液晶材料在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用研究

1、惠州學(xué)院HUIZHOU UNIVERSITY 材 料 化 學(xué) 論 文（設(shè) 計(jì)）中文題目：液晶材料在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用研究英文題目： Applied research in the field of display of the liquid crystal material姓 名 李海珊 李開漫 練麗紅 蘇健樞 文麗麗 楊靜波 曾翠珍 張耀 鄭潤(rùn)熙學(xué) 號(hào) 100604111 100604113 100604114 100604122 100604128 100604130 100604133 100604138 100604140專業(yè)班級(jí) 10應(yīng)用化學(xué)1班指導(dǎo)教師 葉曉萍提交日期 2012年11月

2、30日液晶材料在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用研究 摘要 隨著技術(shù)的發(fā)展和人們要求的不斷提高, 消費(fèi)者對(duì)原來傳統(tǒng)的陰極射線管(CR T )顯示器的體積大、重量大和功耗大的缺點(diǎn)越來越不滿意。特別是在便攜式、小型化和低功耗的應(yīng)用中, 人們期望著體積小、重量輕和功耗小的平板顯示器的出現(xiàn)。在這種需求的推動(dòng)下, 液晶平板顯示器首先應(yīng)運(yùn)而生。由于液晶顯示器LCD (Liquid Crystal Display )具有輕薄短小、低耗電量、無輻射, 平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等多方面的優(yōu)勢(shì), 在近年來技術(shù)驅(qū)動(dòng)及價(jià)格不斷下跌的吸引下, 占領(lǐng)了相當(dāng)大的市場(chǎng), CRT 已逐漸被取代。本文著重介紹液晶的發(fā)現(xiàn)過程, 以及液晶及其顯

3、示器件(LCD ) 的特性、原理與發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：液晶, 顯示, TN-LCD, STN-LCD, TFT-LED, IPSApplied research in the field of display of the liquid crystal materialSummary With the development of technology and the continuous improvement of people's requirements, consumers are increasingly dissatisfied with the shortcoming o

4、f original traditional cathode ray tube (CRT) monitor such as the large size and weight and high power consumption.Especially in the applications of the portable, the miniaturization and low power consumption, the people expect that the flat-panel display with small size, light weight and low power

5、consumption appears. LCD flat panel displays first emerged in the promotion of this demand. In recent years, driven by technology and falling prices , LCD occupied a considerable market and gradually displaced CRT for the reason that LCD (Liquid Crystal Display) has a advantage of low-power consumpt

6、ion, high-resolution support, no radiation and steady image display. This paper focuses on the discovery process of the LCD, as well as the characteristics of the liquid crystal and its display devices (LCD), principles and development direction.Keywords : A liquid crystal display TN-LCD STN-LCD TFT

7、-LED IPS目錄1背景.1 1.1液晶的發(fā)現(xiàn).1 1.2液晶理論發(fā)展回顧.1 1.3 液晶材料與LCD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.12 液晶的分類.1 2.1溶致型液晶.1 2.2熱致型液晶.1 2.2.1近晶型液晶.1 2.2.2向列型液晶.1 2.2.3膽甾型液晶.1 2.3 聚合物液晶.1 2.3.1主鏈型液晶高分子.1 2.3.2側(cè)鏈型液晶高分子.1 2.3.3復(fù)合型液晶高分子.13 液晶材料在顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用 .1 31 TN-LCD液晶顯示材料.1 3.1.1 TN-LCD(A類）液晶顯示材料的合成及性能.1 3.1.2TN-LCD液晶顯示材料的顯示原理.1 32 STN-LCD液晶顯示材料.

8、1 3.2.1 STN-LCD（B類）液晶顯示材料的合成及性能. 3.2.2 STN-LCD顯示原理.1 33 TFT-LCD液晶顯示材料.1 3.3.1 TFT-LCD（C類）液晶顯示材料的合成及性能.1 3.3.1TFT型的液晶材料的顯示原理.1 3. 4 IPS液晶顯示材料.1 3.4.1 IPS-LCD(D類）型液晶顯示材料的合成及性能. 3.4.1 IPS 型的液晶材料的顯示原理.1 4 發(fā)展趨勢(shì).15 致謝.11背景1.1液晶的發(fā)現(xiàn) 液晶(1iquid crystal)的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer F注意到，把膽甾醇苯酸(cholesteryl be

9、nzoate)晶體加熱到1455會(huì)熔融成為混濁的液體，1455就是該物質(zhì)的熔點(diǎn)。繼續(xù)加熱到1785，混濁的液體會(huì)突然變成清亮的液體，而且這種由混濁到清亮的過程是可逆的。ReinitzerF把所觀察到的現(xiàn)象告訴了德國(guó)物理學(xué)家Lehmann O。Lehmann O經(jīng)過系統(tǒng)地研究指出，在一定的溫度范圍內(nèi)，有些物質(zhì)的機(jī)械性能與各向同性液體相似，但是它們的光學(xué)性質(zhì)卻和晶體相似，是各向異性的。因此，這些介于液體和晶體之間的相被稱為液晶相。 在不同的溫度和壓強(qiáng)下物體可以處于氣相、液相和固相。在適當(dāng)外加條件下處于某一相的物體可以變換到另一種不同的相，即發(fā)生相變。一般液體的物理性質(zhì)是各向同性的，沒有方向上的差別

10、。固體則不然，它具有固定的形狀構(gòu)成固體的分子或原于在固體中具有規(guī)則排列的特征，形成所謂的晶體點(diǎn)陣。整塊晶體可以由晶體點(diǎn)陣沿空間3個(gè)不同方向重復(fù)堆積而成。因此組成晶體的分子和原子具有位置長(zhǎng)程有序。顯然，各向同性液相的對(duì)稱性要高于各向異性的同相。物體的液相總是處在高于固相的溫度范圍，只有在物體的熔點(diǎn)溫度，固相和液相才能共存。顯然這里所說的物體不包括玻璃、石蠟和瀝青之類的非晶態(tài)物質(zhì)，非晶態(tài)物質(zhì)不存在固定的熔點(diǎn)，隨著溫度的上升越來越多的物質(zhì)形成具有流動(dòng)性的液體。如果構(gòu)成物體的分于的幾何形狀具有明顯的各向異性，例如長(zhǎng)棒狀或扁平的盤狀，那么除去分子的位置外，分子相互之問的排列方向也將會(huì)影響到物體的物理性質(zhì)

11、。這是因?yàn)楣腆w中分子之間的距離比較近，一般只有分子采取相同的排列取向時(shí)，才能使系統(tǒng)的勢(shì)能處于最低值。把處于固相的這類物質(zhì)逐漸加熱，當(dāng)?shù)骄w液晶各向同性液體達(dá)一定溫度時(shí)如果物體失去位置有序形成液體，但仍保留著取向有序，那么這時(shí)的物質(zhì)是各向異性的液體，也就是所謂的液晶。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，進(jìn)一步破壞取向有序，那么就形成各向同性的液體。以長(zhǎng)棒狀分子為例，圖1給出了晶體(a)、液晶(b)和各向同性流體中(c)分子排列的大致情形。 圖1晶體、藏晶和各向同性液體中分子的排列示意圈1.2液晶理論發(fā)展回顧 液晶發(fā)現(xiàn)興起的研究熱潮并沒有持續(xù)很久，由于缺乏應(yīng)用前景，以后 液晶沉寂了近半個(gè)世紀(jì)，一直到20世紀(jì)60年代末

12、，1963年Williams發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)液晶光效應(yīng)Williams疇。1968年Heilmeier續(xù)而發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)，從此誕生了液晶顯示。次年，第一個(gè)溫室液晶MBBA由于具有負(fù)介電各向異性特點(diǎn)，立即應(yīng)用到動(dòng)態(tài)散射型液晶顯示中。在20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的MOS-TFT和CMOS集成電路、透明導(dǎo)電薄膜、紐扣電池等，使得袖珍型的電子產(chǎn)品和電子設(shè)備有可能裝配液晶顯示。從而使動(dòng)態(tài)散射型液晶顯示在70年代初迅速得到應(yīng)用，因此，1970年第一片液晶計(jì)算器、第一塊液晶手表，1972年第一臺(tái)液晶汽車加油站計(jì)量顯示器相繼問世。1971年美國(guó)的Lechner第一次提出應(yīng)用有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示，1973年Hughe

13、s公司據(jù)此制成第一塊液晶電視。自1990年以后，非晶硅TFT液晶顯示大量進(jìn)入實(shí)用。從此，液晶的發(fā)展勢(shì)頭更加迅猛。自1996年開始，液晶筆記本高速發(fā)展，液晶移動(dòng)電話開始普及；從2000年開始，液晶顯示器全面取代臺(tái)式計(jì)算機(jī)監(jiān)視器；自2002年開始，彩色液晶電視得到大力發(fā)展。1.3 液晶材料與LCD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 液晶面板LCD產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了以“持續(xù)投資、性能改善、成本降低”為特征的第一個(gè)發(fā)展階段，將進(jìn)入以“價(jià)值創(chuàng)造、技術(shù)創(chuàng)新、模式變革”為特征的第二個(gè)發(fā)展階段。TFT-LCD的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，經(jīng)歷了筆記本電腦、顯示器、電視三個(gè)浪潮，開始擴(kuò)展至公共信息顯示、更先進(jìn)電視、電子看板、多功能集成信息產(chǎn)品、個(gè)人數(shù)字

14、產(chǎn)品等更廣的領(lǐng)域， LCD顯示已無處不在。根據(jù)Display Search的數(shù)據(jù)顯示，2008年液晶電視的需求量將達(dá)1.06億臺(tái)，但液晶電視面板的供應(yīng)量?jī)H為1.02億片，液晶電視面板的供應(yīng)量將出現(xiàn)不足的現(xiàn)象，至于2008年的筆記本電腦 (NB)需求量為1.2億臺(tái)、液晶顯示器的需求量為1.8億臺(tái)，對(duì)應(yīng)NB面板的出貨量為1.32億片以及液晶顯示器面板的1.94億片，面板的供應(yīng)大致能夠符合需求，但是如果扣掉不良品、運(yùn)輸報(bào)廢品以及庫(kù)存的數(shù)量，實(shí)際上200年3大主流應(yīng)用的面板將出現(xiàn)緊俏的狀況。由于友達(dá)與奇美電等一線大廠擴(kuò)充的產(chǎn)能以及資本支出有限，而二線廠華映已偏重于中小尺寸面板與IT面板的出貨，彩晶則著

15、重在IT 面板以及沖刺品牌上，韓國(guó)雖然有S-LCD 新的8代線產(chǎn)能開出，但因?yàn)閮A向自用，所以大致上2008 年面板供不應(yīng)求幾乎可以定調(diào)，由于面板的快速增長(zhǎng)以及未來的仍然有較大的增長(zhǎng)空間，將直、接拉動(dòng)了平面顯示器材料的需求同步增長(zhǎng)1。圖2 電子市場(chǎng)材料消費(fèi)圖球面板企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)情況來看，結(jié)合市場(chǎng)對(duì)液晶顯示器的強(qiáng)勁需求拉動(dòng)下，必然最終成為平面顯示材料穩(wěn)定增長(zhǎng)的有力支撐。根據(jù)display search提供的資料，未來4年，TFT-LCD產(chǎn)業(yè)將以15的年平均復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，并帶動(dòng)對(duì)相關(guān)材料的需求，材料廠商紛紛擴(kuò)廠因應(yīng)1。 圖3全球液晶面板主要應(yīng)用市場(chǎng)需求2 液晶的分類 液晶中分子的取向有序可以有不同的程

16、度和不同的形式，因此可以存在不同的液晶相。從成分和出現(xiàn)液晶相的物理?xiàng)l件來看，液晶可分為熱致液晶、溶致液晶和聚合物液晶3類。21溶致液晶溶致液晶是2種或2種以上組分形成的液晶，其中一種是水或其他的極性溶劑，在一定濃度溶液中出現(xiàn)液晶相。長(zhǎng)棒狀溶質(zhì)分子一般要比構(gòu)成熱致液晶的長(zhǎng)棒狀分子大得多，分子的軸比約為1：5左右。最常見的溶致液晶有肥皂水、洗衣粉溶液、表面活化劑溶液等。溶致液晶在生物系統(tǒng)中大量存在，生物膜就具有液晶特性。因此，溶致液晶的研究對(duì)生物物理學(xué)頗為重要。22熱致液晶 熱致液晶是由于溫度變化而出現(xiàn)的液晶相。低溫下它是晶體結(jié)構(gòu),高溫時(shí)則變?yōu)橐后w,這里的溫度用熔點(diǎn)( Tm) 和清亮點(diǎn)( Tc )

17、 來標(biāo)示。液晶單分子都有各自的熔點(diǎn)和清亮點(diǎn),在中間溫度則以液晶形態(tài)存在。目前用于顯示的液晶材料基本上都是熱致液晶。在熱致液晶中,又根據(jù)液晶分子排列結(jié)構(gòu)分為三大類:近晶相(Smectic) 、向列相(Nematic) 和膽甾相(Cholesteric) 。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖42。 圖4不同類型液晶的結(jié)構(gòu)示意圖 （a)近晶型結(jié)構(gòu)(b)相列型結(jié)構(gòu)(c)膽甾型結(jié)構(gòu)221近晶型液晶 近晶相除有沿分子長(zhǎng)軸的取向有序外，有一個(gè)沿某一方向的平移有序，近晶型液晶在所有液晶聚合態(tài)結(jié)構(gòu)中最接近固體晶體，通常含有C=N或者N=N鍵及苯環(huán)結(jié)構(gòu)，分子是廠棒狀。目前各近晶相中的手性近晶C相，即鐵電相引起人們廣泛興趣。鐵電液晶

18、具備向列相液晶所不具備的高速度(微秒級(jí))矛性的優(yōu)異特征，它們?cè)谧罱鼛啄甑玫酱罅垦芯俊?.2.2 向列型液晶 向列相僅有沿分子長(zhǎng)軸的取向有序，液晶分子呈棒狀形剛性部分平行排列，該種液晶分子運(yùn)動(dòng)自由度大，是流動(dòng)性最好的液晶，此類型液晶的粘度小，應(yīng)答速度快，是最早被應(yīng)用的液晶，普遍地使用于液晶電視、筆記本電腦以及各類型顯示元件上。2.2.3 膽甾型液晶 這類液晶大都是膽甾醇的衍生物，膽甾醇本身無液晶性質(zhì)，而它的衍生物均具有液晶特性，次類型液晶是由多層相列型液晶堆積所形成，為向列相液晶的一種，也可以稱為旋光性的向列相液晶，因分子具有非對(duì)稱碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面和面之間為相互平行，

19、而分子在各平面上為向列相。23聚合物液晶聚合物液晶是在溶致液晶相的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在也有了熱致聚合物液晶。由于聚合物本身就是一種大分子化合物，因此，對(duì)聚合物液晶進(jìn)行研究可以增進(jìn)對(duì)大分子物質(zhì)有序性的理解。液晶高分子的分子結(jié)構(gòu)一般呈剛棒狀。大多數(shù)液晶高分子中含有苯環(huán)或其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由剛性基元和橋鍵組成的液晶基元是液晶高分子結(jié)構(gòu)的重要特征。根據(jù)液晶基元在高分子鏈中的位置不同，液晶高分子又可分為主鏈型液晶高分子、側(cè)鏈型液晶高分子和復(fù)合型液晶高分子3。2.3.1主鏈型液晶高分子主鏈型液晶高聚物的分子鏈由苯環(huán)、雜環(huán)和非環(huán)狀剛性共扼雙鍵等剛性液晶基元彼此連接而成，這些鏈的化學(xué)組成和特性決定了其在空間取伸直鏈

20、的構(gòu)象狀態(tài)。圖5(a)示主鏈型液晶高聚物的分子結(jié)構(gòu)模型。主鏈型液晶高聚物一般采用縮聚法合成，如聚苯甲酞(PBT)聚苯二甲酸對(duì)苯二胺(PPTA)等4。2.3.2側(cè)鏈型液晶高分子 側(cè)鏈型液晶高聚物的分子鏈一般由柔性主鏈、剛性側(cè)鏈和間隔基元等3部分組成。主鏈一般為碳鏈等柔性鏈，側(cè)鏈一般由剛性基元組成。主鏈和側(cè)鏈之間常常插入由烷基組成的柔性間隔基團(tuán)使側(cè)鏈能獲得相對(duì)的運(yùn)動(dòng)而形成液晶態(tài)。圖5(b)示側(cè)鏈型液晶高聚物的分子結(jié)構(gòu)模型。側(cè)鏈液晶高分子目前的合成方法主要有自由基均聚與共聚法、酯縮合法、硅氫加成法、自由基基團(tuán)轉(zhuǎn)移聚合以及分子設(shè)計(jì)原理。2.3.3復(fù)合型液晶高分子主鏈和側(cè)鏈上均含有液晶基元的為復(fù)合型液晶

21、高分子。圖5(c)示復(fù)合型液晶高分子的分子結(jié)構(gòu)模型。 圖5 液晶高分子的結(jié)構(gòu)模型3 液晶材料在顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用70 年代初, Helfrich 和Schadt 利用扭曲向列相液晶的電光效應(yīng)和集成電路相結(jié)合, 將其制成了顯示器件, 實(shí)現(xiàn)了液晶材料的產(chǎn)業(yè)化。這種液晶材料稱為扭曲向列相液晶顯示(TN- LCD) 材料, 其產(chǎn)品主要應(yīng)用在電子表和計(jì)算器上; 80 年代中期, 又發(fā)展到超扭曲向列相液晶顯示( STN- LCD) 材料, 其產(chǎn)品主要應(yīng)用在手機(jī)和液晶電視上; 90 年代初, 薄膜晶體管液晶顯示( TFT - LCD) 材料已成為這一領(lǐng)域的主流產(chǎn)品, 主要應(yīng)用在筆記本電腦和終端監(jiān)視器上。 31

22、 TN-LCD液晶顯示材料TN -LCD 用液晶材料, 主要為酯類、聯(lián)苯類、苯基環(huán)己烷類和二氧六環(huán)類液晶化合物。特別是酯類液晶,它是配制TN- LCD 用液晶材料的主要成分。通過近30年的研究, 國(guó)內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)已開發(fā)了近千種酯類液晶化合物。目前的主要目標(biāo)是開發(fā)低粘度、寬的液晶相范圍、良好光電特性和高化學(xué)穩(wěn)定性酯類液晶化合物。3.1.1 TN-LCD(A類）液晶顯示材料的合成及性能 液晶電視中動(dòng)畫畫面要求其響應(yīng)速度在16ms以下才能有好的視覺效果, 而液晶電視的響應(yīng)速度主要是由液晶材料的粘度決定的。低粘度的液晶材料一般都含有兩個(gè)以上的飽和六元環(huán)結(jié)構(gòu)和氟原子, 近年來開發(fā)的可用于液晶電視的低粘度液

23、晶材料結(jié)構(gòu)如A1 - A109-11 。表1 A 類液晶材料的性能 從表1 可以看出, 此類液晶的粘度絕大部分在150mPa 以下 A1 - A7 , 雙折射率小于0.073( A1 -A10) 。A1-A4 以及A6 具有相同的分子骨架, 比較這些液晶單體的性能數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn), 其介電各向異性和粘度大體隨其末端基團(tuán)極性的增加而增加。對(duì)于A7、A8、A9 而言, 向A8 結(jié)構(gòu)中插入CF2O 基團(tuán)得到的A7, 液晶相區(qū)間增加了1 倍, 粘度降低同時(shí)介電各向異性稍有增加; 而將A7 中的環(huán)己烷結(jié)構(gòu)換成2, 6-二氧六環(huán)結(jié)構(gòu)( A9) 時(shí), 化合物的熱性能變差, 液晶相區(qū)間從60 e 減小到4 e ,

24、 縮短了將近10倍, 介電各向異性增大了1 倍, 粘度也增加了三分之一。其中A9、A10 粘度在200mPa 以上, A9 具有大的, 可用來調(diào)節(jié)混合液晶的介電各向異性, 而A10 可用于調(diào)節(jié)混合液晶的液晶相區(qū)間10。這一類液晶主要用于TN-LCD 模式的液晶電視中。A3 - A6 的合成路線列舉如式1 -3。3.1.2 TN-LCD液晶顯示材料的顯示原理 圖6中所表示的是TN型液晶顯示器的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖5，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。圖 6 TN型液晶顯示器的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖 在不加電場(chǎng)的情況下，入射光經(jīng)過偏光板后通過液晶層，偏光被分子扭轉(zhuǎn)排列的

25、液晶層旋轉(zhuǎn)90度。在離開液晶層時(shí)，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，所以光線能順利通過，使整個(gè)電極面呈光亮。 圖7 TN型液晶顯示器顯示原理當(dāng)加入電場(chǎng)的情況時(shí)，每個(gè)液晶分子的光軸轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向一致。液晶層也因此失去了旋光的能力，結(jié)果來自入射偏光片的偏光，其方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關(guān)系，并無法通過，這樣電極面就呈現(xiàn)黑暗的狀態(tài)。 TN型的顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板的透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依附向膜的細(xì)溝槽方向，按序旋轉(zhuǎn)排列。如果電場(chǎng)未形成，光線就會(huì)順利的從偏光板射入，液晶分子將其行進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，玻璃間就會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影

26、響其間液晶分子的排列，使分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，就叫做扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱TNFE（twisted nematic field effect）。電子領(lǐng)域中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理制成的。3.2 STN-LCD液晶顯示材料 酯類和聯(lián)苯類液晶化合物是STN-LCD用混晶材料的主要成分，國(guó)內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)已開發(fā)了近千種，其中已有100種以上應(yīng)用于混晶配方。這兩類液晶粘度較低，液晶相范圍較寬，適合配制不同性能的混晶材料。但是為了滿足STN混晶大K33/K11值（K33為展曲彈性常數(shù)，K11為扭曲彈性常數(shù)）和適度n（光學(xué)各向異性）的要求

27、，人們?cè)诨炀е刑砑恿巳差?、嘧啶類、乙烷類和端烯類液晶化合物?3.2.1 STN-LCD（B類）液晶顯示材料的合成及性能 炔類液晶由于存在3鍵，往往具有較大的n。據(jù)國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)報(bào)道，合成的此類液晶一般在側(cè)鍵或末端有含氟基團(tuán)，化合物具有近晶相。這些液晶目前還沒有應(yīng)用到STN混晶配方中，但其合成方法對(duì)合成其它炔類液晶有參考價(jià)值。嘧淀類液晶具有較大的n值，在調(diào)配STN混晶時(shí)，常常加入少量該類液晶以調(diào)節(jié)混晶體系的n，此類液晶目前已有了適合工業(yè)化生產(chǎn)的合成路線。乙烷類液晶粘度較低，n較小，并且n隨溫度度的變化也較小，所以STN液晶也摻雜此類液晶。含有環(huán)己環(huán)的乙烷類液晶合成時(shí)易生成順反異構(gòu)體混合物，導(dǎo)致合成總

28、收率降低，且難以提純6。 具有高介電各向異性、較低粘度的液晶分子骨架中大多含有CF2O 橋鍵結(jié)構(gòu)或者含3, 4, 5-三氟取代苯末端基團(tuán), 其中含CF2O 橋鍵結(jié)構(gòu)的液晶在1990 年首次被報(bào)道 12 ; 1990 年代后期, 通過新的氟化試劑, 大量含有CF2O 橋鍵結(jié)構(gòu)的液晶材料被合成出來, 此類液晶除粘度較低外, 與多氟化合物的相容性非常好, 實(shí)用價(jià)值很高13-16 。可用于液晶電視的此類液晶材料代表性結(jié)構(gòu)如B1 - B18:表2 B 類液晶材料的性能 從表2 可以看出, 上述結(jié)構(gòu)液晶材料的幾乎都大于10, B18 化合物的高達(dá)35.8, 相對(duì)而言粘度也比較低。比較B10 與B16 兩種

29、結(jié)構(gòu)的性能不難發(fā)現(xiàn), 向分子骨架中引入CF2O 橋鍵結(jié)構(gòu), 粘度幾乎降低了一半; 同時(shí)由于阻斷了苯環(huán)之間的共軛, 也有效地減小了n , 熔點(diǎn)下降了60 e , 增加了118。B1 與B8 相比, 含CF2O 橋鍵的B1 的粘度比B8小一半。B5 與B6 相比, 氟代烯結(jié)構(gòu)化合物的粘度減小了1 倍。B2 與B9 相比, 用2, 6-二氧六環(huán)結(jié)構(gòu)替代環(huán)己烷結(jié)構(gòu), 液晶相消失, 增加了1 倍, n略有減小, 粘度明顯下降。B7 與B14 以及B10 與B11 兩組結(jié)構(gòu)相比, 分子骨架中側(cè)向氟的引入降低了n, 熔點(diǎn)升高, 同時(shí)由于極性的增強(qiáng)使得化合物的介電各向異性變大。B13 為含五氟化硫末端基團(tuán)的液

30、晶化合物, 其穩(wěn)定性與三氟甲基類相當(dāng)?shù)菢O性更強(qiáng)10-12 , 因此其介電各向異性達(dá)到20, 而粘度很低, 只有145mPa。此類液晶材料適合應(yīng)用于STN-LCD顯示模式中12 , 實(shí)現(xiàn)寬視角、高亮度和高對(duì)比度的液晶顯示。在此列舉幾種CF2O 橋鍵結(jié)構(gòu)化合物的合成路線。B113 、B6 14 、B16、B11 的合成路線見式4 - 7; B13 化合物中含五氟化硫末端基團(tuán)的中間體見式815。3.2.2 STN-LCD顯示原理STN-LCD是使用一種被稱為“向列型”液晶的物質(zhì)，它呈絲狀，利用電場(chǎng)來控制“絲狀”液晶的方向是應(yīng)用上的常用方法。用液態(tài)晶體制作的組件，通常都將液態(tài)晶體包在兩片玻璃中。在玻

31、璃的表面鍍一層叫做配向劑的物質(zhì)，由它的種類及處理方法可控制在沒有外電場(chǎng)時(shí)液晶的排列情況。 圖8 STN-LCD顯示原理首先，向列型液晶是夾在兩片玻璃中間，這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而且導(dǎo)電的薄膜以作電極之用，然后在有薄膜的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶隨著一個(gè)特定且平行于玻璃表面的方向扭曲。液晶的自然狀態(tài)具有90度的扭曲，利用電場(chǎng)可使液晶旋轉(zhuǎn)，液晶的折射系數(shù)隨液晶的方向改變而改變，影響的結(jié)果是光經(jīng)過STN型液晶后偏極性發(fā)生變化，只要選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁构獾钠珮O性旋轉(zhuǎn)到180到270度，就可利用兩個(gè)平行偏光片使得光完全不能通過。而足夠大的電壓又可以使得液晶方向與電場(chǎng)方向平行，這樣光的偏極性就不會(huì)改

32、變，光就可以通過第二個(gè)偏光片。于是，就可以控制光的明暗了7。而STN液晶之所以可以顯示彩色，那是因?yàn)樗赟TN液晶顯示器上加了一個(gè)彩色濾光片（圖8），并將單色顯示距陣中的每一個(gè)像素分成三個(gè)子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅，綠，藍(lán)三原色，就可以顯示出色彩了16。STN型液晶屬于反射式LCD器件，它的好處是功耗小，但在比較暗的環(huán)境中清晰度很差，所以不得不配備外部照明光源。 3.3 TFT-LCD液晶顯示材料 TFT-LCD要求液晶材料具備高電壓保持率、低粘度、低雙折射率等特性而傳統(tǒng)的液晶材料無法滿足上述要求古氟液晶、環(huán)己烷婁藏晶、乙烷類液晶因其極性較低，分子粘度低電阻率高，電壓保持率高，在TFT-

33、LCD中得到廣泛應(yīng)用3.3.1 TFT-LCD（C類）液晶顯示材料的性能及合成 通過向分子骨架的側(cè)向引入一個(gè)極性取代基團(tuán)如F、CF3 等, 能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生垂直于分子長(zhǎng)軸的一個(gè)偶極, 可以得到負(fù)介電各向異性的液晶材料17 。此類液晶大多含有一個(gè)1, 2-二氟苯分子骨架 18 , 如C1-C6 的分子結(jié)構(gòu): 比較表3 中C1 和C2 結(jié)構(gòu)的性能數(shù)據(jù), 不難發(fā)現(xiàn), 在飽和環(huán)的同位碳上引入兩個(gè)氟原子( 分子側(cè)向) 可以有效地增大, 但是其對(duì)粘度的影響遠(yuǎn)大于對(duì)的影響, 粘度增加了331mPa; 同樣比較C3和C6 的性能數(shù)據(jù), 用CF3 基團(tuán)取代F 原子增加了分子側(cè)向的偶極, 使得其( 增加24%) 和n

34、 增大,但其對(duì)粘度影響更大, 粘度增加了224mPa ( 增加174% ) ; 比較C3 和C5 的性能數(shù)據(jù)可以看出, 增加一個(gè)苯環(huán)骨架, 可以非常有效地加寬其液晶相區(qū)間, 但是粘度也相應(yīng)增加了303mPa。表3 C1- C6 的性能。表3 C1- C6 的性能上述液晶材料的缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)粘度太大影響了響應(yīng)速度, 而通過向環(huán)己烷骨架的軸向上引入氟原子可以有效地降低粘度, 同時(shí)也能保證介電各向異性為負(fù)18 。這些液晶的分子結(jié)構(gòu)如C7- C10:表4 C7-C10 的性能從表4 數(shù)據(jù)可以看出: 向純粹由環(huán)己烷骨架構(gòu)成的分子結(jié)構(gòu)引入側(cè)向氟原子同樣可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電各向異性, 并且其粘度很低, 都在200m

35、Pa 以下; 同時(shí)可以發(fā)現(xiàn), 由于分子骨架中沒有不飽和環(huán)結(jié)構(gòu), 所以液晶的雙折射率相對(duì)較小, 基本都在0106 左右。比較C7 與C8 的熱性能可以得出, 與烷基鏈相比, 向分子骨架中的末端鏈引入雙鍵可以有效地?cái)M制SB相 19-22 。這些液晶材料適合應(yīng)用于TFT 顯示模式中。代表性的合成路線如式9 - 12。3.3.2 TFT-LCD 型的液晶材料的顯示原理TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要是由：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等構(gòu)成。首先，液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過液晶。這時(shí)液晶分子的

36、排列方式就會(huì)改變穿透液晶的光線角度，然后這些光線還必須經(jīng)過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調(diào)的顏色組合了8。圖9TFT-LCD 型的液晶器結(jié)構(gòu)TFT-LCD的每個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在自身上的TFT來控制的，它們是有源像素點(diǎn)。因此，不但反應(yīng)時(shí)間可以極大地加快，起碼可以到80ms左右；對(duì)比度和亮度也大大提高了；同時(shí)分辨率也得到了空前的提升。因?yàn)樗哂懈叩膶?duì)比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，所以我們稱之為“真彩”。3.4 IPS-LCD型液晶顯示材料IPS型液晶面板也是目前主要的一種主流的液

37、晶面板類型，它采用了與傳統(tǒng)的液晶顯示不相同的概念，它由日本日立于2001年推出，液晶分子以平面切換的方式來改善視角，利用空間厚度、摩擦強(qiáng)度并有效利用橫向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的改變讓液晶分子做最大的平面旋轉(zhuǎn)角度來增加視角；在商品的制造上不須額外加補(bǔ)償膜，顯示視覺上對(duì)比較好。在視角的提升上可達(dá)到178度。IPS型液晶面板具有可視角度大、顏色細(xì)膩等優(yōu)點(diǎn)，看上去比較通透，不過響應(yīng)時(shí)間較慢和功耗高也是這類型面板一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)。3.4.1 IPS-LCD(D類）型液晶顯示材料的性能及合成 增加分子骨架的共軛程度可以得到大雙折射率的負(fù)介電各向異性液晶材料, 這些液晶材料都是含有1, 2-二氟苯分子骨架的三聯(lián)苯類化合

38、物20 , 結(jié)構(gòu)如D1 - D4 所示。表5 D 類液晶材料的性能 從表5 的數(shù)據(jù)可以看出, 這些結(jié)構(gòu)液晶材料的n 在012 左右, 介電各向異性絕對(duì)值都大于215, 可用于調(diào)節(jié)負(fù)介電各向異性混合液晶材料的雙折射率, 適合用于IPS 顯示模式中。代表性的合成路線如式1321:3.4.2 IPS-LCD 液晶材料的顯示原理IPS面板不同于以往面板有其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一是液晶分子平行于屏幕，二是它的電極在同一個(gè)面上。為了使液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，外加電壓的兩極不再是分別加載上下兩塊基板上，而是加在同一塊基板上。在IPS器件中，一塊基板上刻蝕出一系列狹長(zhǎng)的電極條上分別加上不同極性的電壓，所有的液晶分子都與基板平

39、行排列，并且與電極條的方向一致，在外加電場(chǎng)的作用下，液晶分子將向與電極條垂直的方向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)不施加電壓的時(shí)，液晶完全不會(huì)旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏振片成90度垂直，就會(huì)顯示出比較純的黑色，IPS廣視角技術(shù)也屬于NB常黑模式液晶，這也是IPS比TN+FILM的強(qiáng)項(xiàng)。施加電壓后，液晶分子旋轉(zhuǎn)，使水平偏振光轉(zhuǎn)換到垂直偏振光，光線便可以通過。改變施加在液晶分子兩側(cè)的電場(chǎng)大小，來控制轉(zhuǎn)換偏振光線的多少，達(dá)到控制光線的目的。所以大家看到，IPS與TN-LCD在施加和不施加電壓的顯示效果是正好相反的。不過值得一提的是，不管加不加電壓，IPS的液晶分子都是平躺著轉(zhuǎn)的，由于它的這項(xiàng)特性，在大視角下的對(duì)比度與色偏表現(xiàn)是三種液晶技

40、術(shù)中最好的。圖10為IPS-LCD屏的構(gòu)造圖。圖10 IPS-LCD屏構(gòu)造雖然IPS相比于以往面板顯示出了其突出的優(yōu)越性，但是也不可避免的存在著一些缺點(diǎn)。在IPS技術(shù)的發(fā)展過程中，不斷改進(jìn)技術(shù)，以解決存在的問題，提高其性能。第一代IPS技術(shù)針對(duì)TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，實(shí)現(xiàn)較好的可視角度。而后發(fā)展的第二代IPS技術(shù)（S-IPS即Super-IPS）采用人字形電極，引入雙疇模式，改善IPS模式在某些特定角度的灰階逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。IPS的多疇化如圖11所示。 圖11 IPS 的多籌化采用人字形電極和雙疇模式的S-IPS技術(shù)采用S-IPS技術(shù)的液晶顯示器可以說是一個(gè)VA屏中比較特殊的一種類型

41、，圖12為采用人字形電極和雙疇模式的S-IPS技術(shù)與舊的VA技術(shù)顯示效果的比較22。 圖12 S-IPS技術(shù)與VA技術(shù)比較圖和VA屏常態(tài)下分子長(zhǎng)軸垂直于面板方向平行排列所不同，S-IPS液晶分子始終都與屏幕平行。S-IPS是IPS升級(jí)后的一項(xiàng)技術(shù)，也是日立的一個(gè)專利技術(shù)，IPS技術(shù)不管在何種狀態(tài)下液晶分子始終都與屏幕平行，采用完全平行的液晶分子排列方式，使液晶分子可以做最大限度的旋轉(zhuǎn)角度以增加視角。值得一提的是S-IPS屏幕，在受到外力時(shí)，可完全消除一般液晶顯示屏形成的水波編紋擴(kuò)散現(xiàn)象，這就是平時(shí)大家所說的硬屏23。 為了擴(kuò)大視角，液晶分子的基本模塊就是人字形的，因電極的排列為人字形，使液晶分

42、子更好被控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更為細(xì)膩的畫面控制。并且液晶分子與面板平行，光線容易被控制在面板內(nèi)部，因而漏光情況更少。在運(yùn)動(dòng)畫面中，它能夠表現(xiàn)更好，實(shí)現(xiàn)更好的對(duì)比度，IPS面板暗部控制得更好，VA卻有不可控的漏光，所以IPS面板在暗部層次方面要大大好于VA面板。這也是討好眼睛的設(shè)計(jì)，人眼對(duì)暗部層次更敏感，因而在對(duì)比動(dòng)態(tài)畫面的過程中，眼睛看IPS會(huì)更舒服。 IPS面板的色彩豐富在于不預(yù)先給液晶分子定向成為透光模式，而是定向成為不透光的模式，那樣透光的多少就通過與液晶分子定向方向垂直的電極決定，電壓越高，扭轉(zhuǎn)的分子就越多，從而實(shí)現(xiàn)光線的精確控制。它只控制IPS面板液晶的一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度，并且偏轉(zhuǎn)分子的數(shù)量

43、能夠與電壓接近正比例，從而面板的層次控制更容易實(shí)現(xiàn)。所以它的全黑與暗畫面狀態(tài)漏光控制得很好，色彩均勻，而且大多數(shù)此類面板都會(huì)搭配10bit甚至更強(qiáng)得驅(qū)動(dòng)IC，色彩更為鮮艷。新一代既第三代IPS技術(shù)（AS-IPS即Advanced Super-IPS）減小液晶分子間距離，提高開口率，獲得更高亮度24。 4 發(fā)展趨勢(shì)隨著液晶化合物種類的不斷增加，液晶化合物的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。反過來，由性能一結(jié)構(gòu)之同的關(guān)系又可以指導(dǎo)具有新型結(jié)構(gòu)、具備特定功能的液晶分子的臺(tái)成。但是，目前新型液晶分子的合成愈來愈難，而具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的化合物也相對(duì)較少。而單一的化合物難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的苛刻要求，通

44、過將不同的液晶單體進(jìn)行科學(xué)混配則可以彌補(bǔ)相互性能上的不足之處。這樣，通過臺(tái)成出在某些性能上具有獨(dú)到之處的液晶化臺(tái)物，將其應(yīng)用于混合液晶配方中，也能達(dá)到提高顯示性能的目的5 致謝 葉曉萍老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。感謝葉老師對(duì)本論文的指導(dǎo)和修改。在此，謹(jǐn)向老葉師表示崇高的敬意和衷心的感謝! 本論文的順利完成，離不開葉老師幫助和我們組成員的努力。在此特別感謝為本論文的完成提供幫助的老師和

45、同學(xué)們。參考文獻(xiàn)1 堀浩雄( Hori H) , 鈴木幸治( Suzuki K) . 彩色液晶顯示(Color Liquid Crystal Display) . 北京( Beij ing) : 科學(xué)出版社( Science Press) , 2003. 130 - 1392 黃錫眠. TFT -LCD 技術(shù)的進(jìn)步 J. 液晶與顯示, 1999 , 14 (2 ) : 79 一883 黃錫眠. 顯示技術(shù)新進(jìn)展J. 液晶與顯示, 2000 , 1 5 (l ) : l 一44 楊柏梁. 世界TFT -LCD 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 J. 液晶與顯示, 2000 , 15 (3 ): 154一1585 董友梅(Dong Y M) , 高鴻錦( Gao H J) . 中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)液晶分會(huì)2004 年 年鑒( Annals of China Optics and Optoelectronics Manufacturers Associat ion, LCD Professional Association) , 2004. 5