藍相液晶技術(shù)的進步

　　引言

　　藍相液晶由于其優(yōu)異的特性，已引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛注意。為了早日實用化，人們對聚合物穩(wěn)定藍相液晶（polymer- stabilized- blue phase liquidcrystal，PS- BPLC） 所面臨的問題進行了大量的研究，下面對這些研究工作作綜合介紹。

　　1 藍相液晶的優(yōu)缺點

　　藍相液晶（blue phase liquid crystal，BP- LC）較之目前常用的TN 型液晶具有下列優(yōu)點：

　?。?）具有亞毫秒的響應(yīng)時間，不但使液晶顯示器有可能實現(xiàn)場序彩色顯示模式，還可以大大降低動態(tài)偽像，而場序彩色顯示模式顯示器的分辨率和光學(xué)效率是常規(guī)的3 倍；

　　（2）不需要定向?qū)樱梢源蟠蠛喕乒芄に囘^程；

　　（3）暗場時光學(xué)上是各向同性的，所以視角大，并且非常對稱；

　　（4）只要液晶盒的厚度大于一定值，其透明度對液晶盒的厚度不敏感，所以特別適于制作大顯示屏。

　　BP- LC 實用化曾經(jīng)面臨的嚴(yán)重問題是藍相存在的溫度范圍太窄，它只存在于手性向列相（膽固醇相）與澄清相（各向同性）之間的0.5～2℃范圍中。而隨著聚合物穩(wěn)定藍相液晶的發(fā)現(xiàn)，BP- LC 存在的溫度范圍已擴展到- 10～50℃，但是仍然面臨下列兩大問題：

　?、?驅(qū)動電壓太高。如果采用如共平面開關(guān)結(jié)構(gòu)（IPS）液晶盒中的交叉指電極，當(dāng)BP- LC 的Kerr 常數(shù)K 為約10nm/V2 時，驅(qū)動電壓約為50Vrms；

　　② 透明度不夠高，只有約65 %。

　　2 藍相液晶的工作原理

　　為了后續(xù)敘述方便，需要對BP- LC 的工作原理作一簡單的說明。

　　BP- LC 的工作原理是基于Kerr 效應(yīng)。將藍相液晶置于兩平行電極板之間就構(gòu)成一個Kerr 盒，外加電場通過平行電極板作用在BP- LC 上，在外電場作用下，BP- LC 就變?yōu)楣鈱W(xué)上的單軸晶體，其光軸方向與電場方向平行。當(dāng)線偏振光以垂直于電場的方向通過BP- LC 時，將分解為兩束線偏振光，一束的光矢量沿著電場方向，另一束的光矢量與電場垂直。

　　它們的折射率分別稱為正常折射率n0 與反常折射率ne。藍相液晶是正或負雙折射物質(zhì)，取決于ne- n0值的為正或負。

　　式中，λ 是入射光的波長，K 是Kerr 常數(shù)，E 是外加電場。由于藍相液晶有較強的Kerr 效應(yīng)，所以公式（1）只適用于未飽和前的較小電場情況。

　　但是Kerr 盒的結(jié)構(gòu)是不適用于顯示器的，因為按標(biāo)準(zhǔn)Kerr 盒結(jié)構(gòu)，電壓是加在兩平行電極板之間，即電場是垂直于電極板的，入射光要與電場垂直必須從兩平行電極板之間入射。作為顯示器，入射光是垂直于兩平行透明電極板入射的，要產(chǎn)生與入射光垂直的電場，只能將平行電極制作在下透明電極板上。為了增強電場，每組兩平行電極必須很靠近，即做成如共平面開關(guān)結(jié)構(gòu)液晶盒中的交叉指電極結(jié)構(gòu)。

　　在液晶盒上、下各置一片偏振方向互相垂直的偏振片，當(dāng)液晶盒上無電場時，BP- LC 的表現(xiàn)如同一個各向同性介質(zhì)，與上偏振片偏振方向相同的入射偏振光透不過液晶盒，呈現(xiàn)一個黑背景；當(dāng)液晶盒上加有電場時，BP- LC 的表現(xiàn)如同一個具有雙折射特性的單軸晶體，其Δn 隨外加電場的平方而增加，透過的光強度也隨之增加，達到利用BP- LC 的Kerr效應(yīng)，用外電場實現(xiàn)調(diào)光的目的。這類器件透射率T與相位延遲的關(guān)系為：

　　式中，Ψ 是BP- LC 的光學(xué)軸與偏振片的一個透射軸之間的夾角，di 是BP- LC 層中有效雙折射的厚度。為了獲得最大的透射率，Ψ 應(yīng)取45°，diΔni應(yīng)等于λ/2。

　　3 設(shè)計合適的電極結(jié)構(gòu)以降低驅(qū)動電壓

　　3.1 采用梯形橫截面交叉指電極結(jié)構(gòu)降低驅(qū)動電壓

　　如圖1 所示。電極之間產(chǎn)生的電場只有水平電場分量對透射率有貢獻，其垂直分量是沒有用的。水平電場分量在電極平面內(nèi)較大，越向上（即越靠近頂部玻璃）越小，為了使頂部的液晶在“開”態(tài)時也有足夠的透射率，必須加大極間電壓。普通矩形橫截面電極間的水平電場分量比梯形橫截面電極間的要小，所以前者“開”態(tài)的電壓大。

　　采用梯形橫截面電極，當(dāng)w2=2μm，w1=4μm，h=2μm 和l=4μm 時，“開”態(tài)電壓為17Vrms，而透射率約為71%。

　　采用矩形橫截面電極，當(dāng)w2=w1=4μm，h=2μm和l=4μm 時，“開”態(tài)電壓為38Vrms，而透射率只有約66.5%。

　　比較上列數(shù)據(jù)可以看出，采用梯形橫截面電極可以顯著降低“開”態(tài)電壓而又維持較高的透明度，原因在于梯形橫截面電極產(chǎn)生的電場能更加深入地滲透進入頂部。

　　是否可以依靠減少極間距離l 來降低“開”態(tài)電壓呢？當(dāng)極間距離l 減少時，同樣電壓情況下，電場增強，“開”態(tài)電壓必然會降低。如采用梯形橫截面電極，仍然取w2=2μm，w1=4μm 和h=2μm，而l 分別為4μm、3μm、2μm 時，“開”態(tài)電壓分別對應(yīng)為17Vrms、13Vrms、9.9Vrms。但是隨著極間距離l 的減小，向頂部滲透的電場變?nèi)?，會使透射率降低。因此極間距離l 的選取要綜合考慮“開”態(tài)電壓和透射率這兩個矛盾的因素。

　　采用梯形橫截面電極對，可以將藍相液晶顯示器（BP- LCD）的“開”態(tài)電壓Vop 降低到約10Vrms，而又維持合理的高透射率。

　3.2 尋找最佳電極形狀降低驅(qū)動電壓

　　本節(jié)所討論的PS- BPLC 盒中電極的尺寸為：電極寬度w =5μm，電極高度h=3μm，當(dāng)為平板結(jié)構(gòu)時尺寸為：h=0.03μm，極間距離l=10μm，上下玻璃極板間距為10μm。只加一片偏振片時透射率為41%，加兩片互相平行的偏振片時透射率為35%。取K=62nm/V²。

　　對普通IPS、矩形、橢圓頂和反橢圓頂四種電極結(jié)構(gòu)（圖2- a） 模擬計算了器件的透射率- 電壓（T- V）曲線（圖2- b）。由圖可知，采用普通IPS 電極結(jié)構(gòu)時，Vop=106V，透射率T=24.8%；采用矩形電極結(jié)構(gòu)時，T 沒有什么變化，但是Vop 只有46V，其原因是矩形電極結(jié)構(gòu)中的水平電場沿z 方向不變；采用橢圓頂電極結(jié)構(gòu)時，T 只有不大的改善，但是Vop 增加了；采用反橢圓頂電極結(jié)構(gòu)時，T=32%，透射率比采用普通IPS 電極結(jié)構(gòu)時改善了29.8%。從提高透射率方面來講，反橢圓頂電極結(jié)構(gòu)是四種電極結(jié)構(gòu)中最好的，但是Vop 仍然偏高。圖2- c 所示為三種不同的電極形狀附近的透射率分布，可以清楚地說明為什么采用反橢圓頂電極結(jié)構(gòu)時透射率最高。圖3所示為四種電極結(jié)構(gòu)下的電場分布。采用普通IPS電極結(jié)構(gòu)（圖3- a）時，水平電場強度沿z 的正方向減弱，即越靠近上玻璃極板水平電場越弱，所以Vop高；采用矩形電極結(jié)構(gòu)（圖3- b）時，水平電場強度沿z 方向不變，所以Vop 低；采用橢圓和反橢圓電極結(jié)構(gòu)（圖3- c、d）時，水平電場強度沿z 的正方向的分布介于圖3- a 和圖3- b 之間。

　　3.3 采用波浪形電極結(jié)構(gòu)降低驅(qū)動電壓

　　采用波浪形電極結(jié)構(gòu)可以獲得比采用梯形橫截面電極結(jié)構(gòu)更低的驅(qū)動電壓和更高的透射率，其整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。液晶盒被夾在偏振方向互相垂直的兩偏振片之間，為常黑模式。上下襯底表面都做成波浪形，兩表面上的導(dǎo)電層構(gòu)成公共（COM）電極和像素（PIX）電極。波浪形電極的傾角α 越大，水平電場分量就越強，驅(qū)動電壓便越低；波浪形的周期越長，在轉(zhuǎn)角處的透明死區(qū)面積比率降低，透射率便越高。波浪形表面襯底可以采用模壓或印刷工藝獲得，實現(xiàn)并不困難。在對圖4 結(jié)構(gòu)進行模擬計算時，取波浪形的周期為40μm、傾角為60°、Kerr 常數(shù)K 為12.7nm/V²。液晶盒的間隙d 取3.5μm，但是垂直入射光經(jīng)過BP- LC 的距離更長，為d/cosα。

　　指定的八個灰度等級及其對應(yīng)的作用電壓如圖8 所示，測量響應(yīng)時間時使用的驅(qū)動交流波形的周期組成為：10ms 高壓跟隨40ms 低壓。測量獲得的各灰度等級之間轉(zhuǎn)換時的響應(yīng)時間如表2 所示，表中T10 表示歸一化透射率為10%，器件上所需加的電壓可由圖8 查出，為58.1V，其余類推。如果將表2 中所有X連成一根斜線，該斜線將矩形表分成上下兩個三角形。則上三角形中的數(shù)據(jù)為由低灰度等級向高灰度等級變化的響應(yīng)時間，即上升時間；下三角形中的數(shù)據(jù)為由高灰度等級向低灰度等級變化的響應(yīng)時間，即下降時間。

　　由表2 可知，所有的上升時間和下降時間都小于400μs ，全部的響應(yīng)時間小于1ms。增加驅(qū)動電壓可減少上升時間，但下降時間與驅(qū)動電壓無關(guān)。

表2 測量獲得的各灰度等級之間轉(zhuǎn)換時的響應(yīng)時間

　　GLEESON 和Coles 在研究BP- LC 全開狀態(tài)和全關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時給出了上升時間和下降時間的公式（3）、（4）。式中γ1 是扭曲粘度系數(shù)，Ec 是臨界電場，Vc 是臨界電壓，Δε 是BP- LC 介電常數(shù)各向異性。公式（3）表明下降時間與驅(qū)動電壓無關(guān)；公式（4）表明上升時間隨驅(qū)動電壓V的增加而下降。

　　用公式（5）可以計算GTG 的上升時間，式中的Vb 是達到后一個灰度等級所需加的電壓。實驗證明用公式（5）計算所得的數(shù)據(jù)與測量值很接近。

　　以上研究說明BP- LC 的GTG 響應(yīng)時間也足夠短，并且可以采用過驅(qū)動技術(shù)來降低GTG 的響應(yīng)時間。

　　5 用μ -IR 和μ -MS 分析懸浮在BPLC中單體的聚合度

　　PS- BPLC 是一種最重要的寬溫度范圍BP- LC，需要在BP- LC 中形成一個聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常采用紫外光（UV）處理懸浮在BP- LC 中的聚合物單體，處理后形成的懸浮在BP- LC 中的聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其聚合度，很大程度上決定了PS- BPLC 的溫度特性。

　　測試LC 中單體聚合度的基本思路是：設(shè)法將LC 中未被聚合的單體全部萃取出來，稱出其重量，由于原先加入LC 的單體總量是已知的，由此可以計算出聚合度。由于PS- BPLC 中在聚合前進入的單體含量較少（<10%），因此只能采用色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用（GC- MS） 分析方法或液相色譜- 質(zhì)譜聯(lián)用（LC- MS）分析方法。這兩種方法的缺點有兩個：（1）因為不能肯定是否已將未被聚合的單體全部萃取出來，所以由此計算出的聚合度并不是很準(zhǔn)確；（2）測得的聚合度只是LC 盒中整體的平均值，無法獲悉各層中的單體聚合度。采用微觀分析法（例如微觀紅外光譜法μ- IR、微觀采樣質(zhì)譜法μ- MS）則可以直接深入洞察LC 盒中每一個小區(qū)域中的聚合物和單體，即使LC 中原加入單體的含量<1%。

　　用μ- IR 可以獲得功能團的信息；用μ- MS 不只可以獲得微量不純物的信息，還能獲得聚合物的分子結(jié)構(gòu)。μ- MS 是一種新的微觀分析方法，具有三大特點：（1）可以分析納克（ng）量級的微觀樣品；（2）可以分析高揮發(fā)性物質(zhì)；（3）能獲得更準(zhǔn)確的熱譜。μ- MS 分析示意如圖9 所示。

　　用上述兩種微觀分析方法分析了一個摻有10% 單體的BP- LC 盒不同層中的聚合度和剩余單體的比例，結(jié)果如下：

　　UV照射前，LC 層中的聚合度為5%，前后兩個界面上的聚合度為30%，但聚合物的結(jié)構(gòu)不完整；UV照射后，LC 層中的聚合度為90%，UV入射面的界面上的聚合度為98%，背面的界面上的聚合度為95%。

　　6 提出指數(shù)收斂模型來解釋PS -BPLC 中的擴展Kerr 效應(yīng)

　　PS- BPLC 具有Kerr 效應(yīng)， 當(dāng)電場較弱時，PS- BPLC 雙折射引起的折射率差Δn 與電場E 的關(guān)系如公式（1）所示；但是，當(dāng)電場變強時則出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。后者被稱為擴展（extended）Kerr 效應(yīng)，可以用指數(shù)收斂模型來表達，這時折射率差Δn 與電場E 的關(guān)系用公式（6）表示：

　　式中，Δnsat 為飽和折射率差，Es 為飽和電場。如果將（6）式用冪級數(shù)展開，當(dāng)電場較弱時可只取第一項，公式（6）便變成公式（1）。

　　Δnsat 與Es 之值需要用實驗確定，以使實驗測得之值與由公式（6）計算得出之值互相符合。實驗使用的PS- BPLC 由49%（重量）Merck BL- 038、27%手性試劑（CB15 和ZLI- 4527）和24%反應(yīng)單體（RM257 和EHA）組成，在40℃下用UV聚合。對于這種情況，由實驗測得的Δnsat=0.038，Es=13.9V/μm。

　　實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)符合很好，如圖10 所示。

　　7 結(jié)論

　　由于TN 型TFT- LCD 已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平，并且已進入大規(guī)模生產(chǎn)，實現(xiàn)了價廉物美。以PS- BPLCD 為代表的藍相液晶顯示器雖然較之前者具有巨大的優(yōu)勢，預(yù)示著更加美好的發(fā)展前途，但是從三星的BP- LCD 樣機來看，與前者的差距還是比較大的。早期的TN 型TFT- LCD 較之CRT 也存在過巨大的差距，但是隨著多年來大量研發(fā)資金的投入，克服了一個個難點，終于把CRT 擠出了顯示器市場。可以相信，只要在BP- LCD 上投入足夠的研發(fā)資金，說不定哪一天BP- LCD 就可以在市場上與TN 型TFT- LCD 決一高下。其實，這何嘗不是我國平板顯示界追趕世界先進水平的一個良好機會。