显示用液晶材料的研究和应用姓名：任明珠班级：化学工程与工艺112学号:201103322显示用液晶材料的研究和应用摘要：介绍液晶材料与显示之间的联系，综述了国内TN-LCD,STN-LCD,TFT-LCD等三种液晶显示材料研究及应用等方面的情况。
关键词：液晶材料；显示；研究应用1888 年， F.Reinitzer 在测定有机化合物熔点时，发现某些有机化合物在熔化后经历了一个不透明的浑浊液态阶段，继续加热，才成为透明的各向同性的液体，这种浑浊的液体中间相具有和晶体相似的性质，随后德国人Lehmann(1855～1922年)用偏光显微镜证实了此中间相态具有光学各向异性，兼有液体的流动性和晶体的光学各向异性，故称为液晶（Liquid Crystal）。
[1] 众所周知 ,物质除气态、液态和固态 3 种聚集状态外 ,还有等离子态、无定形固态、超导态、中子态、液晶态等其他聚集态结构形式。
如果一个物质已部分或全部地丧失了其结构上的平移有序性 ,而还保留取向有序性 ,它即处于液晶态。
[2]根据液晶分子在空间排列的有序性不同 ,液晶相可分为向列型、近晶型、胆甾型和蝶型液晶态4类。
显示与液晶液晶材料在显示方面的应用是人所共知的,大家熟悉的许多产品都离不开液晶 ,如液晶广告宣传牌、液晶计时钟表、液晶游戏机、液晶仪表计量、液晶传感器、液晶通讯设备、液晶计算机等等 ;或者我们日常生产中的许多电器带有液晶器件 ,如微波炉、空调、冰箱、洗衣机等都带有液晶器件。
随着显示器件技术和性能的改进和发展, 对液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并开发了一系列新材料。
目前比较引人注目的液晶材料有异氰硫基 ( NCS基) 液晶, 含氟液晶、烷基桥链液晶、酯类液晶等。
[7]液晶材料在液晶显示器件的发展过程中起着十分重要的作用 ,随着液晶显示技术水平的提高 ,对液晶材料的性能提出了更高的要求。
由表 1 可见 ,每一种新的液晶显示方式的实现 ,总是伴随着新的液晶材料的出现。
显示用液晶主要具备的性能:液晶性能的要求( 1 ) 工作温度以室温为中心 ,范围要宽;(2 ) 化学性能稳定,寿命长;( 3) 良好的电光特性。
[6]表1LCD和LC的发展简史[8]液晶分子结构、材料物理性能与显示器件性能的关系具有液晶特性的有机化合物很多, 但满足显示用的液晶材料并不多见。
这是因为显示用的液晶材料必须满足宽工作温度范围、低工作电压、微功耗、快速响应、高对比度、光电、化学的稳定性等要求。
图 2 是显示用液晶材料分子结构与液晶材料物理性能和器件性能的关系图。
[7]★ K 33 /K 11表示弹性系数比, ΔX 表示介电各向异性 , Δn表示折射率各向异性 , Z表示粘度, Tg表示玻璃化转变温度 , TN I表示清亮点温度 , S表示序参数。
图 2 显示用液晶材料的分子结构与材料物理性能、器件性能的关系[7]目前, 各种形态的液晶材料基本上都用于开发液晶显示器,现在已开发出的有各种向列相液晶、聚合物分散液晶、双(多)稳态液晶、铁电液晶和反铁电液晶显示器等。
而在液晶显示中,开发最成功、市场占有量最大、发展最快的是向列相液晶显示器。
按照液晶显示模式,常见向列相显示就有T N( 扭曲向列相)模式、 HT N (高扭曲向列相) 模式、 STN ( 超扭曲向列相) 模式、TFT (薄膜晶体管) 模式等。
其中TFT 模式是近10年发展最快的显示模式。
[3]TN( Twist Nematic)-LCD扭曲向列型液晶材料TN 型液晶材料的发展起源于1968 年, 当时美国公布了动态散射液晶显示( DSM -LCD) 技术。
但由于提供的液晶材料的结构不稳定性, 使它们作为显示材料的使用受到极大的限制。
1971 年扭曲向列相液晶显示器( T N -LCD) 问世后, 介电各向异性为正的TN -液晶材料便很快开发出来; 特别是 1972年相对结构稳定的联苯腈系列液晶材料由 Gray G等合成出来后, 满足了当时电子手表、计算器和仪表显示屏等 LCD 器件的性能要求, 从而真正形成了TN -LCD 产业时代。
TN -LCD 用的液晶材料已发展了很多种类。
它们的特点是分子结构稳定,向列相温度范围较宽,相对黏度较低。
不仅可以满足混合液晶的高清亮点、低黏度,而且能保证体系具有良好的低温性能。
联苯环类液晶化合物的n 值较大, 是改善液晶陡度的有效成分。
嘧啶类化合物的 K33/ K11 值较小,只有0.60 左右,在 TN -LCD 和ST N -LCD 液晶材料配方中,经常用它们来调节温度序数和n 值。
而二氧六环类液晶化合物是调节多路驱动性能的必需成分。
T N 液晶一般分子链较短, 特性参数调整较困难, 所以特性差别比较明显[3]TN-LCD用液晶材料主要分为普通TN、宽温TN、低阀值TN、第一极值点TN和HTN液晶材料等。
各类混合液晶的性能要求和实例见表1。
[1]STN( Super TN) -LCD超扭曲向列相型液晶材料自 1984 年发明了超扭曲向列相液晶显示器( ST N -LCD) 以来, 由于它的显示容量扩大, 电光特性曲线变陡,对比度提高, 要求所使用的向列相液晶材料电光性能更好, 到 80 年代末就形成了 STN -LCD 产业,其代表产品有移动电话、电子笔记本、便携式微机终端。
ST N 型与T N 型结构大体相同, 只不过液晶分子扭曲角度更大一些,特点是电光响应曲线更好,可以适应更多的行列驱动。
[3]STN-LCD 用混晶材料一般具有以下性能:(1)低粘度；(2)大K33/K11值；(3) Δn和 Vth（阈值电压）可调；(4)清亮点高于工作温度上限30^C以上。
混晶材料的调制往往采用“四瓶体系”。
这调制方法能够独立地改变阈值电压和双折，而不会明显地改变液晶的其它特性。
有关混配的基本方法已有文献报道.[4]酯类和联苯类液晶化合物是STN-LCD 用混晶材料的主要成分，国内各科研机构已开发了近千种，其中已有100 种以上应用于混晶配方。
这两类液晶粘度较低，液晶相范围较宽，适合配制不同性能的混晶材料。
[4]STN-LCD用液晶材料主要由单晶化合物和手性添加剂混配而成。
另外，聚酰亚胺(PI) 对液晶分子具有良好的取向性能，各种液晶显示器件一般都用(PI)作为取向膜。
为了满足扭曲角不小于180` 的要求，STN-LCD要求取向剂具有较高的预倾角。
[4]STN-LCD 用液晶材料的特性参数一般在下列范围内：TFT(Thin Film Transistor)-LCD薄膜晶体管液晶材料随着薄膜晶体管 ( Thin Film Transistor,TFT ) 阵列驱动液晶显示 ( TFT- LCD )技术的飞速发展 ,近年来TFT- LCD 不仅占据了便携式笔记本电脑等高档显示器市场 ,而且随着制造工艺的完善和成本的降低 ,目前已向台式显示器发起挑战。
由于采用薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子 ,消除了交叉失真效应 ,因而显示信息容量大;配合使用低粘度的液晶材料 ,响应速度极大提高 ,能够满足视频图像显示的需要。
因此 ,TFT- LCD 较之 TN型、STN 型液晶显示有了质的飞跃 ,成为21世纪最有发展前途的显示技术之一。
[5]T F T L C D 同样利用 T N 型电光效应原理 ,但是T F T L C D 用液晶材料与传统液晶材料有所不同。
除了要求具备良好的物化稳定性、较宽的工作温度范围之外 ,T F T L C D 用液晶材料还须具备以下特性(1) 低粘度 ,2 0℃时粘度应小于 3 5 m P a ·s ,以满足快速响应的需要;(2) 高电压保持率( V.H.R ),这意味液晶材料必须具备较高的电阻率 ,一般要求至少大于 1 0^12Ω·cm ;(3) 较低的阈值电压 ( v.th),以达到低电压驱动 ,降低功耗的目的 ;(4) 与 T F T L C D 相匹配的光学各向异性 ( △n),以消除彩虹效应 ,获得较大的对比度和广角视野 .△n,值范围应在 0.0 7 ~ o.n 之间 ,最好在 0.0 8 ~ 0.1 左右 .[5]根据目前掌握的文献来看 ,在 T F T L C D 配方中广泛使用的单体液晶的典型分子结构主要有下列几类，其中 R 为直链烷基或烷氧基 ;A 为单键 ,一CH2 CH2一、一C三 C一等 ;X 为 F、Cl、C F3、OCF3、OCHF2等。
对这些典型分子结构加以分析 ,可以看出针对T FT- LCD 用液晶材料的合成设计趋势集中于以下几个方面 :( 1 ) 以氟原子或含氟基团作为极性端基取代氰基 ;( 2 ) 在液晶分子侧链、桥键引人氟原子来调节液晶相变区间、介电各向异性等性能参数 ;( 3 )含有环己烷 ,尤其是双环己烷骨架的液晶分子得到广泛重视 ;( 4 ) 乙撑类柔性基团作桥键的液晶得到广泛应用。
[5]显示用液晶材料的趋势随着显示器件技术和性能的改进和发展, 对液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并开发了一系列新材料。
目前比较引人注目的液晶材料有异氰硫基( NCS基) 液晶, 含氟液晶、烷基桥链液晶、酯类液晶等。
研究较多的有源矩阵方式的 LCD如 TFT-LCD因其具有优良的显示品质、均一的宽视角、可实现动态显示等特点而倍受人们关注。
TFT- LCD的驱动要求液晶材料的电阻率要高, 以保证电压保持率高, 粘度要小, 以保证快速响应。
前已述及, 作为 T FT- LCD方式的含氟液晶已得到开发。
最近日本研究表明,用重氢取代含氟液晶分子结构环己烷上的氢原子 ( D 化) , 低温向列相稳定性有很大提高,清亮点温度和 K33 /K11值有所降低, D化含氟液晶较未 D化含氟液晶更适于 T FT- LCD用。
总之, 开发、合成混合液晶材料是寻找宽温度范围、低阈值、高对比度、快速响应液晶材料的重要途径。
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