液晶显示材料及应用

1、液晶显示材料及应用液晶显示材料基础知识 液晶知识涉及多学科，横跨多个领域，业内人士需要做的最多的就是对多个因素的优化、再优化，解决或缓解多因素之间的矛盾和冲突。作为液晶材料的开发，这一点就更为突出：包括相变范围、介电、折光、驱动电压、驱动路数、粘弹性、视角、能耗等方面在内的十几个参数需要调整和优化，以求达到为显示器提供整体性能优越的液晶材料。液晶显示材料基本性能 热力学行为相态和相变 电学特性容性、阻性 光学特性双折射、光活性 动力学、运动学范畴粘弹性液晶的相态和相变A、液晶的相态：热致液晶 a、介晶相概念 b、介晶相分类:SA，SB，SC，N，N*等B、液晶相态的特点： a、有序程度： S=

2、1/2，0.60.8; 0.4; b、分子排列状态 c、对液晶分子形状的要求液晶的相态和相变C、液晶的相变： a、CS（A、B、C）； b、SN； c、NI；D、相态、相变的判别和测量： a、观察法偏光熔点仪，通过其各相在偏光显微镜下的不同现象可以辨别相态和测量相变点，是快速检测的手段。 b、热分析法DSC差热分析，通过各相相互转变时伴有能量得失热量的吸收和放出，用检测装置来测量相变点。是对液晶进行分析的有利手段。显示器件对材料相态相变要求 普通TN的要求： 工作温度范围内为向列相 有一定的相稳定性 STN器件的要求： 更宽的向列相范围 高低温范围内须有较好的相稳定性，即有序程度要较高 液晶的

3、容性和阻性 容性特性 介电性质 阈值、饱和电压、陡度 温度依赖性 频率依赖性 驱动条件 阻性特性 耗电流、能耗 静电行为液晶的容性特征 介电特性 液晶是一种电介质 液晶的介电特性具有方向性介电异性，它与分子极性相关。=- 介电特性是液晶的本质特征，是所有其他性能的基础 介电特性为驱动提供了原动力 两体系混合后介电常数可线性叠加 液晶的容性特征 阈值、饱和值和陡度 阈值与液晶介电常数相关 Vth=（K/0）1/2 陡度与K33/K11以及/ 相关 阈值电压、饱和电压是驱动电压选择的基本依据，陡度是扫描行数设计的依据。 两体系混合后阈值电压和陡度并非线性叠加，而须实际测试确定 液晶的容性特征 介电

4、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缓慢变小 温度升至清亮点以上时，介电各向异性消失 宽温产品应考虑此因素 010203040506070804681012141618 i 温度PCH-5 的介 电常数与 温度的关系液晶的容性特征 介电的频率依赖性 介电各向异性随测试频率的上升而降低 介电各向异性 当测试频率足够高时，介电各向异性消失 高DUTY驱动时需考虑此因素68101214-50510152025 的 频 率 依 赖 性11.58.550%90% ln(f) 液晶介电常数的测量 测试原理 根据介电常数的定义：C=0C0 ，其中C0为真空

5、电容，只要测得电介质加入前后的电容值，即可得到电介质的介电常数。 测试条件的选择 测试设备：电容测试仪、液晶盒 驱动条件： 驱动频率的选择是根据其频率依赖性特点进行的 满足液晶沿电场排列，近似的选取驱动电压 液晶排列要求：指向矢平行电场；指向矢垂直电场 温度控制：252 驱动条件的选择 DUTY数确定根据液晶材料的陡度来估计它的适用扫描线数 Nmax=（P2+1）/（P2-1）2 BIAS的确定根据最佳偏压比算法 a=N1/2+1 有效电压的计算Von=(1-(a2-1)/N)1/2V/a Voff=(1+(a2-4a+3)/N)1/2 V/a 实际驱动条件的选择需要考虑显示器件的实际对比度、

6、视角、工作温度、响应以及驱动芯片负载能力等多方面因素液晶的阻性特征 液晶是高阻材料 液晶的电阻率非常高，一般都在1010欧姆厘米以上。 液晶的电阻特性是材料本身决定的，它和介电常数、阈值电压有一定联系 一般认为，液晶的阻性电流是杂质的带入而引起的 液晶器件的能耗和电阻电流 液晶器件的能耗来自电容和电阻，其中主要是电容 液晶在电场作用中，可以形成电阻电流 动态驱动时，随频率的上升，容性明显增强，阻性相对减弱液晶的阻性特征 液晶电阻的测量 测量原理：RxR0 测量设备：高阻仪、电导电极等； 测量条件：温度、湿度，测量电压 测量精度保证：屏蔽和接地情况UCBRxR0液晶的阻性特征 静电行为 积累电荷

7、无法从有效途径消除掉，从而形成静电场，导致显示器无法正常显示 液晶材料纯度过高，电阻率过高，使得积累电荷无法从液晶材料途径消除 避免方法 液晶材料途径：在保证能耗要求的情况下，适当调整电阻性能 器件途径：设计旁路，引消除积累的静电贺液晶的阻性特征 液晶保存和使用对液晶电阻率的影响 离子性杂质的引入是降低液晶电阻率的主要因素 极性杂质也使液晶电阻率降低 强烈的光照可以是液晶电阻率降低,UV光的破坏尤为强烈 环境可以导致液晶尤其是低阈液晶的电阻率下降 盛装容器的洁净程度 液晶使用过程中的接触物品 使用液晶环境的光照情况 液晶所在环境的温湿度情况 成盒前的工序的洁净程度液晶的双折射 液晶的折射率 n

8、o、ne 偏振光 线偏振 椭圆偏振 相延迟和色散 液晶的双折射 液晶的折射率 液晶具有双折射这一晶体特性 no为寻常光折射率，其偏振方向与分子长轴垂直，ne则平行 光学各向异性定义为 n=ne-no 这一参数在STN设计中是极为关键的 n与介电常数、清亮点、有序程度等参数相关 no ne 液晶双折射的测量 测量原理 利用阿贝折射仪，在对液晶进行排列处理后，用检偏器件分别读取两个折射率。两体系混合后的折射率可以叠加获得。 测量设备 阿贝折射仪、恒温装置、单色光源、检偏器件 测量条件 20 0.1 ；589nm纳光光源；液晶的双折射 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

9、温度上升而降低 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着非常大的影响010203040506070801.481.501.521.541.561.581.601.62折 射 率 随 温度 的 变化none温度n液晶的双折射 折射率的频率依赖性 随着测试光源的频率的变化，液晶的折射率也发生变化 频率升高，折射率增大 在可见光波段内，折射率的变化足以影响显示器件的色度 在C-STN中，不但需要需要补偿膜，而且对液晶的这一性能要求也较为严格2503003504004505005506006507001.41.51.61.71.81.91.4

10、1.51.61.71.81.9 n （ nm）n折 射率随 频 率的变化液晶的光活性 手性物质 含有一个或多个手性C（不对称C）的物质，被称为手性物质。 这个C周围的四个基团是两两不同的。 旋光性 偏振光通过手性物质时，其电矢量会出现一定程度的偏转。 螺距和HTP值 在胆甾相中，液晶分子是呈螺旋状排列的，当指向矢旋转360度时，在螺旋轴方向上距离称为自然螺距。 HTP指定义为1/PC，是表征手性物质扭曲能力的指标。偏振光基础 偏振光定义 电磁波为横波 自然光为电矢量各方向分布均匀 液晶显示本质是对偏振光的调制 线偏光 其偏振方向在时间和空间上为常数，即面对光线射来的方向，它的电矢量震动在一平面

11、内。 自然光电矢量 线偏光电矢量 偏振光基础 椭圆偏振光 椭圆偏振光电矢量的强度和振动方向是时间和空间的函数，即随着光的传播其电矢量的强度和振动方向是在变化的如果其电矢量的轨迹在垂直光线传播的平面内的投影为椭圆，那么，称其为椭圆偏振光。 椭圆偏振光可以分解为两个电矢量垂直的线偏光，反之，亦可由线偏光合成 光线传播方向 液晶对光的相延迟和色散液晶对光具有双折射效应，使得o光和e光在液晶中传播速度不同，从而导致在出射时二者相位不同因应液晶的光学各向异性的不同，所产生的相位差不同影响相位差第二个因素为液晶层的厚度第三个有关的因素入射光的波长，不同波段的光的透射光强有较大变化折射率随光频的变化导致色散

12、，使STN显示为有色显示 ne no X Y n d / = 0.8 5 液晶的粘弹性 粘度性能 体积粘度 旋转粘度 弹性性能 K11、K22、K33 K33/K11、K22/K11液晶的粘度 针对不同的运动方式，液晶有几个粘度 1指向矢与流速方向以及流速梯度方向均垂直时的粘滞系数 2指向矢与流速方向平行时的粘滞系数近似于体积粘度 3指向矢与流速方向垂直，但与速度梯度方向平行时的粘滞系数 指向矢转动时所引起的粘滞系数213液晶的粘度 粘度的本质是分子间内摩擦力 速度梯度为1时单位面积的内摩擦力，分动力学粘度、运动粘度 体积粘度属于动力学范畴，单位为PaS或P；运动粘度单位m2/s。 液晶有其自

13、己的特点和限制，有一定极限 液晶的粘度与介电常数、清亮点、折射率有关 粘度与温度基本呈指数关系 S expB/T, 温度上升，粘度降低；温度下降，粘度增加 两体系混合后的粘度并非线性叠加 粘度影响响应时间 液晶器件的响应时间与液晶的粘度相关 d2，且 开时间还与驱动电压和K有关；关时间与K相关 显示器的响应时间仍需实验测试和评估，尤其在STN显示器方面 响应时间与驱动条件相关 与驱动频率（小频率）相关 与扫描路数（DUTY）相关 与驱动波形相关 与驱动芯片的负载能力相关液晶的弹性性能 三个弹性常数K11K22K33液晶的弹性性能 弹性自由能 F=1/2K11（n）+K22（nn）+K33（nn ） STN陡度与K33 /K11、 K22 /K11有关 K33 /K11增大有利于STN陡度的提高 K22 /K11降低有利于STN陡度的提高 STN响应与K33 /K11有关 K33 /K11增大不利于响应的改善液晶材料的应用领域 普通TN、HTN型显示器件 无源矩阵显示器件STN 有源矩阵显示器件TN、IPS、MVA 多稳态显示器件 宾主型液晶显示器件 PDLC液晶显示器件 其他应用领域STN显示器对液晶性能的选择 驱动条件 DUTY？BIAS？V