液晶是一種介於固體與液體之間的物質，分子有方向性排列且具 雙折射率。在1888 年，液晶初次被奧地利植物學家 Friedrich Reinitzer 發現，他觀察自己合成的安息香酸膽石醇隨溫度升降所產生的相變化 現象，不同於一般物質，溫度升至145℃時固態轉變成液態卻呈現糊 狀，到了 179℃仍為液態但變透明。後來德國物理學者 Lehmann 用 POM (Polarized Optical Microscope)觀察，確定此物質是有方向性排列 的組織且具有雙折射率特性。
1.1.1 液晶種類與分子結構[2-3]
液晶依生成因素可分為兩類，溶致型液晶(Lyotropic Liquid Crystal) 和熱致型液晶(Thermotropic Liquid Crystal)。前者大多存在生物體 中，溶入適當的溶劑後，會因濃度變化而形成液晶態。後者則是隨溫 度變化而形成液晶態，由於電光特性佳，經常用於基礎研究與應用，
例如最常見的液晶顯示器(Liquid Crystal Display，簡稱 LCD)。
一般常用的液晶分子為圖1-1 的 5CB (5 Carbons & Benzenes)結 構，至少 2 個以上的苯環結構組成分子的硬段，產生光軸，5 碳鏈的 部份組成軟段，因此可將整個液晶分子假想成圖1-2 的棒狀。
圖 1-1 5CB 液晶分子結構(○：H、●：C、●：N)
圖1-2 假想棒狀液晶分子
若是依液晶分子排列結構來分類，基本上可分為：(1)向列型、(2) 層列型與(3)膽固醇型，如圖 1-3 所示。向列型液晶(Nematic Liquid Crystal)分子大致上朝同一方向平行排列，但分子質心任意分佈，光 軸方向即是分子排列的平均方向。層列型液晶(Smectic Liquid Crystal) 分子除了平行排列之外，多了層層排列的規則性。膽固醇型液晶 (Cholesteric Liquid Crystal)又稱為旋光向列型液晶(Chiral Nematic Liquid Crystal)，每一層分子排列如同向列型液晶，只是各分子的光軸 繞著與光軸垂直的方向旋轉，形成有旋光特性的結構。
光軸 方向
(1)向列型 (2)層列型 (3)膽固醇型 圖 1-3 液晶分子排列結構的種類
向列型液晶與其它二類比較，因分子間作用力小、黏度也較小且 易於轉動，故向列型液晶材料應用較廣泛。
1.1.2 液晶之物性
(1)秩序參數：
液晶是有方向性排列的組織，為了描述其排列的整齊程度，可以 使用秩序參數S
1 cos
2 3
1
2−
= θ
S
(1-1)θ
為液晶分子與平均方向的夾角，如圖 1-4 所示，n為液晶分子平均 指向(Director)。S =0，分子等方向性排列；S =1，分子則是完美地朝 同一方向排列。n
n θ
LC
圖 1-4 向列型液晶指向 (2)彈性連續體理論：
理想的向列型液晶分子朝同一方向排列，但是在實際的情況下，
受到配向層、外加電場等外界影響，液晶分子排列會產生具有彈性回 復力的形變，由於這樣的形變是分子點對點的連續變化，可視為彈性 的連續體，分為三種形變：(1)展曲(Splay)、(2)扭曲(Twist)與(3)彎曲 (Bend)，如圖 1-5 所示。
LC Rubbing
Direction
(1)展曲 (2)扭曲 (3)彎曲 圖 1-5 液晶的三種形變
此三種形變的彈性係數(Elastic Constants)分別以k11、k22與k33表示。
(3)介電異方性(Dielectric Anisotropy)：
當外加電場時，液晶排列產生形變，光學性質也產生變化，主要
是受到介電異方性所影響。分子光軸與電場方向平行時，介電常數為 (Ordinary Ray，簡稱 o-ray，其電場振動方向與分子光軸垂直)看到的 折射率，如圖1-6 所示，因此液晶的雙折射率Δn為 of Incident Light
Polarization of Incident Light
θ
no ne
( ) θ
neff
圖 1-7 有效折射率
(5)旋轉黏滯係數(Rotational Viscosity Coefficient)：
液晶分子於動態旋轉時，會受到反向黏滯阻力，與旋轉角速度 dt d
θ
成正比，此比例常數為分子旋轉的黏滯係數
γ
1，而黏滯阻力對液晶產 生的力矩τ
V可表示成dt d
V