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蓝相液晶技术的进步

发布时间:2020-06-30 21:31:41 阅读: 来源:屏风类厂家

摘要:为了解决蓝相液晶,特别是聚合物稳定蓝相液晶实用化所面临的瓶颈,业内人士对聚合物稳定蓝相液晶显示器的各个方面,例如:新的电极结构和形状、单体在聚合物网络结构中的分布、GTG响应时间和工作物理过程等方面作了许多研究,文章对此作了综合介绍。

本文引用地址:引言

蓝相液晶由于其优异的特性,已引起了业内人士的广泛注意。为了早日实用化,人们对聚合物稳定蓝相液晶(polymer- stabilized- blue phase liquidcrystal,PS- BPLC) 所面临的问题进行了大量的研究,下面对这些研究工作作综合介绍。

1 蓝相液晶的优缺点

蓝相液晶(blue phase liquid crystal,BP- LC)较之目前常用的TN 型液晶具有下列优点:

(1)具有亚毫秒的响应时间,不但使液晶显示器有可能实现场序彩色显示模式,还可以大大降低动态伪像,而场序彩色显示模式显示器的分辨率和光学效率是常规的3 倍;

(2)不需要定向层,可以大大简化制管工艺过程;

(3)暗场时光学上是各向同性的,所以视角大,并且非常对称;

(4)只要液晶盒的厚度大于一定值,其透明度对液晶盒的厚度不敏感,所以特别适于制作大显示屏。

BP- LC 实用化曾经面临的严重问题是蓝相存在的温度范围太窄,它只存在于手性向列相(胆固醇相)与澄清相(各向同性)之间的0.5~2℃范围中。而随着聚合物稳定蓝相液晶的发现,BP- LC 存在的温度范围已扩展到- 10~50℃,但是仍然面临下列两大问题:

① 驱动电压太高。如果采用如共平面开关结构(IPS)液晶盒中的交叉指电极,当BP- LC 的Kerr 常数K 为约10nm/V2 时,驱动电压约为50Vrms;

② 透明度不够高,只有约65 %。

2 蓝相液晶的工作原理

为了后续叙述方便,需要对BP- LC 的工作原理作一简单的说明。

BP- LC 的工作原理是基于Kerr 效应。将蓝相液晶置于两平行电极板之间就构成一个Kerr 盒,外加电场通过平行电极板作用在BP- LC 上,在外电场作用下,BP- LC 就变为光学上的单轴晶体,其光轴方向与电场方向平行。当线偏振光以垂直于电场的方向通过BP- LC 时,将分解为两束线偏振光,一束的光矢量沿着电场方向,另一束的光矢量与电场垂直。

它们的折射率分别称为正常折射率n0 与反常折射率ne。蓝相液晶是正或负双折射物质,取决于ne- n0值的为正或负。

式中,λ 是入射光的波长,K 是Kerr 常数,E 是外加电场。由于蓝相液晶有较强的Kerr 效应,所以公式(1)只适用于未饱和前的较小电场情况。

但是Kerr 盒的结构是不适用于显示器的,因为按标准Kerr 盒结构,电压是加在两平行电极板之间,即电场是垂直于电极板的,入射光要与电场垂直必须从两平行电极板之间入射。作为显示器,入射光是垂直于两平行透明电极板入射的,要产生与入射光垂直的电场,只能将平行电极制作在下透明电极板上。为了增强电场,每组两平行电极必须很靠近,即做成如共平面开关结构液晶盒中的交叉指电极结构。

在液晶盒上、下各置一片偏振方向互相垂直的偏振片,当液晶盒上无电场时,BP- LC 的表现如同一个各向同性介质,与上偏振片偏振方向相同的入射偏振光透不过液晶盒,呈现一个黑背景;当液晶盒上加有电场时,BP- LC 的表现如同一个具有双折射特性的单轴晶体,其Δn 随外加电场的平方而增加,透过的光强度也随之增加,达到利用BP- LC 的Kerr效应,用外电场实现调光的目的。这类器件透射率T与相位延迟的关系为:

式中,Ψ 是BP- LC 的光学轴与偏振片的一个透射轴之间的夹角,di 是BP- LC 层中有效双折射的厚度。为了获得最大的透射率,Ψ 应取45°,diΔni应等于λ/2。

3 设计合适的电极结构以降低驱动电压

3.1 采用梯形横截面交叉指电极结构降低驱动电压

如图1 所示。电极之间产生的电场只有水平电场分量对透射率有贡献,其垂直分量是没有用的。水平电场分量在电极平面内较大,越向上(即越靠近顶部玻璃)越小,为了使顶部的液晶在“开”态时也有足够的透射率,必须加大极间电压。普通矩形横截面电极间的水平电场分量比梯形横截面电极间的要小,所以前者“开”态的电压大。

采用梯形横截面电极,当w2=2μm,w1=4μm,h=2μm 和l=4μm 时,“开”态电压为17Vrms,而透射率约为71%。

采用矩形横截面电极,当w2=w1=4μm,h=2μm和l=4μm 时,“开”态电压为38Vrms,而透射率只有约66.5%。

比较上列数据可以看出,采用梯形横截面电极可以显着降低“开”态电压而又维持较高的透明度,原因在于梯形横截面电极产生的电场能更加深入地渗透进入顶部。

是否可以依靠减少极间距离l 来降低“开”态电压呢?当极间距离l 减少时,同样电压情况下,电场增强,“开”态电压必然会降低。如采用梯形横截面电极,仍然取w2=2μm,w1=4μm 和h=2μm,而l 分别为4μm、3μm、2μm 时,“开”态电压分别对应为17Vrms、13Vrms、9.9Vrms。但是随着极间距离l 的减小,向顶部渗透的电场变弱,会使透射率降低。因此极间距离l 的选取要综合考虑“开”态电压和透射率这两个矛盾的因素。

采用梯形横截面电极对,可以将蓝相液晶显示器(BP- LCD)的“开”态电压Vop 降低到约10Vrms,而又维持合理的高透射率。

3.2 寻找最佳电极形状降低驱动电压

本节所讨论的PS- BPLC 盒中电极的尺寸为:电极宽度w =5μm,电极高度h=3μm,当为平板结构时尺寸为:h=0.03μm,极间距离l=10μm,上下玻璃极板间距为10μm。只加一片偏振片时透射率为41%,加两片互相平行的偏振片时透射率为35%。取K=62nm/V2。

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