液晶显示材料

液晶显示材料

摘要介绍了液晶的结构类型，液晶分子的光电效应，实现液晶显示的偏振片透光原理，包括扭曲向列型(TN)、超扭曲向列型(STN)、薄膜晶体管型(TFT)液晶显示的异同，可用于液晶显示的有机材料，以及液晶显示材料的产业现状及发展趋势。

关键词液晶原理有机材料

在过去的十多年内，信息技术的空前发展宣告了第三次工业革命的来临。网络时代的出现，移动电话及电子贸易的蓬勃发展，所有这些新技术革命的诸多方面已经造就了一个信息时代的21世纪。信息的捕捉、控制、储存、传输和显示已同人类知识的增长和生活质量的改善密切地联系在一起。在这样的信息社会时代，信息材料，尤其是信息显示材料及器件显得尤为重要。目前市场上的显示器件主要有阴极射线管(CRT)、等离子显示屏(PDP)、液晶显示器(LCD)和发光二极管(LED)等。它们都有着不同程度的缺陷，如CRT体积大，不能实现平面显示；PDP功耗大；LED难以实现蓝色显示，分辨率低；刚走出实验室的OLED技术目前还不是很成熟，稳定性及寿命急待解决。而LCD随着技术的进步，工艺的完善以及成本的降低，受到越来越多的青睐［1~3］。

LCD是一种靠液晶态物质的液晶分子排列状态在电场中改变而调制外界光的平板显示器。通常LCD主要可划分为TN(扭曲向列型)、STN(超扭曲向列型)、TFT(薄膜晶体管型)等。本文简要介绍液晶的类型，液晶显示的基本原理以及可用于液晶显示的有机材料，并作出展望。

1 液晶简介

1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸脂结晶的实验时发现：在145.5℃时，结晶凝结成浑浊黏稠的液体，加热到178.5℃时,形成了透明的液体,德国物理学家莱曼用偏光显微镜观察时，发现这种材料有双折射现象，他阐明了这一现象并提出了“液晶”这一学术用语。

液晶分为2类：（1）热致液晶，即采用降温的方法,将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态。（2）溶致液晶，即有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶。构成液晶态的结构单元主要有：棒状分子、盘状分子、由长链或盘状分子连接而成的柔性长链聚合物、以及由双亲分子自组装而成的膜。

液晶有3种结构类型：（1）向列型：分子倾向于沿特定的方向排列，存在长程的方序,分子的质心位置分布却是杂乱无章的，不存在长程的位置序，表现出液体的特征，具有流动性。（2）胆甾型：在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。（3）近晶型：棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直于层面，在层内，分子的排列具有二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动，在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移。

2 液晶显示的基本原理

2.1 液晶分子的光电效应

液晶分子大多由棒状或碟状分子形成，所以与分子长轴平行或垂直方向的物理特征会有所差异，这就是液晶分子结构的异方性。由于液晶分子结构的异方性，所以液晶分子在介电系数和光电系数等光电系数上都具有异方性。

2.2 偏振片透光原理

偏振片只允许偏振方向与它的偏振化方向平行的光透过，如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直，由于第一次出射光的偏振方向与第二个偏振片的偏振化方向垂直，光不能通过第二个偏振片。把液晶放在两个偏振片之间，在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的。如果上下两玻璃棒定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状。如果有光线进入,通过第一个偏振片后，将被液晶分子逐渐改变偏振方向。由于光线沿着分子排列的方向传播，光线最终将从另一端射出。如果两玻璃板之间加上电压，分子排列方向将与电场方向平行，光线由于不能扭转将不会通过第二个极板。液晶显示器就是利用这一特性，在上下两片栅栏相互垂直的偏光板之间充满液晶，利用电场控制液晶的转动，不同的电场大小就会形成不同的灰阶亮度。而对于TN型液晶、STN型液晶以及TFT型液晶，各自的显示原理又不尽相同。

2．2．1 TN型液晶

将向列型液晶夹在两片玻璃中间，这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜ITO(氧化铟锡)以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层PI(聚酰亚胺)，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。液晶的自然状态具有90°的扭曲，利用电场可使液晶分子旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，结果偏振光经过TN型液晶后偏振方向发生转动。只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变90°，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过。

而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片。

2．2．2 STN型液晶

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90°，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180°~270°。单纯的TN液晶显示器本身只有黑白两种情形，而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。如果在单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片，并将单色显示像素分成3个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

2．2．3 TFT型液晶

在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列，每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。再把液晶灌注在两片玻璃之间，由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真，称为真彩。对于TFT-LCD 而言彩色滤光片是很重要的，利用红、绿、蓝(RGB)三原色，可混合出各种不同的颜色，很多平面显示器就是利用此原理显示色彩，把3种颜色分成独立的3个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的3个RGB显示的点当作一个像素。

3 液晶显示材料

3.1 TN—LCD用液晶材料

TN型液晶材料的发展起源于1968年，当时美国公布了动态散射液晶显示(DSM—LCD)技术。但由于提供的液晶材料的结构不稳定性，使它们作为显示材料的使用受到极大的限制。1971年扭曲向列相液晶显示器(TN—LCD)问世后，介电各向异性为正的TN液晶材料便很快开发出来；特别是1974年相对结构稳定的联苯腈系列液晶材料由Gray等合成出来后，满足了当时电子手表、计算器和仪表显示屏等LCD器件的性能要求，从而真正形成了TN—LCD产业时代。TN—LCD用液晶材料，主要为酯类、联苯类、苯基环己烷类和二氧六环类液晶化合物。特别是酯类液晶［4］，它是配制TN—LCD用液晶材料的主要成分，结构如下：

随着薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）阵列驱动液晶显示（TFT—LCD）技术的飞速发展，近年来TFT—LCD不仅占据了便携式笔记本电脑等高档显示器市场，而且随着制造工艺的完善和成本的降低，目前已向台式显示器发起挑战。