液晶基础简介 [兼容模式]

1、液晶基础简介 Shijiazhuang Chengzhi Yonghua Display Material Co., Ltd. 2013-8-13 Item1234Contents液晶的基本概念液晶显示的发展混晶的开发和生产液晶使用注意事项液晶的发现液晶分子结构液晶的分类FReinitzerF.ReinitzerO.Lehmann物质的第四态液晶（liquid crystals）是一种既有液态物质的流动性，又具有晶体物质的有序性的一类物质。在物理性质上呈现各向异性，形成兼有部分晶体和液体性质的过渡状态，称为液晶态。液晶分子结构 Z Z R1 A X B R2 其中: X为连接基团；Z、Z为侧向

2、基团； A、B为刚性基团（环体系）；R1、R2为末端基团。 分子应该具有以下条件才能形成液晶相： 分子形状是各向异性的，分子长径（L/D）比应大于4； 分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性； 分 末端含有极 或 分子末端含有极性或可以极化的基团，通过分子间力、色散力使分子保持取向有序。 极 的基 过分 色散 使分 持 向有序 液晶分子的形状有多种，目前棒状分子形成的液晶相具有较大 液晶分子的形状有多种 目前棒状分子形成的液晶相具有较大 的应用价值。液晶相的形成是有棒状分子各向异性的形状以及各向 异性的力所引起的，通过改变分子末端基团和侧向吸引力的大小， 能够改变液晶相的特征。 n n 液晶分子的

3、各向异性 F + + R F F - 实际液晶 分子状态 - 液晶分子 理论模型 模 Length Diameter Diameter Diameter 光学和电学各向异性 由于液晶分子在长轴和短轴上电子云密度分布不均造成了光学和电学上 的各向异性 这种电子云密度差异越大 所体现出来的n和 的各向异性。这种电子云密度差异越大，所体现出来的 就越大。 就越大 液晶的分类 高分子液晶 分子量 小分子液晶 向列相 热致液晶 液晶相在一定温度范围内存在 液晶相在 定 度范围内存在 形成条件 溶致液晶 近晶相 胆甾相 对于向列相，具有低有序。向列相是分子长轴的单一取向，分子的质量中心呈三维各向异性分布，

4、其分子长轴与指向矢n成一定的角度。近晶SmA的指向矢和光轴都垂直于近晶层面，但取向序并不是最优。 近晶相SmC为一维位置有序，与SmA不同之处在于指向矢相对于近晶面有一定的倾斜角。SmAfan-shapedfanshapedtexture近晶A相近晶C相等同于具有手性的向列相，N*也是具有单一的分子长轴取向。与向列相相比，胆甾相可以自发产生宏观超螺旋结构，它的扭转轴垂直于指向矢。Focal Conic textureCholesteric fingerprint textureHomogeneousalignmentHomogeneous alignmentPlanar texture发展概览

5、液晶与显示模式液晶显示的发展 1888年命名为 年命名为“Liquid Crystal”液晶元年 液晶元年 1909 双折射理论 1908年 德国化学家 D. Vorlaender合成近晶相化合物 1920s液晶连续体理论 1922年法国化学家G. Friedel完成了液晶分类 1933 Freedericksz弹性理论中磁场对液晶分子排列的转变效应，被认为是使液晶显示开 发成为可能的最重要的物理现象 1971年 瑞士M.Schadt 发表了TN技术 1973年日本精工推出了基于TN的电子手表 第二代液晶显示技术 1968年 RCA公司发明 动态散射模式的LCD 第一代液晶显示技术 1973年

6、 SHARP公司使用DSM技术制作了 第 部计算器 第一部计算器 1984瑞士T.Scheffer 发明了STN型LCD技术 1985年 BrownBoveri公司试制出135线STN, 代表着第三代液晶显示技术 1960-80TFT 1960 80TFT的基础研究， 的基础研究 TN型 TFT设想 1984年 TFT-LCD商业化 1993年后 日本开启 TFT-LCD大规模生产 SHARP CPA模式 三星 PVA模式 现代 FFS 松下 OCB模式 1997年日本 富士通提出 MVA显示模式 1974年美国人R. Soref 提 出IPS理论 1995年 日立首款IPS产品 STN-LC

7、D 高陡度 较大的K33/K11 较低的1 稳定的化学基团 K33/K11较大，高清亮点 较大 高清亮点 R CN CN STN 快速响应 稳定性 CN TN-TFT PM 等效电路 AM 等效电路 更低的旋转粘度 AM等效电路 R N N CN R 有源矩阵让发展大尺寸高分辨率面板成为可能。 但同时对液晶材料提出了更高的要求。 更高的化学稳定性 R O O F F F F CN R TN-TFT 显示的优劣 快响应速度 低对比度 TN-TFT 高透过率 x 窄视角 使得TN-TFT 相比于其他液 示如 晶显示如 IPS,VA等在高 端显示领域（ 电视，智能手 机）失去竞争 能力。 极低的制造

8、 成本 为了解决视角以及对比度的问题，各大厂商开始发展自己的宽视角以及高对比度技术 解 角 ， 商开 展自 角 高 术 简称年份特征画素照片多畴结构ITO透明电极有机膜技术AFFS2003高透过率IPS1996宽视角S-IPS1998改善色偏AS-IPS2002高透过率IPS-pro2004高对比度HITACHI备注简称年份特征单畴结构金属电极FFS1998高开口率多畴结构金属电极UltraFFS2001改善色偏ITO透明电极结合FFS技术IPS-pro2004高对比度HYDIS画素照片ITO透明透明电极结合FFS技术备注单畴结构边缘电场楔形电极双畴结构材料改进像素结构优化显示模式总结 TN-

9、TFT 作为显示器地位重要 但是难以应用于LC 作为显示器地位重要，但是难以应用于 LC-TV TV； 需要加强对比度。 平行取向（HA）的显示 IPS和FFS并驾齐驱，也许之后会合二为一； FFS的设计理念可以获得更有竞争力的EO性能； FFS模式可被应用于任何领域的产品； 垂直取向（VA）显示 需要更精确的控制液晶，以降低Vop, 提高透过率； 可以应用于各种领域的显示。 各 域的 混晶开发理论基础分子结构与液晶性能液晶的生产流程液晶的生产流LC参数LCD 性能混合液晶开发 A B 大约20种 单体混合 而成 C D E F 混配 最适用的液晶 每种单体各司其职，例如 A:高清亮点， 高清

10、亮点 B:低阈值 既相互作用又相互制约 优化比例 例 混合液晶相转变温度混合液晶的清亮点满足下列关系式：TCXiTci当极性相同的化合物相混合时，上式成立，当极性化合物和非极性化合物相混合时，常常发生大的负偏差。 熔点：混合液晶的熔点低于任何单体液晶的熔点。介电常数介电常数的大小直接决定了混合液晶的阈值电介电常数的大小直接决定了混合液晶的阈值电压；通过加入具有强极性末端基团的液晶材料提高混合液晶的，降低合液晶的阈值降低混合液晶的阈值电压；需要考虑下列问题：缔合分子对、各单体液晶的互溶性。 介电的温度依赖性随着温度的上升，介电各向异性减小在远离清亮点的温度下，介电各向异性随温度升高缓慢变小温度升

11、至清亮点以上时，介电各向异性消失宽温产品应考虑此因素双折射双折射是由液晶分子中芳香结构（折射是由液晶分子中芳香结构（键）和末端基团类别决定。键）和末端基团类别决定 折射率各向异性实际上与分子的介电各向异性有关，具有大介电各向异性的分子常常具有大的n，但含氟液晶例外，但含氟液晶例外。在同系列化合物组成的混合物中，n常常与组分的浓度成线性关系。 折射率的温度依赖性折射率随温度的升高而降低折射率各向异性也随温度上升而降低温度接近清亮点时，各向异性急剧温度接近清亮点时各向异性急剧下降温度高于清亮点时，各向异性消失这一因素对高温工作的液晶器件有这因素对高温工作的液晶器件有着非常大的影响混合液晶开发 弹性

12、常数 TN VA K = K33 Vth = 实验发现： L d K 22 0 IPS 0.5K22/K111.2, 0.5K33/K114.0。对比较刚性的分子来说，当分子长度加长时， K33/K11会增大；而分子宽度增大时， 会增大；而分子宽度增大时 K33/K11降低。如果分子比较柔软，例如当 降低 如果分子比较柔软 例如当 比较柔软的烷基链加长时，K33/K11会降低。 调制液晶混合物时，需要考虑许多因素调制液晶混合物时，需要考虑许多因素：液晶溶剂为基础：低熔点和适当向列相温度范围； 极性和非极性液晶组成，以避免近晶相的形成； 选择n适当的组分；如果需要低阈值电压的混合液晶，则需加入大

13、的液晶材料；材料同时加入具有高清亮点（N-I）的液晶来增大混合液晶向列相温度范围。列相温度范围3、末端基团及侧向基团对液晶性质的影响常用的末端基团K33/K11较大，旋转粘度小TNI较高、n较烷基大作为末端基团时，n大，较大，作为侧向基团时，常为负极性单体。作为末端基团时，n小，较大作为侧向基团时，常为负极性单体。SLICHEM液晶单体生产流程 原材料 IQC 生产一部 IPQC 中间体 IPQC 单体粗品 NG 品管部 FQC OK 包装入库 OK 品管部 FQC IPQC 生产二部 单体精品 单体提纯 NG R&D处理 OK 品管部 FQC 品管部 定时复查 液晶单体检测项目： 1. 中间

14、体、单体粗品： GC纯度、HPLC色谱纯度； 2. 单体精品： GC纯度、HPLC色谱纯度、溶剂量、GC-MS/LC-MS分析杂质种类和个数、 电阻率。 SLICHEM混配作业流程(TFT-LC) 加料 混合溶解 离子处理 粗过滤（5 m砂芯） NG 品质检测 质 测 （电阻率） OK 膜滤（0.22 0 22 m） OK NG 液晶灌装保存 液晶可靠性检测 品质检测 （电阻率、VHR、离子浓度、水分含量测试） 液晶可靠性检测： 1. 高温可靠性测试： 条件100 1h 测试：电阻率、VHR、离子浓度； 2. 紫外可靠性测试：条件UV（365nm）5000mj 测试：电阻率、 VHR、离子浓度

15、。 产品品质与储存时间高低温储存对液晶影响考察液晶在高于清亮点温度储存和在低于结晶点温度储存后，液晶常规参数和可靠性的变化。下表为试验条件：液晶高温低温储存的影响-常规参数 实验条件 Clearing g Point( ( ) Rotational Viscosity(mpas,25) n (589nm,25 (589nm 25) ne (589nm,25) (1KHZ,25) (1KHZ,25) K11 （ pN,25 ） K33 （ pN,25 ） 原样 88.2 65.4 0 105 0.105 1.59 7.4 3.1 14.2 20.6 A 88.3 68 0 104 0.104 1

16、.589 7.8 3.1 14.1 20.6 D1 88.4 66.1 0 104 0.104 1.588 7.2 3.1 14.2 19 D2 88.6 65.7 0 104 0.104 1.588 7.3 3.1 14.2 19.2 E1 88.4 65 0 103 0.103 1.589 7.3 3.1 14.3 19.6 E2 88.5 65.7 0 104 0.104 1.589 7.4 3.1 14.3 20.5 F1 88.3 67.6 0 104 0.104 1.589 7.2 3 10.7 16 F2 88.5 61.9 0 103 0.103 1.588 6.7 3.1 1

17、4.4 21.5 由以上数据得出结论： z高温120储存1h，对该款液晶的常规参数没有明显影响。 z高温120储存更长时间的数据表中没有列出，因为液晶发生变质，无法测试。 说明高于清亮点的温度对液晶的破坏比较大，不建议长时间储存于高于清亮点的温度。 z低温储存后（包括加热后和不加热后的测试）对液晶的常规参数没有明显的影响。 （ ） 常 参 有 液晶高温低温储存的影响-可靠性 实验条件 原样 A D1 D2 E1 E2 F1 F2 ION（pc） 34 24 34.24 39.15 36.57 39.87 40.76 37.62 32.99 35.6 VHR(%) 99 63 99.63 99.55 99.58 99.58 99.61 99.63 99.63 99.61 （*1013.cm） 73 7.3 11.5 3.6 2.5 2.96 3.87 0.56 0.51 由以上数据得出结论： z高温120储存1h，对该款液晶的可靠性参数没有明显影响。 z高温120储存更长时间的数据表中没有列出，因为液晶发生变质，无法测试。 说明高于清亮点的温度对液晶的破坏比较大，不建议长时间储存于高于清亮点的温度。 z低温储存后（包括加热后和不加热后的测试）对液晶的