液晶显示材料的发展与应用郑磊（安徽工业大学化学与化工学院安徽马鞍山）摘要:液晶有许多特殊的性能，因而在许多领域得到应用。

其中最常见是液晶显示技术.本文简述了液晶高分子材料在图形显示方面的发展历史、发展趋势以及研究与应用现状。

关键词:液晶；图形显示；显示材料；应用;发展1引言人们早已熟知液晶本身和液晶在电子显示器件方面、非线性光学方面的应用。

液晶显示的手表、计算器、笔记本电脑和高清晰度彩色液晶电视都已经商品化，液晶的商业用途多达百余种，它使显示等技术领域发生重大的革命性变化.2液晶显示技术的发展经历4个阶段发展为液晶电视“使用液晶可以制造超薄显示屏”。

40多年前的1968年5月，美国RCA公司在纽约召开的液晶显示屏新闻发布会上的发言震惊了全世界。

发现液晶可用于显示的是RCA公司的GeorgeHeilmeier，他甚至还表示,“梦想中的壁挂式电视只需数年即可实现”.自那之后,日本、英国、瑞士、德国的显示屏研发人员都开始参与液晶面板的开发工作,全球性开发的帷幕正式拉开。

但是，液晶显示屏的实用化并不容易.当时，液晶的使用寿命和可靠性等基本问题都未能解决，使用不到1个小时显示就会消失，更别提要用液晶制造电视了.之所以会存在使用寿命和可靠性方面的问题，主要是因为将直流电压加载到液晶上时，液晶材料及电极会发生氧化还原反应而变质。

虽然也可以采用交流电来驱动液晶，但是显示性能较差。

最终解决这一问题的是夏普公司。

该公司发现，如果在液晶材料中加入离子性杂质，使其导电率升高,就可以采用交流驱动获得良好的显示特性。

利用这项技术，1973年5月，夏普公司推出全球首款液晶应用产品——使用液晶显示屏作为显示部件的小型计算器EL—805.夏普公司的液晶计算器上采用的液晶显示屏是由RCA公司生产的DSM(动态散射模式)液晶，而不是目前常见的TN（扭曲向列)模式液晶。

但是，要采用DSM制造液晶电视是很困难的,这是因为DSM的点阵显示扫描线在数量方面存在一定的限制。

1971年出现的TN模式解决了这个问题。

TN液晶能起到快门的作用，通过使液晶分子在电场中移动，就可以控制光的开/关。

目前，几乎所有液晶显示屏都在采用这个工作原理。

虽然TN模式可使点阵显示的扫描线数量大为增加，但当扫描线增加到60条左右时，图像就会发生变形。

对于这个问题,最初找出原因并提出解决方案的是日立制作所的川上英昭。

他发现,扫描线的最大数量取决于电压-透过率曲线的上升沿。

于是，各机构开始竞相研究如何提高电压—透过率曲线的上升沿。

随之出现了将液晶的扭曲角从TN模式下的90度增大到270度的STN（超扭曲向列）模式。

1982年，英国皇家信号与雷达研究院（RSRE）发明了STN液晶。

1985年，瑞士BrownBoveri公司(BBC)试制出扫描线数量达到135条的STN液晶显示屏。

然而，即使引入STN模式，还是很难制造液晶电视，这是因为STN液晶仍然存在对比度较低、很难显示细微灰阶的问题.突破这一壁垒的，是通过TFT（薄膜场效应晶体管)来控制各像素的有源矩阵驱动技术.与以往的单纯矩阵驱动不同，有源矩阵驱动技术可以独立控制各像素，从而防止因受到周围像素的影响而产生的交调失真,因此可以显示高对比度与细微灰阶。

技术竞争白热化在液晶显示器市场刚开始启动的1998年,当时的夏普公司社长（现任董事长)町田胜彦的发言震惊了整个行业。

他表示：“到2005年，夏普在日本国内销售的电视将全部采用液晶屏。

"当时，液晶电视并未普及，在夏普公司内部对于彩色液晶屏也并没有十足的把握.但是，这一句话成为液晶电视扫荡市场的导火索，那以后,液晶电视以超乎町田胜彦预想的惊人速度推广开来。

在此过程中,液晶与PDP(等离子)、SED（表面传导电子发射显示)等技术展开了激烈的竞争。

制造壁挂式电视的挑战变得具体化，TFT液晶面板与PDP面板的开发竞争可以追溯到“町田发言”3年之前的1995年。

当时，上世纪80年代后期从PC市场撤出的PDP厂商纷纷宣布将涉足壁挂式电视业务.30英寸～40英寸面板的开发成果在那时也相继发布.PDP阵营主张“液晶面板的尺寸应在20英寸以下”,TFT 液晶面板阵营则对此表示坚决反对.例如,夏普于1995年将两张21英寸面板接在一起,开发出相当于28英寸的TFT液晶面板，表示出欲制造壁挂式电视的意图.但在当时,无论是PDP面板还是TFT液晶面板,在显示性能上都明显不如CRT，制造成本也过高。

因此,两大阵营的初期目标都是要改善显示性能，力争接近CRT 的水平。

TFT液晶面板与PDP的第二次交锋发生在2001年。

日立制作所推出了大大低于100万日元(约合7万元人民币）、实际售价为60多万日元(约合42000元人民币）的32英寸PDP电视，当时这款电视在市场上成为热销产品。

TFT液晶面板阵营则致力于继续扩大面板尺寸，夏普公司推出30英寸的液晶电视。

在面板开发上，三星公司也发布了40英寸的试制面板。

但是，PDP与TFT液晶仍然无法完全取代CRT电视。

PDP在支持全高清与低功耗方面、TFT液晶面板在响应速度等视频显示性能上都存在很大的挑战。

之后，两大阵营为了解决各自的问题而继续进行开发。

到2005年～2006年，又发生了第三次交锋。

这时两大阵营的电视画质都已得到大幅改善,各厂商纷纷开始加大投资。

2005年，在全球同步推出PDP电视的松下电器产业宣布将继续投资尼崎生产工厂(兵库县）.TFT液晶面板阵营方面，夏普、三星以及中国台湾地区的厂商开始投资建设第7代与第8代工厂,扩大了电视面板的产量.经过激烈的投资竞争之后，PDP阵营的厂商开始陆续撤退，到2008年只剩下三家公司。

自此，TFT液晶面板确立了电视领域的核心地位。

参与壁挂式电视开发竞争的不光是TFT液晶面板与PDP。

2004年，SED面板高调宣布参与竞争。

佳能与东芝公司合资成立了SED公司，并发布了SED电视业务计划。

但在2006年，SED电视的投产日期从最初计划的2006年春推迟到2007年第4季度。

到2007年，又由于专利许可的问题，公司宣布再次推迟SED电视的上市时间。

2007年,OLED取代SED加入开发竞争。

索尼公司推出11英寸的OLED电视。

不过，由于大屏幕技术不够成熟，所以目前OLED电视尚处于开发之中。

OLED面板的量产始于1997年的小屏幕单色产品。

CRT与液晶面板从开始研发到市场正式启动为止都花了20年～30年的时间，所以，OLED面板能否形成气候还将取决于今后的开发情况。

壁挂式电视的后继者显示器领域的技术人员一直以来都有三个梦想:壁挂式电视、3D显示器及电子纸.壁挂式电视目前已经实现，松下等厂商已公布了下一步的开发方向，即嵌入墙壁的“墙面电视"。

今后，为了开发出更大的屏幕，必须进一步降低耗电量。

因此需要开发全新的显示原理，如不再采用导致光利用效率低下的偏光板与彩色滤光片. 3D显示器的关键在于开拓杀手级应用。

目前，在家庭影院及数字标牌（digitalsignage）领域已经出现了完全不同于现有2D显示器的全新收视方案. 电子纸方面则需要彻底改变此前以CRT为目标的开发策略.纸的特点是薄、轻、可弯曲、可书写、视认性较好。

在进行开发之前，需要根据目标应用制定相应的开发策略。

3液晶显示技术应用液晶显示19世纪澳大利亚的植物学家弗里德里克首次发现了液晶。

此后不久德国物理学家，奥托•莱曼发现了液晶的物理特性.液晶几乎是透明的物质，它有着近乎在液体与固体之间的特性。

当液晶的分子有秩序的排列在一起时它就呈现固体的特性,光线可以直接穿过它。

在60年代科学家们发现可以用通电的方式改变液晶分子的排列秩序，液晶材料就呈现液体的性质。

这时液晶材料对光线穿透有抑制作用。

可以通过这种方法控制液晶分子的透光率.直到1971年中,液晶显示器才杀入这个领域.今天液晶已经深入到了微型摄像机、数码相机、显示器等各种图像显示产品中。

很多人都相信LCD是最有希望的显示技术，它最终会代替CRT显示器。

因此相关的液晶技术也得到了大力发展，今天的产品已经不再像从前那样笨拙了，艳丽的色彩取代了单色黑白。

无疑超薄的平板屏幕技术被首先应用于笔记本和掌上电脑领域.液晶显示原理LCD可以说是一种光线传送技术.其原理是通过一个有源滤波器来调整固定强度的背景光线穿过液晶，从而使液晶板上可以显示出不同的图形.通过对白色光线的简单过滤，得到红、绿、蓝的基本原色，这就能构成显示的基本元素—-象素。

大多数液晶材料在自然状态下都是一种分子化合物.液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。

这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。

液晶分子会沿着一条中轴平行的排列。

为了可以控制分子的列队让他们保持一定的顺序,人们让液晶分子依附于更大一些的沟槽状板的表面。

液晶分子可以沿着沟槽滑动，在接触到沟槽的表面后会沿着沟槽的方向顺序排列。

因此如果沟槽之间紧密的平行，那么液晶分子的列队也可以紧密的平行。

LCD就像三明治一样,液晶夹在两块精细的沟槽板之间，两个沟槽的方向互相保持90度的垂直.如果其中一个沟槽面板中的沟槽是按照南北方向并行排列的，那么与它相对应的另一快沟槽板中的沟槽就是按照东西方向并行排列的。

在两块沟槽板中的液晶层被强破扭曲为90度排列.光线可以穿过分子队列和被扭曲90度的液晶层.此后美国无线电公司（RCA）发现电压可以作用于液晶。

电压可以使液晶分子重新排列，并且可以抑制某些光线的通过。

LCD显示图像需要依靠偏振滤光器和光源。

自然的光谱可以向任何的角度发散。

偏振滤光器可以简单的控制光谱的发散方向。

当上下两个沟槽板表面之间呈一定的角度时，液晶随着两个不同方向的表面进行排列,就会发生扭曲。

结果便是这个扭曲了的螺旋状液晶层,使穿过它的光线也发生了扭曲.如果电流通过液晶,所有的分子将会按照电流的方向进行排列,这样就会将某些波段光线的扭转.如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线就可以被还原了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。

通过这一过程液晶屏幕便能把白色光线过滤成其他颜色，最终在屏幕上呈现出艳丽的色彩。

液晶显示的市场从液晶显示(LCD)的实用化开始已经过去30年了。

从台式计算机的字段式显示开始的实用化液晶面板,以及后来的类似于主动型素子驱动方法的开发，使大型、漂亮画面的显示成为可能，之后显示性能在不断地进行改善,现如今，我们身边几乎所有的场所都在使用液晶显示器，从个人电脑和移动领域使用到最近的电视用，液晶电视已经开始逐渐取代CRT。

最初实用化液晶主要是以20世纪70年代的TN型液晶和80年代的STN液晶为基础的，它们各自相对应的产品也确实扩大了市场.90年代,以PC用途为基础，使用a—SiTFT液晶，使液晶市场快速得以成长起来。