液晶显示材料的基本认识

n n
1.9 折 射 率 随 频 率 的 变 化
1.9
1.8
1.8
1.7
1.7
1.6
1.6
1.5
1.5
1.4
1.4
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
λ （nm）
液晶的光活性
▪ 手性物质
含有一个或多个手性C（不对称C）的物质，被称为手性物质。 这个C周围的四个基团是两两不同的。
液晶显示材料基本性能
▪ 热力学行为——相态和相变 ▪ 电学特性——容性、阻性 ▪ 光学特性——双折射、光活性 ▪ 动力学、运动学范畴——粘弹性
液晶的相态和相变
A、液晶的相态：——热致液晶
a、介晶相概念 b、介晶相分类:SA，SB，SC，N，N*等
B、液晶相态的特点：
a、有序程度： S=1/2<3COS2θ-1>，0.6~0.8; 0.4; b、分子排列状态 c、对液晶分子形状的要求
椭圆偏振光可以分解为两个电 矢量垂直的线偏光，反之，亦 可由线偏光合成
光线传播方向
液晶对光的相延迟和色散
▪ 液晶对光具有双折射效应，使
得o光和e光在液晶中传播速度
Y
不同，从而导致在出射时二者
相位不同
▪ 因应液晶的光学各向异性的不
同，所产生的相位差不同
no
▪ 影响相位差第二个因素为液晶
层的厚度
▪ 第三个有关的因素入射光的波
盛装容器的洁净程度 液晶使用过程中的接触物品 使用液晶环境的光照情况 液晶所在环境的温湿度情况 成盒前的工序的洁净程度
液晶的双折射
▪ 液晶的折射率 no、ne
▪ 偏振光 线偏振 椭圆偏振
▪ 相延迟和色散
液晶的双折射
▪ 液晶的折射率
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则平行 光学各向异性定义为
驱动频率的选择是根据其频率依赖性特点进行的 满足液晶沿电场排列，近似的选取驱动电压 液晶排列要求：ε∥——指向矢平行电场；ε⊥——指向矢垂直电场 温度控制：25℃±2 ℃
驱动条件的选择
▪ DUTY数确定
▪ 根据液晶材料的陡度来估计它的适用扫描线数
Nmax=（（P2+1）/（P2-1））2
▪ BIAS的确定
液晶的电阻率非常高，一般都在1010欧姆厘米以上。 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
▪ 液晶器件的能耗和电阻电流
液晶器件的能耗来自电容和电阻，其中主要是电容 液晶在电场作用中，可以形成电阻电流 动态驱动时，随频率的上升，容性明显增强，阻性相对减弱
▪ 工作温度范围
高低温光电曲线→最基本条件是向列相范围；底色、对比度、驱动 电压、响应等随温度的变化在要求范围内
▪ 能耗及稳定性要求
功耗电流→介电常数、电阻率、对UV的稳定性 稳定性→对光（UV）、对高温、对低温等；
STN液晶材料使用的注意事项
▪ 可按线性关系调整折射率、介电常数 ▪ 需按实际测试结果调整驱动电压 ▪ 需按实际测试结果调整工作温度范围 ▪ 液晶混合时不需高温（<60℃）处理，若两液
γ—指向矢转动时所引起的粘滞系数
η2
η1
η3
γ
液晶的粘度
▪ 粘度的本质是分子间内摩擦力
速度梯度为1时单位面积的内摩擦力，分动力学粘度、运动粘度 体积粘度属于动力学范畴，单位为PaS或P；运动粘度单位m2/s。 液晶有其自己的特点和限制，有一定极限
液晶的粘度与介电常数、清亮点、折射率有关
▪ 粘度与温度基本呈指数关系
△n=ne-no 这一参数在STN设计中是极为关
键的 △n与介电常数、清亮点、有序程
度等参数相关
ne
no
液晶双折射的测量
▪ 测量原理
利用阿贝折射仪，在对液晶进行排列处理后，用检偏器件分别 读取两个折射率。两体系混合后的折射率可以叠加获得。
▪ 测量设备
阿贝折射仪、恒温装置、单色光源、检偏器件
▪ 测量条件
液晶的阻性特征
▪ 液晶电阻的测量
测量原理：Rx>>R0
Rx
U
R0
CB
测量设备：高阻仪、电导电极等； 测量条件：温度、湿度，测量电压 测量精度保证：屏蔽和接地情况
液晶的阻性特征
▪ 静电行为
积累电荷无法从有效途径消除掉，从而形成静电场，导致显示器无 法正常显示 液晶材料纯度过高，电阻率过高，使得积累电荷无法从液晶材料途 径消除
显示器件对材料相态相变要求
▪ 普通TN的要求： 工作温度范围内为向列相
有一定的相稳定性 ▪ STN器件的要求：
更宽的向列相范围 高低温范围内须有较好的相稳定性，即有序程 度要较高
液晶的容性和阻性
▪ 容性特性 介电性质 阈值、饱和电压、陡度 温度依赖性 频率依赖性 驱动条件
▪ 阻性特性 耗电流、能耗 静电行为
▪ 避免方法
液晶材料途径：在保证能耗要求的情况下，适当调整电阻性能 器件途径：设计旁路，引消除积累的静电贺
液晶的阻性特征
▪ 液晶保存和使用对液晶电阻率的影响
离子性杂质的引入是降低液晶电阻率的主要因素 极性杂质也使液晶电阻率降低 强烈的光照可以是液晶电阻率降低,UV光的破坏尤为 强烈 环境可以导致液晶尤其是低阈液晶的电阻率下降
0
折 射 率 随 温度 的 变 化
ne
no
10
20
30
40
50
60
70
80
温度
液晶的双折射
▪ 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 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，不但需要需要补 偿膜，而且对液晶的这一性能 要求也较为严格
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
液晶的容性特征
▪ 介电的温度依赖性
随着温度的上升，介电各 ε
向异性减小
在远离清亮点的温度下， 介电各向异性随温度缓慢 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
PCH-5 的 介 电 常数 与 温 度 的 关 系
18
ε∥
16
14
12
εi
10
8
6
ε⊥
4 0
10 20

30 40 50
温度
60 70 80
液晶的容性特征
▪ 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
▪ 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。
▪ 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。
偏振光基础
▪ 偏振光定义
电磁波为横波 自然光为电矢量各方向分布 均匀 液晶显示本质是对偏振光的 调制
液晶显示材料及应 用
基本知识和简单原理
液晶显示材料基础知识
▪ 液晶知识涉及多学科，横跨多个领域，业 内人士需要做的最多的就是对多个因素的 优化、再优化，解决或缓解多因素之间的 矛盾和冲突。作为液晶材料的开发，这一 点就更为突出：包括相变范围、介电、折 光、驱动电压、驱动路数、粘弹性、视角、 能耗等方面在内的十几个参数需要调整和 优化，以求达到为显示器提供整体性能优 越的液晶材料。
液晶的相态和相变
C、液晶的相变：
a、C—S（A、B、C……）； b、S—N； c、N—I；
D、相态、相变的判别和测量：
a、观察法——偏光熔点仪，通过其各相在偏光显微镜下的不 同现象可以辨别相态和测量相变点，是快速检测的手段。 b、热分析法——DSC差热分析，通过各相相互转变时伴有能量得 失——热量的吸收和放出，用检测装置来测量相变点。是对液晶进 行分析的有利手段。
体混合，常温即可，但需搅拌均匀（1-2小时） ▪ 混合、盛装、运输、灌注的容器需保持洁净，
重复使用时需要清洗干净 ▪ 液晶的重复使用需要性能检测合格，否则慎用
▪
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
▪
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。09:01:1509:01:1509:0110/21/2020 9:01:15 AM
液晶的容性特征
▪ 介电特性 液晶是一种电介质
液晶的介电特性具有方向性——介电异性，它 与分子极性相关。△ε=ε∥-ε⊥ 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
液晶的容性特征
▪ 阈值、饱和值和陡度 阈值与液晶介电常数相关 Vth=π（K/△εε0）1/2
20 ℃±0.1 ℃；589nm纳光光源；
液晶的双折射
▪ 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
n
1.62 1.60 1.58 1.56 1.54 1.52 1.50 1.48
▪ 根据最佳偏压比算法
a=N1/2+1
▪ 有效电压的计算
▪ Von=(1-(a2-1)/N)1/2·V/a
Voff=(1+(a2-4a+3)/N)1/2 V/a
▪ 实际驱动条件的选择需要考虑显示器件 的实际对比度、视角、工作温度、响应
以及驱动芯片负载能力等多方面因素
液晶的阻性特征
▪ 液晶是高阻材料
STN显示器对液晶性能的选择
▪ 驱动条件
DUTY？BIAS？Vop？→Vth，Vsat，P
▪ 响应要求
响应时间→粘度、Gap、 △n
▪ 色度要求
黄、绿→ △nd/λ，偏光片角度
STN显示器对液晶性能的选择
▪ 成盒要求
扭曲角→ 240°/180°；预倾角→5-6 °；
d/p →(φ/2π-0.25， φ/2π+0.25 ）;p=1/htp •c
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响应与K33 /K11有关
K33 /K11增大不利于响应的改善
液晶材料的应用领域
▪ 普通TN、HTN型显示器件 ▪ 无源矩阵显示器件——STN ▪ 有源矩阵显示器件——TN、IPS、MVA ▪ 多稳态显示器件 ▪ 宾主型液晶显示器件 ▪ PDLC液晶显示器件 ▪ 其他应用领域
△ε
△ ε 的频 率 依 赖性
25
90%
20
15
10
50%
5
0
8.5 11.5
-5 6
8
10
12
14
ln(f)
液晶介电常数的测量
▪ 测试原理
根据介电常数的定义：C=εε0·C0 ，其中C0为真空电容，只要测得电 介质加入前后的电容值，即可得到电介质的介电常数。
▪ 测试条件的选择
测试设备：电容测试仪、液晶盒 驱动条件：
ne
长，不同波段的光的透射光强
有较大变化 ▪ 折射率随光频的变化导致色散，
△ n d /λ= 0.8 5
X
使STN显示为有色显示
液晶的粘弹性
▪ 粘度性能 体积粘度 旋转粘度
▪ 弹性性能 K11、K22、K33 K33/K11、K22/K11
液晶的粘度
▪ 针对不同的运动方式，液晶有几个粘度
η1—指向矢与流速方向以及流速梯度方向均垂直时的粘滞系数 η2—指向矢与流速方向平行时的粘滞系数——近似于体积粘度 η3—指向矢与流速方向垂直，但与速度梯度方向平行时的粘滞系 数
▪
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2109:01:1509:01Oc t-2021- Oct-20
γ ∝ Sδ 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
粘度影响响应时间
▪ 液晶器件的响应时间与液晶的粘度相关
τ ∝ γ d2，且 开时间还与驱动电压和K有关；关时间与K相关 显示器的响应时间仍需实验测试和评估，尤其在STN显示器方面
▪ 响应时间与驱动条件相关
▪ 线偏光
其偏振方向在时间和空间上 为常数，即面对光线射来的方 向，它的电矢量震动在一平面 内。
自然光电矢量
线偏光电矢量
偏振光基础
▪ 椭圆偏振光
椭圆偏振光电矢量的强度和振 动方向是时间和空间的函数， 即随着光的传播其电矢量的强 度和振动方向是在变化的—— 如果其电矢量的轨迹在垂直光 线传播的平面内的投影为椭圆， 那么，称其为椭圆偏振光。
与驱动频率（小频率）相关 与扫描路数（DUTY）相关 与驱动波形相关 与驱动芯片的负载能力相关
液晶的弹性性能
▪ 三个弹性常数
K11
K22
K33
液晶的弹性性能
▪ 弹性自由能
F=1/2[K11（▽•n）+K22（n•▽×n）+K33（n•▽n ）]
▪ STN陡度与K33 /K11、 K22 /K11有关