液晶材料基础知识

Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
双折射
SLICHEM
液晶折射率与序参数的关系
∆ N～ρ1/2S 折射率与液晶的序参数成线性关系，与密度成平方根成线性关系。
PCH5折射率随温度的变化曲线
一种典型液晶折射率随温度的变化曲线 一种典型液晶序参数随温度的变化曲线
Confidential
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶应用概况
SLICHEM
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。
SLICHEM
液晶材料基础知识
诚志永华显示材料有限公司
Chengzhi Yonghua Co. Ltd.
Confidential
什么是液晶
SLICHEM
一般來講物質有固態、液態和氣態共三態,但是液晶 卻介於固態和液態之間,同時擁有固態晶體的光學特 性和液體的流動特性,所以可以說液晶是具有中間相 （介晶相）的物質。
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。
2. 测试条件的选择
测试设备：电容测试仪、液晶盒
3. 驱动条件：
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
相态和相变
液晶相变的顺序
SLICHEM
随着温度的增加，棒状液晶分子的形态从晶体转变到等
向性液体。在晶体以及等向性液体两个相之间，可能有 好几种液晶相存在；伴随着不同相之间的转换，也各自 有不同的相转移焓。就已知的资料整理的结果，随温度
的增加，出现的各种相的顺序大致为： C< SH < SE < SG < SF < SB < SC < SA < N < I
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶研究年表
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
SLICHEM
Confidential
液晶的粘度
SLICHEM
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 γ1—指向矢转动时所引起的粘滞系数
∆ε = ε − ε
∥⊥
ε
∥
=
C
∥
C
0
ε
C =⊥
⊥
C
0
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近似线性叠加
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
介电各向异性的测量
SLICHEM
1. 测试原理
4. 温度控制：25℃±2 ℃
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
阈值、饱和电压、陡度
1. 阈值、饱和值和陡度
阈值与液晶介电常数相关
SLICHEM
(TN Cell)
陡度与K33/K11以及△ε/ε⊥相关
2. 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。
η1
η2
η3
Chengzhi Yonghua Technical Report
γ1
Confidential
液晶的粘度
SLICHEM
1. 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
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶双折射的测量
SLICHEM
1. 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。
2. 测量设备
阿贝折射仪、恒温装置、单色光源、检偏器件
3. 测量条件
液晶的粘度与介电常数、清亮点、折射率有关
2. 粘度与温度基本呈指数关系
3. γ∝SδexpB/T, 温度上升，粘度降低；温度下降，粘 度增加
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
粘度影响响应时间
SLICHEM
1. 液晶器件的响应时间与液晶的粘度相关
电学特性
1. 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
2. 阻性特性
耗电流、能耗 静电行为
Chengzhi Yonghua Technical Report
SLICHEM
Confidential
介电各向异性
SLICHEM
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，它与分子极性相关。
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
温度依赖性
SLICHEM
1. 随着温度的上升，介电 各向异性减小
2. 在远离清亮点的温度 下，介电各向异性随温 度缓慢变小
3. 温度升至清亮点以上 时，介电各向异性消失
PCH5介电各项异性随温度变化关系
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
相态和相变
SLICHEM
液晶的相态
1. 介晶相的概念：一般把具有液态和固态两方 面物理特性的相称作介晶相或液晶相。
2. 介晶相的分类：N, SmA, SmC, Ch, SmC* etc.
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶材料的基本性能
1. 热力学行为：相态和相变 2. 电学特性：容性、阻性 3. 光学特性：双折射 4. 动力学、运动学范畴：粘弹性 5. 液晶化学：结构和特性
SLICHEM
Chengzhi Yonghua Technical Report
Chengzhi Yonghua Technical Report
SLICHEM
Confidential
指向有序度参数
SLICHEM
S与液晶的很多参数有关，这些参数与液晶显示 器的表现息息相关：
例如对TN模式：
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
τ∝γd2，且Ton还与驱动电压和K有关；Toff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
2. 响应时间与驱动条件相关
与驱动频率相关 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
Confidential
阻性特性
SLICHEM
1. 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
2. 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
在其后的几十年间，经过长时间的发展，充实和完善了液晶双 折射理论、液晶相态理论、液晶结构的分析、电导率、弹性常 数、介电常数、有序参数等，20世纪70年代初， TN原理的发 明开拓了液晶应用的广阔前景；
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
第一个液晶材料
液晶的电阻率非常高，其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. 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
Chengzhi Yonghua Technical Report
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
阻性特性
液晶保存和使用对液晶电阻率的影响
SLICHEM
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 强烈的光照可以使液晶电阻率降低,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 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
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
双折射
SLICHEM
no--寻常光：其电矢量振动方向垂直于液晶分子的光轴； ne--非寻常光：其电矢量振动方向平行于液晶分子的光轴。
∆ n=ne-no= n//- n⊥
光学极化度主要是由于在分子中存在 没有参与成键的离域电子和π电子引起的， 这就是由苯环组成的液晶分子比对应的由 环己环组成的液晶分子具有较高的∆ n的原 因，同理，不同的末端极性基团引起了可 极化分子极化度的变化，例如氟或烷基取 代基对双折射的贡献比氰基小得多。
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶材料的发现和发展
SLICHEM
1888年奥地利植物学家莱尼茨尔发现液晶；
液晶：是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又 不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的 双折射性，又具有液体的流动性。
Chengzhi Yonghua Technical Report
SLICHEM
Confidential
向列型液晶
SLICHEM
分子重心的排列没有次序性， 如用X-ray 观察衍 射图形，没有Bragg衍射峰。
分子长轴有沿着某一方向排列的趋势，此共同之 方向轴用nˆ （指向矢）表示。且nˆ和- nˆ的方向 是不可区分的，向列液晶在光学上属于单光轴材
ConfidLeabharlann Baiduntial
频率依赖性
SLICHEM
介电各向异性随测试频率的上升而降低
当测试频率足够高时，介电各向异性消失， 甚至出现反转 高DUTY驱动时需考虑此因素
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
阻性特性
SLICHEM
1. 液晶是高阻材料
20/25℃±0.1 ℃；589nm纳光光源；
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
液晶的粘弹性
1. 粘度性能
体积粘度 旋转粘度
2. 弹性性能
K11、K22、K33 K33/K11、K22/K11
Chengzhi Yonghua Technical Report
每种棒状液晶分子构成之物质不見得都会出现以上顺序
中的所有相。大部份的液晶只经历了两三种相就由晶体
转变到等向性液体，但其经历的相之温度顺序仍遵照上
式的顺序。
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
相态和相变
液晶相变的测定
1. 变温偏光显微镜 2. 差示扫描量热计 3. 互溶性测试 4. 变温X-Ray衍射仪
料，具有双折射性。
向列型液晶空间排列的对称程度可用有序度参数 S表示：
S = 12 〈3cos2 θ −1〉
Chengzhi Yonghua Technical Report
Confidential
指向有序度参数
液晶的有序参数S是液晶分子长程有序的量度，
S = 12 〈3cos2 θ −1〉
θ表示分子长轴与液晶指向矢之间的夹角 <> 表示对所有分子的平均 S 是温度的函数： 晶体：严格有序，S=1 液体：完全无序，S=0 液晶：S表征了液晶物理性质各项异性的 程度，对向列型液晶其典型值为0.4～0.7