3.5　液晶材料

TFT-LCD中使用的液晶材料属于混合液晶，由十几种液晶分子混合调配而成。液晶材料的设计包括液晶分子的个别设计和混合液晶组成物的整体设计。为了获得稳定的液晶状态，需要设计液晶分子间的作用力及液晶分子排列的规则性。为了应对不同液晶显示模式的需求，需要设计合理的液晶分子特性及液晶组成物的特性。

3.5.1　液晶分子结构与特性

液晶的物理特性由液晶的结构决定。液晶分子的基本结构如图3-19所示，组成液晶分子的基本功能块包括中间核心部分的环状基和中央基，以及两头的末端基。表3-1罗列液晶化合物的典型环状基、中央基、末端基。在液晶分子结构中，环数通常为2～4个，没有中央基也可以，末端基至少要有烷基等的柔性成分。特定的液晶分子结构形成了特定的液晶特性，如光学各向异性、介电各向异性、黏度、弹性等。

1. 光学各向异性与分子结构设计

液晶光学各向异性源自液晶分子的双折射率（?n），?n主要由导致电子偏向一方的苯基或氰基决定。由于双折射的作用，液晶可以把直线偏振光变为椭圆偏振光，把椭圆偏振光又转为直线偏振光。向列相液晶大部分都具有正的双折射。为了提高TFT-LCD的视野角特性，一般设定液晶的?nd在0.4左右。目前TFT-LCD的液晶盒厚为4μm左右，因此?n取0.1左右。为了提高响应速度，液晶盒厚一般做得比较小，因此液晶的?n值就要设计得比较大。

双折射率?n的大小，取决于液晶的分子共轭宽度和极性的大小。带有苯环、嘧啶环等不饱和环的液晶分子，其?n比较大。如果用环己烷代替不饱和环，则?n变小。若中央基以两个苯环结合，则?n变大。对末端基而言，液晶分子的?n从大到小的顺序依次是CN、F、?F2、?F3。

?n值具有温度依存性，随着工作温度的上升，?n值变小。图3-20给出了不同清亮点的?n和温度关系。液晶材料的清亮点TNI越低，温度与?n的关系曲线越陡。在液晶材料的工作温度范围内，?n变小直接导致液晶的透光率降低，也就是TFT-LCD的白态亮度降低，进而致使TFT-LCD的对比度下降。为了提高液晶材料的清亮点，可以降低?n值受温度影响的程度，以保证高温工作状态下的TFT-LCD依然具有较高对比度。

?n值还具有波长依存性，在可见光范围内，波长越大?n值就越小。不同?n的波长依存关系如图3-21所示。对于?n值大的液晶材料，这种变化趋势更加明显。在?n小于0.1时，RGB三原色的透光率曲线基本重合，当?n增大后，三条曲线越来越分离。三原色的透光率不同，显示屏上合成的白光就会存在色偏。所以，当?n大到一定程度，TFT-LCD的视野角特性就会恶化。简单地讲，?n越大，n∥和n⊥的差异就越大，从不同角度观察所对应的光学各向异性程度就越大，视野角特性就会越恶化。

2. 介电各向异性与分子结构设计

在TFT器件的控制下，液晶受外加电压作用后重新配列，控制光的透过量。液晶与电压的这种Frederiks转变关系分为两部分。一部分是，在液晶上下界面存在一定处理状态（如配向）时，如果没有外加电压，那么液晶就不会变形，而是保持界面的处理状态不变。另一部分是，液晶分子指向矢规则分布时，在外加电场或磁场的作用下，液晶分子会发生变形。

支配Frederiks转变效应的因素是液晶的介电各向异性?ε。?ε的本质是棒状液晶分子具有极性末端基结构，使液晶分子长轴方向的介电常数ε∥变大，和单轴方向的介电常数ε⊥形成一个差值?ε（=ε∥?ε⊥）。介电各向异性是液晶受外加电压作用时转动的原动力。?ε为正的正性液晶又称为P型液晶，?ε为负的负性液晶又称为N型液晶。TN和IPS显示模式采用的是正性液晶，VA显示模式采用的是负性液晶。在外加电压作用下，正性液晶分子会“站起来”，负性液晶分子会“躺下”。VA显示模式使用介电常数为负的液晶，在结构设计上是基于氟素类液晶的开发而实现的：把液晶分子长轴方向的氯基延长，短轴方向添加氟素。

液晶的阈值电压和?ε是一种非线性反比关系。提高?ε的值，可以降低驱动电压，从而降低TFT-LCD的功耗。在液晶分子结构的设计上，用嘧啶环、二恶烷环代替苯环，末端基和异质元素的偶极子进行矢量相加，可以提高?ε的值。如果在末端基的邻位追加极性基，还可以进一步提高?ε的值。但这样会影响液晶分子的直线性，降低液晶的清亮点TNI。所以，一般在末端基的邻位追加氟素（?F）之类的紧凑型基团。相比于末端用CN极性基的液晶分子，末端用氟素的液晶分子，极性变小，导致?ε的值降低。用二氟化元素（?F2）或三氟化元素（?F3）代替氟素，可以提高?ε的值。TFT-LCD中使用的正性液晶都是氟素类液晶。

作为混合液晶，为了提高?ε的值，可以添加一些?ε大的液晶组成成分。值得注意的是，随着?ε值的加大，液晶材料的黏度也会变大，使液晶的响应速度变慢。

3. 黏度与液晶分子结构

从力学性能来说，液晶虽然具有液体的流动性，但也具有高分子材料所具有的高黏滞性，并且黏滞系数与分子量大小密切相关：分子量越大，黏滞系数通常越高。作为液晶材料的内在特性，黏滞特性的改善对缩短响应时间的贡献非常大。虽然液晶分子的转动主要依靠电场强度及产生的推力，恢复过程主要取决于配向膜施加给液晶的扭曲力，但液晶的黏滞系数的大小对于两个过程中液晶翻转的速度都会起作用。

黏度是决定液晶易动性的参数，是影响液晶响应速度的主要因素。黏度越小，液晶的响应速度就越快，黏度是液晶分子间范德瓦尔力和排斥力直接作用的结果，这是由氰基、氯基等极性基的性质和烷基、乙烯基、苯基等分子间相互作用强结合的基共同起作用决定的。液晶分子具有较多的环或较长的烷基链，黏滞性较大，若要减小黏度，就要采用低分子化合物液晶。黏度和介电各向异性?ε是一对此消彼长的物理量，一个决定液晶的响应速度，一个决定液晶的驱动电压，在实际设计中需要权衡考虑。液晶分子的?ε较大，黏滞性也较大，是因分子间距有较强的极性作用所致。

TFT-LCD对液晶材料的要求是低黏度。低黏滞系数的液晶材料不容易获得，因为响应时间并不是一个独立的参数。在物理层面上，它与液晶的清亮点、透光率，甚至漏电流等物理参数之间都存在错综复杂的关系，从性能表现来看，它又与画面质量和色彩表现力密切相关。黏度还具有温度依存性，温度每改变20℃，黏度就要变化3～5倍。

为了实现液晶的低黏度化，一般用氟素取代氯基，且用多个氟素或加入七氟烷基，在实现低黏度化的同时获得高的折射率各向异性，从而使液晶具有较高的耐环境性。TN型TFT-LCD中就混合了这种液晶，IPS液晶也是基于这种低黏度、高响应速度的TN型液晶的基础上发展起来的。

4. 弹性系数与液晶分子结构

展曲、扭曲、弯曲三种基本取向变形的相应弹性系数分别为K11、K22和K33。在这三个弹性系数中，K22的值最小。大多数液晶分子都存在K33> K11 >K22的关系，只有少数的液晶分子存在K11> K33 > K22的关系。弹性系数比K33/K11会随着液晶分子结构中环状部分的不同而发生变化。K33/K11的值与液晶分子的长度成正比，与液晶分子的直径成反比。K33/K11的值从嘧啶到苯、环己烷、双环［2.2.2］辛烷依次增大。此外，K33/K11的值随液晶分子间引力的增大而减小，所以末端基越长，K33/K11越小。实际向列相液晶材料的弹性系数都在10?11数量级。

3.5.2　液晶材料的特性要求

TFT-LCD所用的液晶材料必须满足如下特性的要求：动作温度范围（相的稳定性）、驱动电压（介电常数各向异性、弹性系数）、响应速度（黏度、弹性系数）、对比度、色调（相位差、折射率各向异性）、阶调、视野角等。含氰基化合物和酯类化合物无法满足这些条件，只有含氟的液晶材料才适用于制作TFT-LCD。此外，一种液晶分子满足不了这种要求，必须进行多种液晶分子的混合。通过混合十种以上的液晶分子可以实现液晶材料的各种物理特性要求。各种液晶分子混合比例的不同，所代表的物理特性表现能力也不同。但要让所有的物理特性都达到最佳状态是不可能的，表3-2罗列了液晶材料的物理特性值与TFT-LCD特性的关系。

下面具体介绍液晶材料的几个特性要求。

（1）高稳定性：包括紫外光稳定性、热稳定性和化学稳定性。在TFT-LCD中，液晶材料与配向膜、封框胶、间隙子等高分子材料接触。在TFT-LCD制造过程中，要求液晶材料在高温下依然保持高的电压保持率，以降低环境带来的影响。此外，用紫外光照射进行封框胶硬化时，如果不用UV掩膜版，液晶材料就要耐得住紫外光的高能量破坏，以避免液晶材料性质的恶化。

（2）适度的双折射率：不同的液晶显示模式对双折射率?n值的要求不同。?nd变小可以获得较宽的视野角。

（3）低黏度：这是高响应速度的要求。黏度越低，响应时间就越小，响应速度就越快。

（4）较大的介电各向异性：介电各向异性?ε值越大，液晶的阈值电压就越小。

（5）高阻值：TFT-LCD所用的液晶材料要求比电阻越高越好，以抑制液晶的漏电流，这就要求液晶的离子不纯物含量尽可能少。评价液晶的一个重要指标是比电阻ρ（?·cm）。液晶盒厚一般在4μm左右，如果子像素的液晶工作面积为100μm×300μm，则根据电阻公式（3-9）可以求得液晶比电阻。考虑在实际使用中，和液晶接触的材料或工艺处理过程中会析出杂质离子污染液晶，所以，液晶比电阻一般要求在1014?·cm以上。需要注意的是，液晶的介电各向异性?ε值越大，液晶材料中的离子就越容易析出，并成为自由离子，从而导致液晶漏电流变大。

（6）高电压保持率：在写入时间内注入像素的电荷必须保持到下一帧画面更新为止。电压保持率是在一帧时间内最后保持的电压值和写入时电压值之比。通常，为了实现低电压驱动，液晶材料的?ε都设计得比较大。因此要求掺入更多的极性物质，这就使得离子的带入量增加，会有更多的离子析出成为自由离子，发生液晶漏电流的程度增加。如果这段保持期间发生电荷泄漏，就会导致液晶上下电极之间的电位发生变化，TFT-LCD的对比度也会随之下降。所以，TFT-LCD所用的液晶材料必须要有高的电压保持率。与氰基类相比，氟素类液晶化合物的电压保持率比较高。理想的液晶材料电压保持率要大于98%。

（7）宽的温度范围：理想的保存温度范围为?40～100℃，一般要求使用温度为?20～60℃。

（8）良好的配向性：为了避免基板凹凸不平和寄生电场引起的液晶反转等配向性不良问题，一般把液晶的预倾角做得比较大，不同的液晶材料和配向膜的组合，预倾角大小变化程度不一样。由于TFT-LCD用的液晶材料中不含异质环和强极性基，预倾角的变化幅度比较小。