液晶材料及应用.

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。 B. 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。
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。
液晶材料及应用
产品开发部 应妙德 2009-4-24
目录
一．液晶的定义和基本分类 二．液晶材料性能参数 三．手性剂介绍 四．液晶的选择 五．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
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。
1.3 、液晶基本分类 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 。
A. 热致液晶: 把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶
ε
△
ε 的频 率 依 赖性
25
20
90%
15
10
50%
5
0
8.5
-5 6 8
11.5
10 12 14
ln(f)
2.5 、阈值电压和陡度
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%
折 射率 随 频 率 的 变化
1.9
1.7
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，
ne
1.7
1.6
1.6
1.5
1.5
no
1.4 1.4 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
而且对液晶的这一性能要求也
较为严格
高频
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Δε大的液晶，液晶黏度比较大
粘度与温度基本呈指数关系 γ ∝ 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
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
液晶低温 Cells 存储测试 （LTS） -40℃ -30℃ -20℃ 250hrs 500hrs 1000hrs passed passed passed
2.2 、电阻率ρ
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。
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<VON
Vop duty 1 bias2 Von bias duty
V90/V10<VON/VOFF
Vop duty 1 (bias 2) 2 Voff bias duty
△n与介电常数、清亮点晶体，ne>no， Δn>0 胆甾相液晶属于负性晶体，ne<no,Δn<0 Δn要和液晶盒d相匹配，需要符合 Δnd≥λ/2
Δn小，液晶显示器视角相应会大
Dispersion= Δn(450nm)/Δn(589nm),DIC 1.09 ,HCCH&SLC 1.1～1.2
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
五、液晶调配和使用注意事项
5.1 液晶调配 液晶调配的参数
ε∥
低电压
Δ ε >0 高电压
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
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.
K11
K22
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
左旋手性剂：例如S-811
右旋手性剂: 例如CB15,R-811
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。 旋 转
360º
1 HTP CP
C代表手性剂浓度，P代表螺距
换算成我司5.5um cell gap,Δn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） Δ n选择
采用第一极小设计，提高响应速度， Δn在0.08～0.1之间
不同∆n对CSTN对比度和NTSC影响 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00
0.144 0.146 0.148 0.150 0.152 0.154 0.156 Contrast NTSC
50.00% 45.00% 40.00% 35.00% 30.00% 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% 5.00% 0.00%
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 、Δn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
法线 O E
入射光
入射面
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； ne no
1.06
(Δnd～1.63um)
4.2
、 STN型液晶显示器 ～ 30℃
工作温度范围 高温工作温度低于清亮点25 响应时间 液晶旋转黏度、盒间距（d）
低温工作温度必须高于凝固点20℃以上
手性剂添加
Δ n选择
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
Δn d范围在0.78um～0.85um之间，优选为0.825um
液晶阈值电压与液晶介电常数相关
Vth=π（K/△εε0）1/2
陡度与K33/K11以及△ε/ε⊥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。
λ （ nm）
低频
n
1.8
1.8
2.4 、Δε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， ε⊥ 它与分子极性相关。△ε=ε∥-ε⊥ Δε>0的液晶是正性液晶，加电时液晶分子延电 场方向排列；Δε<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
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 ①有序参数(S): 液晶分子排列的有序程度 S=1/2<3cos2θ-1> 0.3~0.8 ; θ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N I相变点附近S≈0.3，在非常
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 1980’S 发明TN液晶显示器 发明STN液晶显示器
1.2 、液晶的定义 物质的第四态——液晶（ liquid crystals） 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
低温度时，S≈0.8
S值不受一般的强电场或强磁场的影响
②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
TCN 液晶相 TNI 液体 Tm 熔点 Tc 清亮点 clear point
温度
③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
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
三、手性剂介绍
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
手性剂添加不足：反扭曲（reverse domain） 手性剂添加过多：条纹畴（stripe domain）
Domain现象
Reverse domain Stripe domain 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stripe domain现象会加重
扭曲角度越大，D/P窗口越小
四、液晶的选择
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%
Δ n选择 根据产品要求，选择合适的极小（Δn d）
TN 设计原理 Normal black 透过率
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
n
1.9
Von Steepness Voff
duty 1 duty 1
, bias duty 1
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Δn下的对比度和NTSC
设计条件：Cell gap:5.6um PI:PIA-2942 4% CF NTSC=63%