探究液晶顯示材料的發(fā)展與應用

趙銳　盧馬才　姚江波　張盛東

摘要：在當前科學技術不斷發(fā)展的背景下，液晶材料被廣泛運用到生活以及生產中，生活中的電視機、計算器和車載顯示器都在使用液晶技術。因我國的高分子液晶材料研究起步相對較晚，因此對液晶顯示材料的發(fā)展歷程與應用前景進行分析，利于相關的領域把握其發(fā)展方向與重點，充分發(fā)揮液晶顯示技術在生活以及生產中的價值。本文就LCD應用發(fā)展歷程、材料分類等進行分析，并對此提出液晶顯示材料的應用發(fā)展方向，希望為相關的研究提供參考。

關鍵詞：液晶顯示材料 發(fā)展 應用 研究

ZHAO Rui ?LU MacaiYAO JiangboZHANG Shengdong

Abstract： With the development of science and technology， liquid crystal （LCD） materials are widely used in daily life， such as TV sets， calculators and car displays. Because the research of polymer liquid crystal materials in our country started relatively late， the development course and application prospect of liquid crystal display materials are analyzed， which is beneficial to grasp its development direction and key points in related fields， give full play to the value of liquid crystal display technology to life and production. In this paper， the development history of LCD application and the classification of LCD materials are analyzed， and the application development direction of liquid crystal display materials is proposed.

Key Words： Liquid crystal display materials; Development; Application; Research

液晶分子材料具體是在一定條件下，由可以液晶態(tài)存在的高分子所加工制成的材料，且較高分子量和液晶有序地結合可以讓液晶高分子材料具有較好的優(yōu)異特性。液晶高分子材料具有較強強度及模量、具備較小的熱膨脹系數(shù)。通過研究并開發(fā)液晶高分子材料，能夠使全新的高性能材料推動相關領域的發(fā)展、促進新技術的形成，同時也可以實現(xiàn)高分子化學、加工等應用領域的發(fā)展，這意味著相關的研究具有重要意義。

1 LCD應用發(fā)展歷程

1.1 關于液晶顯示材料

液晶高分子普遍存在于自然界中，生物體中的蛋白質、細胞膜等都存在液晶態(tài)。19世紀末，奧地利植物學家首先提出了液晶的原理與概念，在此之后德國的研究人員借助實驗驗證了液晶的各向異性，這位學者也將其命名為液晶。到了20世紀60年代，研究人員發(fā)現(xiàn)聚對苯二甲酰對苯二胺溶解在濃硫酸中，可以形成向列型液晶，具有較好的流動性。其中的剛性分子鏈在溶解中進行伸展，且當溶度達到臨界濃度時，因一些剛性分子聚集在一起，進而形成排列有序的微區(qū)結構，使得溶液由各向同性向各向異性轉變，從而形成了液晶。結合此項研究，美國的杜邦公司基于此先后推出了聚苯甲酰胺和聚對苯二甲酰對苯二胺，這也意味著液晶高分子研究邁向了工業(yè)化。在之后的時間內，相繼出現(xiàn)了一系列商用型熱致液晶，液晶高分子材料也逐漸開始被運用到生產過程中。截至目前，液晶形態(tài)已經逐漸發(fā)展為一個較為龐大的物質家族，綜合性商業(yè)用途也多達上百種，如生活中較為常見的顯示屏、彩電等，使得顯示技術發(fā)生了革命性變化。因液晶高分子不同尋常的特性，也使其得到了較為廣泛的運用，其中大家最為熟悉的是顯示技術。

將透明的向列型液晶材料夾在兩塊導電的玻璃板之間，并且在玻璃兩側各貼上正交排布的偏光片，當施加相應電壓時，液晶分子在電場下發(fā)生偏轉從而使光線的偏振角度發(fā)生變化，原本無法穿過兩片正交偏光片的光線變得能夠穿透。因此當電壓以某種圖像的形式加到液晶薄膜上，即可產生圖像，這是液晶技術的成像原理。而這一原理也等同于日常生活中常見的計算器，在通電時液晶分子沿電場方向有序排列，使得光線容易通過其中，在不通電時，其中的分子恢復到初始排列，從而阻止光線通過，由此顯示出相關的數(shù)字。通過較長時間的研究，不難發(fā)現(xiàn)液晶顯示器件的優(yōu)勢在于功率更低，能夠進一步滿足人們日常的生產以及生活需求。

2 液晶顯示材料現(xiàn)狀分析

從我國液晶材料領域的發(fā)展情況來看，相關的領域經歷了從無到有的過程，且當前也逐漸形成了具有較大規(guī)模的產業(yè)，并由之前的完全進口轉變?yōu)椴糠殖隹冢偝隹诹恐鹉晏嵘?/p>

不過，雖然當前我國在液晶顯示領域有了較好的研究成果，且整體發(fā)展速度也較快，不過在世界范圍內的液晶材料市場中的總占額較小，并未達到世界LCD發(fā)展的需要。從20世紀70年代開始，我國開始致力于液晶材料的開發(fā)與研究，不過因國內LCD工業(yè)受設備和研究資金的影響，液晶并未被國家列入重點攻克項目，相對高昂的經費和人才的短缺導致相關的研究一直停滯不前。通過相關的研究資料顯示，當前TN型、VA型仍舊是液晶顯示材料研究的重點所在。在20世紀90年代，針對液晶顯示技術的研究，我國加大了對LCD生產線的研究力度，其中相關的研究單位也作為國內首批材料研究院，開展了對LCD技術項目的開發(fā)。

而在液晶顯示相關材料方面，因當時國內的技術條件有限，即便在很多的科研單位都投入了大量的力量進行液晶顯示器和材料的開發(fā)，但除了部分單位在液晶化合物合成方面取得一定的研究成果之外，在相應的研究方面，國內與國外仍有一定的差距。

3 液晶顯示材料的分類

3.1 光電效應

結合相關的研究不難發(fā)現(xiàn)，液晶分子的主要結構為棒狀、碟狀，因此其整體的物理特征會有一定的差異性，這也是液晶分子結構存在的異方性。因這一特性的存在，也直接導致材料分子的光電系數(shù)具有一定的異方性。

3.2 熱致型液晶

結合實際情況來看，此種液晶的使用特點為：隨著周圍溫度的不斷提升，材料內部的分子也會發(fā)生相應的變化，其變化過程主要是固態(tài)轉變?yōu)榈认蛐缘囊簯B(tài)。此外，整個過程中，材料中的分子也會發(fā)生相應的物理變化。同時，因熱致型液晶分子處于溫度變化之中，液晶分子也會發(fā)生相應的排列變化，其中有近晶相、向列相等。

3.2.1 近晶相液晶

從聚合態(tài)結構角度來看，此種液晶顯示材料大致類似于固體晶體，其中的分子結構較為穩(wěn)定，主要有碳氮雙鍵和苯環(huán)結構，整體較為穩(wěn)定的結構也成為相關領域的重要研究內容。

3.2.2 向列相液晶

此種液晶的內部分子呈棒狀形態(tài)，且剛性部位呈平行排列，這正是因為這一特征，使得此種液晶的分子具有較好的流動性，并且整體的黏度較低，應答速度較高。因此，在液晶電視、電腦顯示器領域得到了較為廣泛的運用，屬于較早被運用到各類顯示元件上的一種液晶材料。

3.3 溶致型液晶

其內涵是將一些材料溶解在既定的溶劑里面，隨后將其調整到相應的濃度，即可產生液晶態(tài)的物質。從這一角度來看，溶致型液晶聚合物的特征為黏度低、濃度高，且此種獨特物理特性使其有著廣闊的發(fā)展空間，因此也常用來做液晶紡絲紙，不過在顯示領域并未得到廣泛的運用。

4 新時期LCD材料發(fā)展趨勢

結合實際情況來看，LCD技術有了兩代發(fā)展，第一代發(fā)展主要是研究小型化以及便捷性，相關的研究主要用于筆記本電腦上;第二代則立足視覺呈現(xiàn)的角度，進一步研究色差以及亮度等，主要是應用在電視機以及顯示設備上。而現(xiàn)階段，液晶顯示材料迎來了第三代的發(fā)展，對LCD自身性能限制進行研究，利于提升顯示設備的整體性能，并降低生產的成本。

4.1 液晶響應速度

在液晶顯示中，液晶的響應速度在很大程度上影響了動畫顯示的性能。在其響應速度較快時，動畫畫質變得很差，甚至會出現(xiàn)不連貫和圖像邊緣化的情況。針對這一情況，相關領域的研究人員也開發(fā)了很多技術來解決問題，其中主要有兩種，即動態(tài)驅動和過驅動。后者主要是借助高電壓來完成驅動，從而使其獲得更大的動力，借此來提升整體的響應速度。

4.2 動畫技術

在實際生產以及生活中，單憑提升響應速度是難以滿足實際需求的，其主要因素在于LCD為保持型顯示器件，在工作中同時需要對兩幀畫面進行處理，因此圖像發(fā)生切換時，則容易出現(xiàn)模糊的情況。針對這一情況，相關領域的研究人員借助脈沖的方式將其消除，不過黑幀插入時間的增加會影響畫面的亮度，從而使得液晶的響應時間加長。除此之外，也有一種背光燈杉樹的方式，當液晶響應速度不高時，也可以起到消除模糊畫面的效果。不過，此種技術的缺陷在于會產生高于50%的亮度幅度降低?；诖耍粼诒３至炼鹊那闆r下，背光燈燈管電流則需要適當增加，進而提升背光燈的亮度。

4.3 色再現(xiàn)技術

在提升顯示品質的同時，相關的研究領域也在積極開發(fā)可以表現(xiàn)自然豐富色的技術。在其中，需要明確的是，環(huán)境溫度和白平衡對自然色的表現(xiàn)有較大的影響，結合這一點，技術人員在側重色再現(xiàn)以及亮度的同時，也開始嘗試研發(fā)色彩表現(xiàn)技術，這對于液晶技術商業(yè)化發(fā)展有推動性作用。在當下的階段，為CCFL以及C/F色再現(xiàn)性的最佳實現(xiàn)程度，而為了進一步實現(xiàn)發(fā)展，相關的學者以及技術人員也開始側重新技術的研究。不過，若將現(xiàn)有的CCFL和C/F作為基板，在提升色再現(xiàn)的同時，強度也會相應地下降。從這一點進行分析，怎樣在盡量減小亮度下降幅度的前提下，進一步提高色再現(xiàn)就成為了研究的重點方向，相關領域的學者也開始嘗試運用C/F來遮斷黃光的波長，從而降低光的強度，并優(yōu)化C/F和背光燈的光譜匹配，補償亮度下降。同時，在使用的過程中，可以借助縮減一定的波長范圍來達到可以發(fā)出高色純度光的條件，借此來提升光再現(xiàn)性。

4.4 LCD材料構成

經過長時間的發(fā)展，我國在液晶顯示技術的研究取得較大進展，且在成本控制方面也有了卓越的研究成果，相應的顯示技術更為先進、圖像的質量也顯著提升。同時，在當前顯示器種類逐漸增多的背景下，更多的顯示器被用于日常生活以及生產中，同時在這一背景下，不同類型、形態(tài)的液晶顯示材料被用于液晶顯示方面的研究以及開發(fā)，其中的主要研究方向有雙穩(wěn)態(tài)液晶、聚合物分散液晶等，同時這些材料充分發(fā)揮其價值，其中向列相液晶為市場比重較大的一類液晶材料。

從研發(fā)成果來看，當前多數(shù)單位使用的液晶顯示材料由多種小分子有機化合物構成，其結構特征表現(xiàn)為棒狀分子結構。同時，隨著科學研究的不斷深入，液晶顯示材料的種類也在不斷增多，其中有酯類、含氟苯環(huán)類等。這也意味著，當前的液晶顯示材料學方面有更大的應用空間，如膽甾型液晶其溫度效應的這一特點最為顯著，基于此可以充分結合這一特征來對其應用范圍進行規(guī)劃。例如，在液晶紡織研究領域，研制出的新型液晶材料纖維比金屬類的材料剛性更強，且因其密度較低，此類纖維也被逐漸應用到航空航天領域。

4.5 專業(yè)人才的培養(yǎng)

為了滿足當前的社會發(fā)展需要，相關的研究領域也開始側重專業(yè)人才的培養(yǎng)。液晶材料的研發(fā)涉及光電、物理、化學、材料、電子技術等領域，因此將這些內容融入高職、高校教育也成為重點的研究方向。對政府來講，需要發(fā)揮自身的引導價值，通過落實有效的政策鼓勵措施，引導高職院校、高校適當開發(fā)相關的課程以及專業(yè)，從而為液晶材料研發(fā)培養(yǎng)更多人才。對高職院校、高校來講，則需要積極順應時代的發(fā)展，一方面要積極開發(fā)校本課程以及專業(yè)，為學生提供更多的發(fā)展空間，并提升自身的社會影響力;另一方面，需要強化與研究部門的合作，通過打造校企合作的形式，強化學生核心競爭能力，為企業(yè)提供更多的技能型、技術型人才，從而推動我國液晶材料研發(fā)領域的發(fā)展。通過多年的實踐，我國一些先進教育單位已經搭建一套相對完善的人才培養(yǎng)體系，這對其他高等教育單位的發(fā)展具有較強的借鑒意義。

5 結語

綜上所述，對液晶材料的發(fā)展歷程以及發(fā)展方向進行研究，利于我國相關研究單位及時把握發(fā)展方向，并針對整體發(fā)展情況，積極落實有效的措施。液晶有著獨特的光電特性和相態(tài)，因此其也有著廣闊的發(fā)展空間，同時其作為一種全新的材料，有著更多的未知等待技術人員去研究，不過可以預見的是，當前的時代背景下液晶顯示材料仍會成為材料革命中的中流砥柱。

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