液晶材料的研究现状及其发展的趋势

    液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质，具有光电动态散射特性；它有多种液晶相态，例如胆甾相，各种近晶相，向列相等。根据其材料性质不同，各种相态的液晶材料大都已开发用于平板显示器件中，现已开发的有各种向列相液晶、聚合物分散液晶、双（多）稳态液晶、铁电液晶和反铁电液晶显示器等，其中开发最成功的、市场占有量最大、发展最快的是向列相液晶显示器。显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的，这些小分子的主要结构特征是棒状分子结构。随着LCD的迅速发展，人们对开发和研究液晶材料的兴趣越来越大。

    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型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睛系列液晶材料由G.W.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。

    LCD用的TN液晶材料已发展了很多种类。这些液晶化合物的结构都很稳定，向列相温度范围较宽，相对粘度较低。不仅可以满足混合液晶的高清亮点、低粘度在20~30mPa•S（20℃）及△n≈0.15的要求，而且能保证体系具有良好的低温性能。含联苯环类液晶化合物的△n值较大，是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶类化合物的K33/K11值较小，只有0.60左右，在TN-LCD和STN-LCD液晶材料配方中，经常用它们来调节温度序数和△n值。而二氧六环类液晶化合物是调节“多路驱动”性能的必需成分。

    2、STN-LCD用液晶材料

    自1984年发明了超扭曲向列相液晶显示器（STN-LCD）以来，由于它的显示容量扩大，电光特性曲线变陡，对比度提高，要求所使用的向列相液晶材料电光性能更好，到80年代末就形成了STN-LCD产业，其产品主要应用在BP机、移动电话和笔记本电脑、便携式微机终端上。

    STN-LCD用混晶材料一般具有下述性能：低粘度；大K33/K11值；△n和Vth（阈值电压）可调；清亮点高于工作温度上限30℃以上。混晶材料的调制往往采用“四瓶体系”。这种调制方法能够独立地改变阈值电压和双折射，而不会明显地改变液晶的其他特性。

    STN-LCD用液晶化合物主要有二苯乙炔类、乙基桥键类和链烯基类液晶化合物。二苯乙炔类化合物：把STN-LCD的响应速度从300ms提高到120~130ms，使STN-LCD性能得到大幅度的改善，从而在当今的STN-LCD中使用较多，现行STN-LCD用液晶材料中约有70%的配方中含有二苯乙炔类化合物。乙基桥键类液晶：与相应的其他类液晶比较，这类液晶的粘度、△n值都比较低；相应化合物的相变温度范围和熔点相对较低，是调节低温TN和STN混合液晶材料低温性能的重要组分。链烯基类液晶：由于STN-LCD要求具有陡阈值特性，为此，只有增加液晶材料的弹性常数比值K33/K11才能达到目的。烯端基类液晶化合物具有异常大的弹性常数比值K33/K11，用于STN-LCD中，得到非常满意的结果。

    近年来，STN显示器在对比度、视角与响应时间上都有显著的进步。由于TFT-LCD的冲击，STN-LCD逐渐在笔记本电脑和液晶电视等领域失去了市场。鉴于成本的因素，TFT-LCD将不可能完全代替STN-LCD原有的在移动通讯和游戏机等领域的应用。

    3、TFT-LCD用液晶材料

    随着薄膜晶体管TFT阵列驱动液晶显示(TFTLCD)技术的飞速发展，近年来TFTLCD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。由于采用薄膜晶体管阵列直接驱动液晶分子，消除了交叉失真效应，因而显示信息容量大；配合使用低粘度的液晶材料，响应速度极大提高，能够满足视频图像显示的需要。因此，TFTLCD较之TN型、STN型液晶显示有了质的飞跃，成为21世纪最有发展前途的显示技术之一。

    与TN、STN的材料相比，TFT对材料性能要求更高、更严格。要求混合液晶具有良好的光、热、化学稳定性，高的电荷保持率和高的电阻率。还要求混合液晶具有低粘度、高稳定性、适当的光学各相异性和阈值电压。TFTLCD用液晶材料的特点：

    TFTLCD同样利用TN型电光效应原理，但是TFTLCD用液晶材料与传统液晶材料有所不同。除了要求具备良好的物化稳定性、较宽的工作温度范围之外，TFTLCD用液晶材料还须具备以下特性：

    (1)低粘度，20℃时粘度应小于35mPa•s，以满足快速响应的需要；

    (2)高电压保持率(V.H.R)，这意味液晶材料必须具备较高的电阻率，一般要求至少大于1012Ω•cm；

    (3)较低的阈值电压(Vth)，以达到低电压驱动，降低功耗的目的；

    (4)与TFTLCD相匹配的光学各向异性(△n)，以消除彩虹效应，获得较大的对比度和广角视野。△n值范围应在0.07~0.11之间。

    在TN、STN液晶显示中广泛使用端基为氰基的液晶材料，如含氰基的联苯类、苯基环己烷类液晶，尽管其具有较高的△ε以及良好的电光性能，但是研究表明，含端氰基的化合物易于引人离子性杂质，电压保持率低；其粘度与具有相同分子结构的含氟液晶相比仍较高，这些不利因素限制了该类化合物在TFTLCD中的应用。酯类液晶具有合成方法简单、种类繁多的特点，而且相变区间较宽，但其较高的粘度导致在TFTLCD配方中用量大为减少。因此，开发满足以上要求的新型液晶化合物成为液晶化学研究工作的重点。

    目前，在液晶显示材料中，TN-LCD已逐步迈入衰退期，市场需求逐渐萎缩，而且生产能力过剩，价格竞争激烈，己不具备投资价值。而STN-LCD将逐渐进入成熟期，市场需求稳步上升，生产技术完全成熟。而TFT-LCD在全球范围内正进入新一轮快速增长期，市场需求急剧增长，有望成为21世纪最有发展前途的显示材料之一。

    结语：液晶材料是随着LCD器件的发展而迅速发展，从联苯腈、酯类、含氧杂环苯类、嘧啶环类液晶化合物逐渐发展到环已基（联）苯类、二苯乙炔类、乙基桥键类和各种含氟芳环类液晶化合物，最近日本合成出结构稳定的二氟乙烯类液晶化合物，其分子结构越来越稳定，不断满足STN、TFT-LCD的性能要求。虽然世界液晶显示器的市场量越来越大，但我国液晶行业在其中的份额却很小，而且仍是集中在TN液晶材料方面，在TFT液晶材料方面有一定的发展，但目前在世界液晶市场中缺乏竞争力，强烈呼吁国家应当采取积极措施，加强液晶显示器件与材料研究开发的人力与资金投入，在平板显示行业上向上游倾斜，以振兴中华液晶显示行业。