我国STN-LCD用液晶材料的研究和应用前景

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。所以，我国“十五”期间仍将黑白及彩色STN-LCD定为显示产业的发展重点。但是，我国若想在STN-LCD用混晶材料领域取得突破，就必须加强合作，形成联合攻关之势，在液晶品质方面狠下功夫，以增强同国外混晶材料的竞争力。
Due to the cost factor, it will be impossible for TFT-LCD to completely replace the original application of STN-LCD in the fields of mobile communications, gamer and others. Therefore, B & W and color STN-LCDs are still contained in the key development projects of display industry during the 搕enth FYP?of China. However, if China wants to get breakthrough in the field of mixed crystal materials of STN-LCD, cooperation has to be enhanced to form the situation of jointly conquering difficulty, and work must be done for LC quality to raise the competition force with foreign mixed crystal materials.

1 引言
1888年，奥地利科学家F·Reinitzer发现了液晶。20世纪70年代初，Helfrich和Schadt利用扭曲向列相液晶的电光效应和集成电路相结合，将其制成显示器件，实现了液晶材料的产业化。这种液晶材料称为扭曲向列相液晶显示（NT-LCD）材料，其产品主要应用在电子表和计算器上。80年代中期，开发成功超扭曲向列相液晶显示（STN-LCD）材料，其产品主要应用在BP机、移动电话和笔记本电脑上。目前，国外（STN-LCD）用液晶材料混配技术已很成熟，开发的单晶化合物种类繁多。国内由于科研力量分散，导致了开发进度延缓，（STN-LCD）用液晶材料市场仍被国外液晶材料公司占据。STN-LCD用液晶材料主要由单晶化合物和手性添加剂混配而成。另外，聚酰亚胺（PI）对液晶分子具有良好的取向性能，各种液晶显示器件一般都用PI作为取向膜。为了满足扭曲角不小于180°的要求，STN-LCD要求取向剂具有较高的预倾角。
2 STN-LCD用液晶化合物
酯类和联苯类液晶化合物是STN-LCD用混晶材料的主要成分，国内各科研机构已开发了近千种，其中已有100种以上应用于混晶配方。这两类液晶粘度较低，液晶相范围较宽，适合配制不同性能的混晶材料。但是为了满足STN混晶大K33/K11值（K33为展曲弹性常数，K11为扭曲弹性常数）和适度△n（光学各向异性）的要求，人们在混晶中添加了炔类、嘧啶类、乙烷类和端烯类液晶化合物。
炔类液晶由于存在3键，往往具有较大的△n。据国内文献报道，合成的此类液晶一般在侧键或末端有含氟基团，化合物具有近晶相。这些液晶目前还没有应用到STN混晶配方中，但其合成方法对合成其它炔类液晶有参考价值。嘧淀类液晶具有较大的△n值，在调配STN混晶时，常常加入少量该类液晶以调节混晶体系的△n，此类液晶目前已有了适合工业化生产的合成路线。乙烷类液晶粘度较低，△n较小，并且△n随温度度的变化也较小，所以STN液晶也掺杂此类液晶。含有环己环的乙烷类液晶合成时易生成顺反异构体混合物，导致合成总收率降低，且难以提纯。目前国内已有文献报道，通过转位的方法将顺反异构体转化为反式异构体，大大降低了生产成本。
 

K33/K11值对STN-LCD的阈值锐角有很大影响，较大的K33/K11值使显示有较高的对比度。为了提高K33/K11值，往往需要在混晶中添加短烷基链液晶化合物和端烯类液晶化合物。目前，国内还没有端烯类液晶化合物合成的文献报道。
3 STN-LCD用手性添加剂
STN-LCD用液晶材料中使用的手性添加剂主要是S811。手性添加剂浓度对液晶显示品质有重要影响。手性添加剂浓度不合适，液晶器件会出现视角畴，影响器件的显示品质。STN混晶中S811的含量一般低于0.5%。目前，国内S811的合成技术已比较完善，探索出了比国外更为经济的合成路线。我们也对S811的合成进行了深入的研究，取得了一定成果。STN-LCD用液晶材料使用的手性添加剂除了S811外，还有R1011和S1011，均为国外公司商品牌号，由于分子式较繁，此处不再列出。有关这两种手性添加剂的研究，目前我国还没有文献报道。
4 STN-LCD用取向剂
在STN显示中，不同的扭曲角要求不同的预倾角。液晶分子在聚酰亚胺表面上的排列与PI的分子结构直接相关。对于TN型LCD，要求预倾角在1°～2°；对于STN型LCD，则要求预倾角为3°～10°。控制稳定的高预倾角，是制备的STN的主要技术之一。对于含—CF3基团的PI，预倾角可达到3°以上，能够满足液晶分子高扭曲角的要求。
预倾角的大小除了与PI的分子结构有关外，还与其固含量，摩擦条件，磨擦材料以及基片玻璃的种类等因素有关。
硅烷化合物可以通过浸润和紫外爆光的方法使液晶分子取向，固化温度仅为110℃，但产生的预倾角较小，约为0.5°。若能提高预倾角，那么这种方法在STN显示中将有广阔的应用前景。
5 STN-LCD用液晶材料
STN-LCD用混晶材料一般具有以下性能：
（1）低粘度；
（2）大K33/K11值；
（3）△n和Vth（阈值电压）可调;
（4）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它特性。有关混配的基本方法已有文献报道。
我国目前从事STN-LCD用混晶材料研究和开发的单位主要有石家庄实力克液晶材料有限公司、清华亚王液晶材料有限公司、西安近代电子材料有限公司和烟台万润精细化工有限公司。其中前两家的技术都来源于清华大学化学系。1997年石家庄液晶材料厂与清华大学解除了合作关系，独立成立了实力克液晶材料有限公司。实力克液晶材料有限公司是目前国内产量最大，检测手段相对齐全，技术力量较强的液晶生产企业，拥有职工200人左右，其中技术人员约占30%。实力克液晶材料有限公司2001年销售产值超过亿元，销售产品以TN-LCD用液晶材料为主，占据国内60%以上的市场份额，目前正在积极开发STN-LCD用混晶材料。据报道，实力克公司能调试出清亮点在85℃以上、△n在0.12～0.15范围内、粘度在50cp（20℃）以下的STN-LCD用混晶材料，但其品质还不能满足国内显示器件厂家的要求。清华亚王液晶材料有限公司以清华大学化学系为技术依托，仪器设备先进，研究人员素质高，早以将STN-LCD用液晶材料定为研发的主攻方向。但是由于人员不稳定，销售没有完全打开局面，所以研发进度受到一定的影响。
总之，调试出品质优良的STN-LCD用液晶材料是液晶材料行业急需解决的重要课题。
6 应用前景
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。但是由于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。所以，我国“十五”期间仍将黑白及彩色STN-LCD定为显示产业的发展重点。但是，我国若想在STN-LCD用混晶材料领域取得突破，就必须加强合作，形成联合攻关之势，在液晶品质方面狠下功夫，以增强同国外混晶材料的竞争力。