第4讲 液晶材料与定向技术

n
n
X
i 1
n
i
1
共熔组成的N－I点可由每种成分的N－I点以如下 公式求得：
T( N I ) X i T( N I )i
i 1
n
用此公式求得的（N－I）点比实际值稍高一 些，然而向列型混合物液晶共熔点的预计值与实 际值颇为一致。
由单一液晶材料得到具有适当液晶温度范围 和介电各向异性很大的液晶是困难的。实际应用 上所要求的特性通常是用混合系来调整，为此希 望添加的液晶的介电各向异性要大。 添加剂的加入量对整个液晶相介电各向异 性的影响大致符合线性规律：
外推长度的表达：
k22 b A
2 Fs 1 k 22 FB 2 A
界面与体内自由能之比：
y
2
k 22 b a 1 k 22 L ~ y 2 AL L L
2
• 强锚定下，在连续体理论的极限范围内(a / L << 1），我们可以忽 略表面能，即令b ＝ 0。 • 弱锚定下，当UWN << UBN时，外推长度b可能远大于分子尺寸a。在
RS Re，或R'L Re ,
R' L
Re
R' S
Ce
由：
' RL
C
1
1
L RL
C' L
C' S

2
f
1 2 CL RL Re
1 2 CL RL Re
再测量R’s，为此：
f 2 RL C L (Ce C L )
f
则测试频率的范围为0.2～160 Hz ，可求出液晶电容CL和电阻RL：
n X i ni
i 0
n
添加氰基苯基烷基烷基环已烷等低粘度液晶 可以改善混合液晶的粘度。因为粘度低，响应时 间就短，特别是氰基苯基环已烷在低温下也能保 持很低的粘度。这是由于环已烷的环使整个分子 的极化率各向异性下降，分子间的作用力变弱所 致。 除此以外，还有在液晶中加入非液晶物质， 象4－烷基－4－烷氧基联苯和－4－n-烷基－4－ 氰基联苯等，对降低液晶系的粘度也很有效。可 见添加剂本身也不必非要液晶物质不可。
二、液晶分子在边界上的锚定
以平行取向为例：
n n
(a)
(b)
凹凸沟槽对液晶的取向的作用。
易 取 向 轴
表面1
表面2
0
y
易 取 向 轴
L
沿面平行取向基片上易取向轴与表面指 向矢方向并不一致
垂直于y轴的单位面积上的弹性能为： 以变分法求极小值，得平衡条件为：
1 y f T k 22 y 2 y
以ZLI5000系4瓶系统为例，介绍液晶的调配方法：
n
1.04 1.35
5700-100
0.158
0.159 5800-100
0.148 1.16
y1
5700-000
0.122
1.00
1.37 5800-000 0.121 V10
y2
需要调配的液晶参数：n = 0.148；V10 = 1.16V。 由：
2
y y
const
考虑到边界的作用，液晶的指向矢分布如下图：
y
Surface
a y b
图1-28 外推长度b用于表示锚定的强度
边界区域的厚度为a，a的大小在分子尺寸与微米尺寸之间， 取决于锚定的方式。b为外推长度，强锚定下b接近于0，弱锚定 状态时，b有一定大小。
1. 分子间结合力对液晶的取向作用：
第一章 液晶的理化性质
第四讲 液晶材料与定向技术
I. 液晶材料的选择与配方技术
一、 混合液晶的性质

向列型液晶与向列型液晶的混合
1. 为了得到室温为中心的宽的向列相温
度范围;
2. 调节液晶的介电各向异性 3. 调节液晶的光学各向异性 4. 改善混合液晶的粘度
MBBA和EBBA两种成分的混合系相图
＝0.148 n x21* 0.121 x22* 0.159 ＝0.148 n x11* 0.122 x12* 0.158 x 11 x 12 1 x21 x22 1
得：x11= 0.28, x12 = 0.72, x21= 0.29, x22 = 0.71 。 5700与5800混和以后的V10分别为1.03伏和1.368伏。 y2 y1 由：
1 2 RL C L (C e C L )
f
1 2 RL C L
RL Re 1
由于：Re ~ 1kΩ 、Ce ～ 50nF/cm2 (表面取向层相对介电常数为5，厚度为 50nm)、C L ＝1nF (液晶的相对介电常数为10) ，RL ～ 10MΩ (液晶的电阻率 1010Ω cm)。 测试的频率应当满足：
' CL CL
1 1 C 'L Ce
' RL
RL
CL
C' L
分别比较实部与虚部得： 为准确测量，须：
' Ce CL , ' Re RL

1
L
1
RL C L

2
C R
L L
1
2
即：
Ce CL
R C
2
Re
L
C R
L L
1
2
解上面的不等式，得到：
3. 取向技术 A. 垂面取向 • • 在液晶中加入活性剂或乳化剂。 在基片表面淀积垂面取向剂。
R
R R R R R O Si O Si O Si O Si O Si Si O O O Si O O Si O O Si O O Si O
OH Si OH OH Si OH OH OH O Si O
偶联剂在基片表面的脱水反应形成与基片紧密结合的膜的过程示意图
CL CS 1 (2 fCS ) 2 ( RS Re ) RL ' RS ' Re RL 1 (2 fCS ' ) 2 ( RS ' Re )
• 介电常数ε//的测试。 测试电压的不同所测的介电常数也有所不同。
1.25 C
C (nf)
8
1.00
0.75
C
Vth
0.50 0
2Hz f 1.6kHz
然而，对于有源矩阵用的液晶材料，其电阻率要高出100倍以上，根据 同样的计算，测试的频率应当满足：
0.02Hz f 160Hz
取10倍安全系数：
0.2Hz f 16Hz
由图：
R'S R'L Re ,
先测量Re。为满足
1 1 1 C 'S C 'L Ce
X i i
i 0
n
液晶折射率与组成该液晶各单组分液晶的关系可参考下式：
1 ni 2 1 1 n2 1 n X i 2 2 n 1 n 1 i 1 i i
当各成分的折射率相差不大时, 可用线性加法规则:
在盒内液晶的指向矢分布有以下几种情况：
a. 上下基片将液晶锚定在垂直于基片的状态，记作⊥/⊥。 b. 上下基片将液晶锚定在平行于基片的某一方向的状态，记 作∥/∥。 c. 上基片将液晶锚定在平行于基片的某一方向的状态，下部 基片将液晶锚定在平行于基片的另一方向的状态，可记作 ∥/=。 d. 上基片将液晶锚定在平行于基片的某一方向的状态，下部 基片将液晶锚定在垂直于基片的状态，则液晶盒内的液晶全 部作展曲排列,记作 =/⊥。 考虑到能将将液晶锚定在倾斜于基片表面的状态，还能 够增加上述组合。通过处理基片表面，使液晶分子按照人们 的意愿在基片上锚定，就能制出符合人们意愿的液晶显示器 件。这个问题就是边界处理问题。
关于混合系液晶就介绍到这里。
混合系液晶的性质都可以用上面的公式来预 测，当各组分的结构相差不多时与实际情况与符 合较好，而各组分的结构差别较大时，上面的公 式与实测值出现较大的差别，
可以把上面的公式作为配总混合系液晶进行 估算的工具，而它的真正的性质必须经过测试。
二、液晶的材料参数测量
1. 介电常数的测试
胆甾型液晶和向列型液晶的混合系
这种混合系液晶的螺距也可用前述关系计算，其 中向列型液晶的螺距无穷大。
用途：
• • 扭曲向列型（Twisted Nematic, 简称TN型） 超扭曲向列型（Super-Twisted Nematic, 简称STN）
以下为最早出现的E2000和E3000两套4瓶系统的参数：
C
i 1
n
i
1
• 微小温差随螺距发生很大变化的混合液晶。
用于温度传感。
• 螺距对温度的变化依赖性很小
这种组成比主要用其电场效应。 胆甾醇王酸脂和胆甾醇氯化物的二成分系来说，由于组成 不同，螺距的温度变化范围也不同；当组成此为70／30时，螺距 对温度的变化依赖性很小 。 电场效应型胆甾醇混合液晶的例子有胆甾醇溴化物45％， 胆甾醇苯基碳酸脂25％，胆甾醇油酸盐30％组成的混合物。施加 不同的电压散射光谱最大波长也不同，OV时显示红色，6V／mm时 为绿色，12V／mm时为蓝色。这是因为外加电压使胆甾相的螺距 发生了变化。
B.
•
沿面平行取向
摩擦定向
摩擦取向示意图
传送带
摩擦辊
基片
基片
摩擦辊
被 压 下 L长 度 的绒毛
绒毛
L
大致上说，摩擦定向的效果与摩擦的强度有关，摩擦的强度 St以下式定义：
r St N L v 1
其中N为摩擦的次数，L为压距，为辊上的绒毛与基板接触的绒毛 层的厚度，ω 为辊的角速度，r为辊的半径，v为基板移动的速度。 由于摩擦布的纤维长度参差不齐，所以在实践上，L须大于0.1mm， 又因为L太大时，绒毛在基片上会卷曲而影响摩擦方向的一致性， 所以L须小于0.5mm。对于扭曲向列型液晶显示器而言，摩擦强度 的大小在150～250/mm之间，而对于超扭曲液晶显示器因需要较 大的预倾角，摩擦应该轻一些，所以L比较小而其他摩擦参数不 变，摩擦强度在30～80/mm范围内。