顯示用液晶材料的應(yīng)用和研究.doc

顯示用液晶材料的研究和應(yīng)用 姓名：任明珠 班級(jí)：化學(xué)工程與工藝112 學(xué)號(hào):201103322顯示用液晶材料的研究和應(yīng)用摘要：介紹液晶材料與顯示之間的聯(lián)系，綜述了國(guó)內(nèi)TN-LCD,STN-LCD,TFT-LCD等三種液晶顯示材料研究及應(yīng)用等方面的情況。關(guān)鍵詞：液晶材料；顯示；研究應(yīng)用1888 年， F.Reinitzer 在測(cè)定有機(jī)化合物熔點(diǎn)時(shí)， 發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)化合物在熔化后經(jīng)歷了一個(gè)不透明的渾濁液態(tài)階段， 繼續(xù)加熱， 才成為透明的各向同性的液體， 這種渾濁的液體中間相具有和晶體相似的性質(zhì)， 隨后德國(guó)人Lehmann(18551922年)用偏光顯微鏡證實(shí)了此中間相態(tài)具有光學(xué)各向異性， 兼有液體的流動(dòng)性和晶體的光學(xué)各向異性，故稱為液晶 （Liquid Crystal） 。1眾所周知 ,物質(zhì)除氣態(tài)、液態(tài)和 固態(tài) 3 種聚集狀態(tài)外 ,還有等離子態(tài)、無(wú)定形固態(tài)、超導(dǎo)態(tài)、中子態(tài)、液晶態(tài)等其他聚集態(tài)結(jié)構(gòu)形式。如果一個(gè)物質(zhì)已部分或全部地喪失了其結(jié)構(gòu)上的平移有序性 ,而還保留取向有序性 ,它即處于液晶態(tài)。2根據(jù)液晶分子在空 間排列的有序性不同 ,液晶相可分為向列型、近晶型、膽甾型和蝶型液晶態(tài)4類。顯示與液晶液晶材料在顯示方面的應(yīng)用是人所共知的,大家熟悉的許多產(chǎn)品都離不開(kāi)液 晶 ,如液 晶廣告宣傳牌、液晶計(jì)時(shí)鐘表、液晶游戲機(jī)、液晶儀表計(jì)量、液晶傳感器、液晶通訊設(shè)備 、液晶計(jì)算機(jī)等等 ;或者我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)中的許多電器帶有液晶器件 ,如微波爐、空調(diào) 、冰箱 、洗衣機(jī)等都帶有液晶器件。隨著顯示器件技術(shù)和性能的改進(jìn)和發(fā)展, 對(duì)液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并開(kāi)發(fā)了一系列新材料。目前比較引人注目的液晶材料有異氰硫基 ( NCS基) 液晶, 含氟液晶、 烷基橋鏈液晶、 酯類液晶等。7液晶材料在液晶顯示器件的發(fā)展過(guò)程中起著十分重要的作用 ,隨著液晶顯示技術(shù)水平的提高 ,對(duì)液晶材料的性能提出了更高的要求。由表 1 可見(jiàn) ,每一種新的液晶顯示方式的實(shí)現(xiàn) ,總是伴隨著新的液晶材料的出現(xiàn)。顯示用液晶主要具備的性能:液晶性能的要求( 1 ) 工作溫度以室溫為中心 ,范圍要寬;(2 ) 化學(xué)性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng);( 3) 良好的電光特性。6表1LCD和LC的發(fā)展簡(jiǎn)史8液晶分子結(jié)構(gòu)、 材料物理性能與顯示器件性能的關(guān)系具有液晶特性的有機(jī)化合物很多, 但滿足顯示用的液晶材料并不多見(jiàn)。這是因?yàn)轱@示用的液晶材料必須滿足寬工作溫度范圍、 低工作電壓、微功耗、快速響應(yīng)、高對(duì)比度、光電、化學(xué)的穩(wěn)定性等要求。圖 2 是顯示用液晶材料分子結(jié)構(gòu)與液晶材料物理性能和器件性能的關(guān)系圖。7 K 33 /K 11表示彈性系數(shù)比, X 表示介電各向異性 , n表示折射率各向異性 , Z表示粘度, Tg表示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 , TN I表示清亮點(diǎn)溫度 , S表示序參數(shù)。圖 2顯示用液晶材料的分子結(jié)構(gòu)與材料物理性能、 器件性能的關(guān)系7目前, 各種形態(tài)的液晶材料基本上都用于開(kāi)發(fā)液晶顯示器,現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出的有各種向列相液晶、 聚合物分散液晶、 雙(多)穩(wěn)態(tài)液晶、 鐵電液晶和反鐵電液晶顯示器等。而在液晶顯示中,開(kāi)發(fā)最成功、 市場(chǎng)占有量最大、 發(fā)展最快的是向列相液晶顯示器。按照液晶顯示模式,常見(jiàn)向列相顯示就有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 (薄膜晶體管) 模式等。其中TFT 模式是近10年發(fā)展最快的顯示模式。3 TN( Twist Nematic)-LCD扭曲向列型液晶材料TN 型液晶材料的發(fā)展起源于1968 年, 當(dāng)時(shí)美國(guó)公布了動(dòng)態(tài)散射液晶顯示( DSM -LCD) 技術(shù)。但由于提供的液晶材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性, 使它們作為顯示材料的使用受到極大的限制。1971 年扭曲向列相液晶顯示器( T N -LCD) 問(wèn)世后, 介電各向異性為正的TN -液晶材料便很快開(kāi)發(fā)出來(lái); 特別是 1972年相對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聯(lián)苯腈系列液晶材料由 Gray G等合成出來(lái)后, 滿足了當(dāng)時(shí)電子手表、 計(jì)算器和儀表顯示屏等 LCD 器件的性能要求, 從而真正形成了TN -LCD 產(chǎn)業(yè)時(shí)代。TN -LCD 用的液晶材料已發(fā)展了很多種類。它們的特點(diǎn)是分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,向列相溫度范圍較寬,相對(duì)黏度較低。不僅可以滿足混合液晶的高清亮點(diǎn)、低黏度,而且能保證體系具有良好的低溫性能。聯(lián)苯環(huán)類液晶化合物的n 值較大, 是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶類化合物的 K33/ K11 值較小,只有0. 60 左右,在 TN -LCD 和ST N -LCD 液晶材料配方中,經(jīng)常用它們來(lái)調(diào)節(jié)溫度序數(shù)和n 值。而二氧六環(huán)類液晶化合物是調(diào)節(jié)多路驅(qū)動(dòng)性能的必需成分。T N 液晶一般分子鏈較短, 特性參數(shù)調(diào)整較困難, 所以特性差別比較明顯3TN-LCD用液晶材料主要分為普通TN、寬溫TN、低閥值TN、 第一極值點(diǎn)TN和HTN液晶材料等。 各類混合液晶的性能要求和實(shí)例見(jiàn)表1。1STN( Super TN) -LCD超扭曲向列相型液晶材料自 1984 年發(fā)明了超扭曲向列相液晶顯示器( ST N -LCD) 以來(lái), 由于它的顯示容量擴(kuò)大, 電光特性曲線變陡,對(duì)比度提高, 要求所使用的向列相液晶材料電光性能更好, 到 80 年代末就形成了 STN -LCD 產(chǎn)業(yè),其代表產(chǎn)品有移動(dòng)電話、 電子筆記本、 便攜式微機(jī)終端。ST N 型與T N 型結(jié)構(gòu)大體相同, 只不過(guò)液晶分子扭曲角度更大一些,特點(diǎn)是電光響應(yīng)曲線更好,可以適應(yīng)更多的行列驅(qū)動(dòng)。3STN-LCD 用混晶材料一般具有以下性能:(1)低粘度；(2)大K33/K11值；(3) n和 Vth（閾值電壓）可調(diào)；(4)清亮點(diǎn)高于工作溫度上限30C以上?；炀Р牧系恼{(diào)制往往采用“ 四瓶體系” 。這調(diào)制方法能夠獨(dú)立地改變閾值電壓和雙折，而不會(huì)明顯地改變液晶的其它特性。有關(guān)混配的基本方法已有文獻(xiàn)報(bào)道.4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(kāi)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。4STN-LCD用液晶材料主要由單晶化合物和手性添加劑混配而成。 另外， 聚酰亞胺(PI) 對(duì)液晶分子具有良好的取向性能，各種液晶顯示器件一般都用(PI)作為取向膜。為了滿足扭曲角不小于180 的要求，STN-LCD要求取向劑具有較高的預(yù)傾角 。4STN-LCD 用液晶材料的特性參數(shù)一般在下列范圍內(nèi)：TFT(Thin Film Transistor)-LCD薄膜晶體管液晶材料隨著薄膜晶體管 ( Thin Film Transistor,TFT ) 陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示 ( TFT- LCD )技術(shù)的飛速發(fā)展 ,近年來(lái) TFT- LCD 不僅占據(jù)了便攜式筆記本電腦等高檔顯示器市場(chǎng) ,而且隨著制造工藝的完善和成本的降低 ,目前已向臺(tái)式顯示器發(fā)起挑戰(zhàn)。由于采用薄膜晶體管陣列直接驅(qū)動(dòng)液晶分子 ,消除了交叉失真效應(yīng) ,因而顯示信息容量大;配合使用低粘度的液晶材料 ,響應(yīng)速度極大提高 ,能夠滿足視頻圖像顯示的需要。因此 ,TFT- LCD 較之 TN型、STN 型液晶顯示有了質(zhì)的飛躍 ,成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的顯示技術(shù)之一。5T F T L C D 同樣利用 T N 型電光效應(yīng)原理 ,但是 T F T L C D 用液晶材料與傳統(tǒng)液晶材料有所不同。除了要求具備良好的物化穩(wěn)定性 、較寬的工作溫度范圍之外 ,T F T L C D 用液晶材料還須具備 以下特性 (1) 低粘度 ,2 0時(shí)粘度應(yīng)小于 3 5 m P a s ,以滿足快速響應(yīng)的需要;(2) 高電壓保持率( V.H.R ),這意味液晶材料必須具備較高的電阻率 ,一般要求至少大于 1 012cm ;(3) 較低的閾值電壓 ( v.th),以達(dá)到低電壓驅(qū)動(dòng) ,降低功耗的目的 ;(4) 與 T F T L C D 相匹配的光學(xué)各向異性 ( n),以消除彩虹效應(yīng) ,獲得較大的對(duì)比度和廣角視野 .n,值范圍應(yīng)在 0.0 7 o.n 之間 ,最好在 0.0 8 0.1 左右 .5根據(jù)目前掌握的文獻(xiàn)來(lái)看 ,在 T F T L C D 配方中廣泛使用 的單體液晶的典型分子結(jié)構(gòu)主要有下列幾類，其中 R 為直鏈烷基或烷氧基 ;A 為單鍵 ,一CH2 CH2一 、一C三 C一等 ;X 為 F、Cl、C F3、OCF3、OCHF2等。對(duì)這些典型分子結(jié)構(gòu)加以分析 ,可 以看出針對(duì)T FT- LCD 用液晶材料的合成設(shè)計(jì)趨勢(shì)集中于以下幾個(gè)方面 :( 1 ) 以氟原子或含氟基團(tuán)作為極性端基取代氰基 ;( 2 ) 在液晶分子側(cè)鏈 、橋鍵引人氟原子來(lái)調(diào)節(jié)液晶相變區(qū)間、介電各向異性等性能參數(shù) ;( 3 )含有環(huán)己烷 ,尤其是雙環(huán)己烷骨架的液晶分子得到廣泛重視 ;( 4 ) 乙撐類柔性基團(tuán)作橋鍵的液晶得到廣泛應(yīng)用。5顯示用液晶材料的趨勢(shì)隨著顯示器件技術(shù)和性能的改進(jìn)和發(fā)展, 對(duì)液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并開(kāi)發(fā)了一系列新材料。目前比較引人注目的液晶材料有異氰硫基 ( NCS基) 液晶, 含氟液晶、 烷基橋鏈液晶、 酯類液晶等。研究較多的有源矩陣方式的 LCD如 TFT-LCD因其具有優(yōu)良的顯示品質(zhì)、 均一的寬視角、 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示等特點(diǎn)而倍受人們關(guān)注。TFT- LCD的驅(qū)動(dòng)要求液晶材料的電阻率要高, 以保證電壓保持率高, 粘度要小, 以保證快速響應(yīng)。前已述及, 作為 T FT- LCD方式的含氟液晶已得到開(kāi)發(fā)。最近日本研究表明,用重氫取代含氟液晶分子結(jié)構(gòu)環(huán)己烷上的氫原子 ( D化) , 低溫向列相穩(wěn)定性有很大提高,清亮點(diǎn)溫度和 K33 /K11值有所降低, D化含氟液晶較未 D化含氟液晶更適于 T FT- LCD用?？傊? 開(kāi)發(fā)、合成混合液晶材料是尋找寬溫度范圍、低閾值、高對(duì)比度、快速響應(yīng)液晶材料的重要途徑。參考文獻(xiàn)1 李帥,任培兵,仲錫軍,段二紅,趙地順.液晶材料A, 河北化工,2008,31(9)2 汪朝陽(yáng). 液晶材料,化工時(shí)刊，2002，113 徐曉鵬,底楠.液晶材料的分類、發(fā)展和國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況A, 化工新型材料,2006,