-2739

[2 Lehmann O. Z. Phys . Chem. 1906 ， 56 ： 750 .

[3]Gray G W. J .Chem. Soc .， 1956 ， 3733 .