1、液晶顯示材料及應用基本知識和簡單原理液晶顯示材料基礎知識 液晶知識涉及多學科，橫跨多個領域，業內人士需要做的最多的就是對多個因素的優化、再優化，解決或緩解多因素之間的矛盾和沖突。作為液晶材料的開發，這一點就更為突出：包括相變范圍、介電、折光、驅動電壓、驅動路數、粘彈性、視角、能耗等方面在內的十幾個參數需要調整和優化，以求達到為顯示器提供整體性能優越的液晶材料。液晶顯示材料基本性能 熱力學行為相態和相變 電學特性容性、阻性 光學特性雙折射、光活性 動力學、運動學范疇粘彈性液晶的相態和相變A、液晶的相態：熱致液晶 a、介晶相概念 b、介晶相分類:SA，SB，SC，N，N*等B、液晶相態的特點： a

2、、有序程度： S=1/2，0.60.8; 0.4; b、分子排列狀態 c、對液晶分子形狀的要求液晶的相態和相變C、液晶的相變： a、CS（A、B、C）； b、SN； c、NI；D、相態、相變的判別和測量： a、觀察法偏光熔點儀，通過其各相在偏光顯微鏡下的不同現象可以辨別相態和測量相變點，是快速檢測的手段。 b、熱分析法DSC差熱分析，通過各相相互轉變時伴有能量得失熱量的吸收和放出，用檢測裝置來測量相變點。是對液晶進行分析的有利手段。顯示器件對材料相態相變要求 普通TN的要求： 工作溫度范圍內為向列相 有一定的相穩定性 STN器件的要求： 更寬的向列相范圍 高低溫范圍內須有較好的相穩定性，即有序

3、程度要較高 液晶的容性和阻性 容性特性 介電性質 閾值、飽和電壓、陡度 溫度依賴性 頻率依賴性 驅動條件 阻性特性 耗電流、能耗 靜電行為液晶的容性特征 介電特性 液晶是一種電介質 液晶的介電特性具有方向性介電異性，它與分子極性相關。=- 介電特性是液晶的本質特征，是所有其他性能的基礎 介電特性為驅動提供了原動力 兩體系混合后介電常數可線性疊加 液晶的容性特征 閾值、飽和值和陡度 閾值與液晶介電常數相關 Vth=（K/0）1/2 陡度與K33/K11以及/ 相關 閾值電壓、飽和電壓是驅動電壓選擇的基本依據，陡度是掃描行數設計的依據。 兩體系混合后閾值電壓和陡度并非線性疊加，而須實際測試確定 液

4、晶的容性特征 介電的溫度依賴性 隨著溫度的上升，介電各向異性減小 在遠離清亮點的溫度下，介電各向異性隨溫度緩慢變小 溫度升至清亮點以上時，介電各向異性消失 寬溫產品應考慮此因素 010203040506070804681012141618 i 溫度PCH-5 的介 電常數與 溫度的關系液晶的容性特征 介電的頻率依賴性 介電各向異性隨測試頻率的上升而降低 介電各向異性 當測試頻率足夠高時，介電各向異性消失 高DUTY驅動時需考慮此因素68101214-50510152025 的 頻 率 依 賴 性11.58.550%90% ln(f) 液晶介電常數的測量 測試原理 根據介電常數的定義：C=0C0

5、 ，其中C0為真空電容，只要測得電介質加入前后的電容值，即可得到電介質的介電常數。 測試條件的選擇 測試設備：電容測試儀、液晶盒 驅動條件： 驅動頻率的選擇是根據其頻率依賴性特點進行的 滿足液晶沿電場排列，近似的選取驅動電壓 液晶排列要求：指向矢平行電場；指向矢垂直電場 溫度控制：252 驅動條件的選擇 DUTY數確定根據液晶材料的陡度來估計它的適用掃描線數 Nmax=（P2+1）/（P2-1）2 BIAS的確定根據最佳偏壓比算法 a=N1/2+1 有效電壓的計算Von=(1-(a2-1)/N)1/2V/a Voff=(1+(a2-4a+3)/N)1/2 V/a 實際驅動條件的選擇需要考慮顯示

6、器件的實際對比度、視角、工作溫度、響應以及驅動芯片負載能力等多方面因素液晶的阻性特征 液晶是高阻材料 液晶的電阻率非常高，一般都在1010歐姆厘米以上。 液晶的電阻特性是材料本身決定的，它和介電常數、閾值電壓有一定聯系 一般認為，液晶的阻性電流是雜質的帶入而引起的 液晶器件的能耗和電阻電流 液晶器件的能耗來自電容和電阻，其中主要是電容 液晶在電場作用中，可以形成電阻電流 動態驅動時，隨頻率的上升，容性明顯增強，阻性相對減弱液晶的阻性特征 液晶電阻的測量 測量原理：RxR0 測量設備：高阻儀、電導電極等； 測量條件：溫度、濕度，測量電壓 測量精度保證：屏蔽和接地情況UCBRxR0液晶的阻性特征

7、靜電行為 積累電荷無法從有效途徑消除掉，從而形成靜電場，導致顯示器無法正常顯示 液晶材料純度過高，電阻率過高，使得積累電荷無法從液晶材料途徑消除 避免方法 液晶材料途徑：在保證能耗要求的情況下，適當調整電阻性能 器件途徑：設計旁路，引消除積累的靜電賀液晶的阻性特征 液晶保存和使用對液晶電阻率的影響 離子性雜質的引入是降低液晶電阻率的主要因素 極性雜質也使液晶電阻率降低 強烈的光照可以是液晶電阻率降低,UV光的破壞尤為強烈 環境可以導致液晶尤其是低閾液晶的電阻率下降 盛裝容器的潔凈程度 液晶使用過程中的接觸物品 使用液晶環境的光照情況 液晶所在環境的溫濕度情況 成盒前的工序的潔凈程度液晶的雙折射

8、 液晶的折射率 no、ne 偏振光 線偏振 橢圓偏振 相延遲和色散 液晶的雙折射 液晶的折射率 液晶具有雙折射這一晶體特性 no為尋常光折射率，其偏振方向與分子長軸垂直，ne則平行 光學各向異性定義為 n=ne-no 這一參數在STN設計中是極為關鍵的 n與介電常數、清亮點、有序程度等參數相關 no ne 液晶雙折射的測量 測量原理 利用阿貝折射儀，在對液晶進行排列處理后，用檢偏器件分別讀取兩個折射率。兩體系混合后的折射率可以疊加獲得。 測量設備 阿貝折射儀、恒溫裝置、單色光源、檢偏器件 測量條件 20 0.1 ；589nm納光光源；液晶的雙折射 折射率的溫度依賴性 折射率隨溫度的升高而降低

9、折射率各向異性也隨溫度上升而降低 溫度接近清亮點時，各向異性急劇下降 溫度高于清亮點時，各向異性消失 這一因素對高溫工作的液晶器件有著非常大的影響010203040506070801.481.501.521.541.561.581.601.62折 射 率 隨 溫度 的 變化none溫度n液晶的雙折射 折射率的頻率依賴性 隨著測試光源的頻率的變化，液晶的折射率也發生變化 頻率升高，折射率增大 在可見光波段內，折射率的變化足以影響顯示器件的色度 在C-STN中，不但需要需要補償膜，而且對液晶的這一性能要求也較為嚴格2503003504004505005506006507001.41.51.61.7

10、1.81.91.41.51.61.71.81.9 n （ nm）n折 射率隨 頻 率的變化液晶的光活性 手性物質 含有一個或多個手性C（不對稱C）的物質，被稱為手性物質。 這個C周圍的四個基團是兩兩不同的。 旋光性 偏振光通過手性物質時，其電矢量會出現一定程度的偏轉。 螺距和HTP值 在膽甾相中，液晶分子是呈螺旋狀排列的，當指向矢旋轉360度時，在螺旋軸方向上距離稱為自然螺距。 HTP指定義為1/PC，是表征手性物質扭曲能力的指標。偏振光基礎 偏振光定義 電磁波為橫波 自然光為電矢量各方向分布均勻 液晶顯示本質是對偏振光的調制 線偏光 其偏振方向在時間和空間上為常數，即面對光線射來的方向，它的

11、電矢量震動在一平面內。 自然光電矢量 線偏光電矢量 偏振光基礎 橢圓偏振光 橢圓偏振光電矢量的強度和振動方向是時間和空間的函數，即隨著光的傳播其電矢量的強度和振動方向是在變化的如果其電矢量的軌跡在垂直光線傳播的平面內的投影為橢圓，那么，稱其為橢圓偏振光。 橢圓偏振光可以分解為兩個電矢量垂直的線偏光，反之，亦可由線偏光合成 光線傳播方向 液晶對光的相延遲和色散液晶對光具有雙折射效應，使得o光和e光在液晶中傳播速度不同，從而導致在出射時二者相位不同因應液晶的光學各向異性的不同，所產生的相位差不同影響相位差第二個因素為液晶層的厚度第三個有關的因素入射光的波長，不同波段的光的透射光強有較大變化折射率隨

12、光頻的變化導致色散，使STN顯示為有色顯示 ne no X Y n d / = 0.8 5 液晶的粘彈性 粘度性能 體積粘度 旋轉粘度 彈性性能 K11、K22、K33 K33/K11、K22/K11液晶的粘度 針對不同的運動方式，液晶有幾個粘度 1指向矢與流速方向以及流速梯度方向均垂直時的粘滯系數 2指向矢與流速方向平行時的粘滯系數近似于體積粘度 3指向矢與流速方向垂直，但與速度梯度方向平行時的粘滯系數 指向矢轉動時所引起的粘滯系數213液晶的粘度 粘度的本質是分子間內摩擦力 速度梯度為1時單位面積的內摩擦力，分動力學粘度、運動粘度 體積粘度屬于動力學范疇，單位為PaS或P；運動粘度單位m2

13、/s。 液晶有其自己的特點和限制，有一定極限 液晶的粘度與介電常數、清亮點、折射率有關 粘度與溫度基本呈指數關系 S expB/T, 溫度上升，粘度降低；溫度下降，粘度增加 兩體系混合后的粘度并非線性疊加 粘度影響響應時間 液晶器件的響應時間與液晶的粘度相關 d2，且 開時間還與驅動電壓和K有關；關時間與K相關 顯示器的響應時間仍需實驗測試和評估，尤其在STN顯示器方面 響應時間與驅動條件相關 與驅動頻率（小頻率）相關 與掃描路數（DUTY）相關 與驅動波形相關 與驅動芯片的負載能力相關液晶的彈性性能 三個彈性常數K11K22K33液晶的彈性性能 彈性自由能 F=1/2K11（n）+K22（n

14、n）+K33（nn ） STN陡度與K33 /K11、 K22 /K11有關 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響應與K33 /K11有關 K33 /K11增大不利于響應的改善液晶材料的應用領域 普通TN、HTN型顯示器件 無源矩陣顯示器件STN 有源矩陣顯示器件TN、IPS、MVA 多穩態顯示器件 賓主型液晶顯示器件 PDLC液晶顯示器件 其他應用領域STN顯示器對液晶性能的選擇 驅動條件 DUTY？BIAS？Vop？Vth，Vsat，P 響應要求 響應時間粘度、Gap、 n 色度要求 黃、綠 nd/，偏光片角度STN顯示器對液晶性能的選擇 成盒要求 扭曲角 240/180；預傾角5-6 ； d/p (/2-0.25， /2+0.25 ）;p=1/htp c 工作溫度范圍 高低溫光電曲線最基本條件是向列相范圍；底色、對比度、驅動