（应用化学专业论文）聚合物网络液晶混合材料的研究.pdf

摘要 本研究选震袅有可聚会戆双留能圈戆黍性分子：二警基丙烯酸乙二簿酯， 用它来代替刚性分子，聚合反应时与常使用的具有液晶性的双附烯酸酯刚性分 予一样可以交联聚合，经紫终光爨引发聚合后季葶到聚合甥呈长纤维状网络织构。 采用正交偏光显微镜和电子扫描电镜研究了聚合物网络膨貌和结构，比较了传 绞躲聚合物网络稳定液燕中聚合妨款差异，并允辑了聚合枫理。 e g d m m a 在液晶中形成的网络的织构与文献报道的采用液晶性的二丙烯 酸繇单体所形成豹网络相冠。经典理论认为：首先是液鑫性的二霞烯酸酯单体 在液晶中的取向，然后通过聚合过程将菇固定下来形成纤维网络的的机理。本 疆究发瑗形成绔维熬主要原蠢在予单体柱聚合过程中弱嚣囱异瞧扩散，薅非单 体在液晶中的取向原因，是对形成纤维劂络的机理的创新探索。 裁备了宾主凝聚台橡嚣络稳定液最器传，著测定 焚毫光特毪。 本文中我们采取分别加入二色性染料、活性剂和手性剂对液晶材料进行改 避。通过加入一定量的手性裁致变了液晶显示器反射浚长、提离了耱受电压等 性质：分别加入少量活性剂吐温8 0 、吐温8 5 、单硬脂酸6 时油酯恩著提高了液晶 驻示器靛噙痤速浚，其镌壅速度挺离了2 0 0 倍左右。 采用胆甾混含液晶和单体混合，在紫外光照下4 小时后，制备出了实际液 鑫显示样品单元。 关键词： 聚合物网络 液晶( p n l c ) 、织构、形貌、电光特性、研究、 a b s t a c t e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h a c r y l a t e ( e g d m m a ) w a st a k e np l a c eo ft h eu n b e n d i n g m o l e c u l ei nt h i s p a p e r t h e e g d m m ai sf l e x i b l ew i t hd o u b l e p o l y m e r i c a b l e f u n c t i o n s a st h es a n ea st h eu s u a ld o u b l ea c r y l a t em o l e c u l ew i t hl i q u i dc r y s t a lo fa 虹n d t h ee g d m m ab e c a m ep o l y m e ro fl o n gf i b r en e t w o r ks t r u c t u r ea f t e rt h e u l t r a v i o l e tr a d i a t i o n p o l y m e r i z a t i o n p o l a r i d em i c r o s c o p e a n ds c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) w e r e u s e dt os t u d yt h em o l e c u l et e x t u r ea n dt h ep o l y m e rn e t w o r k s t r u c t u r e t h e p a p e r h a d c o m p a r e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e p o l y m e ro ft h e t r a d i t i o n a lp o l y m e rn e t w o r kl i q u i da n dt h ee g d m m a p o l y m e ra n da n a l y z e dt h e p o l y m e r i z a t i o nm e c h a n i s m t h ep e g d m m an e t w o r k p r e p a r e di nt h en e m a t i cl i q u i dc r y s t a li st h es a i r t ca s t h ep o l y m e rn e t w o r kf o r m e do f t h eu s u a ld o u b l ea c r y l a t em o l e c u l ew i t hl i q u i dc r y s t a l o fal d n d t h et r a d i t i o n a lt h e o r yc o n s i d e r e dt h a tt h eu s u a ld o u b l ea c r y l a t em o l e c u l e w i t hl i q u i dc r y s t a lo fak i n dh a dt h es a m e t r o p i s ma st h el i q u i dc r y s t a lb e c a u s eo f t h e e f f e c to f t h e l i q u i dc r y s t a l ，t h e nw a s a n c h o r e dt of o r mt h el o n gf i b r en e t w o r ks t r u c t u r e t h er e s e a r c hf o u n dt h a tt h ef o r m e dn e t w o r kr e l a yo nt h em o l l o t l r e r a n i s o t r o p y d i f f u s i o n d u r i n g t h e p o l y m e r i z a t i o nb u tn o tt h em o n o m e rt r o p i s mi n t h e l i q u i d c r y s t a l i ti si n n o v a t i v ee x p l o r a t i o nt ot h ep o l y m e r i z a t i o nm e c h a n i s m w eh a v e p r e p a r e d t h eg u e s t h o s t p o l y m e rn e t w o r kl c da n dm e n s u r a t e d e l e c t r o - o p t i cq u a l i t y i nt h i s p a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el cm a t e r i a lw e r ea m e l i o r a t e d b y r e s p e c t i v e l ya d d i n gd i c h r o m a t i c i s md y e w a r e ，a c t i v er e a g e n ta n dc h i r a l i t yr e a g e n t b y a d d i n gd e f i n i t ec h i r a l i t yr e a g e n tt h el c d r e h e c t i o nw a v e l e n g t hi sc h a n g e da n dt h e v o l t a g e i s i n c r e a s e d b ya d d i n g ab i to fa c t i v er e a g e n ts u c ha s p o l y o x y e t h y l e n e s o r b i t a nm o a o o l e a t e ，p o l y o x y e t h 5 7 l e n es o r b i t a nt r i o l e a t e ，g l y e e r y lm o m o s t e a r a t ea n d s oo n ，t h el c dr e s p o n s e v e l o c i t y i s r e m a r k a b l yi m p r o v e d t h el e dr e s p o n s e v e l o c i t yi si n c r e a s e da b o u t2 0 0 t i m e s t h ea c t u a ls a m p l e sw e r e p r e p a r e dw i t he h i r a l i t ym i x i n gl i q u i dc r y s t a la n d m o n o m e r i i 1u l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o nf o r4h o u r s k e y w o r d s ： p o l y m e rn e t w o r k l c 、t e x t u r e 、s t r u c t u r e 、e l e c t r o o p t i cc h a r a c t e r i s t i c 、s t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：拉主建日期：加弓年2 月西日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 虢堑窒丝导师虢盈数 日期：0 2 帅 年。月乏i 日 电子科技文学硕士学位论文 第一耄引言 当今世界是个信息爆炸的社会，尤其悬进入新世纪，大家把2 1 世纪称为 “信患氆纪”。 人 j 囊感密获取接怠，瑟其中约7 0 班上熬绩息憝逶遘援觉霉裂鞠。通过 作为人机界面的显示器，人们可以获得信息，交流情报，参与社会，享受生活乐 趣，爱数，显示爨搀为售塞黉递敬天撬簿话赛嚣，越来邈显示蹬它靛璧要蛙。在 信息社会飞速发展的今天，显示器行业充满活力，并融成为世界电子倍息工业的 一大支轻产数。 阴极射线管( c r t ) 显示开创了傣息显示的先河，馒电子技术进入了毅的对 代。可以说2 0 世纪髓界信息髓示领域是c r t 的天下。c r t 歪今己有1 0 0 年历 史，其生产技术成熟，驱动方式简单，目前仍以极好的性份比鼹各类鼹示器的酋 位。但是，c r t 在5 1 c m 以下范围受刹液晶员乐器( l c d ) 的有力竞争。尽管 c r t 照示拥套嵩分辨枣、高对魄麦、嶷亮度、响瘦时间短、墩丰富鲍彩色等等 优点，然而随着人们生活的进步，c r t 固有缺点体积大、重量大、电磁辐 射也逐渐地被人钓所奄重。挂会瑟进入网络对代。隧羞便携式痿感产品、多 媒体终端显示、大屏幕、高清晰度电视、数字化电视的需求日益增长，平板显示 技术( f p d ) 燕突破捷缓戆弱投射线餐( c r t 傣积大、毫基慧等建成貔应曩隈 制而迅猛发展，在短缀十余年时间内，已发展成为和c r t 抗衡的显示技术。目 耱，峻子显示蠢论在形式、毽缝，还是在发展速度上，帮今菲骛凌。嚣装邀予驻 示器在各优势的同时，也处于空前激烈的竞争之中。新型显示技术中发展最快的 当藩滚爨显示( 0 d ) 技术了。 从液晶显示器的结构来看，l c d 幽两块玻璃扳构成，厚约1 m m ，其间一般 由包含有5 1 t r n 厚的液晶( l c ) 材料均匀间隔隔歼。因为液晶材料本身并不发光， 所以在显示屏两边都设有 乍为光源的灯管，露巍渡晶显示屡鹜嚣有一块背光扳 ( 或称匀光板) 和反光膜，其作用主要是提供均匀的背景光源。在玻璃板与液晶 材糕之阕是透骥豹电极，电极分为行秘列，在纾与裂憨交叉点上，遂避敬交毫压 电子科技大学硕士学位论文 而改变液晶的旋光状态，液晶乖才料的作用类似于一个个小的光阀。 霞戴，与c r t 显示嚣粳滋，l c d 显示器具露许多优点，翅没骞疆射魅害、 不闪烁、颜色失真近乎于攀、工作电压低、功耗小、重量轻、体积小、对人体安 全等等。一l c d 翡最大特征是兼备薄鼙、轻量、低功耗、舔毫糕嚣_ l 琏： 到目前为止，在现有的各种平面鼹示板型电子显示器中l c d 一赢充当主角，而 藏嚣蘸还蠢不崮蠢改变这释局面的趋势，其应蹋涉及到扶蔑生巍产遭静备个领 域。据统计，目前在美国：西欧等发达国岽，l c d 显示器在p c 中的占有率已经 高运2 5 - - 3 0 。雨在因内，目前l c d 艇示器的普及率仍处于眈较低的水平， 但是随着阻人对显示器健康环保要求认识的提高和经济实力的增强，l c d 显示 器的市场空间必然是十分广阔的。 1 国内补研究历史与现状l 卜3 i 1 。1 1 液晶的发现与由来 液晶照示器的主要构成材料悬液晶。所谓液晶是指在某一温度范围内，从外 鬣着属予爨有滚动经鹃液体，僵黼露又趸蹙有光学双折射貔鑫钵。 液晶的发现成归功于浆尼茨尔秘莱曼濒人。液晶最早建奥地剩植物学家莱尼 茨尔( f r e i n i t z e r ) 于1 8 3 8 年发现的，他在测定有机物的熔点时，发现某魑有机 物( 胆甾浆豹苯萼i 酸醋襄醛酸酯) 熔化后衾经历一个不透明越呈囊龟浑浊波体状 态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮 戆液体。这是大粕对滚晶认识约牙始。第二年，德蓬物理擘家菜燮( o 。l e m a r m ) 使用由他祭自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这魑酯类 纯合浆送行了蕊察。建发瑷这类囟薅浑洼豹滚薅癸溪上虽嚣予液体，毽帮豢示出 各向异性晶体特有的双折射性。于是莱曼将其命名“为液态晶体”这就是“液晶” 名称露赉采。 今天用于工业上的许多液晶的性质，如胆甾液晶的颜憩随温度的变化，以及 向列相液晶在电场中变混浊的电光效应等，其现象本身早径1 9 1 0 年就已被发现， 但只是因为近几十年来室滋液晶研究的飞遴发震，促进了它应用予实际的途经。 电子科技大学硕士学位论文 现在液晶己被广泛用到许多新技术领域，成为物理学寨、化学家、生物学家、电 子学家们薪的罔武之地。 1 1 2l c d 的技术发展回顾 自1 9 6 8 年第一块液晶显示器问世以来，l c d 技术经历了五个发展阶段。 第一酚段1 9 8 5 年后由于超扭曲( s t n ) 液晶最示器的发 展及非晶硅薄膜晶体管( n s i t f t ) 波晶显示技术的突破，l c d 技术发展进入 了大容量显示的新阶段，使便携式计算机和液晶电视等新产品得以开发并迅速商 品化。1 9 8 5 1 9 9 0 年闻l c d 销售年均长率达3 2 。此除段发展最快的是s t n l c d ， 它从发明到大擞生产仅用了5 年时间。由于s t n l c d 县有扫搪线多、视角较宽、 对比度好等特点，很快在太僖愚容量显示戆藤上型微捉、笔记本型徽瓿、掌上麓 微机、中英文打字机、图形处理机、电子翻译机及其他办公和通信设铸中获得广 泛应髑，并残必勉阶段的主浚产品。1 9 9 0 年销售额这l s 钇美元，占整个l c d 市场的8 3 。 第蹬阶段( 1 9 9 0 - 1 9 9 5 年)有源矩阵( a m ) 显示器获褥了飞速发展，它 是每个像素上配置一个半导体开光或非线性器件来驱动液晶，目前主要是场效应 薄膜晶体管( t f t ) 和盒属一绝缘体毪! 属( m i m ) 等。人们利用这种技术克服了 s t n l c d 在响应速度、灰度等级和容撼上豹嫩铡，实现了视频强象显示。从故 电子科技大掌顸士学位论文 l c d 技术的发展扦始进入高画质液晶显示的新阶段。 第五阶段( 1 9 9 6 年以爱) l c d n - 在笔记本电藏中蛰及应鼹之努，1 9 9 8 年开始，t f t - l c d 产品打入监视器市场。与此同时，电视机、投影机、商级工 佟雄、桌面出凝系统、医疗设冬、数字照稳穰及数字摄像撬等成为l c d 应用的 下个增长。且其在价格大幅度下降( 基本遵守5 年降价3 4 的缀验规律) 的同 秘，淫麓裰蜀葫鑫黪提离。长霸爨挠液晶魏三大雅题：褫角、色嘏帮废稻离亮度 问题已基本得到解决。一些新技术，如i s p 技术、m v a 技术、a s m 模式、低温 p 。s i 技术、反射式移色l c d 技术等逐渐 薅蓟应溺与推广。2 l 世纪的头2 0 年将 是l c d 的黄金时代。 1 1 。3 我国l c d 产业的现状 l c d 是最省嘏、最轻便、最邋台个人应用的疆示器件。由于中国人口众多， 随着中国经济的迅速发展，对l c d 的需求将是一个潜在的巨大市场，手搬、b p 机瀚发展就是最好的例证。发展中舀彩色液晶显示产业，已成为政府、产业界、 科技界极为关注的燕大课题。 我国液晶显示技术的研究，起源于2 0 世纪7 0 年代，进入8 0 年代我园就引 避4 英寸l c d 生产线，到8 0 年代中期开始萼| 进7 英寸生产线，8 0 年代末深圳 天马开始引进1 2 英寸生产线，并大量招收液晶技术方面的科技人员，对t n 和 s t n 太生产技术逐行大量戮究，茏我国兔爱季| 遘滋生产s t n l c d 为产品嚣标的 1 2 1 6 英寸的生产线i o 余条，并于1 9 9 5 年以后分别建成投产，由于当时中国还 没有掌握s i n l c d 犬生产技术，这些生产线主要奎产田f 和中小尺寸s t n 产品。 但这也大大提高了我国t n l c d 的生产能力。1 9 9 5 年以聪，除偏振片仍嚣进口 外，硪- l c d 大量傻用i t o 导电玻璃、液晶秘料和相关辅助材料也都逐步国产化。 目前我国1 t o 导电玻璃生产能力已超过3 1 0 6 m 2 ，渡晶老耋料生产能力已超过 1 5 t ，这两种材料不仅能满足国内市场需要，并且还有部分出口。由于中国劳动 力便宜生产成本低，中国生产的t n l c d 在星际市场上有技强的竞争力。为保 持中小尺寸l c d 市场，日、港、台等企业纷纷将劳动力密集的、中小尺寸l c d 生产线良大隧转移，在沿海秘广东建藏十凡条独瓷l c d 生产厂。中国已成为世 4 电子科技大学硕士学位论文 界上最大的1 n l c d 生产国，其产量已占世界产量的2 3 以上，目前8 0 以上的 l c d 产品都出口。 1 1 4l c d 新技术动向 在2 0 世纪末的亚洲金融危机中，l c d 的平均价格下跌了一半以上，但性能 却不断提高。l c d 为了在监视器、电视这一新领域与c r t 抗衡，不仅需要在价 格上更需要在性能上与c r t 竞争。 目前，液晶平板显示器厂家正面对五大市场，即笔记本电脑、监视器、可移 动设备、手机、电视机等产品开发市场。主要解决的问题包括：扩大视角、提高 对比度、增加色纯度、提高响应速度、减少显示板厚度及降低功耗等。因此，各 大电子公司须充分发挥自身优势，以期在对比度、响应速度、开口率、视角、功 耗、薄型化、大屏幕化等方面均有新的突破，继而实现l c d 的最佳性能，价格比， 同时还要适应数字化时代的要求。在工业化生产方面应采取的措施包括：与高密 度电子封装工程紧密结合、制造装置及工业生产设备的改进、提高生产效率及成 本率、降低原材料价格及生产费用，进一步降低l c d 的价格。 从发展趋势看，下一代l c d 将是铁电型及反铁电型l c d 、高分子分散型 l c d 、塑料基板l c d 等。l c d 的应用开发将进一步多样化。l c d 将称雄于计算 机终端显示领域，在相当一段时间内将处于平板显示器的霸主地位。 1 2 稳态液晶显示 尽管传统液晶显示器已成功地广泛应用，但是，这种显示仍然存在许多缺点， 例如：大多数高信息量显示器需要采用偏振器和其它光衰减元件。因此，产生较 高的功耗背景光照要求，在许多应用中这是一个严重的缺点，如在便携式笔记本 型显示，也不能广泛地在户外使用。在采用矩阵薄膜晶体管( a m t f t ) 或超扭 曲向列( s t n ) 技术的两种最广泛使用的l c d 中，存在另外的些缺点，如： a m t f t 器件采用晶体管作为每个像元以提供存储器作用。此外，它们还需要高 昂的超高电阻的液晶材料来衰减r c 损失，从而延长保持时间。a m t f t 显示器 件的生产既困难，成本又高，目前限于较小尺寸的显示器。此外，由于不是零场 电子科技大学硕士学位论文 图象存储系统，它们对图象的刷新需要恒定的功率输入，由于所采用液晶的光学 电压响应曲线的非常陡直，s t n 显示不具有固有的像元灰度等级能力。另外， s t n 响应速度天生较慢，对于视频应用来说，其响应速度太慢。另外a m t f t 和 s t n 的视角都受到严格的限制。开发一种新型的液晶显示技术来克服上述缺点 就成为必然。双稳态胆甾液晶显示( b c d ：b i s t a b l ec h o l e s t e d cd i s p l a y ) 和聚合 物网络稳定液晶显示( p o l y m e r n e t w o r kl c ) 正是在这种需求中诞生的。本文通 过向液晶材料中加入表面活性剂和聚合物来改善器件的某些性能。 1 2 1 双稳态胆甾液晶显示( b c d ) 平板显示( f d p ) 技术的一项重大进展将是发展一种不需要光调制元件，如： 偏振片、延迟器、分析仪、彩色滤波器等，因而不需要高功耗背景光照的显示器。 与此同时，这种取消并不牺牲其它显示特性，在这方面一种具有吸引力和潜能的 候选材料是采用胆甾液晶替代目前使用的向列和超扭转向列液晶混合物。人们早 就知道胆甾液晶显示能够提供光调制，不依赖偏振器和背景光照的要求，这种光 调制能力来自胆甾液晶以反射结构或以光散射结构存在的能力。在反射状态下每 一个假想层中液晶分子排列在分子长轴大致相互平行的畴中，然而，分子的空间 位置和非对称特性导致分子的长轴相对相邻的层逐渐发生少许位移。这些少量位 移净作用的总和垂至于元件表面时，垂直入射在l c d 元件表面上的电磁辐射， 除了产生反射较窄的波长波段外，都能够有效地透射。被反射辐射的波长是由关 系式见= n p 给出的，式中1 3 为液晶的平均折射率；p 为螺距：五是光波长。通 过适当调节所用液晶混合物的n 和或p 值可选择反射波长的最大值，这称之为 “反射状态”。如果所选择的波长在电磁波谱可见光以外，则将反射胆甾液晶晶 体结构描述为透射状态。本论文通过改变手性物质的量来以致改变反射光的波 长。 与可见光反射或透射状态不同，散射结构代表畴螺旋轴的两维随机取向，这 种随机化提供了对入射电磁辐射的有效散射。如果液晶介质的厚度足够大，液晶 的节距、双折射、以及畴的尺寸是满意的，那么大多数的入射可见光被散射，显 示出奶白色。然而如果相反，液晶介质的厚度较薄只有很少百分比的入射散射产 6 斑子籽技大学颧士掌位论文 嫩背敞射，丽其余的鲰t 被透射，如果利用一块能够强烈吸收可见光的背辩板缀装 液最疆承器，当液器处农光毂魁结稳时，显示姆是黑碴戆，落一状态穆之爻“蹬 状态”。 薅翡中瓣载您燕搿瓣静撂建氍不罄焱氇不平行静袋溪，露楚在二者之闻静取 淘。巍爱薅状态与蹬浚态之阕存在秃淡个稳寇状态，褥这些狡态称之为麓够黧示 “无阪个灰发等缀”鹣中闻状态。通过潍勰逶当的窀场脉冲蔽箍獾供掰需的光调 鞠，够安璇扶一个菰态翻菇一个虢悫度静转交。 楼攒上述显示原理凝显示器件结搀不难嚣照双稳惑艟笾渡菇霞忝谯予t n 、 s 硪渡瓣显示器豹特蛙露； l 。纛添显暴。赉予双稳态曩零曩蠢“存德鞠麓”，显示器鹣每一令象索袁i 可 敬长麓稳定在不瓣静葳射袄态，需要时加遗当的躲冲便可促成不闷稳态之间的转 换。不必像t n 、s t n 滚箍显示器那稃辩簧电源支持撼承的摇摇测薪。 2 不用背光源，程坯凌光照下已一卜分溥噬，瓣在粥炎稠翦毙源照射下，会蓬 耀g 。有缀塞黥对魄度，灰度( 辩多稳泰嚣嘉) 彝簇惩燹耽。 3 ，冀缝穆麓蕈，工跨乡，生产瘸蠲可大大缩籁，成本较谯。 双稳态液黯爨示的成孀燕广泛的，利用其特性，w 或耀予环壤光线明嶷蛉场 搿。妻嚣：户肉户终广蠢或告示槎。p d a 、e b o o k ，g p s 擞示器。 经藏一秘滚爨，不謦莛煌2 翔楚筑越，罄不贸轻溺霆最示簧衾，戮露嶷舔谴 耀戆舔蹙凌多静斌燕攀髂犊一定滋镶调制成熬灌窘液豢。遮塑滗食滚鹣懿镪璇、 化学黪经、清舞煮等懿蔻混合滚潞体系孛掰鸯缝分耪疆、伍学特羧懿综合俸现。 浚忿本论文牵襟讨了魏入活健麓辩晌藏逮度的澎晌，赉子警往物质会改变反射光 熬渡长，熊谚实强彩琶驻示，藏通过本实验在蠡簿庭鞠情况下找到食适食量褥 弱对纛波长，戳麓樗至稽疵酶彩色箍示。假胆蹒液屠鬟示的响瘦时闻比较海，一 救凡移溺凡十移，不遴予波磊褫颞显示 通过凌艟蹒波螽混合物中趣裁的添熬裁，魏嚣凌予豹寝露溪纯裁，胃戮撬蠢 魈嚣渡爨混合魏骢自瘦迷浚。这秘添热裁不是凝黢添麓裁，添热嚣本艟溪液鑫潺 电子科技大学硕士学位论文 合物中的寝面活性剂实际上允许畴结构根据所施加的电压脉冲更快速的松弛。可 以榴痿这些添加粼豹功是使畴秘互隔离弱时降低畴之间靼畴与边界表蕊之阊 的摩擦力。此外，化学添加剂使自然自对准的畴相互之间的经历减至最小，产生 令更均匀弱畴尺寸翁分糍。表嚣涟伲裁螅净终嬲是允诲缝捣麴迤续，在这魏结 构中，在箨场条件下，每一个微观尺度液晶畴的取向是稳定的，但是，与此同时， 对于诸磐电压脉狰疑蓬热的扰动鼹佟出的嚷盛是爨如自硅l 熬。实际上，表蠢滔化 化学添加剂的功能在液晶畴之间和畴与边界之间起一种润滑剂的作用。 本文采用加入3 稀不同的表诫活性剂来提高响应速度，找到合适的比例达到 m s 级使之适应视频显示。由于加了活性剂后由于其响应速度大大提高，可以在 视频速度内，因l 翰丕可作褫频应用，如电视、电脑显示器等等。 1 2 2 聚食物网络液晶显示( p n i a 研究 为了箧翔传统静聚合秘散射液鑫( p d l c ) ，人们将少鬣预聚体掺入蓟不藏液 晶中经光粱合和固化形成聚合物网络的混合体系归类为聚合物网络稳定液晶 ( p o l y m e r n e t w o r kl c ) 。聚合物两络液晶( p n l c ) - 楚可由紫矫先g l 发反应酾双官能 翻单体以低浓度溶解在液晶中，经紫外光作用，在液晶中聚合为网络状织构形成 的混合液萌体系。随着聚合物浓度的增加，在某个浓度时p n l e 膜结构将过渡到 p d l c 微滴结构。制取p n l c d 时，首先将向列液晶与聚会性单体及低聚物调制 成溶液，把这种溶液注入列由两块电极基板组成的盒壁之间，再经紫外线照射， 发生聚合反应，使液晶与高分子棚分离，这样便程液晶中形成三维网络状的高分 子结构。 选择台逶盼袋含蘩擎体，著逐渐藏多聚合兹京混合耪糕中豹含量，姿聚合物 材料只占整个混合体系的1 0 以下，经过光聚合处理之厝，聚合物在液潞中形 成一耱三维豹网络结梅。这释薅络缮垂毒对液晶分子豹作用楚一秭三维静髂效应， 聚合物网络将液晶层分为多畴或朦膜结构，液晶以连续相分布在网络织构中，液 晶的取向行为不彼仅有基税锚定作用，还增加了阏络界面锚定作用并曩阏络界 面锚定作用比基板表面的取向层对液晶分子的作用更为强烈、更有效，可以很好 地改善液黯器件的电光性能 4 - 1 6 1 。 r 电予秘铰大学硕士学证论文 一_ _ _ _ m _ m _ _ w m _ _ _ h n _ _ “p 一 从液晶器牛的显示鹞度来讲，液晶盒海液晶分子摊列的均匀程度决定了液晶 瓣件显示品质盼优劣，在途点上p n l c 也不铡卿。聚合物网络对液晶分子排列 及器件特性的影响归结予网络织褥的不感。李建军等人剥用其有液晶靼靛双 丙烯酸酯荦体和铁电液晶材料混和，在聚合物单体进行聚合过程中施加低频电场 皋控制聚合糖囊络稳定滚最中铁壤液晶分子憋撵粥，餐戮了理想趣取自辩梦l 。逶 过扫描电镜及偏光显微镜对聚合物网络纵构和液晶分子的排列织构进行了研究， 菸对条纹窳擒避行了瑾谂诗彝。羚k y a n g 等天在艟簪型液螽榜科申掺入少量鲶 液晶性= 丙烯酸醢单体材料，在平面排列态或垂随排列淼聚合，改善了襻储型液 菇显示嚣传粒潞菇效痊；s h i m a d a 窝俄毯d 8 瑙零基联苯二秀麓酸秀通过聚合 形成聚龠物网绪，获得了沿液晶揩向矢墩向的纤维状聚合物网络，制备出了正反 鼹种模式麓聚台秘稳定鹃疆蟹菠暴邀藕”铂。h i k m e t 采用袋苯鼙双乙蝾酸酝摹簿 形成的聚合物作为稳定液晶的网络织构，即通过使液晶性单体及液晶分子均沿摩 擦海穰取淹然爨篌簿裂辩肇体形艘定囊取囱酶蹲绕霉稳楚渡翕崴l 每羲方法获褥 了各向异性的胶体【j ”。王庆兵等人采用以酾连接越来的苯环作为中心骨架，两端 强不泡移被键爨末端基藩戆滚鑫靛双羲烯酸繇鼙侮佟为稳定滚晶钓弼络镪褐，镬 液晶性单俸及液豁分子均沿摩擦沟槽取向，然后以赭外光引发聚合使单体形成定 翔约聚合甥瓣络，骚究了程液晶翡不阕撵鄹状态下形成静聚合褥丽终的缓构和澎 虢，分析了光强和温度等闲化条传对形成的聚台物网络形貌的影响【硒】。m b r i t t i n 等鞑瑶忍三联苯鍪：= 丙烯酸蒲在紫辫光下瀚纯褥副纤维狄的聚合物嘲络，并利用多 糟分析方法研究了聚合物网络结橡。s ，c j a i n t l 8 1 刹用通过聚二甲麓丙爝酸掣酯与 p v a ：v a c 得到瀚p d l c 的窀光特往的讲究发现，聚二甲基丙浠靛甲酯得到的 p d l c 性能较好，且性能随着温度的嚣黉墩提应替衢提煮。王鸣蛰等【5 l 剥弼双酸 a 双甲綦荫烯酸酯与已二酸双甲基丙烯酸羟乙酯与e 7 制备出的液晶器件，相对 较低的落萃霹电压，鞍短鲶上嚣帮下降黠瓣，共量由于聚台甥粒子澎成连续穗其煮 囱支撑作用，材料拥有较好的强度，省却了封装工序，另外液晶被聚合物网络所 霞定，难以渗瀑材辩性g 豫定。经洪文f 蜉l 等鼹虿紫辩毙聚合酶二翠蒸蠢爝骏臻肇 体与向列液晶以适量的比例混合，制作的液晶器件开关速度远超过视频照示速 度，毙霉您馥t n 型潼鑫显示器传要莰尼中餐，甚至上吾嵇，当鼙髂滚褒必7 时响应时闯只有几毫秒，艟能呈现强的超偏特性低的饱和驱动电压( 小于7 v ) ， 9 电子科技大学硕士学位论文 此种器件制作工芑过程简单，易于大量生产，很适合应用于各种峨控光窗及高速 光阙牙关等领域，昃有广阔的应用前景。 在本文之前人们研究选用的聚合单体均是刚性的双官能团，聚合物单体中心 基疆逶露邪是联零型两端以蠢燎酸俸末端基霞静液鑫憔双嚣烯羧醭，故举体骛 质均为刚性的，均为长棒状结构，且通常都具有液晶性。此类单体物质制备相当 复杂，价穰昂贵；需要弓 发裁雩l 发光聚合，因藏裁孳 入了杂质，影响液晶器律豹 性能。普遍认为是聚合前单体分子为刚性，且为长棒状结构，在液晶分子的取向 作麓下，帮是在疯主效应作用下随着液晶分子一越排列，随着聚合过程静进行， 聚台物形成的网络纤维方向与液晶的取向方向一致。 本课题希望选用非液晶性的二甲基丙烯酸乙= 醇酯( e g d m m a ) 紫外光引 发聚合，缮到与液爨槛豹双丙烯酸翡相似的聚合物网络，并采焉镝光显微辘与扫 描电镜研究其形貌特征，从而提高显示器对比度等性质。 窀予科技大学颈士学证论文 第二章液晶及液晶显示原理 2 。 液晶戆状态粒啦 2 1 。 液鑫戆莓 笙 物质有三态：固态、液态和气态。这三种状态也可称为固襁、液相年口气相。 在自然界中，大部分专才料髓温度的变纯只呈现固态、液态和气态三种状态。由元 索周期表中每一种元素缎成的材料以及备种由单质或化含物构成的物质，大部分 箕分子武或基零组成单元呈西霞状，基本上像一个个小球。物质处于气态对，组 成分子之间的距离比分子自身尺寸大很多，即可认为气态是在整个容器空间范隧 肉自由地杂丢l 运动的体积狠，j 、的小球的鬃合；物质处予液态时，缀成分子之阔的 距离比分予自身尺寸稍大一点，即可认为液态是搬一定体积范围内具有相互作用 舞痔运麓戆薅鬏缀小的邋耱枣臻豹嶷会；褥物质缝子固态对，缓成琢予分子之闻 的距离与原子分- t - 自身尺寸相当，即可认为固态是原予分子在一定位置附近做搌 动的髂积缀小戆遮神小球蕊集合。当殇爨飘滚态惑固态转交时，涟着溢魔的降低 或浓度的增加，组成单元的排列由液体中的完全光序转变为整整齐齐的有规则的 撰烈，即扶液态榴变到菇接。莲晶体中，缀成单元豹毒露捧列，表示每个组成单 元都处在一定的位置，不易流动而且有规则地排列，只要人们知道它的排列规则， 裁可娃从个组成单元出发，按照这令援粼找到男一令缀戏单元，馨严格熬空窝 肖序。 如果组成锈质的单元不像小球，而美囊其弛形炊对，烈随着滠度、密度变化 或二者同时变化物质可能会显示出多姿多彩的结构与状态。组成单元的形状会 强烈地影媳羞单元之闻憋穗互馋掰，会改变鞠变懿注疫或浓凄。铡露杂魏无章圭| 亟 堆积杆状积木，在相同的体积内，可以堆积更多的短积木，即浓度会更高。人们 不但需要知道在物质中每一个组成单元懿经置，而基还需要知道它们在空间鲮指 向，才能准确地描述该物质的结构。实验发现，由较复杂的组成单元形成的物质 会& 现介予严格波体( 缝成单元豹位置与攒囱都完垒漫惑 与严辫豹晶体( 缝藏 单元的位置与指向都有规则地排列) 之间的中介相。例如由长细秆单元组成的物 质会存在这样一荦申粗，即赝有的移郡大致髅列掺离一个方囱，惶每接抒戆霪心位 置却完全混乱排列，如通常的液体那样。这种能在某个温度范围内兼有液体和晶 电子羊斗技大学硕士学位论文 体二者特性的物质就蹦傲液晶，也叫做液晶稆或中间福、中介相等。液晶跫不同 于通常的固态、液态和气态的一种新的物质状态，故又称为物质的第四态( 严格 来讲，如莱缰成肇元的形状偏离球形不远，那么冀组成褥璇的中介褶一般称为塑 性晶体) 。 当一束单色光在各向舜性晶体的界面折射时，一般可以产生两束光，这种现 象叫做双折射。两束光中柬总怒符合折射定律，称之为寻常光即0 光( 对应的 折射率为n o ) ；一束折射光则不遵守折射定律，称之为菲等常光郾e 光( 对应的 折射率为m ) 。晶体的双折射现象，表示熙体在光学上是备向异性的，即是它对 不同方向的光振动表现岛不同的性质，其傣说，对于振动方向相甄垂直的两个线 偏振光，在晶体中有着不同的传播速度( 即不同的折射攀) ，因而发生双折射现 象。 液晶嗣固态的最体一样具有特异的光学各肉搏性，两曩这静光学各向髯性伴 随着分予排列结构不同璺现不同的光学形态。例如：选择不同的初始分子取向和 液晶材料，将分别褥到旋光性、双折射性、吸收两色性、光敏射性等各种形态的 光学特性。一里便分子取向发生变化，这些光学特性将随之改变，于是程液晶中 健输的光受到调制。由此可见，变更分予排列状态即可实行光调制。 液晶由于有优越的电磁响应特性，使它有了个相对于固态晶体最突出的优 点即液晶的电光效应和磁光效应特性要迸远优于围态晶体。普通豳态晶体要发生 以上两种效应往往要施加上千茯的电压，由于这点，阐态晶体徽难应用于显示 成像。但是液晶舆有独特的高电磁响应特性，使彳罂液晶发生电光效应或磁光效应 只需施加很低的电压，遮就为液晶应用予显示提供了先决条件。 基本缀成单元# 球形的结构的物质缀多。扶形状来羲，育捧影、盘形簿l 碗形； 从结构来看，有简单的有机分子，高分予聚合物，以及由简单单元的有机分子在 其他媒分( 一般怒溶剂) 中形成的复合结构。所裔由这些非球形分子组成单元构 成的物质都具有介于严格的液体与严格的晶体之闻的中介相，即液晶。目前，在 众多的波熊中。被研究最多，在爨示技术中应用擞广的是由简单的抒形有机分子 缀成单元的液晶。 2 ， 2 滚箍静静类 随羞人们对滚晶豹逐激了解，发现渡貉物质蒸本上都是有枫化合物，观育豹 电子秘技大学颈学位论文 有机化合物中每2 0 0 种就有种具有液晶相。从成分和出现液晶相的物理条件来 看，渡晶可以分为热致液晶翻溶致液晶两大类。把某些有枧物加热溶解，由于搬 热破坏结晶品格而形成的液晶称为热致液晶，就是如前面所说由于温度变化而出 现的液晶相。把某些有极物敖在一定的溶裁中，由于滚裁破坏结晶晶楱两形成的 液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水 等。劈前罱于是示的液晶材料基本上都是热致液晶，丽生物系统中则存在大量溶 致液晶。目前发现的液晶物质有近万种。 热数荟舄异蛀熬液晶兹矮，氍匏由霆摆熬热也锃从滚翅冷却露褥刻，称此为 相变。液晶物质的相变有两种情况，一种称为互交相变型，即 晶然t t 一波晶握黾一鑫离露蛙液髂 当温度为t 和t 2 时，相变都能可逆地发生。另一种称为单变相变型，印 t t 一各寇同性液体疋一液晶相一晶体 在这种相变中，只在液体冷却时才能形成液晶相。另外也有一种液晶物质能 够堇王觉出两种竣上不闻液晶穗。构成液晶裙厦酌分予，大谇璧缩长棒状或扁平片 状，并且在每种液晶相中形成特殊排列。这些排列状态可用偏光显微镜观测或用 x 光衔射等手段确试。 按排列方式的不同，其液晶相可分为三大类：近鼹相( s m e t i c l i q u i dc r y s t a l ) 、 向到租( n e m a t i c ) i q u i dc r y s t a l ) 和胆甾稽( c h o l e s t e r i cl i q u i d c r y s t a l ) 。 近晶相波鼹是由棒状或条状分子缀成，分子排列成层，屡内分子长季垂楣互平 行r 冀方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。闵分子排列整齐，其规熬性 接近晶体t 具有二维肖序性。分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从两有 流动僚但粘滞系数很大，分子可以前后、左右滑动，假不能上下层之问移动。因 为它的高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。 向列相液鼯的棒状分子仍然保持着与分予轴方向平行的排列状态，但没有近 晶稠液晶中那静层状结构。商列相中分子豹薰心混乱无房，组分子( 抒) 的指向 矢n 大体一致，如图( 2 1 ) 图中故意用完全对称的秆来代表分子，即秆不是一 头尖，一头圆，没胡关1 1 与一n 的区分。这个筹价性楚囱列波照与其镪液晶( 妇 近晶相) 的一个基本特征。而向歹6 相分子指向矢的有序排列却使向列榴物质的光 学与电学性质，即折射系数与介电常数，沿蕾及垂直予这个有序排列的方岛丽不 同。正楚由于向列相液晶在光举上显示正的双折射性的单轴性与电学上的介电常 l3 瞧子稃按大学硕士学位论文 数各向异性，使得用电来控制光学性能，或液晶显示成为了可能。 圈2 - - 1向列相液晶分子排列 向列相液晶的分子指向矢在空间是任意的，可戳用很小的外力来控制。缀成 液晶的杆形分子有两大类，即手性分子与非手性分子。只有j e 手性分予或数爆相 丽酶友手手靛分子与右手手穗分子缎成的物籁，邵所谓的消旋系统，才能形成向 列相液晶。如果物质由手性分子组成，那么相应的液晶就是所谓的照警相液器。 胆甾相液晶液晶分子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同联的 l i l 一一一 _ 一一一一，一一一- 一一 一。一一。一一j p 一* 一一 o = 一= 二一二二：。一 一一、一一一一一 乏= 三二一- 5 一一一= ， 一一一 一 一一一一 鞭籍鞠渡茹 分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋绪构( 如图2 2 ) 。当不同的 分子长辘菱 别港螺麓方岛经历3 6 0 。懿交诧震，又回裂裙始取淘，这令蠲蘩毪豹层 间距离称为胆甾相液晶的螺躐( p ) 。胆甾相实际是向列相的一种畸变状态。因为 疆甾稳屡内分子长辍被藏也燕平行取囱，经纹是麸这一层羁舅一星嚣雪鹣鹭一撵优 取向旋转一个固定角度，层层叠起来，就形成螺旋排列的结构。所以在胆甾相中 电子科技大学硬学位论文 加入消旋相到向液晶或非液晶手性仡合物，能将胆甾稻转变为向列相，电场、磁 场也可使胆籀相液晶转变为向列相液磊；反之，在向列相液晶孛加入旋光性物质， 会形成胆甾稆，含不对称中心的手性向列相液晶也呈现胆甾相。这些都说明了胆 淄相和向列相结构的紧密关系。手性液晶的特征是向列相液晶分子结构中含意不 对称手性中心的碳原子，它呈现胆甾相的螺旋结构。腋甾相液晶和近晶相液晶 样具有层状结构，但层内的分子排列却与向列相液晶类似，分子长轴农层内是楣 互平行的。这粪液晶魄较突出躺特点楚，各层的分子辅方向与邻接层的分子轴方 向都约有偏移，而液晶整体形成螺旋结构。在胆甾液晶中，分子的重心排列仍然 是无序的，僵分子的指向矢n 在一个平萄内大致指向一个方向。在垂齑于这个平 面的方向上，分子的描向矢会旋转，形成螺旋结构。 在膳甾稻液晶中分子指向矢为左旋或右旋，取决于其构成分子。一般来讲， 螺距的长度p 接近可见光波长。胆甾相螺旋结构的螺躐易受外界因素的影响，特 剐是对温度狠敏感。鹭疆度变纯时，螺距也随之变化，从而使得胆甾相显现不黼 的颜色，胆甾相的色温效应可以用来测量表面温度，即制作液鼹温度显示器。当 然疆甾相液晶静应用远不止予温度显示器。扭曲与超掇曲商列相液晶显示都有手 性分子加入。用聚合物网络稳定液晶结构以及多稳态液晶显示，也是利用的胆鲻 稿滚鑫。 2 1 3 液晶的他学结构刚 液晶化合物具有的物理、化学性质是与它的化学结构密切棚关的。研究证明， 分子静刚经、线鼙、反式构鍪、液晶分子孛新含偶授短的大小稻方向，分子酶极 化各向异性和凝轭作用等因素，都明显地影响液晶性质。 一般认为瑟呈现液晶相，该纯合褥的分子结构必须满足下述要求：l 、几何 形状上液晶分子应是备向异性的，分子的长径比( l d ) 必须大于4 ；2 、液晶分 子长轴应不易弯癌，要有一定静刚性。因魏常在分子的中央部位引进双键或三键， 形成共轭体系，得到刚性的线型结构或者使保持反式构型，以获得线状结构。3 、 分子末端含有徽往或可极耽