2.4 液晶的表面配向

2.4.1 表面配向理论

为了驱动液晶显示器件，必须严格控制基板表面上液晶的指向矢取向，这种控制方式称为液晶的表面配向。液晶的表面配向主要有三种方式，分别为水平配向、垂直配向和介于两者之间的倾斜配向，如图2.4.1所示。

下面通过分析液晶和表面之间的物理化学作用，讨论液晶的表面配向与表面能量之间的关系。假定液晶从基板表面分离，则从表面能量的概念有如下关系式：

γS-L（θ）+W（θ）=γL-Air（θ）+γS-Air （2.4.1）

式中，θ：液晶指向矢与表面之间的夹角；

γS-L：液晶与表面之间的表面能量；

W：分离过程中消耗的功；

γL-Air：液晶与空气层之间的表面能量；

γS-Air：空气层与表面之间的表面能量，与θ无关。

表面能量主要取决于范德瓦尔斯力，它是由静电作用（如电偶极子间的相互作用）力和电子云之间相互作用产生的分散力组成。实验证明，除特殊情况外，大部分情况下分散力是范德瓦尔斯力的主要部分。仅仅考虑分散力时，式中的W可近似为2［γS-Air·γL-Air（θ）］1/2，因此γS-L（θ）可改写成如下式子：

为了求得平衡状态下的表面配向，上式两端对θ进行微分

通常γL-Air是θ的递增函数，如图2.4.2所示。因此从式（2.4.3）可得出如下结论：

（1）γL-Air（θ）＞γS-Air时，γS-L（θ）是θ的递增函数，垂直配向；

（2）γL-Air（θ）＜γS-Air时，γS-L（θ）是θ的递减函数，水平配向；

（3）γL-Air（θ）≈γS-Air时，γS-L（θ）在某θ值取最小值，倾斜配向。

2.4.2 配向方法

1.水平配向

根据2.4.1节得出的结论，如果基板表面形成具有γL-Air（θ）＜γS-Air特性的薄膜，就能使液晶水平配向。为了使液晶配向而在玻璃基板表面形成的膜称为配向膜，一般通过印刷方式涂敷到玻璃基板上，并沿特定方向摩擦。目前最广泛使用的水平配向膜是聚酰亚胺（Polyimide）高分子材料。

2.垂直配向

垂直配向液晶时需要使用含有碳氢链或者氟碳链的物质。碳氢链具有很强的疏水性，连在亲水性分子基或具有表面附着性质的分子基上后，才可以作为配向膜被使用。由亲水性分子基头部和碳氢链尾部形成的分子具有两亲性，应用朗缪尔-布罗杰特（LB：Langmuir-Blodgett）技术可以连接到基板上，即亲水性分子基头部连在基板上，碳氢链尾部外露在表面。

如图2.4.3所示，由于碳氢链之间的相互作用，碳氢链垂直于配向膜表面排列，从而导致液晶也垂直配向。因此碳氢链的柔韧性、链长以及碳之间是否双重结合对液晶的配向特性有很大的影响。另外，配向表面的碳氢链密度对配向特性的影响也很大。例如，当界面活性剂卵磷脂的密度较低，碳氢链之间的有效距离大于液晶分子的物理尺寸时，部分液晶分子将渗透到配向膜内，在碳氢链的作用下液晶层趋于垂直配向，如图2.4.3（a）所示。反之，当卵磷脂的密度较高，液晶分子不能渗透到碳氢链内部时，配向效果就会很弱，如图2.4.3（b）所示。

2.4.3 表面锚定能（Surface Anchoring Energy）

为了直观地讨论液晶的表面配向，引入表面锚定能的概念，并定义指向矢偏离指定配向方向时增加的自由能为表面锚定能。假定指向矢从指定配向方向顺时针或逆时针旋转相同角度时增加的自由能相等，那么表面锚定能可以表示为以指定配向方向为中心的二次函数。

在图2.4.4所示的液晶盒内，假定表面1上的锚定方向为φ=0，表面2上的锚定方向为φ=α（盒厚为d）。实际上由于向列相液晶的扭曲弹性形变的作用，表面1和表面2上的液晶指向矢与锚定方向偏离一定的角度。假定偏离角度分别为φ1和α-φ2，那么系统的总自由能量为

式中，K为向列相液晶的弹性系数，第三项和第四项分别为在表面1和表面2的表面锚定能。

式（2.4.4）代入到欧拉-拉格朗日方程，在以下边界条件下

得到如下的结果

在以φ为纵轴，z为横轴的坐标系中，式（2.4.6）形成的直线与横轴（z）的截距为-K/W。如果表面是强锚定的情况（W→∞），截距趋于零，再根据式（2.4.7）与式（2.4.8），得出φ1→0，φ2→α，即液晶在两表面上的配向与锚定方向几乎完全一致，如图2.4.5（a）所示。如果表面是弱锚定的情况，那么液晶分子在表面的配向与锚定方向并不完全一致，如图2.4.5（b）所示，其大小由式（2.4.7）和式（2.4.8）决定。