1、液晶光子学第四章蓝相液晶显示器4.1引言4.2蓝相液晶显示器4.3蓝相液晶显示器的模拟计算4.4本章小结of432习题4.1 引言第四章 蓝相液晶显示器of433SID2008 展出样机(Samsung)240Hz 驱动SID 2011,paper 11.1AUO co.,SID2015,37.14.1 引言第四章 蓝相液晶显示器of434p 光学各向同性光学各向同性p 视角宽而均匀视角宽而均匀p 微秒级的响应速度微秒级的响应速度p 盒厚的不敏感性盒厚的不敏感性p 制作工艺中不需要摩擦取向制作工艺中不需要摩擦取向p 磁滞效应磁滞效应p 残留双折射效应残留双折射效应p 凸起电极的制作困难凸起电极
2、的制作困难p 蓝相液晶的动力学理论分析蓝相液晶的动力学理论分析困难困难优优 点点缺缺 点点蓝相液晶相态结构蓝相液晶相态结构蓝相液晶显示器结构蓝相液晶显示器结构4.1 引言第四章 蓝相液晶显示器of435BPLCD的缺点表现磁滞效应（电光曲线漂移）磁滞效应（电光曲线漂移）暗态漏光of436第四章 蓝相液晶显示器4.1 引言蓝相液晶、蓝相液晶中的缺陷线和聚合物网络结构示意图不同螺距蓝相液晶在不同电压下的反射光谱of437第四章 蓝相液晶显示器4.1 引言2indnKE2exp1ssindEEnnsnsE饱和折射率饱和电场强度 K光波长Kerr常数扩展Kerr公式普通的Kerr公式蓝相液晶的电场致双
3、折射率与电场强度之间的关系普通的Kerr公式扩展Kerr公式实验值(o)of438第四章 蓝相液晶显示器4.1 引言（a）线偏振紫外光聚合（b）ZnS纳米粒子稳定（c）铁电纳米粒子（BaTiO3）稳定（d）低表面张力单体（e）热循环方法（液晶盒没有加在正交偏光片之间）（f）低驱动电压方法各种消除磁滞效应方法的电光曲线第四章蓝相液晶显示器4.2蓝相液晶显示器4.1引言4.3蓝相液晶显示器的模拟计算4.4本章小结of439习题of4310第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器起偏器(45)检偏器(-45)像素电极玻璃玻璃E公共电极(b)电压(V)归一化透过率(a)电压(V)归一化透过率垂面电
4、场驱动蓝相液晶显示器结构IPS-BPLCD的结构和驱动原理of4311第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器降低驱动电压的结构（a）梯形凸起结构（b）双渗透结构（c）墙状电极结构（d）尖劈电极结构（e）双层IPS电极结构（f）高介电凸起结构目标：驱动电场强度小于临界电场强度（传统Kerr公式可用的范围）临界电场强度0.7Esof4312第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器均匀电场情况下的光学阈值电压和光学饱和电压2exp1ssindEEnn2KEnind dnTind2sin透过率公式：dnlEUssopticth1.0sin1ln1KdlKdlUopticth11.0sin1d
5、nlEUssopticsat21ln122ssatopticsE llUKdn d光学阈值电压光学饱和电压of4313第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器假设：临界电场强度与饱和电场强度的比值为假设：临界电场强度与饱和电场强度的比值为0.651.25sn d时，保证驱动电场强度小于临界电场强度时，保证驱动电场强度小于临界电场强度当当相关相关的例子请见图的例子请见图4.20-21和表和表4.1-2of4314第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器模拟计算中采用饱和双折射率与饱和电场强度为0.13和3.3V/mm液晶层厚需要的工作电场强度 不同电极间隙和液晶层厚度的等饱和电压图墙状电
6、极结构所需要的工作电场强度和饱和电压of4315第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器垂面电场驱动的BPLCD1）垂直电场诱导的光轴垂直于基板2）光在液晶层中倾斜传播，来获得双折射效应测试液晶盒放入甘油中，来获得光在液晶层中的大倾斜角度传播of4316第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器垂面电场驱动的BPLCD的测试结果电场强度(V/mm)相位延迟量()IPS-BPLCD器件结构参数为电极间隙和宽度都为10微米，液晶层厚度为7.5微米，VFS-BPLCD的液晶层厚度为5.74微米，ITO电极在上下基板上，没有取向层材料。IPS-BPLCD中存在严重的磁滞效应；VFS-BPLCD中
7、没有磁滞效应。相位延迟量在最大驱动电压分别为20V、28V和40V情况的变化当电压为20V时，磁滞效应很弱，此时所对应的电场强度为该蓝相液晶材料的临界电场强度，为3.5V/mm。of4317第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器各种结构BPLCD的驱动电压饱和双折射率与饱和电场强度为0.13和4.3V/mm，对应的克尔常数为12.78nm/V2（550nm）IPS-BPLCD：电极宽度对透过率和驱动电压的影响of4318第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器台湾友达公司展出的台湾友达公司展出的样机结构样机结构（低凸起电极结构）（低凸起电极结构）当电极高度超过4微米，驱动电压小于15
8、伏of4319第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器梯形凸起电极结构梯形凸起电极结构BPLCD不同高度的梯形凸起电极结构的电光曲线，(a)顶边宽度为2微米，(b)顶边宽度为1微米。of4320第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器三星三星公司公司的椭圆形凸起电极结构的椭圆形凸起电极结构不同高度的椭圆形凸起电极结构BPLCD的电光曲线of4321第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器双层双层IPS电极结构电极结构BPLCDw1=2m，w2=3m，h1=h2，H=h1+h2，下层电极之间的间隙为5m不同高度的双层电极结构BPLCD的电光曲线优点：可以较为方便的制作of4322第四
9、章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器高介电凸起结构凸起高度对驱动电压和透过率的影响凸起宽度与间隙对电光曲线的影响关系图优点：制作上可以使用一次光刻技术获得缺点：高介电透明材料难找of4323第四章 蓝相液晶显示器4.2 蓝相液晶显示器研究结果表明（1）传统IPS电极驱动的蓝相液晶显示器中的驱动电压很难降低到20V以下，其中的驱动电场强度大于蓝相液晶材料的饱和电场强度，从而可以知道该电极结构蓝相液晶显示器在最大亮度显示情况下，磁滞效应不可能消除；（2）对于各种有凸起形状的电极结构，在凸起高度达到4微米以上，则可以做到驱动电场强度小于蓝相液晶材料的饱和电场强度的70%，从而可以达到消除磁滞效应
10、的目标。第四章蓝相液晶显示器4.2蓝相液晶显示器4.1引言4.3蓝相液晶显示器的模拟计算4.4本章小结of4324习题of4325第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算蓝相液晶的一维模型222200sincoseoisoeon nnnn一维模型中液晶的倾角大小用上式来计算！代表着光在螺旋轴方向传播时的折射率为蓝相状态的平均折射率（a）坐标系（b）蓝相液晶中双扭曲柱的排列（c）胆甾相液晶的指向矢排列状态（d）蓝相液晶的一维模型21203cos1S蓝相液晶的光学各向同性可以被认为是普通光学各向同性相，序参数为0则液晶的平均倾角可计算在一般的双折射参数下，两种计算的结果差别很小，可忽
11、略of4326第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算1.5738on 1.6324en 模拟参数：液晶层厚度为9微米，寻常光和非寻常光的折射率分别为螺距为270nm，倾角为54度 图中方块点是实验点80，连续的线和空心圆（空心三角）是使用时域有限差分法和三维模型来计算的结果78，线和三角（或方块）图案的是一维模型的计算结果of4327第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算在聚合物稳定下的蓝相液晶结构，在外加电场后也能够保持蓝相液晶的基本结构，即双螺旋结构和螺距变化很小，因此在电场作用下，可以只考虑平均倾角的变化，液晶中的弹性力矩为液晶等效弹性常数和液晶平均倾角变
12、化的乘积，在平衡态情况在平衡态情况下，弹性力矩与电场力矩之和为零下，弹性力矩与电场力矩之和为零200sincos0KEEEAEA AK K为蓝相液晶的等效弹性常数，反映具有聚合物网络和手性剂的蓝相液晶的真实表现的弹性常数，0 0为在零电场作用下的蓝相液晶的平均倾角（或者加电场驱动后，撤掉电场蓝相液晶能够回到的平均倾角），E E 为在电场作用下的蓝相液晶的平均倾角,为蓝相液晶的介电各向异性，E为电场强度of4328第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算普通的Kerr公式扩展Kerr公式实验值(o)应用一维模型得到的蓝相液晶等效弹性常数实验结果在计算中，假定0不变，则等效弹性常数随
13、着电场强度的增加有些小的增大，在8V/mm处达到最大值（约39400）of4329第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算当驱动电场强度超过饱和电场强度的70%后，磁滞效应会越来越明显，其解释为当电场强度很大时，聚合物网络会在液晶形变的作用下而发生形变，进而在降低电压的过程中跟不上电压的变化而出现电光曲线的“磁滞回线”。这里饱和电场强度的70%为9.7V/mm，当电场强度小于该数值，液晶的形变较小，聚合物网络不会发生或者发生很小的形变，不影响限制液晶平均倾角（零电场强度下的平均倾角）；电场强度大于该数值后，聚合物网络会发生形变，0会随着电场强度的增大而逐渐增大。选择等效弹性常数固
14、定为39000计算得到0的变化量，在10V/mm以下的电场强度下，0基本没有变化2216kAk Pof4330第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算蓝相液晶的动力学响应平衡态方程中增加转动黏滞系数的时间作用项，同时不考虑蓝相液晶与聚合物之间的锚定能（即表面锚定能假设为强锚定），则蓝相液晶的动力学方程为：2100sincos KtAtEttt1为转动黏滞系数 021000sincosKtAtEttt 1dkA201sincosEEmrEKA下降时间：上升时间：of4331第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算使用BL038的材料参数，模拟计算动力学响应过程，其模拟
15、过程为：先计算不同电场强度驱动下的平均倾角随时间的变化，然后计算寻常光折射率的变化，最后是透过率的变化。2sinTnd5md 633nm10.46Pa s从图中可以看到光学下降时间为从图中可以看到光学下降时间为1215m ms，与，与上面公式所给结果相同，但远小于采上面公式所给结果相同，但远小于采用该蓝相液晶配比制作的聚合物蓝相液晶显示器的响应时间实验用该蓝相液晶配比制作的聚合物蓝相液晶显示器的响应时间实验值值(约约300m ms)，因此因此在实际器件中有其他原因影响响应时间。在实际器件中有其他原因影响响应时间。of4332第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算在蓝相液晶中，在
16、蓝相液晶的缺陷处形成的聚合物网络可以用于稳定双螺旋柱结构，液晶与聚合物材料（RM257和12A）之间的锚定能在普通的液晶盒中被测量87，在普通液晶盒中，聚合物材料被用于取向层材料，测得的锚定能为0.187mJ/m2，该锚定能在普通液晶显示器中也不算是强锚定，所以前面假定的强锚定边界条件是不正确的。具有弱锚定边界条件的液晶下降时间可以采用下式计算：201dk WdW为锚定能，d为四分之一螺距。2201dk锚定能的影响聚合物单体的添加使得少数的聚合物单体在液晶体系中发生聚合反应，液晶体系中大的聚合物分子限制了液晶的转动，从而增大了下降时间，聚合物材料的这种作用也可以被认为是增加了液晶材料的转动黏滞
17、系数。转动粘滞系数的影响这两项最终将BPLCD的响应时间增大到0.3ms左右of4333第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算（1）使用具有很好刚性的多环基团和短的烷基链（甚至不需要烷基链）的聚合物单体材料；（2）对线性的聚合物单体材料，引入更多的聚合基团，使聚合物单体之间的交联作用更多更强，从而减小线性聚合物网络之间的滑动；（3）使用刚性填料（如纳米金属粉末，纳米级二氧化硅等颗粒）辅助聚合物单体材料形成刚性强的聚合物网络结构；（4）优化聚合物网络中的基团与液晶分子中基团的相互作用，既做到稳定蓝相液晶结构，又不易形变。降低聚合物网络液晶的方法of4334第四章 蓝相液晶显示器4
18、.3 蓝相液晶显示器的模拟计算蓝相液晶的旋光特性研究蓝相液晶的旋光特性研究蓝相液晶对背光源的旋光效应红色空心圆圈为波长为红色空心圆圈为波长为633nm的光漏光测量值，绿色实心圆点为波长为的光漏光测量值，绿色实心圆点为波长为514nm的光漏光的光漏光测量值，蓝色三角为测量值，蓝色三角为457nm的光，虚线为白光的漏光平均值，白光包含的光，虚线为白光的漏光平均值，白光包含30%的红光、的红光、60%的绿光和的绿光和10%的蓝光。的蓝光。漏光与检偏器旋转角度的关系。其中，0度为检偏器与起偏器正交，正的旋转角度代表旋转角度为右旋方向89掩光效果最好的角度不是0度位置，就代表液晶层对偏振光有旋光效应。通
19、常液晶显示器中的正交偏光片，对BPLCD来说就不是最佳设置。20221sBn旋光度拟合公式为of4335第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算实验结果和拟合公式计算结果模拟结果和拟合公式计算结果模拟计算结果与实验结果相符，说明一维模型可用于计算蓝相液晶的旋光能力为了避免蓝相液晶的Bragg反射影响显示效果，通常将Bragg反射波长设置在紫外光范围of4336第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算将蓝相液晶的螺距设置为200nm，为了简化计算，液晶的折射率固定为1.5和1.7，蓝相液晶的Bragg反射中心波长为320nm，液晶的倾角为53.74，蓝相液晶的层厚为1
20、0mm，背光源为LED，起偏器的角度为0，检偏器的角度为90。LED背光源发光光谱有无BPLC时正交偏光片下的透过率蓝相液晶使暗态透过率提高一倍，显示器的对比度将会降低一半of4337第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算整体透过率随检偏器角度的变化旋光角度与光波长的关系蓝相液晶层的旋光角度与光波长之间的关系，随着波长的增加，旋光角度下降很快，并趋于零。最小透过率在90.5度，这得益于小的Bragg反射波长of4338第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算Bragg反射波长在可见光范围设置蓝相液晶的螺距为340nm，Bragg反射中心波长为544nm，液晶层厚度
21、8.5mm正交线偏光片情况下透过率光谱图正交圆偏光片情况下透过率光谱图正交线偏光片下，在发生Bragg反射中心波长位置的光透过率比较大，而正交圆偏光片下，不同波长的光透过率都很小。of4339第四章 蓝相液晶显示器4.3 蓝相液晶显示器的模拟计算蓝相液晶的外反射如果Bragg反射波长设置在可见光范围内，需要考虑外界环境光在蓝相液晶显示器中的反射情况。表面反射和线偏光片情况下的反射率两种圆偏光片情况的反射率如果设计的Bragg反射波长在可见光范围内，则上圆偏光片的设计为无Bragg反射效应的结构，可以得到无外反射的蓝相液晶显示器件。第四章蓝相液晶显示器4.2蓝相液晶显示器4.1引言4.3蓝相液晶
22、显示器的模拟计算of43404.4本章小结习题of4341第四章 蓝相液晶显示器4.3 本章小结蓝相液晶显示器具有比向列相液晶显示器快一个数量级的响应速度，同时还具有更好的视角特性和对液晶层厚及无取向处理的特性，从而被认为是下一代液晶显示技术的候选，但自其出现样机到如今已有10年的时间，尚未实现产业化的主要原因是：驱动电压高，磁滞效应难消除，暗态漏光等问题的存在，还有就是蓝相液晶在制作工艺过程中的稳定性问题。这些问题的解决尚需要科研工作者付出努力，才能完成。未来的研究目标将是：蓝相液晶的克尔常数超过100nm/V2，从而使驱动电压与普通的薄膜晶体管技术匹配；未光固化之前的蓝相液晶存在温度范围足
23、够大，保证光固化后的蓝相液晶系统具有稳定的性能；消除磁滞效应和暗态漏光，可以实现高对比度。第四章蓝相液晶显示器4.1引言4.3蓝相液晶显示器的模拟计算of43424.4本章小结习题4.2蓝相液晶显示器of4343第四章 蓝相液晶显示器习题1.蓝相液晶在满足普通Kerr公式和扩展Kerr公式情况下，有什么样的不同表现？2.为获得更大的Kerr常数，目前采用的方法有哪几种，你还能想到哪些方法？3.在蓝相液晶显示器中，降低或消除磁滞效应是否是其最重要的研究方向，为什么？4.对比沿面电场和垂面电场驱动的蓝相液晶显示器，在制作难易程度上的差别，以及在显示中的差别。5.凸起电极结构的制作难度是什么？6.蓝相液晶显示器的动力学响应过程，发生哪些行为，哪种为主要行为，哪种引起磁滞效应？7.蓝相液晶中的旋光效应主要来自于哪种物理机制？
