液晶基礎(chǔ)簡介 [兼容模式]

1、液晶基礎(chǔ)簡介 Shijiazhuang Chengzhi Yonghua Display Material Co., Ltd. 2013-8-13 Item1234Contents液晶的基本概念液晶顯示的發(fā)展混晶的開發(fā)和生產(chǎn)液晶使用注意事項(xiàng)液晶的發(fā)現(xiàn)液晶分子結(jié)構(gòu)液晶的分類FReinitzerF.ReinitzerO.Lehmann物質(zhì)的第四態(tài)液晶（liquid crystals）是一種既有液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性，又具有晶體物質(zhì)的有序性的一類物質(zhì)。在物理性質(zhì)上呈現(xiàn)各向異性，形成兼有部分晶體和液體性質(zhì)的過渡狀態(tài)，稱為液晶態(tài)。液晶分子結(jié)構(gòu) Z Z R1 A X B R2 其中: X為連接基團(tuán)；Z、Z為側(cè)向

2、基團(tuán)； A、B為剛性基團(tuán)（環(huán)體系）；R1、R2為末端基團(tuán)。 分子應(yīng)該具有以下條件才能形成液晶相： 分子形狀是各向異性的，分子長徑（L/D）比應(yīng)大于4； 分子長軸應(yīng)不易彎曲，要有一定的剛性； 分 末端含有極 或 分子末端含有極性或可以極化的基團(tuán)，通過分子間力、色散力使分子保持取向有序。 極 的基 過分 色散 使分 持 向有序 液晶分子的形狀有多種，目前棒狀分子形成的液晶相具有較大 液晶分子的形狀有多種 目前棒狀分子形成的液晶相具有較大 的應(yīng)用價(jià)值。液晶相的形成是有棒狀分子各向異性的形狀以及各向 異性的力所引起的，通過改變分子末端基團(tuán)和側(cè)向吸引力的大小， 能夠改變液晶相的特征。 n n 液晶分子的

3、各向異性 F + + R F F - 實(shí)際液晶 分子狀態(tài) - 液晶分子 理論模型 模 Length Diameter Diameter Diameter 光學(xué)和電學(xué)各向異性 由于液晶分子在長軸和短軸上電子云密度分布不均造成了光學(xué)和電學(xué)上 的各向異性 這種電子云密度差異越大 所體現(xiàn)出來的n和 的各向異性。這種電子云密度差異越大，所體現(xiàn)出來的 就越大。 就越大 液晶的分類 高分子液晶 分子量 小分子液晶 向列相 熱致液晶 液晶相在一定溫度范圍內(nèi)存在 液晶相在 定 度范圍內(nèi)存在 形成條件 溶致液晶 近晶相 膽甾相 對(duì)于向列相，具有低有序。向列相是分子長軸的單一取向，分子的質(zhì)量中心呈三維各向異性分布，

4、其分子長軸與指向矢n成一定的角度。近晶SmA的指向矢和光軸都垂直于近晶層面，但取向序并不是最優(yōu)。 近晶相SmC為一維位置有序，與SmA不同之處在于指向矢相對(duì)于近晶面有一定的傾斜角。SmAfan-shapedfanshapedtexture近晶A相近晶C相等同于具有手性的向列相，N*也是具有單一的分子長軸取向。與向列相相比，膽甾相可以自發(fā)產(chǎn)生宏觀超螺旋結(jié)構(gòu)，它的扭轉(zhuǎn)軸垂直于指向矢。Focal Conic textureCholesteric fingerprint textureHomogeneousalignmentHomogeneous alignmentPlanar texture發(fā)展概覽

5、液晶與顯示模式液晶顯示的發(fā)展 1888年命名為 年命名為“Liquid Crystal”液晶元年 液晶元年 1909 雙折射理論 1908年 德國化學(xué)家 D. Vorlaender合成近晶相化合物 1920s液晶連續(xù)體理論 1922年法國化學(xué)家G. Friedel完成了液晶分類 1933 Freedericksz彈性理論中磁場對(duì)液晶分子排列的轉(zhuǎn)變效應(yīng)，被認(rèn)為是使液晶顯示開 發(fā)成為可能的最重要的物理現(xiàn)象 1971年 瑞士M.Schadt 發(fā)表了TN技術(shù) 1973年日本精工推出了基于TN的電子手表 第二代液晶顯示技術(shù) 1968年 RCA公司發(fā)明 動(dòng)態(tài)散射模式的LCD 第一代液晶顯示技術(shù) 1973年

6、 SHARP公司使用DSM技術(shù)制作了 第 部計(jì)算器 第一部計(jì)算器 1984瑞士T.Scheffer 發(fā)明了STN型LCD技術(shù) 1985年 BrownBoveri公司試制出135線STN, 代表著第三代液晶顯示技術(shù) 1960-80TFT 1960 80TFT的基礎(chǔ)研究， 的基礎(chǔ)研究 TN型 TFT設(shè)想 1984年 TFT-LCD商業(yè)化 1993年后 日本開啟 TFT-LCD大規(guī)模生產(chǎn) SHARP CPA模式 三星 PVA模式 現(xiàn)代 FFS 松下 OCB模式 1997年日本 富士通提出 MVA顯示模式 1974年美國人R. Soref 提 出IPS理論 1995年 日立首款I(lǐng)PS產(chǎn)品 STN-LC

7、D 高陡度 較大的K33/K11 較低的1 穩(wěn)定的化學(xué)基團(tuán) K33/K11較大，高清亮點(diǎn) 較大 高清亮點(diǎn) R CN CN STN 快速響應(yīng) 穩(wěn)定性 CN TN-TFT PM 等效電路 AM 等效電路 更低的旋轉(zhuǎn)粘度 AM等效電路 R N N CN R 有源矩陣讓發(fā)展大尺寸高分辨率面板成為可能。 但同時(shí)對(duì)液晶材料提出了更高的要求。 更高的化學(xué)穩(wěn)定性 R O O F F F F CN R TN-TFT 顯示的優(yōu)劣 快響應(yīng)速度 低對(duì)比度 TN-TFT 高透過率 x 窄視角 使得TN-TFT 相比于其他液 示如 晶顯示如 IPS,VA等在高 端顯示領(lǐng)域（ 電視，智能手 機(jī)）失去競爭 能力。 極低的制造

8、 成本 為了解決視角以及對(duì)比度的問題，各大廠商開始發(fā)展自己的寬視角以及高對(duì)比度技術(shù) 解 角 ， 商開 展自 角 高 術(shù) 簡稱年份特征畫素照片多疇結(jié)構(gòu)ITO透明電極有機(jī)膜技術(shù)AFFS2003高透過率IPS1996寬視角S-IPS1998改善色偏AS-IPS2002高透過率IPS-pro2004高對(duì)比度HITACHI備注簡稱年份特征單疇結(jié)構(gòu)金屬電極FFS1998高開口率多疇結(jié)構(gòu)金屬電極UltraFFS2001改善色偏I(xiàn)TO透明電極結(jié)合FFS技術(shù)IPS-pro2004高對(duì)比度HYDIS畫素照片ITO透明透明電極結(jié)合FFS技術(shù)備注單疇結(jié)構(gòu)邊緣電場楔形電極雙疇結(jié)構(gòu)材料改進(jìn)像素結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯示模式總結(jié) TN-

9、TFT 作為顯示器地位重要 但是難以應(yīng)用于LC 作為顯示器地位重要，但是難以應(yīng)用于 LC-TV TV； 需要加強(qiáng)對(duì)比度。 平行取向（HA）的顯示 IPS和FFS并駕齊驅(qū)，也許之后會(huì)合二為一； FFS的設(shè)計(jì)理念可以獲得更有競爭力的EO性能； FFS模式可被應(yīng)用于任何領(lǐng)域的產(chǎn)品； 垂直取向（VA）顯示 需要更精確的控制液晶，以降低Vop, 提高透過率； 可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域的顯示。 各 域的 混晶開發(fā)理論基礎(chǔ)分子結(jié)構(gòu)與液晶性能液晶的生產(chǎn)流程液晶的生產(chǎn)流LC參數(shù)LCD 性能混合液晶開發(fā) A B 大約20種 單體混合 而成 C D E F 混配 最適用的液晶 每種單體各司其職，例如 A:高清亮點(diǎn)， 高清

10、亮點(diǎn) B:低閾值 既相互作用又相互制約 優(yōu)化比例 例 混合液晶相轉(zhuǎn)變溫度混合液晶的清亮點(diǎn)滿足下列關(guān)系式：TCXiTci當(dāng)極性相同的化合物相混合時(shí)，上式成立，當(dāng)極性化合物和非極性化合物相混合時(shí)，常常發(fā)生大的負(fù)偏差。 熔點(diǎn)：混合液晶的熔點(diǎn)低于任何單體液晶的熔點(diǎn)。介電常數(shù)介電常數(shù)的大小直接決定了混合液晶的閾值電介電常數(shù)的大小直接決定了混合液晶的閾值電壓；通過加入具有強(qiáng)極性末端基團(tuán)的液晶材料提高混合液晶的，降低合液晶的閾值降低混合液晶的閾值電壓；需要考慮下列問題：締合分子對(duì)、各單體液晶的互溶性。 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(yuǎn)離清亮點(diǎn)的溫度下，介電各向異性隨溫度升高緩慢變小溫度升

11、至清亮點(diǎn)以上時(shí)，介電各向異性消失寬溫產(chǎn)品應(yīng)考慮此因素雙折射雙折射是由液晶分子中芳香結(jié)構(gòu)（折射是由液晶分子中芳香結(jié)構(gòu)（鍵）和末端基團(tuán)類別決定。鍵）和末端基團(tuán)類別決定 折射率各向異性實(shí)際上與分子的介電各向異性有關(guān)，具有大介電各向異性的分子常常具有大的n，但含氟液晶例外，但含氟液晶例外。在同系列化合物組成的混合物中，n常常與組分的濃度成線性關(guān)系。 折射率的溫度依賴性折射率隨溫度的升高而降低折射率各向異性也隨溫度上升而降低溫度接近清亮點(diǎn)時(shí)，各向異性急劇溫度接近清亮點(diǎn)時(shí)各向異性急劇下降溫度高于清亮點(diǎn)時(shí)，各向異性消失這一因素對(duì)高溫工作的液晶器件有這因素對(duì)高溫工作的液晶器件有著非常大的影響混合液晶開發(fā) 彈性

12、常數(shù) TN VA K = K33 Vth = 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： L d K 22 0 IPS 0.5K22/K111.2, 0.5K33/K114.0。對(duì)比較剛性的分子來說，當(dāng)分子長度加長時(shí)， K33/K11會(huì)增大；而分子寬度增大時(shí)， 會(huì)增大；而分子寬度增大時(shí) K33/K11降低。如果分子比較柔軟，例如當(dāng) 降低 如果分子比較柔軟 例如當(dāng) 比較柔軟的烷基鏈加長時(shí)，K33/K11會(huì)降低。 調(diào)制液晶混合物時(shí)，需要考慮許多因素調(diào)制液晶混合物時(shí)，需要考慮許多因素：液晶溶劑為基礎(chǔ)：低熔點(diǎn)和適當(dāng)向列相溫度范圍； 極性和非極性液晶組成，以避免近晶相的形成； 選擇n適當(dāng)?shù)慕M分；如果需要低閾值電壓的混合液晶，則需加入大

13、的液晶材料；材料同時(shí)加入具有高清亮點(diǎn)（N-I）的液晶來增大混合液晶向列相溫度范圍。列相溫度范圍3、末端基團(tuán)及側(cè)向基團(tuán)對(duì)液晶性質(zhì)的影響常用的末端基團(tuán)K33/K11較大，旋轉(zhuǎn)粘度小TNI較高、n較烷基大作為末端基團(tuán)時(shí)，n大，較大，作為側(cè)向基團(tuán)時(shí)，常為負(fù)極性單體。作為末端基團(tuán)時(shí)，n小，較大作為側(cè)向基團(tuán)時(shí)，常為負(fù)極性單體。SLICHEM液晶單體生產(chǎn)流程 原材料 IQC 生產(chǎn)一部 IPQC 中間體 IPQC 單體粗品 NG 品管部 FQC OK 包裝入庫 OK 品管部 FQC IPQC 生產(chǎn)二部 單體精品 單體提純 NG R&D處理 OK 品管部 FQC 品管部 定時(shí)復(fù)查 液晶單體檢測項(xiàng)目： 1. 中間

14、體、單體粗品： GC純度、HPLC色譜純度； 2. 單體精品： GC純度、HPLC色譜純度、溶劑量、GC-MS/LC-MS分析雜質(zhì)種類和個(gè)數(shù)、 電阻率。 SLICHEM混配作業(yè)流程(TFT-LC) 加料 混合溶解 離子處理 粗過濾（5 m砂芯） NG 品質(zhì)檢測 質(zhì) 測 （電阻率） OK 膜濾（0.22 0 22 m） OK NG 液晶灌裝保存 液晶可靠性檢測 品質(zhì)檢測 （電阻率、VHR、離子濃度、水分含量測試） 液晶可靠性檢測： 1. 高溫可靠性測試： 條件100 1h 測試：電阻率、VHR、離子濃度； 2. 紫外可靠性測試：條件UV（365nm）5000mj 測試：電阻率、 VHR、離子濃度

15、。 產(chǎn)品品質(zhì)與儲(chǔ)存時(shí)間高低溫儲(chǔ)存對(duì)液晶影響考察液晶在高于清亮點(diǎn)溫度儲(chǔ)存和在低于結(jié)晶點(diǎn)溫度儲(chǔ)存后，液晶常規(guī)參數(shù)和可靠性的變化。下表為試驗(yàn)條件：液晶高溫低溫儲(chǔ)存的影響-常規(guī)參數(shù) 實(shí)驗(yàn)條件 Clearing g Point( ( ) Rotational Viscosity(mpas,25) n (589nm,25 (589nm 25) ne (589nm,25) (1KHZ,25) (1KHZ,25) K11 （ pN,25 ） K33 （ pN,25 ） 原樣 88.2 65.4 0 105 0.105 1.59 7.4 3.1 14.2 20.6 A 88.3 68 0 104 0.104 1

16、.589 7.8 3.1 14.1 20.6 D1 88.4 66.1 0 104 0.104 1.588 7.2 3.1 14.2 19 D2 88.6 65.7 0 104 0.104 1.588 7.3 3.1 14.2 19.2 E1 88.4 65 0 103 0.103 1.589 7.3 3.1 14.3 19.6 E2 88.5 65.7 0 104 0.104 1.589 7.4 3.1 14.3 20.5 F1 88.3 67.6 0 104 0.104 1.589 7.2 3 10.7 16 F2 88.5 61.9 0 103 0.103 1.588 6.7 3.1 1

17、4.4 21.5 由以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論： z高溫120儲(chǔ)存1h，對(duì)該款液晶的常規(guī)參數(shù)沒有明顯影響。 z高溫120儲(chǔ)存更長時(shí)間的數(shù)據(jù)表中沒有列出，因?yàn)橐壕Оl(fā)生變質(zhì)，無法測試。 說明高于清亮點(diǎn)的溫度對(duì)液晶的破壞比較大，不建議長時(shí)間儲(chǔ)存于高于清亮點(diǎn)的溫度。 z低溫儲(chǔ)存后（包括加熱后和不加熱后的測試）對(duì)液晶的常規(guī)參數(shù)沒有明顯的影響。 （ ） 常 參 有 液晶高溫低溫儲(chǔ)存的影響-可靠性 實(shí)驗(yàn)條件 原樣 A D1 D2 E1 E2 F1 F2 ION（pc） 34 24 34.24 39.15 36.57 39.87 40.76 37.62 32.99 35.6 VHR(%) 99 63 99.63 99.55 99.58 99.58 99.61 99.63 99.63 99.61 （*1013.cm） 73 7.3 11.5 3.6 2.5 2.96 3.87 0.56 0.51 由以上數(shù)據(jù)得出結(jié)論： z高溫120儲(chǔ)存1h，對(duì)該款液晶的可靠性參數(shù)沒有明顯影響。 z高溫120儲(chǔ)存更長時(shí)間的數(shù)據(jù)表中沒有列出，因?yàn)橐壕Оl(fā)生變質(zhì)，無法測試。 說明高于清亮點(diǎn)的溫度對(duì)液晶的破壞比較大，不建議長時(shí)間儲(chǔ)存于高于清亮點(diǎn)的溫度。 z低溫儲(chǔ)存后（包括加熱后和不加熱后的測試）對(duì)液晶的