1、惠州學院HUIZHOU UNIVERSITY 材 料 化 學 論 文（設 計）中文題目：液晶材料在顯示領域的應用研究英文題目： 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 鄭潤熙學 號 100604111 100604113 100604114 100604122 100604128 100604130 100604133 100604138 100604140專業(yè)班級 10應用化學1班指導教師 葉曉萍提交日期 2012年11月

2、30日液晶材料在顯示領域的應用研究 摘要 隨著技術的發(fā)展和人們要求的不斷提高, 消費者對原來傳統(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越來越不滿意。特別是在便攜式、小型化和低功耗的應用中, 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)。在這種需求的推動下, 液晶平板顯示器首先應運而生。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, 在近年來技術驅動及價格不斷下跌的吸引下, 占領了相當大的市場, 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側鏈型液晶高分子.1 2.3.3復合型液晶高分子.13 液晶材料在顯示領域中的應用 .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.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，奧地利植物學家Reinitzer F注意到，把膽甾醇苯酸(cholesteryl be

9、nzoate)晶體加熱到1455會熔融成為混濁的液體，1455就是該物質的熔點。繼續(xù)加熱到1785，混濁的液體會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)象告訴了德國物理學家Lehmann O。Lehmann O經過系統(tǒng)地研究指出，在一定的溫度范圍內，有些物質的機械性能與各向同性液體相似，但是它們的光學性質卻和晶體相似，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下物體可以處于氣相、液相和固相。在適當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，形成所謂的晶體點陣。整塊晶體可以由晶體點陣沿空間3個不同方向重復堆積而成。因此組成晶體的分子和原子具有位置長程有序。顯然，各向同性液相的對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，非晶態(tài)物質不存在固定的熔點，隨著溫度的上升越來越多的物質形成具有流動性的液體。如果構成物體的分于的幾何形狀具有明顯的各向異性，例如長棒狀或扁平的盤狀，那么除去分子的位置外，分子相互之問的排列方向也將會影響到物體的物理性質

11、。這是因為固體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，才能使系統(tǒng)的勢能處于最低值。把處于固相的這類物質逐漸加熱，當?shù)骄w液晶各向同性液體達一定溫度時如果物體失去位置有序形成液體，但仍保留著取向有序，那么這時的物質是各向異性的液體，也就是所謂的液晶。當溫度繼續(xù)升高，進一步破壞取向有序，那么就形成各向同性的液體。以長棒狀分子為例，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，由于缺乏應用前景，以后 液晶沉寂了近半個世紀，一直到20世紀60年代末

12、，1963年Williams發(fā)現(xiàn)了第一個液晶光效應Williams疇。1968年Heilmeier續(xù)而發(fā)現(xiàn)了動態(tài)散射效應，從此誕生了液晶顯示。次年，第一個溫室液晶MBBA由于具有負介電各向異性特點，立即應用到動態(tài)散射型液晶顯示中。在20世紀60年代出現(xiàn)的MOS-TFT和CMOS集成電路、透明導電薄膜、紐扣電池等，使得袖珍型的電子產品和電子設備有可能裝配液晶顯示。從而使動態(tài)散射型液晶顯示在70年代初迅速得到應用，因此，1970年第一片液晶計算器、第一塊液晶手表，1972年第一臺液晶汽車加油站計量顯示器相繼問世。1971年美國的Lechner第一次提出應用有源矩陣驅動液晶顯示，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液晶顯示大量進入實用。從此，液晶的發(fā)展勢頭更加迅猛。自1996年開始，液晶筆記本高速發(fā)展，液晶移動電話開始普及；從2000年開始，液晶顯示器全面取代臺式計算機監(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產業(yè)的發(fā)展 液晶面板LCD產業(yè)經歷了以“持續(xù)投資、性能改善、成本降低”為特征的第一個發(fā)展階段，將進入以“價值創(chuàng)造、技術創(chuàng)新、模式變革”為特征的第二個發(fā)展階段。TFT-LCD的應用范圍不斷擴大，經歷了筆記本電腦、顯示器、電視三個浪潮，開始擴展至公共信息顯示、更先進電視、電子看板、多功能集成信息產品、個人數(shù)字

14、產品等更廣的領域， 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1.06億臺，但液晶電視面板的供應量僅為1.02億片，液晶電視面板的供應量將出現(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、液晶顯示器的需求量為1.8億臺，對應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，面板的供應大致能夠符合需求，但是如果扣掉不良品、運輸報廢品以及庫存的數(shù)量，實際上200年3大主流應用的面板將出現(xiàn)緊俏的狀況。由于友達與奇美電等一線大廠擴充的產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，韓國雖然有S-LCD 新的8代線產能開出，但因為傾向自用，所以大致上2008 年面板供不應求幾乎可以定調，由于面板的快速增長以及未來的仍然有較大的增長空間，將直、接拉動了平面顯示器材料的需求同步增長1。圖2 電子市場材料消費圖球面板企業(yè)的擴產情況來看，結合市場對液晶顯示器的強勁需求拉動下，必然最終成為平面顯示材料穩(wěn)定增長的有力支撐。根據(jù)display search提供的資料，未來4年，TFT-LCD產業(yè)將以15的年平均復合增長率增長，并帶動對相關材料的需求，材料廠商紛紛擴廠因應1。 圖3全球液晶面板主要應用市場需求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)液晶相的物理條件來看，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。長棒狀溶質分子一般要比構成熱致液晶的長棒狀分子大得多，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，溶致液晶的研究對生物物理學頗為重要。22熱致液晶 熱致液晶是由于溫度變化而出現(xiàn)的液晶相。低溫下它是晶體結構,高溫時則變?yōu)橐后w,這里的溫度用熔點( Tm) 和清亮點( Tc )

17、 來標示。液晶單分子都有各自的熔點和清亮點,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)液晶分子排列結構分為三大類:近晶相(Smectic) 、向列相(Nematic) 和膽甾相(Cholesteric) 。其結構示意圖見圖42。 圖4不同類型液晶的結構示意圖 （a)近晶型結構(b)相列型結構(c)膽甾型結構221近晶型液晶 近晶相除有沿分子長軸的取向有序外，有一個沿某一方向的平移有序，近晶型液晶在所有液晶聚合態(tài)結構中最接近固體晶體，通常含有C=N或者N=N鍵及苯環(huán)結構，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)矛性的優(yōu)異特征，它們在最近幾年得到大量研究。2.2.2 向列型液晶 向列相僅有沿分子長軸的取向有序，液晶分子呈棒狀形剛性部分平行排列，該種液晶分子運動自由度大，是流動性最好的液晶，此類型液晶的粘度小，應答速度快，是最早被應用的液晶，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，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，對聚合物液晶進行研究可以增進對大分子物質有序性的理解。液晶高分子的分子結構一般呈剛棒狀。大多數(shù)液晶高分子中含有苯環(huán)或其他環(huán)狀結構。由剛性基元和橋鍵組成的液晶基元是液晶高分子結構的重要特征。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、側鏈型液晶高分子和復合型液晶高分子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，這些鏈的化學組成和特性決定了其在空間取伸直鏈

20、的構象狀態(tài)。圖5(a)示主鏈型液晶高聚物的分子結構模型。主鏈型液晶高聚物一般采用縮聚法合成，如聚苯甲酞(PBT)聚苯二甲酸對苯二胺(PPTA)等4。2.3.2側鏈型液晶高分子 側鏈型液晶高聚物的分子鏈一般由柔性主鏈、剛性側鏈和間隔基元等3部分組成。主鏈一般為碳鏈等柔性鏈，側鏈一般由剛性基元組成。主鏈和側鏈之間常常插入由烷基組成的柔性間隔基團使側鏈能獲得相對的運動而形成液晶態(tài)。圖5(b)示側鏈型液晶高聚物的分子結構模型。側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、自由基基團轉移聚合以及分子設計原理。2.3.3復合型液晶高分子主鏈和側鏈上均含有液晶基元的為復合型液晶

21、高分子。圖5(c)示復合型液晶高分子的分子結構模型。 圖5 液晶高分子的結構模型3 液晶材料在顯示領域中的應用70 年代初, Helfrich 和Schadt 利用扭曲向列相液晶的電光效應和集成電路相結合, 將其制成了顯示器件, 實現(xiàn)了液晶材料的產業(yè)化。這種液晶材料稱為扭曲向列相液晶顯示(TN- LCD) 材料, 其產品主要應用在電子表和計算器上; 80 年代中期, 又發(fā)展到超扭曲向列相液晶顯示( STN- LCD) 材料, 其產品主要應用在手機和液晶電視上; 90 年代初, 薄膜晶體管液晶顯示( TFT - LCD) 材料已成為這一領域的主流產品, 主要應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, 國內各科研機構已開發(fā)了近千種酯類液晶化合物。目前的主要目標是開發(fā)低粘度、寬的液晶相范圍、良好光電特性和高化學穩(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 液晶電視中動畫畫面要求其響應速度在16ms以下才能有好的視覺效果, 而液晶電視的響應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以上的飽和六元環(huán)結構和氟原子, 近年來開發(fā)的可用于液晶電視的低粘度液

23、晶材料結構如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極性的增加而增加。對于A7、A8、A9 而言, 向A8 結構中插入CF2O 基團得到的A7, 液晶相區(qū)間增加了1 倍, 粘度降低同時介電各向異性稍有增加; 而將A7 中的環(huán)己烷結構換成2, 6-二氧六環(huán)結構( A9) 時, 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, 可用來調節(jié)混合液晶的介電各向異性, 而A10 可用于調節(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型液晶顯示器的簡易構造圖5，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導電的玻璃基板。圖 6 TN型液晶顯示器的簡易構造圖 在不加電場的情況下，入射光經過偏光板后通過液晶層，偏光被分子扭轉排列的

25、液晶層旋轉90度。在離開液晶層時，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，使整個電極面呈光亮。 圖7 TN型液晶顯示器顯示原理當加入電場的情況時，每個液晶分子的光軸轉向與電場方向一致。液晶層也因此失去了旋光的能力，結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電玻璃間，液晶分子會依附向膜的細溝槽方向，按序旋轉排列。如果電場未形成，光線就會順利的從偏光板射入，液晶分子將其行進方向旋轉，然后從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之后，玻璃間就會造成電場，進而影

26、響其間液晶分子的排列，使分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣得到光暗對比的現(xiàn)象，就叫做扭轉式向列場效應，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。電子領域中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理制成的。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，國內各科研機構已開發(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。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（光學各向異性）的要求

27、，人們在混晶中添加了炔類、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)國內文獻報道，合成的此類液晶一般在側鍵或末端有含氟基團，化合物具有近晶相。這些液晶目前還沒有應用到STN混晶配方中，但其合成方法對合成其它炔類液晶有參考價值。嘧淀類液晶具有較大的n值，在調配STN混晶時，常常加入少量該類液晶以調節(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易生成順反異構體混合物，導致合成總

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 橋鍵結構或者含3, 4, 5-三氟取代苯末端基團, 其中含CF2O 橋鍵結構的液晶在1990 年首次被報道 12 ; 1990 年代后期, 通過新的氟化試劑, 大量含有CF2O 橋鍵結構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, 實用價值很高13-16 ?？捎糜谝壕щ娨暤拇祟愐壕Р牧洗硇越Y構如B1 - B18:表2 B 類液晶材料的性能 從表2 可以看出, 上述結構液晶材料的幾乎都大于10, B18 化合物的高達35.8, 相對而言粘度也比較低。比較B10 與B16 兩種

29、結構的性能不難發(fā)現(xiàn), 向分子骨架中引入CF2O 橋鍵結構, 粘度幾乎降低了一半; 同時由于阻斷了苯環(huán)之間的共軛, 也有效地減小了n , 熔點下降了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, 氟代烯結構化合物的粘度減小了1 倍。B2 與B9 相比, 用2, 6-二氧六環(huán)結構替代環(huán)己烷結構, 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 兩組結構相比, 分子骨架中側向氟的引入降低了n, 熔點升高, 同時由于極性的增強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的液

30、晶化合物, 其穩(wěn)定性與三氟甲基類相當?shù)菢O性更強10-12 , 因此其介電各向異性達到20, 而粘度很低, 只有145mPa。此類液晶材料適合應用于STN-LCD顯示模式中12 , 實現(xiàn)寬視角、高亮度和高對比度的液晶顯示。在此列舉幾種CF2O 橋鍵結構化合物的合成路線。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，它呈絲狀，利用電場來控制“絲狀”液晶的方向是應用上的常用方法。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，由它的種類及處理方法可控制在沒有外電場時液晶的排列情況。 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，利用電場可使液晶旋轉，液晶的折射系數(shù)隨液晶的方向改變而改變，影響的結果是光經過STN型液晶后偏極性發(fā)生變化，只要選擇適當?shù)暮穸仁构獾钠珮O性旋轉到180到270度，就可利用兩個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方向平行，這樣光的偏極性就不會改

32、變，光就可以通過第二個偏光片。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，那是因為它在STN液晶顯示器上加了一個彩色濾光片（圖8），并將單色顯示距陣中的每一個像素分成三個子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅，綠，藍三原色，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向引入一個極性取代基團如F、CF3 等, 能夠誘導產生垂直于分子長軸的一個偶極, 可以得到負介電各向異性的液晶材料17 。此類液晶大多含有一個1, 2-二氟苯分子骨架 18 , 如C1-C6 的分子結構: 比較表3 中C1 和C2 結構的性能數(shù)據(jù), 不難發(fā)現(xiàn), 在飽和環(huán)的同位碳上引入兩個氟原子( 分子側向) 可以有效地增大, 但是其對粘度的影響遠大于對的影響, 粘度增加了331mPa; 同樣比較C3和C6 的性能數(shù)據(jù), 用CF3 基團取代F 原子增加了分子側向的偶極, 使得其( 增加24%) 和n

34、 增大,但其對粘度影響更大, 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是旋轉粘度太大影響了響應速度, 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, 同時也能保證介電各向異性為負18 。這些液晶的分子結構如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)己烷骨架構成的分子結構引入側向氟原子同樣可以實現(xiàn)負的介電各向異性, 并且其粘度很低, 都在200m

35、Pa 以下; 同時可以發(fā)現(xiàn), 由于分子骨架中沒有不飽和環(huán)結構, 所以液晶的雙折射率相對較小, 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擬制SB相 19-22 。這些液晶材料適合應用于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雜，主要是由：螢光管、導光板、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，這些光源會先經過一個偏光板然后再經過液晶。這時液晶分子的

36、排列方式就會改變穿透液晶的光線角度，然后這些光線還必須經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)的光線強度與色彩，這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調的顏色組合了8。圖9TFT-LCD 型的液晶器結構TFT-LCD的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制的，它們是有源像素點。因此，不但反應時間可以極大地加快，起碼可以到80ms左右；對比度和亮度也大大提高了；同時分辨率也得到了空前的提升。因為它具有更高的對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、摩擦強度并有效利用橫向電場驅動的改變讓液晶分子做最大的平面旋轉角度來增加視角；在商品的制造上不須額外加補償膜，顯示視覺上對比較好。在視角的提升上可達到178度。IPS型液晶面板具有可視角度大、顏色細膩等優(yōu)點，看上去比較通透，不過響應時間較慢和功耗高也是這類型面板一個比較明顯的缺點。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 , 結構如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, 這些結構液晶材料的n 在012 左右, 介電各向異性絕對值都大于215, 可用于調節(jié)負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構特點，一是液晶分子平行于屏幕，二是它的電極在同一個面上。為了使液晶分子發(fā)生偏轉，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，在外加電場的作用下，液晶分子將向與電極條垂直的方向偏轉。當不施加電壓的時，液晶完全不會旋轉，兩個偏振片成90度垂直，就會顯示出比較純的黑色，IPS廣視角技術也屬于NB常黑模式液晶，這也是IPS比TN+FILM的強項。施加電壓后，液晶分子旋轉，使水平偏振光轉換到垂直偏振光，光線便可以通過。改變施加在液晶分子兩側的電場大小，來控制轉換偏振光線的多少，達到控制光線的目的。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的，由于它的這項特性，在大視角下的對比度與色偏表現(xiàn)是三種液晶技

40、術中最好的。圖10為IPS-LCD屏的構造圖。圖10 IPS-LCD屏構造雖然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。在IPS技術的發(fā)展過程中，不斷改進技術，以解決存在的問題，提高其性能。第一代IPS技術針對TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，實現(xiàn)較好的可視角度。而后發(fā)展的第二代IPS技術（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技術采用S-IPS技術的液晶顯示器可以說是一個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技術與舊的VA技術顯示效果的比較22。 圖12 S-IPS技術與VA技術比較圖和VA屏常態(tài)下分子長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升級后的一項技術，也是日立的一個專利技術，IPS技術不管在何種狀態(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角度以增加視角。值得一提的是S-IPS屏幕，在受到外力時，可完全消除一般液晶顯示屏形成的水波編紋擴散現(xiàn)象，這就是平時大家所說的硬屏23。 為了擴大視角，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，從而能夠實現(xiàn)更為細膩的畫面控制。并且液晶分子與面板平行，光線容易被控制在面板內部，因而漏光情況更少。在運動畫面中，它能夠表現(xiàn)更好，實現(xiàn)更好的對比度，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計，人眼對暗部層次更敏感，因而在對比動態(tài)畫面的過程中，眼睛看IPS會更舒服。 IPS面板的色彩豐富在于不預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，扭轉的分子就越多，從而實現(xiàn)光線的精確控制。它只控制IPS面板液晶的一個偏轉角度，并且偏轉分子的數(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)此類面板都會搭配10bit甚至更強得驅動IC，色彩更為鮮艷。新一代既第三代IPS技術（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)展趨勢隨著液晶化合物種類的不斷增加，液晶化合物的結構與性能之間的關系逐漸為人們所認識。反過來，由性能一結構之同的關系又可以指導具有新型結構、具備特定功能的液晶分子的臺成。但是，目前新型液晶分子的合成愈來愈難，而具備實際應用價值的化合物也相對較少。而單一的化合物難以滿足實際應用中的苛刻要求，通

44、過將不同的液晶單體進行科學混配則可以彌補相互性能上的不足之處。這樣，通過臺成出在某些性能上具有獨到之處的液晶化臺物，將其應用于混合液晶配方中，也能達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，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學術目標、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。感謝葉老師對本論文的指導和修改。在此，謹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、同學們。參考文獻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) : 科學出版社( Science Press) , 2003. 130 - 1392 黃錫眠. TFT -LCD 技術的進步 J. 液晶與顯示, 1999 , 14 (2 ) : 79 一883 黃錫眠. 顯示技術新進展J. 液晶與顯示, 2000 , 1 5 (l ) : l 一44 楊柏梁. 世界TFT -LCD 產業(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) . 中國光學光電子行業(yè)協(xié)會液晶分會2004 年 年鑒( Annals of China Optics and Optoelectronics Manufacturers Associat ion, LCD Professional Association) , 2004. 5