液晶材料及应用

液晶材料及应用 产品开发部应妙德2009 4 24 目录 液晶的定义和基本分类液晶材料性能参数手性剂介绍液晶的选择液晶调配和使用注意事项 一 液晶的定义和基本分类 1 1 液晶的由来 液晶的由来 1888年由奥地利的植物学家莱尼茨尔在测定物质溶点时发现某些物质溶化后会经过一个不透明呈白色浑浊并且发出多彩而美丽的光泽 继续加热会变成清亮的液体 1889年德国物理学家莱曼通过偏光显微镜观察这些脂类化合物 发现这些白色浑蚀的物质象液晶 而且具有双折射性 于是就命名它为 液态晶体 1960 S被应用于DS液晶显示器1970 S发明TN液晶显示器1980 S发明STN液晶显示器 1 2 液晶的定义 物质的第四态 液晶 liquidcrystals 普通物质有三态 固态 液态和气态有些有机物质在固态与液态之间存在第四态 液晶态液晶态物质既具有液体的流动性和连续性 又保留了晶体的有序排列性 物理上呈现各向异性 液晶这种中间态的物质外观是流动性的混浊液体 同时又有光 电学各向异性和双折射特性 1 根据成分和出现液晶相的物理条件 可分为 热致液晶和溶致液晶两大类 热致液晶 把某些有机物加热溶解 由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶 就是由于温度变化而出现的液晶相 目前显示方面的都为此种液晶 溶致液晶 把某些有机物放在一定的溶剂中 由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶 就是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相 最常见的有肥皂水等 1 3 液晶基本分类 2 热致液晶根据液晶分子的排列不同 可以分为近晶相 向列相 胆甾相三类 近晶相 Sematic 分子排列分层层内分子互相平行 向列相 Nematic 分子排列不分层分子指向矢大体一致 胆甾相 Cholesteric 分子排列分层层内分子互相平行不同层分子指向矢逞螺旋结构 热致液晶举例近晶相液晶 例如铁电液晶向列相液晶 例如普通TN HTN STN用液晶胆甾相液晶 例如多稳态液晶 目前液晶显示器中使用的均为热致液晶 二 液晶材料性能参数 2 1 液晶的相变 有序参数 S 液晶分子排列的有序程度S 1 20 3 0 8 指单个液晶分子长轴方向偏离指向矢的角度各向同性液体 分子长轴方向完全紊乱 S 0当液晶分子全部处于平行排列时 S 1一般向列相液晶在NI相变点附近S 0 3 在非常低温度时 S 0 8S值不受一般的强电场或强磁场的影响 清亮点和熔点清亮点 液晶材料由液晶态变为各向同性液态的过程中 呈透明时的温度 标记为Tc熔点 液晶材料由晶体态变为液晶态的相变温度 标记为Tm 晶体 液晶相 液体 清亮点clearpoint TNITc TCNTm 温度 熔点 液晶的工作温度和存储温度液晶的工作温度高温工作温度 TN低于清亮点10 STN低于清亮点25 30 低温工作温度 必须高于凝固点20 以上液晶的存储温度高温存储温度 不超过清亮点低温存储温度 参照液晶规格书中低温存储测试数据不低于最低低温存储测试温度 2 2 电阻率 液晶是高阻材料 单位 欧姆厘米液晶的电阻率非常高 一般都在1010欧姆厘米以上 TFT用液晶电阻率在1013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 2 3 n参数 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则与分子长轴方向平行 光学各向异性定义为 n ne no这一参数在STN设计中是极为关的 n与介电常数 清亮点 有序程度等参数相关 ne no 常用向列相液晶属于正性晶体 ne no n 0胆甾相液晶属于负性晶体 ne no n 0 n要和液晶盒d相匹配 需要符合 nd 2 n小 液晶显示器视角相应会大Dispersion n 450nm n 589nm DIC1 09 HCCH SLC1 1 1 2 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 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 不但需要补偿膜 而且对液晶的这一性能要求也较为严格 ne no 高频 低频 2 4 参数 介电特性液晶是一种电介质液晶的介电特性具有方向性 介电各向异性 它与分子极性相关 0的液晶是正性液晶 加电时液晶分子延电场方向排列 0的液晶是负性液晶 加电时液晶分子垂直电场方向排列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 低电压 高电压 0 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 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 V10 Vth 阈值电压 透过率变化10 时的电压 V90 饱和电压 透过率变化90 时的电压 陡度 Steepness V90 V10 1 100 2 5 阈值电压和陡度 液晶阈值电压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 而须实际测试确定电光曲线越陡 扫描线数可以越多 一般TN 1 4 1 6 只能实现8路以下驱动 STN 1 02 1 2 可以实现16 240路驱动 2 6 液晶的黏度 粘度的本质是分子间内摩擦力液晶的黏度特性包含体积黏度和旋转黏度液晶的粘度与介电常数 清亮点 折射率有关 一般 大的液晶 液晶黏度比较大粘度与温度基本呈指数关系 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 黏度对响应时间的影响响应时间同液晶的旋转黏度成正比响应时间同LCD盒间距d的平方成正比响应时间同弹性常数K相关响应时间同驱动条件相关 包括驱动电压 驱动路数 驱动频率等 2 7 弹性性能 液晶弹性常数是描述液晶分子弹性形变的物理量 包含有展曲弹性常数K11 扭曲弹性常数K22 弯曲弹性常数K33 弹性常数的影响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响应时间与K33 K11有关K33 K11增大不利于响应的改善阈值电压同弹性常数有关弹性常数大 阈值电压高弹性常数同液晶分子的结构 形状及温度有关 3 1 概念和特性手性物质 含有一个或多个手性C 不对称C 的物质 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 手性剂分类左旋手性剂 例如S 811右旋手性剂 例如CB15 R 811 三 手性剂介绍 3 2 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 在螺旋轴方向上的距离称为自然螺距 HTP指定义为1 PC 是表征手性物质扭曲能力的指标 C代表手性剂浓度 P代表螺距 旋转360 3 3 手性剂浓度不同种类LCD手性剂浓度TN型LCD 0 1 0 15 HTN型LCD 0 2 0 3 STN型LCD 根据d p值决定 d p值一般范围为0 49 0 55 同液晶种类 K33 K11 K22 K11 扭曲角度 预倾角相关手性剂浓度不当 会导致DOMAIN现象手性剂添加不足 反扭曲 reversedomain 手性剂添加过多 条纹畴 stripedomain Domain现象 Reversedomain Stripedomain 反扭曲导致定向不良 无法实现正常显示条纹畴导致LCD对比度 色饱和度大幅度下降高温下stripedomain现象会加重扭曲角度越大 D P窗口越小 4 1 普通TN型液晶显示器工作温度范围高温工作温度低于清亮点10 低温工作温度必须高于凝固点20 以上 响应时间液晶旋转黏度 盒间距 d 手性剂添加0 1 0 15 n选择根据产品要求 选择合适的极小 nd 四 液晶的选择 TN设计原理 1 06 nd 1 63um Normalblack透过率 4 2 STN型液晶显示器工作温度范围高温工作温度低于清亮点25 30 低温工作温度必须高于凝固点20 以上响应时间液晶旋转黏度 盒间距 d 手性剂添加d p范围在0 49 0 55之间根据扭曲角度设计 盒厚值设计决定 n选择 nd范围在0 78um 0 85um之间 优选为0 825um 阈值电压和陡度STN阈值电压设计值由驱动条件 DUTY BIAS及VOP值设计决定 参照Voff值设计 陡度要求 V10 VOFF V90 VONV90 V10 VON VOFF更小的陡度值 电光曲线越陡 可以驱动更高的路数如果陡度值无法满足驱动路数的要求 很容易出现串扰现象 CSTN不同 n下的对比度和NTSC设计条件 Cellgap 5 6umPI PIA 29424 CFNTSC 63 换算成我司5 5umcellgap n值为0 1486 4 3 普通TN型TFT液晶显示器高电阻率 电阻率在1013欧姆厘米以上工作温度范围高温工作温度低于清亮点10度 低温工作温度必须高于凝固点20度以上响应时间液晶旋转黏度小 盒间距 d 3 5um之间 n选择采用第一极小设计 提高响应速度 n在0 08 0 1之间 5 1液晶调配液晶调配的参数参数1 n 光学各向异性ne no 参数2Vth 阈值电压 参数3手性剂添加量液晶调配体系TN型LCD 单瓶体系或多瓶体系STN型LCD 多瓶体系 通常四瓶体系 TN型TFT 单瓶体系 五 液晶调配和使用注意事项 多瓶体系四瓶体系液晶 n和Vth两两相同例如 MLC14000 141000 000 100 阈值电压 基本相同 基本相同 n 基本相同 基本相同 四瓶体系 0 1292a 0 17b 0 129c 0 1697d 目标 n1 15a 1 1b 1 97c 1 95d 目标Vtha b c d 1 四个未知数 三组方程 有无数组解 1 2 0 1292 0 129 a c 1 2 0 17 0 1697 b d 目标 n1 2 1 15 1 1 a b 1 2 1 97 1 95 c d 目标Vtha b c d 1 取其中一组解 目前我司四瓶调配详解 5 2液晶使用注意事项液晶需要密闭 避光保存液晶配制时 应将所使用的容器及工具用丙酮清洗干净液晶混合时不需高温 60 处理 若两液体混合 常温即可 但需搅拌均匀 1 2小时 灌液剩余的液晶需放在洁净的氮气柜中保存液晶的重复使用需要性能检测合格 特别是电阻率 Thanks 课后练习1 以下不符合液晶态物质描述的是A 液晶是物质的第四态B 液晶具有不易流动特性C 液晶具有介电各向异性D 液晶具有光学各向异性2 我们目前常用的TN型TFT液晶 未添加手性剂 属于A 近晶A相B 胆甾相C 向列相D 近晶C相3 以下属于向列相液晶的是A 未添加手性剂的STN用液晶B 铁电液晶C 多稳态液晶D 手性剂4 一般STN用液晶电阻率要求至少是A 108 cm以上B 1010 cm以上C 1013 cm以上D 1015 cm以上5 光学各向异性和介电各向异性随着温度的升高而不变B 增大C 减小 6 液晶参数中对响应时间影响最大的参数是A 介电常数B 清亮点C 电阻率D 黏度7 响应时间随着温度的升高而A 增大B 减小C 不变8 以下不属于液晶弹性常数的是A 展曲弹性常数B 扭曲弹性常数C 反扭曲弹性常数D 弯曲弹性常数9 我司目前常用的手性剂是A S 811B R 811C CB15D ZLI 378610 手性剂添加过多 超出d p窗口 会导致 现象A 反扭曲B 条纹畴C 显示麻点D 彩色亮点11 我司正常250度扭曲CSTN液晶显示器需要添加多少手性剂 A 0 1 0 15 B 0 2 0 3 C 0 3 0 4 D 由d p值计算决定 一般范围为0 7 1 之间 12 普通TN第一极小 nd理论设计值为A 0 25umB 0 48umC 1 06umD 2 18um13 对于CSTN产品 对液晶陡度有何要求 A V90 V10 VON VOFFB V90 V10 VON VOFFC V90 V10 VON VOFF14 目前我司STN用液晶混合灌液通常采用的是几瓶液晶 A 单瓶B 2瓶C 4瓶D 6瓶15 对于液晶阈值电压描述不当的是A 液晶阈值电压同液晶介电各向异性相关B 液晶阈值电压是透过率变化了10 的电压C 液晶阈值电压同液晶弹性常数相关D 液晶阈值电压是透过率变化了90 的电压16 对于有序参数S 代表分子排列的有序程度的物理量 晶体的有序参数S为S 0B S