随着社会的发展和人类对科技的不断探索，人们对便利、舒适、美好的生活有了更多期待，生活品质也不断提高，其间各类智能终端产品起到了非常重要的中流砥柱作用。各种自动化、信息化、智能化设备如智能手机、智能家居、机器人、无人驾驶等层出不穷，让人们的衣食住行等方面愈加便利。在众多智能产品中，液晶材质的使用十分普遍，其中最常见的当属液晶显示器。

来源：《超时空同居》电影片段

我们生活中随处可见的手机、电视、电脑中等，都离不开液晶显示器。那么，你知道液晶显示器是如何显示图案的吗？

液晶显示器

显示器是液晶材料最重要的应用之一。

现代社会信息爆炸，大部分信息都是通过液晶屏幕展示给大家，包括数字仪表、电脑屏幕、电视屏幕、手机屏幕等科技产品。这主要归功于液晶显示具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点，为人们的生活提供了极大的便利。

液晶材质的使用十分普遍

20世纪，人们大部分使用的显示器是黑白显示，由于其造价便宜并且节能，至今还有少数市场在应用，比如：计算器、仪表等。

黑白显示的计算机

到了21世纪，大家对彩色的需求十分强烈，毕竟我们人类生活在五彩斑斓的世界。科学应用就是为了满足人类各种需求，为此科学家们基于黑白液晶显示原理研发出了液晶彩色显示器。其实结构上彩色显示只比黑白显示多了彩色滤光片，只是要使液晶屏幕显示彩色图案就复杂多了。但是万变不离其宗，对科学家而言，这只不过技术难度增加而已。

电视机的演变

我们知道，屏幕上任何一个图案都是由像素点组成的。要想显示彩色图案，需要两项新技术。

第一项技术就是要把屏幕分成很多小格子，每一个小格子都是独立的，它的电压可以被单独调控。为了得到更加复杂的彩色显示，第二项技术就需要增加专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色液晶显示面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色、蓝色的滤波片，通过每一个液晶格的电开关可以控制三基色的不同排列组合，从而在屏幕上显示出不同的颜色，实现彩色显示。（如图所示）

图：彩色液晶显示器的工作原理

显示面板中每一个像素都是由三个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色、和蓝色的滤波器。这样，通过控制透过每个单元格的光线再合成就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

液晶显示主要在可见波段。实际上，液晶的可工作波段覆盖了可见光、红外、乃至太赫兹、微波的整个电磁波波段，其应用范围非常广泛。随着21 世纪初液晶技术的革新及蓬勃发展，液晶光子学材料和器件在快速响应显示技术、增强现实、光场调控衍射光学器件、等离激元、光通信等方面展现出蓬勃的生机。

那么液晶的应用是不是仅限于液晶显示呢？下面介绍另一种走进我们生活的液晶应用。

液晶智能窗

可以想象一下这样的生活：你住在一个宽敞的房子里，卧室里有大大的落地窗，早上睡到自然醒，醒时从窗外射入一缕温暖的阳光，抬头就可以看见窗户上显示着现在的时间和今日的温度。当你起身，隔着透亮的大玻璃窗向远方望去，满怀希望地开启一天新的生活。随后，你开着安装有节能型智能窗的轿车，安全、舒适地抵达工作单位。走进宽大的办公室，你需要处理个人事务或者开个小组会，旁边的智能玻璃自动调光变为模糊状态，这样外面无法看入室内，你可以尽享私人空间。写字楼外墙是节能型智能窗，这为单位节约了不少的空调耗电费用。当你需要出差坐飞机尤其是长途旅行时，你不再惧怕飞机外特别刺眼的光线，飞机装有的智能窗可以根据个人喜好调节入射光的强弱，你可以尽情欣赏飞机外面景色。当你结束了忙碌的工作回到家中，最想做的就是回家泡个澡，此时的浴室玻璃也会根据需要变为模糊状态，把自己与外界彻底隔离，你可以舒适地休憩，享受只属于个人的私密空间，一身的疲惫也顿然消除。然后你回到卧室，落地窗自动调节光线，避免外界光的射入打扰你的美梦。

这样的场景真的很让人期待，我们的生活品质也将大大提高。然而要什么样的智能窗才能实现这么多功能呢？科学家找到了一种由液晶材料制作的智能窗，称为液晶智能窗。液晶智能窗又是如何实现这么多功能的呢？

首先，我们需要了解液晶分子的取向。有了这样的光学各向异性，我们就可以利用外加电场，改变液晶分子的排列方向，通过液晶分子取向的改变，最终对光进行动态调控。液晶智能窗也就随之产生，液晶分子取向一致的液晶器件，表现为均匀介质——透明体；液晶分子取向不一致时，它就表现为一个具有双折射率的散射体。

什么是聚合物分散液晶( PDLC)？

聚合物分散液晶( PDLC)是在我们生活中最为常见的一种智能窗材料，它是将低分子液晶与预聚物相混合，在一定条件下经聚合反应，形成微米级的液晶微滴均匀地分散在高分子网络中，再利用液晶分子的介电各向异性获得具有电光响应特性的器件。

PDLC主要工作在散射态和透明态之间并具有一定的灰度。液晶分子赋予了聚合物分散液晶智能窗显著的电光特性，使其受到了广泛关注，并有着广阔的应用前景。

在无外加电压的情形下，液晶分子的光轴取向随机，呈现无序状态，其有效折射率n0不与聚合物的折射率np匹配。使入射光线被强烈散射，液晶智能窗呈不透明或半透明状。当施加外电压，液晶分子的光轴沿着电场排列，液晶分子的寻常光折射率与聚合物的折射率基本匹配，无明显介面，构成了一个均匀的介质，所以入射光不会发生散射，此时液晶智能窗呈透明状。（如图所示）

图：聚合物分散液晶智能窗工作原理和实物图

除了上述的聚合物分散液晶（PDLC）以外，常见的还有一种聚合物双稳态液晶智能窗，这种液晶智能窗与PDLC相比具有明显的优势，比如：节能（无需电压维持）、隔热等。那么聚合物双稳态液晶智能窗又是如何实现节能和隔热的呢？

对于聚合物双稳态液晶智能窗，其材料主要由胆甾相液晶和聚合物组成。接下来简单地介绍一下聚合物双稳态液晶智能窗的工作原理。

胆甾相液晶处于平面态（P态）时，智能窗呈现透明态，此时智能窗相当于普通玻璃同时还将反射红外线，降低室温的功能。当给智能窗一个低频脉冲电压时，处于平面态的胆甾相液晶分子瞬间转换为焦锥态（FC态），此时智能窗呈现为模糊状态，液晶分子在器件内部混乱排列，从而使光在器件内部散射，从而实现了模糊的功能。（如图所示）

图：聚合物双稳态液晶智能窗工作原理和实物图

如今，节能建筑、汽车以及医疗保健行业对智能玻璃的需求越来越旺盛。智能玻璃全球市场价值正以20%的复合增长率快速攀升，预计到2020年将达到58.14亿美元。我国在接下来的几年内，市场价值也将大幅提高。总之，液晶智能窗在建筑节能、医疗、汽车、航天领域，有望逐步升级取代现有智能玻璃技术，具有非常广阔的应用前景。

图书馆玻璃幕墙（摄影：学生新闻社 王本凡）

液晶其他的用途

目前，人们对液晶的研究正从显示领域扩展到光子学领域。例如，在光场调控领域，人们利用液晶技术可以很方便地产生各种性质新颖独特的结构光场，包括具有螺旋相位的涡旋光场、偏振态非均匀分布的矢量光场、振幅和相位随空间变化的艾里光场和贝塞尔光场等，这些独特的结构光场可极大地增加光所携带的信息，从而拓展光在通信、医学、生物学、天文学、军事国防、激光加工等领域的应用。

再比如，液晶具有分子小、可流动的特性，几乎与所有其它重要的光电子材料兼容，从而使得它在各种非平面结构中大显身手，其中就包括表面等离子纳米结构。研究人员已经展示了基于双频驱动液晶的表面等离子激元开关和表面等离激元彩色滤波器，利用液晶来控制表面等离激元信号有着显著的技术优点：操作和加工简单、能耗低、易于小型化和集成化，因而对于开发基于表面等离激元的光子芯片具有潜在的实用价值。

图：表面等离子纳米结构

总之，液晶的双折射、可流动等特性，使得液晶不仅能够实现对非相干光的控制，也能实现对相干光的控制，基于液晶的可调谐光学或光子学器件，有可能成为未来光电产业领域的一个新的蓝海。

（文中部分图片来源于网络）

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致谢：感谢南科大海洋科学与工程系教授刘青松教授和招生办公室崔繁老师对文章的润色与修改，南科大电子与电气工程系访问学者李勇对视频拍摄给予支持与帮助以及文章中提及的相关工作原理提供了指导。

作者简介：刘言军，南方科技大学电子与电气工程系副教授。他于2007年获得新加坡南洋理工大学博士学位，2003年获得复旦大学理学硕士学位，2000年获得山东大学工学学士学位。主要研究领域为液晶光电子学、等离激元光子学、超材料和超表面等。目前已经累计发表文章100多篇，参与编写专著3章节，申请专利10余项。关于液晶光子学方面的研究成果被《SPIE Newsroom》、《Science Daily》、《R&D Daily》、《NewScientist》等新闻媒体广泛报道。

作者简介：罗丹博士于2012年7月在新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院获得博士学位。2013年5月加入南方科技大学电子与电气工程系任助理教授，2018年11月至今任电子与电气工程系副教授（长聘）。长期从事可调谐液晶激光器，蓝相液晶，光取向材料，新型反射式液晶显示器件，可调谐液晶光子/太赫兹器件以及液晶智能窗的相关研究工作。已发表论文70篇,申请专利7项。曾获得2011年德国卡尔斯鲁厄理工大学颁发的“奥托.莱曼奖”(年度全球唯一获奖人)；2011年国家优秀自费留学生奖；2012年国际光学工程学会光学光子奖学金；2012年国际电子电气工程学会研究生奖(年度全球十人获奖)；2016年南方科技大学优秀导师奖；2017年南方科技大学青年科研奖；2017年南方科技大学优秀教学奖； 2018年获深圳市先进教育工作者称号。

作者：刘言军、罗丹

编辑：吴思雨

设计：丘妍

视频：叶茹诗 郑艺俊