液晶材料在显示领域的应用研究

1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 30 日惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY2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, IPS3Applied research in the field of display of the liquid crystal materialSummaryWith the development of technology and the continuous improvement of peoples requirements, consumers are increasingly dissatisfied with the shortcoming of 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 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 consumption, 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-LED IPS4目录1 背景.11.1 液晶的发现.11.2 液晶理论发展回顾.11.3 液晶材料与 LCD 产业的发展.12 液晶的分类.12.1 溶致型液晶.12.2 热致型液晶.12.2.1 近晶型液晶.12.2.2 向列型液晶.12.2.3 胆甾型液晶.12.3 聚合物液晶.12.3.1 主链型液晶高分子.12.3.2 侧链型液晶高分子.12.3.3 复合型液晶高分子.13 液晶材料在显示领域中的应用 .131 TN-LCD 液晶显示材料.13.1.1 TN-LCD(A 类）液晶显示材料的合成及性能.13.1.2TN-LCD 液晶显示材料的显示原理.132 STN-LCD 液晶显示材料.13.2.1 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.133 TFT-LCD 液晶显示材料.13.3.1 TFT-LCD（C 类）液晶显示材料的合成及性能.13.3.1TFT型的液晶材料的显示原理.153. 4 IPS 液晶显示材料.13.4.1 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.14 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 benzoate)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。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。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6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，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Hughes 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7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8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 ) 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:9近晶相(Smectic) 、向列相(Nematic) 和胆甾相(Cholesteric) 。其结构示意图见图4 2。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，而分子在各平面上为向列相。1023 聚合物液晶聚合物液晶是在溶