顯示用液晶材料的應用和研究.doc

顯示用液晶材料的研究和應用 姓名：任明珠 班級：化學工程與工藝112 學號:201103322顯示用液晶材料的研究和應用摘要：介紹液晶材料與顯示之間的聯(lián)系，綜述了國內(nèi)TN-LCD,STN-LCD,TFT-LCD等三種液晶顯示材料研究及應用等方面的情況。關鍵詞：液晶材料；顯示；研究應用1888 年， F.Reinitzer 在測定有機化合物熔點時， 發(fā)現(xiàn)某些有機化合物在熔化后經(jīng)歷了一個不透明的渾濁液態(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)， 隨后德國人Lehmann(18551922年)用偏光顯微鏡證實了此中間相態(tài)具有光學各向異性， 兼有液體的流動性和晶體的光學各向異性，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)、無定形固態(tài)、超導態(tài)、中子態(tài)、液晶態(tài)等其他聚集態(tài)結構形式。如果一個物質(zhì)已部分或全部地喪失了其結構上的平移有序性 ,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用是人所共知的,大家熟悉的許多產(chǎn)品都離不開液 晶 ,如液 晶廣告宣傳牌、液晶計時鐘表、液晶游戲機、液晶儀表計量、液晶傳感器、液晶通訊設備 、液晶計算機等等 ;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 、洗衣機等都帶有液晶器件。隨著顯示器件技術和性能的改進和發(fā)展, 對液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并開發(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)展過程中起著十分重要的作用 ,隨著液晶顯示技術水平的提高 ,對液晶材料的性能提出了更高的要求。由表 1 可見 ,每一種新的液晶顯示方式的實現(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 ) 化學性能穩(wěn)定,壽命長;( 3) 良好的電光特性。6表1LCD和LC的發(fā)展簡史8液晶分子結構、 材料物理性能與顯示器件性能的關系具有液晶特性的有機化合物很多, 但滿足顯示用的液晶材料并不多見。這是因為顯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、高對比度、光電、化學的穩(wěn)定性等要求。圖 2 是顯示用液晶材料分子結構與液晶材料物理性能和器件性能的關系圖。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表示清亮點溫度 , S表示序參數(shù)。圖 2顯示用液晶材料的分子結構與材料物理性能、 器件性能的關系7目前, 各種形態(tài)的液晶材料基本上都用于開發(fā)液晶顯示器,現(xiàn)在已開發(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,開發(fā)最成功、 市場占有量最大、 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, 當時美國公布了動態(tài)散射液晶顯示( DSM -LCD) 技術。但由于提供的液晶材料的結構不穩(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) 問世后, 介電各向異性為正的TN -液晶材料便很快開發(fā)出來; 特別是 1972年相對結構穩(wěn)定的聯(lián)苯腈系列液晶材料由 Gray G等合成出來后, 滿足了當時電子手表、 計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)時代。TN -LCD 用的液晶材料已發(fā)展了很多種類。它們的特點是分子結構穩(wěn)定,向列相溫度范圍較寬,相對黏度較低。不僅可以滿足混合液晶的高清亮點、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TN和HTN液晶材料等。 各類混合液晶的性能要求和實例見表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, 由于它的顯示容量擴大, 電光特性曲線變陡,對比度提高, 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)品有移動電話、 電子筆記本、 便攜式微機終端。ST N 型與T N 型結構大體相同, 只不過液晶分子扭曲角度更大一些,特點是電光響應曲線更好,可以適應更多的行列驅(qū)動。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)制方法能夠獨立地改變閾值電壓和雙折，而不會明顯地改變液晶的其它特性。有關混配的基本方法已有文獻報道.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，國內(nèi)各科研機構已開發(fā)了近千種，其中已有100 種以上應用于混晶配方。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)動液晶顯示 ( TFT- LCD )技術的飛速發(fā)展 ,近年來 TFT- LCD 不僅占據(jù)了便攜式筆記本電腦等高檔顯示器市場 ,而且隨著制造工藝的完善和成本的降低 ,目前已向臺式顯示器發(fā)起挑戰(zhàn)。由于采用薄膜晶體管陣列直接驅(qū)動液晶分子 ,消除了交叉失真效應 ,因而顯示信息容量大;配合使用低粘度的液晶材料 ,響應速度極大提高 ,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世紀最有發(fā)展前途的顯示技術之一。5T F T L C D 同樣利用 T N 型電光效應原理 ,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時粘度應小于 3 5 m P a s ,以滿足快速響應的需要;(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),以達到低電壓驅(qū)動 ,降低功耗的目的 ;(4) 與 T F T L C D 相匹配的光學各向異性 ( n),以消除彩虹效應 ,獲得較大的對比度和廣角視野 .n,值范圍應在 0.0 7 o.n 之間 ,最好在 0.0 8 0.1 左右 .5根據(jù)目前掌握的文獻來看 ,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構主要有下列幾類，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。對這些典型分子結構加以分析 ,可 以看出針對T FT- LCD 用液晶材料的合成設計趨勢集中于以下幾個方面 :( 1 ) 以氟原子或含氟基團作為極性端基取代氰基 ;( 2 ) 在液晶分子側鏈 、橋鍵引人氟原子來調(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 ) 乙撐類柔性基團作橋鍵的液晶得到廣泛應用。5顯示用液晶材料的趨勢隨著顯示器件技術和性能的改進和發(fā)展, 對液晶材料提出了更高的要求, 液晶材料工作者合成并開發(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、 可實現(xiàn)動態(tài)顯示等特點而倍受人們關注。TFT- LCD的驅(qū)動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。前已述及, 作為 T FT- LCD方式的含氟液晶已得到開發(fā)。最近日本研究表明,用重氫取代含氟液晶分子結構環(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。總之, 開發(fā)、合成混合液晶材料是尋找寬溫度范圍、低閾值、高對比度、快速響應液晶材料的重要途徑。參考文獻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. 液晶材料,化工時刊，2002，113 徐曉鵬,底楠.液晶材料的分類、發(fā)展和國內(nèi)應用情況A, 化工新型材料,2006,