液晶材料在显示领域的应用研究

1、惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY 材 料 化 学 论 文（设 计）中文题目：液晶材料在显示领域的应用研究英文题目： Applied research in the field of display of the liquid crystal material姓 名 李海珊 李开漫 练丽红 苏健枢 文丽丽 杨静波 曾翠珍 张耀 郑润熙学 号 100604111 100604113 100604114 100604122 100604128 100604130 100604133 100604138 100604140专业班级 10应用化学1班指导教师 叶晓萍提交日期 2012年11月

2、30日液晶材料在显示领域的应用研究 摘要 随着技术的发展和人们要求的不断提高, 消费者对原来传统的阴极射线管(CR T )显示器的体积大、重量大和功耗大的缺点越来越不满意。特别是在便携式、小型化和低功耗的应用中, 人们期望着体积小、重量轻和功耗小的平板显示器的出现。在这种需求的推动下, 液晶平板显示器首先应运而生。由于液晶显示器LCD (Liquid Crystal Display )具有轻薄短小、低耗电量、无辐射, 平面直角显示以及影像稳定不闪烁等多方面的优势, 在近年来技术驱动及价格不断下跌的吸引下, 占领了相当大的市场, CRT 已逐渐被取代。本文着重介绍液晶的发现过程, 以及液晶及其显

3、示器件(LCD ) 的特性、原理与发展方向。关键词：液晶, 显示, 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目录1背景.1 1.1液晶的发现.1 1.2液晶理论发展回顾.1 1.3 液晶材料与LCD产业的发展.12 液晶的分类.1 2.1溶致型液晶.1 2.2热致型液晶.1 2.2.1近晶型液晶.1 2.2.2向列型液晶.1 2.2.3胆甾型液晶.1 2.3 聚合物液晶.1 2.3.1主链型液晶高分子.1 2.3.2侧链型液晶高分子.1 2.3.3复合型液晶高分子.13 液晶材料在显示领域中的应用 .1 31 TN-LCD液晶显示材料.1 3.1.1 TN-LCD(A类）液晶显示材料的合成及性能.1 3.1.2TN-LCD液晶显示材料的显示原理.1 32 STN-LCD液晶显示材料.

8、1 3.2.1 STN-LCD（B类）液晶显示材料的合成及性能. 3.2.2 STN-LCD显示原理.1 33 TFT-LCD液晶显示材料.1 3.3.1 TFT-LCD（C类）液晶显示材料的合成及性能.1 3.3.1TFT型的液晶材料的显示原理.1 3. 4 IPS液晶显示材料.1 3.4.1 IPS-LCD(D类）型液晶显示材料的合成及性能. 3.4.1 IPS 型的液晶材料的显示原理.1 4 发展趋势.15 致谢.11背景1.1液晶的发现 液晶(1iquid crystal)的发现可以追溯到1888年，奥地利植物学家Reinitzer F注意到，把胆甾醇苯酸(cholesteryl be

9、nzoate)晶体加热到1455会熔融成为混浊的液体，1455就是该物质的熔点。继续加热到1785，混浊的液体会突然变成清亮的液体，而且这种由混浊到清亮的过程是可逆的。ReinitzerF把所观察到的现象告诉了德国物理学家Lehmann O。Lehmann O经过系统地研究指出，在一定的温度范围内，有些物质的机械性能与各向同性液体相似，但是它们的光学性质却和晶体相似，是各向异性的。因此，这些介于液体和晶体之间的相被称为液晶相。 在不同的温度和压强下物体可以处于气相、液相和固相。在适当外加条件下处于某一相的物体可以变换到另一种不同的相，即发生相变。一般液体的物理性质是各向同性的，没有方向上的差别

10、。固体则不然，它具有固定的形状构成固体的分子或原于在固体中具有规则排列的特征，形成所谓的晶体点阵。整块晶体可以由晶体点阵沿空间3个不同方向重复堆积而成。因此组成晶体的分子和原子具有位置长程有序。显然，各向同性液相的对称性要高于各向异性的同相。物体的液相总是处在高于固相的温度范围，只有在物体的熔点温度，固相和液相才能共存。显然这里所说的物体不包括玻璃、石蜡和沥青之类的非晶态物质，非晶态物质不存在固定的熔点，随着温度的上升越来越多的物质形成具有流动性的液体。如果构成物体的分于的几何形状具有明显的各向异性，例如长棒状或扁平的盘状，那么除去分子的位置外，分子相互之问的排列方向也将会影响到物体的物理性质

11、。这是因为固体中分子之间的距离比较近，一般只有分子采取相同的排列取向时，才能使系统的势能处于最低值。把处于固相的这类物质逐渐加热，当到晶体液晶各向同性液体达一定温度时如果物体失去位置有序形成液体，但仍保留着取向有序，那么这时的物质是各向异性的液体，也就是所谓的液晶。当温度继续升高，进一步破坏取向有序，那么就形成各向同性的液体。以长棒状分子为例，图1给出了晶体(a)、液晶(b)和各向同性流体中(c)分子排列的大致情形。 图1晶体、藏晶和各向同性液体中分子的排列示意圈1.2液晶理论发展回顾 液晶发现兴起的研究热潮并没有持续很久，由于缺乏应用前景，以后 液晶沉寂了近半个世纪，一直到20世纪60年代末

12、，1963年Williams发现了第一个液晶光效应Williams畴。1968年Heilmeier续而发现了动态散射效应，从此诞生了液晶显示。次年，第一个温室液晶MBBA由于具有负介电各向异性特点，立即应用到动态散射型液晶显示中。在20世纪60年代出现的MOS-TFT和CMOS集成电路、透明导电薄膜、纽扣电池等，使得袖珍型的电子产品和电子设备有可能装配液晶显示。从而使动态散射型液晶显示在70年代初迅速得到应用，因此，1970年第一片液晶计算器、第一块液晶手表，1972年第一台液晶汽车加油站计量显示器相继问世。1971年美国的Lechner第一次提出应用有源矩阵驱动液晶显示，1973年Hughe

13、s公司据此制成第一块液晶电视。自1990年以后，非晶硅TFT液晶显示大量进入实用。从此，液晶的发展势头更加迅猛。自1996年开始，液晶笔记本高速发展，液晶移动电话开始普及；从2000年开始，液晶显示器全面取代台式计算机监视器；自2002年开始，彩色液晶电视得到大力发展。1.3 液晶材料与LCD产业的发展 液晶面板LCD产业经历了以“持续投资、性能改善、成本降低”为特征的第一个发展阶段，将进入以“价值创造、技术创新、模式变革”为特征的第二个发展阶段。TFT-LCD的应用范围不断扩大，经历了笔记本电脑、显示器、电视三个浪潮，开始扩展至公共信息显示、更先进电视、电子看板、多功能集成信息产品、个人数字

14、产品等更广的领域， LCD显示已无处不在。根据Display Search的数据显示，2008年液晶电视的需求量将达1.06亿台，但液晶电视面板的供应量仅为1.02亿片，液晶电视面板的供应量将出现不足的现象，至于2008年的笔记本电脑 (NB)需求量为1.2亿台、液晶显示器的需求量为1.8亿台，对应NB面板的出货量为1.32亿片以及液晶显示器面板的1.94亿片，面板的供应大致能够符合需求，但是如果扣掉不良品、运输报废品以及库存的数量，实际上200年3大主流应用的面板将出现紧俏的状况。由于友达与奇美电等一线大厂扩充的产能以及资本支出有限，而二线厂华映已偏重于中小尺寸面板与IT面板的出货，彩晶则着

15、重在IT 面板以及冲刺品牌上，韩国虽然有S-LCD 新的8代线产能开出，但因为倾向自用，所以大致上2008 年面板供不应求几乎可以定调，由于面板的快速增长以及未来的仍然有较大的增长空间，将直、接拉动了平面显示器材料的需求同步增长1。图2 电子市场材料消费图球面板企业的扩产情况来看，结合市场对液晶显示器的强劲需求拉动下，必然最终成为平面显示材料稳定增长的有力支撑。根据display search提供的资料，未来4年，TFT-LCD产业将以15的年平均复合增长率增长，并带动对相关材料的需求，材料厂商纷纷扩厂因应1。 图3全球液晶面板主要应用市场需求2 液晶的分类 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。从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可分为热致液晶、溶致液晶和聚合物液晶3类。21溶致液晶溶致液晶是2种或2种以上组分形成的液晶，其中一种是水或其他的极性溶剂，在一定浓度溶液中出现液晶相。长棒状溶质分子一般要比构成热致液晶的长棒状分子大得多，分子的轴比约为1：5左右。最常见的溶致液晶有肥皂水、洗衣粉溶液、表面活化剂溶液等。溶致液晶在生物系统中大量存在，生物膜就具有液晶特性。因此，溶致液晶的研究对生物物理学颇为重要。22热致液晶 热致液晶是由于温度变化而出现的液晶相。低温下它是晶体结构,高温时则变为液体,这里的温度用熔点( Tm) 和清亮点( Tc )

17、 来标示。液晶单分子都有各自的熔点和清亮点,在中间温度则以液晶形态存在。目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液晶。在热致液晶中,又根据液晶分子排列结构分为三大类:近晶相(Smectic) 、向列相(Nematic) 和胆甾相(Cholesteric) 。其结构示意图见图42。 图4不同类型液晶的结构示意图 （a)近晶型结构(b)相列型结构(c)胆甾型结构221近晶型液晶 近晶相除有沿分子长轴的取向有序外，有一个沿某一方向的平移有序，近晶型液晶在所有液晶聚合态结构中最接近固体晶体，通常含有C=N或者N=N键及苯环结构，分子是厂棒状。目前各近晶相中的手性近晶C相，即铁电相引起人们广泛兴趣。铁电液晶

18、具备向列相液晶所不具备的高速度(微秒级)矛性的优异特征，它们在最近几年得到大量研究。2.2.2 向列型液晶 向列相仅有沿分子长轴的取向有序，液晶分子呈棒状形刚性部分平行排列，该种液晶分子运动自由度大，是流动性最好的液晶，此类型液晶的粘度小，应答速度快，是最早被应用的液晶，普遍地使用于液晶电视、笔记本电脑以及各类型显示元件上。2.2.3 胆甾型液晶 这类液晶大都是胆甾醇的衍生物，胆甾醇本身无液晶性质，而它的衍生物均具有液晶特性，次类型液晶是由多层相列型液晶堆积所形成，为向列相液晶的一种，也可以称为旋光性的向列相液晶，因分子具有非对称碳中心，所以分子的排列呈螺旋平面状的排列，面和面之间为相互平行，

19、而分子在各平面上为向列相。23聚合物液晶聚合物液晶是在溶致液晶相的基础上发现的，现在也有了热致聚合物液晶。由于聚合物本身就是一种大分子化合物，因此，对聚合物液晶进行研究可以增进对大分子物质有序性的理解。液晶高分子的分子结构一般呈刚棒状。大多数液晶高分子中含有苯环或其他环状结构。由刚性基元和桥键组成的液晶基元是液晶高分子结构的重要特征。根据液晶基元在高分子链中的位置不同，液晶高分子又可分为主链型液晶高分子、侧链型液晶高分子和复合型液晶高分子3。2.3.1主链型液晶高分子主链型液晶高聚物的分子链由苯环、杂环和非环状刚性共扼双键等刚性液晶基元彼此连接而成，这些链的化学组成和特性决定了其在空间取伸直链

20、的构象状态。图5(a)示主链型液晶高聚物的分子结构模型。主链型液晶高聚物一般采用缩聚法合成，如聚苯甲酞(PBT)聚苯二甲酸对苯二胺(PPTA)等4。2.3.2侧链型液晶高分子 侧链型液晶高聚物的分子链一般由柔性主链、刚性侧链和间隔基元等3部分组成。主链一般为碳链等柔性链，侧链一般由刚性基元组成。主链和侧链之间常常插入由烷基组成的柔性间隔基团使侧链能获得相对的运动而形成液晶态。图5(b)示侧链型液晶高聚物的分子结构模型。侧链液晶高分子目前的合成方法主要有自由基均聚与共聚法、酯缩合法、硅氢加成法、自由基基团转移聚合以及分子设计原理。2.3.3复合型液晶高分子主链和侧链上均含有液晶基元的为复合型液晶

21、高分子。图5(c)示复合型液晶高分子的分子结构模型。 图5 液晶高分子的结构模型3 液晶材料在显示领域中的应用70 年代初, Helfrich 和Schadt 利用扭曲向列相液晶的电光效应和集成电路相结合, 将其制成了显示器件, 实现了液晶材料的产业化。这种液晶材料称为扭曲向列相液晶显示(TN- LCD) 材料, 其产品主要应用在电子表和计算器上; 80 年代中期, 又发展到超扭曲向列相液晶显示( STN- LCD) 材料, 其产品主要应用在手机和液晶电视上; 90 年代初, 薄膜晶体管液晶显示( TFT - LCD) 材料已成为这一领域的主流产品, 主要应用在笔记本电脑和终端监视器上。 31

22、 TN-LCD液晶显示材料TN -LCD 用液晶材料, 主要为酯类、联苯类、苯基环己烷类和二氧六环类液晶化合物。特别是酯类液晶,它是配制TN- LCD 用液晶材料的主要成分。通过近30年的研究, 国内各科研机构已开发了近千种酯类液晶化合物。目前的主要目标是开发低粘度、宽的液晶相范围、良好光电特性和高化学稳定性酯类液晶化合物。3.1.1 TN-LCD(A类）液晶显示材料的合成及性能 液晶电视中动画画面要求其响应速度在16ms以下才能有好的视觉效果, 而液晶电视的响应速度主要是由液晶材料的粘度决定的。低粘度的液晶材料一般都含有两个以上的饱和六元环结构和氟原子, 近年来开发的可用于液晶电视的低粘度液

23、晶材料结构如A1 - A109-11 。表1 A 类液晶材料的性能 从表1 可以看出, 此类液晶的粘度绝大部分在150mPa 以下 A1 - A7 , 双折射率小于0.073( A1 -A10) 。A1-A4 以及A6 具有相同的分子骨架, 比较这些液晶单体的性能数据不难发现, 其介电各向异性和粘度大体随其末端基团极性的增加而增加。对于A7、A8、A9 而言, 向A8 结构中插入CF2O 基团得到的A7, 液晶相区间增加了1 倍, 粘度降低同时介电各向异性稍有增加; 而将A7 中的环己烷结构换成2, 6-二氧六环结构( A9) 时, 化合物的热性能变差, 液晶相区间从60 e 减小到4 e ,

24、 缩短了将近10倍, 介电各向异性增大了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, 可用来调节混合液晶的介电各向异性, 而A10 可用于调节混合液晶的液晶相区间10。这一类液晶主要用于TN-LCD 模式的液晶电视中。A3 - A6 的合成路线列举如式1 -3。3.1.2 TN-LCD液晶显示材料的显示原理 图6中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图5，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。图 6 TN型液晶显示器的简易构造图 在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的

25、液晶层旋转90度。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。 图7 TN型液晶显示器显示原理当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。 TN型的显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附向膜的细沟槽方向，按序旋转排列。如果电场未形成，光线就会顺利的从偏光板射入，液晶分子将其行进方向旋转，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会造成电场，进而影

26、响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twisted nematic field effect）。电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。3.2 STN-LCD液晶显示材料 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。但是为了满足STN混晶大K33/K11值（K33为展曲弹性常数，K11为扭曲弹性常数）和适度n（光学各向异性）的要求

27、，人们在混晶中添加了炔类、嘧啶类、乙烷类和端烯类液晶化合物。 3.2.1 STN-LCD（B类）液晶显示材料的合成及性能 炔类液晶由于存在3键，往往具有较大的n。据国内文献报道，合成的此类液晶一般在侧键或末端有含氟基团，化合物具有近晶相。这些液晶目前还没有应用到STN混晶配方中，但其合成方法对合成其它炔类液晶有参考价值。嘧淀类液晶具有较大的n值，在调配STN混晶时，常常加入少量该类液晶以调节混晶体系的n，此类液晶目前已有了适合工业化生产的合成路线。乙烷类液晶粘度较低，n较小，并且n随温度度的变化也较小，所以STN液晶也掺杂此类液晶。含有环己环的乙烷类液晶合成时易生成顺反异构体混合物，导致合成总

28、收率降低，且难以提纯6。 具有高介电各向异性、较低粘度的液晶分子骨架中大多含有CF2O 桥键结构或者含3, 4, 5-三氟取代苯末端基团, 其中含CF2O 桥键结构的液晶在1990 年首次被报道 12 ; 1990 年代后期, 通过新的氟化试剂, 大量含有CF2O 桥键结构的液晶材料被合成出来, 此类液晶除粘度较低外, 与多氟化合物的相容性非常好, 实用价值很高13-16 。可用于液晶电视的此类液晶材料代表性结构如B1 - B18:表2 B 类液晶材料的性能 从表2 可以看出, 上述结构液晶材料的几乎都大于10, B18 化合物的高达35.8, 相对而言粘度也比较低。比较B10 与B16 两种

29、结构的性能不难发现, 向分子骨架中引入CF2O 桥键结构, 粘度几乎降低了一半; 同时由于阻断了苯环之间的共轭, 也有效地减小了n , 熔点下降了60 e , 增加了118。B1 与B8 相比, 含CF2O 桥键的B1 的粘度比B8小一半。B5 与B6 相比, 氟代烯结构化合物的粘度减小了1 倍。B2 与B9 相比, 用2, 6-二氧六环结构替代环己烷结构, 液晶相消失, 增加了1 倍, n略有减小, 粘度明显下降。B7 与B14 以及B10 与B11 两组结构相比, 分子骨架中侧向氟的引入降低了n, 熔点升高, 同时由于极性的增强使得化合物的介电各向异性变大。B13 为含五氟化硫末端基团的液

30、晶化合物, 其稳定性与三氟甲基类相当但是极性更强10-12 , 因此其介电各向异性达到20, 而粘度很低, 只有145mPa。此类液晶材料适合应用于STN-LCD显示模式中12 , 实现宽视角、高亮度和高对比度的液晶显示。在此列举几种CF2O 桥键结构化合物的合成路线。B113 、B6 14 、B16、B11 的合成路线见式4 - 7; B13 化合物中含五氟化硫末端基团的中间体见式815。3.2.2 STN-LCD显示原理STN-LCD是使用一种被称为“向列型”液晶的物质，它呈丝状，利用电场来控制“丝状”液晶的方向是应用上的常用方法。用液态晶体制作的组件，通常都将液态晶体包在两片玻璃中。在玻

31、璃的表面镀一层叫做配向剂的物质，由它的种类及处理方法可控制在没有外电场时液晶的排列情况。 图8 STN-LCD显示原理首先，向列型液晶是夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明而且导电的薄膜以作电极之用，然后在有薄膜的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶随着一个特定且平行于玻璃表面的方向扭曲。液晶的自然状态具有90度的扭曲，利用电场可使液晶旋转，液晶的折射系数随液晶的方向改变而改变，影响的结果是光经过STN型液晶后偏极性发生变化，只要选择适当的厚度使光的偏极性旋转到180到270度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过。而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏极性就不会改

32、变，光就可以通过第二个偏光片。于是，就可以控制光的明暗了7。而STN液晶之所以可以显示彩色，那是因为它在STN液晶显示器上加了一个彩色滤光片（图8），并将单色显示距阵中的每一个像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红，绿，蓝三原色，就可以显示出色彩了16。STN型液晶属于反射式LCD器件，它的好处是功耗小，但在比较暗的环境中清晰度很差，所以不得不配备外部照明光源。 3.3 TFT-LCD液晶显示材料 TFT-LCD要求液晶材料具备高电压保持率、低粘度、低双折射率等特性而传统的液晶材料无法满足上述要求古氟液晶、环己烷娄藏晶、乙烷类液晶因其极性较低，分子粘度低电阻率高，电压保持率高，在TFT-

33、LCD中得到广泛应用3.3.1 TFT-LCD（C类）液晶显示材料的性能及合成 通过向分子骨架的侧向引入一个极性取代基团如F、CF3 等, 能够诱导产生垂直于分子长轴的一个偶极, 可以得到负介电各向异性的液晶材料17 。此类液晶大多含有一个1, 2-二氟苯分子骨架 18 , 如C1-C6 的分子结构: 比较表3 中C1 和C2 结构的性能数据, 不难发现, 在饱和环的同位碳上引入两个氟原子( 分子侧向) 可以有效地增大, 但是其对粘度的影响远大于对的影响, 粘度增加了331mPa; 同样比较C3和C6 的性能数据, 用CF3 基团取代F 原子增加了分子侧向的偶极, 使得其( 增加24%) 和n

34、 增大,但其对粘度影响更大, 粘度增加了224mPa ( 增加174% ) ; 比较C3 和C5 的性能数据可以看出, 增加一个苯环骨架, 可以非常有效地加宽其液晶相区间, 但是粘度也相应增加了303mPa。表3 C1- C6 的性能。表3 C1- C6 的性能上述液晶材料的缺点是旋转粘度太大影响了响应速度, 而通过向环己烷骨架的轴向上引入氟原子可以有效地降低粘度, 同时也能保证介电各向异性为负18 。这些液晶的分子结构如C7- C10:表4 C7-C10 的性能从表4 数据可以看出: 向纯粹由环己烷骨架构成的分子结构引入侧向氟原子同样可以实现负的介电各向异性, 并且其粘度很低, 都在200m

35、Pa 以下; 同时可以发现, 由于分子骨架中没有不饱和环结构, 所以液晶的双折射率相对较小, 基本都在0106 左右。比较C7 与C8 的热性能可以得出, 与烷基链相比, 向分子骨架中的末端链引入双键可以有效地拟制SB相 19-22 。这些液晶材料适合应用于TFT 显示模式中。代表性的合成路线如式9 - 12。3.3.2 TFT-LCD 型的液晶材料的显示原理TFT型的液晶显示器较为复杂，主要是由：萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先，液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶。这时液晶分子的

36、排列方式就会改变穿透液晶的光线角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了8。图9TFT-LCD 型的液晶器结构TFT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制的，它们是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地加快，起码可以到80ms左右；对比度和亮度也大大提高了；同时分辨率也得到了空前的提升。因为它具有更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，所以我们称之为“真彩”。3.4 IPS-LCD型液晶显示材料IPS型液晶面板也是目前主要的一种主流的液

37、晶面板类型，它采用了与传统的液晶显示不相同的概念，它由日本日立于2001年推出，液晶分子以平面切换的方式来改善视角，利用空间厚度、摩擦强度并有效利用横向电场驱动的改变让液晶分子做最大的平面旋转角度来增加视角；在商品的制造上不须额外加补偿膜，显示视觉上对比较好。在视角的提升上可达到178度。IPS型液晶面板具有可视角度大、颜色细腻等优点，看上去比较通透，不过响应时间较慢和功耗高也是这类型面板一个比较明显的缺点。3.4.1 IPS-LCD(D类）型液晶显示材料的性能及合成 增加分子骨架的共轭程度可以得到大双折射率的负介电各向异性液晶材料, 这些液晶材料都是含有1, 2-二氟苯分子骨架的三联苯类化合

38、物20 , 结构如D1 - D4 所示。表5 D 类液晶材料的性能 从表5 的数据可以看出, 这些结构液晶材料的n 在012 左右, 介电各向异性绝对值都大于215, 可用于调节负介电各向异性混合液晶材料的双折射率, 适合用于IPS 显示模式中。代表性的合成路线如式1321:3.4.2 IPS-LCD 液晶材料的显示原理IPS面板不同于以往面板有其结构特点，一是液晶分子平行于屏幕，二是它的电极在同一个面上。为了使液晶分子发生偏转，外加电压的两极不再是分别加载上下两块基板上，而是加在同一块基板上。在IPS器件中，一块基板上刻蚀出一系列狭长的电极条上分别加上不同极性的电压，所有的液晶分子都与基板平

39、行排列，并且与电极条的方向一致，在外加电场的作用下，液晶分子将向与电极条垂直的方向偏转。当不施加电压的时，液晶完全不会旋转，两个偏振片成90度垂直，就会显示出比较纯的黑色，IPS广视角技术也属于NB常黑模式液晶，这也是IPS比TN+FILM的强项。施加电压后，液晶分子旋转，使水平偏振光转换到垂直偏振光，光线便可以通过。改变施加在液晶分子两侧的电场大小，来控制转换偏振光线的多少，达到控制光线的目的。所以大家看到，IPS与TN-LCD在施加和不施加电压的显示效果是正好相反的。不过值得一提的是，不管加不加电压，IPS的液晶分子都是平躺着转的，由于它的这项特性，在大视角下的对比度与色偏表现是三种液晶技

40、术中最好的。图10为IPS-LCD屏的构造图。图10 IPS-LCD屏构造虽然IPS相比于以往面板显示出了其突出的优越性，但是也不可避免的存在着一些缺点。在IPS技术的发展过程中，不断改进技术，以解决存在的问题，提高其性能。第一代IPS技术针对TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，实现较好的可视角度。而后发展的第二代IPS技术（S-IPS即Super-IPS）采用人字形电极，引入双畴模式，改善IPS模式在某些特定角度的灰阶逆转现象。IPS的多畴化如图11所示。 图11 IPS 的多筹化采用人字形电极和双畴模式的S-IPS技术采用S-IPS技术的液晶显示器可以说是一个VA屏中比较特殊的一种类型

41、，图12为采用人字形电极和双畴模式的S-IPS技术与旧的VA技术显示效果的比较22。 图12 S-IPS技术与VA技术比较图和VA屏常态下分子长轴垂直于面板方向平行排列所不同，S-IPS液晶分子始终都与屏幕平行。S-IPS是IPS升级后的一项技术，也是日立的一个专利技术，IPS技术不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，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转角度以增加視角。值得一提的是S-IPS屏幕，在受到外力时，可完全消除一般液晶显示屏形成的水波编纹扩散现象，这就是平时大家所说的硬屏23。 为了扩大视角，液晶分子的基本模块就是人字形的，因电极的排列为人字形，使液晶分

42、子更好被控制，从而能够实现更为细腻的画面控制。并且液晶分子与面板平行，光线容易被控制在面板内部，因而漏光情况更少。在运动画面中，它能够表现更好，实现更好的对比度，IPS面板暗部控制得更好，VA却有不可控的漏光，所以IPS面板在暗部层次方面要大大好于VA面板。这也是讨好眼睛的设计，人眼对暗部层次更敏感，因而在对比动态画面的过程中，眼睛看IPS会更舒服。 IPS面板的色彩丰富在于不预先给液晶分子定向成为透光模式，而是定向成为不透光的模式，那样透光的多少就通过与液晶分子定向方向垂直的电极决定，电压越高，扭转的分子就越多，从而实现光线的精确控制。它只控制IPS面板液晶的一个偏转角度，并且偏转分子的数量

43、能够与电压接近正比例，从而面板的层次控制更容易实现。所以它的全黑与暗画面状态漏光控制得很好，色彩均匀，而且大多数此类面板都会搭配10bit甚至更强得驱动IC，色彩更为鲜艳。新一代既第三代IPS技术（AS-IPS即Advanced Super-IPS）减小液晶分子间距离，提高开口率，获得更高亮度24。 4 发展趋势随着液晶化合物种类的不断增加，液晶化合物的结构与性能之间的关系逐渐为人们所认识。反过来，由性能一结构之同的关系又可以指导具有新型结构、具备特定功能的液晶分子的台成。但是，目前新型液晶分子的合成愈来愈难，而具备实际应用价值的化合物也相对较少。而单一的化合物难以满足实际应用中的苛刻要求，通

44、过将不同的液晶单体进行科学混配则可以弥补相互性能上的不足之处。这样，通过台成出在某些性能上具有独到之处的液晶化台物，将其应用于混合液晶配方中，也能达到提高显示性能的目的5 致谢 叶晓萍老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。感谢叶老师对本论文的指导和修改。在此，谨向老叶师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的顺利完成，离不开叶老师帮助和我们组成员的努力。在此特别感谢为本论文的完成提供帮助的老师和

45、同学们。参考文献1 堀浩雄( Hori H) , 铃木幸治( Suzuki K) . 彩色液晶显示(Color Liquid Crystal Display) . 北京( Beij ing) : 科学出版社( Science Press) , 2003. 130 - 1392 黄锡眠. TFT -LCD 技术的进步 J. 液晶与显示, 1999 , 14 (2 ) : 79 一883 黄锡眠. 显示技术新进展J. 液晶与显示, 2000 , 1 5 (l ) : l 一44 杨柏梁. 世界TFT -LCD 产业现状 J. 液晶与显示, 2000 , 15 (3 ): 154一1585 董友梅(Dong Y M) , 高鸿锦( Gao H J) . 中国光学光电子行业协会液晶分会2004 年 年鉴( Annals of China Optics and Optoelectronics Manufacturers Associat ion, LCD Professional Association) , 2004. 5