畢業(yè)論文聚合物穩(wěn)定藍相液晶顯示器

1、聚合物穩(wěn)定藍相液晶顯示器摘要聚合物穩(wěn)定藍相液晶具有電場誘導下從光學各向同性到各向異性轉換的特性，且無需表面處理，具有非常好的寬視角特性，響應時間在亞毫秒數(shù)量級，但仍存在兩個主要問題，即藍相液晶顯示器的驅動電壓仍然很高，光學效率很低。本文對共面轉換模式下的聚合物穩(wěn)定藍相液晶進行了數(shù)值模擬，在這個模擬中可以對藍相液晶在不同參數(shù):波長、克爾常數(shù)、電極尺寸下的電光曲線進行研究并討論了降低驅動電壓的方法。最后，介紹了優(yōu)化電極結構來達到降低驅動電壓的目的。關鍵詞：藍相液晶顯示器，克爾效應，感應雙折射率，電光曲線畢業(yè)論文外文摘要Modeling of Polymer-stabilized Blue Phas

2、eLiquid Crystal DisplaysAbstractPolymer-stabilized blue phase liquid crystal displays offer several attractive features: they do not require any alignment layer so that the fabricationprocess is simple; the voltage-off state is optically isotropic so that the viewing angle is wide and symmetric; the

3、 response time is in sub-microsecond range，so that it enables color sequential displays using RGB light emitting diodes. at present， two major challenges need to be overcome: high operating voltage and low optical efficiency. This letter discuss the detailed formulation of my numerical model that is

4、 useful for calculating the induced birefringence of BPLCs based on the Kerr effect in IPS cell. From this model， the dependence of BPLC electro-optics on different parameters such as wavelength， electrode conguration. Finally， potential approaches for reducing the driving voltage are discussed.Keyw

5、ords：blue phase liquid crystal displays ， Kerr effect ， induced birefringence prole， electro-optical properties1 引言膽甾相液晶顯示器是一種應用也很廣泛的顯示模式，藍相是分子重復扭曲排列的結果，藍相一般具有三種狀態(tài)，按照溫度從低到高為藍相1、藍相2、藍相3，分別具有體心立方、簡單立方和等方對稱結構；晶藍相1、2 晶胞的晶格常數(shù)通常為幾百個納米，所以該相態(tài)對紫外- 可見區(qū)顯示出布拉格衍射特性?！八{相”這個詞就來源于衍射光的顏色，許多藍相液晶能顯示出藍色，而有些則不顯示。對于膽甾相液晶顯

6、示器的研究內容很多，但是由于其為雙穩(wěn)或多穩(wěn)態(tài)顯示，因此它的響應時間通常較長。藍相液晶是膽甾相液晶中的一個重要狀態(tài)，藍相狀態(tài)早在液晶被發(fā)現(xiàn)的時候就被看到，只是其存在的溫度范圍很小（<1k），通過在藍相中添加少量的聚合物，藍相的溫度范圍可以被大大增加，60左右，在聚合物穩(wěn)定藍相液晶中，分子的動態(tài)性能沒有損失，電光響應非常迅速，又因為藍相本身為三維周期性結構，所以為光學各向同性液晶狀態(tài)，在電場作用下，可以變?yōu)楣鈱W各向異性狀態(tài)，其中涉及到了該狀態(tài)的電光克爾效應(藍相液晶具有三維周期性結構，并且在聚合物穩(wěn)定點的情況下，螺旋軸的方向不固定，因此液晶整體為各向同性相，夾在正交偏光片之間，表現(xiàn)出黑態(tài)，在

7、偏光片光軸對角線方向加電場，可以使液晶分子在這個方向上有優(yōu)先取向，從而在此方向上表現(xiàn)出液晶的光軸來，也就是在此方向上形成光學雙折射現(xiàn)象，也就是電光克爾效應)，用克爾參數(shù)來描述該液晶狀態(tài)在電場作用下的光學反應能力，在2008年出現(xiàn)了第一臺藍相液晶顯示器，繼而開始了藍相液晶顯示模式的研究。，圖1是藍相液晶顯示模式的顯示原理。因為該藍相液晶顯示模式的暗態(tài)為各向同性相，亮態(tài)為液晶光軸在偏光片對角線方向上，并且產(chǎn)生橫向電場的電極為IPS模式的電極，可以制作成雙疇模式，因此藍相液晶顯示模式具有非常好的寬視角特性，但該液晶顯示模式的驅動電壓很高，遠高于普通向列相液晶顯示器的10v以下的驅動電壓。圖1藍相液晶

8、顯示模式的顯示原理（IPS）聚合物穩(wěn)定藍相液晶顯示器有很多優(yōu)點：（1）它無需配向膜，所以裝配過程比較簡單；（2）藍相液晶顯示模式的暗態(tài)為各向同性相，亮態(tài)為液晶光軸在偏光片光軸對角線方向上，并且產(chǎn)生橫向電場的電極為IPS模式的電極，可以制作成雙疇模式，因此藍相液晶顯示模式具有非常好的寬視角特性；（3）響應時間在亞微米量級，所以能夠使用RGB發(fā)光二極管能夠產(chǎn)生連續(xù)的色彩顯示。但到目前為止藍相液晶顯示器的驅動電壓仍然很高，需要數(shù)值模擬藍相液晶顯示以找到降低驅動電壓的方法。在這個課題中，需要詳細的數(shù)值模擬用來計算在共面轉換的藍相液晶感應雙折射率，我們對藍相液晶在不同參數(shù)如波長、溫度、電極結構、盒厚下的

9、電光曲線進行了數(shù)值模擬，進而找到降低驅動電壓的方法。對于顯示裝置，一個藍相液晶盒放在兩片垂直的偏光片之間，來自IPS電極的橫向電場用來誘導入射光遲滯場，不加電壓時，每個小藍相單元是各向同性的，有相同的折射率，即黑態(tài)。當有外加電場時，存在誘導雙折射率，所以我們可以用以下思路來模擬藍相液晶顯示:運用差分法來計算藍相液晶盒上基板、下基板和盒內各處的電壓值，再由電壓值通過拉普拉斯方程計算各處的電場值進而計算藍相液晶的誘導雙折射率，最后計算藍相液晶的投射率。（1）了解藍相液晶的定義、結構及一些基本特性；（2）理解計算聚合物穩(wěn)定藍相液晶透射率的理論思想；（3）學習FORTRAN語言，應用FORTRAN語言

10、來完成模擬計算聚合物穩(wěn)定藍相液晶顯示的電光曲線程序的編程，并與實驗結果進行對比；（4）聚合物穩(wěn)定藍相液晶透射率的計算；（5）應用Origin81繪圖軟件，繪出藍相液晶盒的電光曲線。以下是基于克爾效應的藍相顯示模擬流程圖:2聚合物穩(wěn)定藍相液晶透射率2.1差分法差分法是常用的一種數(shù)值解法。它是在微分方程中用差商代替偏導數(shù)，得到相應的差分方程，通過解差分方程得到微分方程解的近似值。網(wǎng)格與差商:在平面上的一個以S為邊界的有界區(qū)域D上考慮定解問題。為了用差分法求解，分別作平行于軸和軸的直線族。做成一個正方形網(wǎng)格，這里為事先指定的正數(shù)，稱為步長；網(wǎng)格的交點稱為節(jié)點，簡記為。取一些與邊界接近的網(wǎng)格節(jié)點，用它

11、們連成折線，所圍成的區(qū)域記作。稱內的節(jié)點為內節(jié)點，位于上的節(jié)點稱為邊界節(jié)點（如圖2）。下面都在網(wǎng)格上考慮問題：尋求各個節(jié)點上解的近似值。在邊界節(jié)點上取與它最接近的邊界點上的邊值作為解的近似值，而在內節(jié)點上，用以下的差商代替偏導數(shù)：上式中的差商稱為向后差商，而稱為向前差商，稱為中心差商。也可用向前差商或中心差商代替一階偏導數(shù)。軸與軸也可分別采用不同的步長即用直線族做一個矩形網(wǎng)格。圖2差分網(wǎng)格圖22 聚合物穩(wěn)定藍相液晶電場的計算由于藍相液晶是光學各向同性的，如果晶格造成的衍射偏移處在可見光范圍，在垂直偏振片下將得到一個暗場，這時折射率橢球形變成一個正球形。最初液晶的結構沒有視角相關性，但是，當施加

12、電場的時候，雙折射出現(xiàn)了，光軸沿著電場的方向，折射率橢球變成了一個沿著電場方向拉長的橢球體。藍相的電控雙折射類型為光學各向同性和各相異性之間切換，當施加電場的時候獲得一個從零到特定值的雙折射。當電場強度很小時，誘導雙折射的大小正比于電場強度的平方。利用差分法計算電壓值，首先對藍相液晶盒進行分層，橫向分為N層，縱向分為M層，設電極寬度為，電極間距為，盒厚為d，選一個周期，則，則電極所占的格子數(shù)為：，電極間距所占的格子數(shù)為：，然后計算液晶盒基板處和液晶盒內部各處的電壓如圖3，設電極電壓分別為V1、V2，（1） 上基板電壓分布：差分法:選無窮遠處為零勢能點，則有整理，解得把這一項略去，上式可近似為:

13、（2） 對于下基板的電壓分布如圖3所示，下基板的分層結構：圖3 下基板電極分層結構（3）盒內電壓分布：再根據(jù)計算液晶盒的電場強度：邊界處電場強度：盒內電場強度：23聚合物穩(wěn)定藍相液晶透射率的計算最后計算透射率，如圖4，高的透過率出現(xiàn)在電極之間。液晶盒的邊界處透射率的計算：誘導雙折射率：透射率：液晶盒內透射率的計算：誘導雙折射率：平均折射率：電場的誘導折射率：液晶分子與電場之間的夾角：由圖4和圖5可以看出在共面轉換場模式中，像素電極和公共電極之間的區(qū)域有相對較大的強水平電場，所以在兩電極之間的區(qū)域內呈現(xiàn)了較大的透過率。同時，只有水平電場對透過率有貢獻，所以在電極的表面，不管多大的電壓，透射率都是

14、可以忽略的。圖4電壓分布圖圖5透射率T隨X軸的分布（，）3模擬結果31不同波長的V-T曲線共面轉換藍相液晶顯示模式中，只是在底部存在薄電極片再加上小的克爾常數(shù)，設備的驅動電壓就會很高。在共面電場藍相液晶盒中，透光率來源于每個藍相單元的遲滯作用，小的波長，大的克爾常數(shù)，得到大的值，可以降低驅動電壓。圖6模擬的是在共面電場中，藍相液晶盒（電極寬度為，電極間距為）在不同波長下的V-T曲線。如果藍相液晶擁有大的克爾常數(shù)就會有大的誘導雙折射率，也就會降低驅動電壓，如圖6所示，驅動電壓的降低可以減少裝置能量的消耗。液晶分子的指向矢不受波長的影響，但誘導雙折射率依賴于波長，所以在不同的波長下繪制出的V-T曲

15、線不同，可以描寫為：其中為共振波長，G是常數(shù)，可以通過測量藍相液晶在兩個波長下的K值來得到G和值。如圖6所示，在不同波長，和相對應的克爾常數(shù)，的藍相液晶的電光曲線，由圖6可以看出，隨著波長的減小及對應的克爾常數(shù)的增大，驅動電壓有相應減小，這是因為在相同的驅動電壓下，誘導相遲滯與波長成反比，一個小的波長會有一個大的誘導相遲滯；在正常色散條件下，誘導雙折射率隨波長的增大會相應的減小。圖7是在波長，不同克爾常數(shù)下藍相液晶的電光曲線，由圖7看出，在同一個共面轉換藍相液晶顯示模式中，隨著克爾常數(shù)的增大，驅動電壓會有相應的減小，當增加克爾常數(shù)為原來的50倍，驅動電壓由45v下降至6v，大致上符合。圖6V-

16、T曲線，波長，對應的克爾常數(shù)分別為，圖7 波長，不同克爾常數(shù)的V-T曲線32不同電極間距的V-T曲線在一個IPS盒中，在兩個電極之間水平電場為主，在電極表面存在豐富的垂直電場。由于每一個誘導雙折射率都依附于電場分布，電場誘導的折射橢球在整個液晶盒內，逐漸由垂直向水平，從電極中央到電極間距之間，由于藍相液晶與偏光片的傳輸光軸成，誘導只有從橫向電場誘導才有助于整體透過率。其實，只有水平電場對藍相液晶的透過率有作用，所以，可以通過創(chuàng)建一個強的水平電場，使他深入穿透液晶層來加強透過率且降低驅動電壓。在IPS結構中，通過減小電極間距來增大水平電場，圖8模擬在不同電極尺寸的V-T曲線，一個小的電極間距，會

17、導致一個強的電場，則會降低驅動電壓，一個大的值會有高的透過率，但是隨著極間距離l的減小，向頂部滲透的電場變弱，會使透射率降低。在IPS藍相液晶盒中，大的透過率出現(xiàn)在電極之間，即使在一個很高的電壓下，電極上的透過率也是可以忽略的，因為橢圓折射光軸與入射光軸基本平行，另外，在一個常規(guī)的旋共面電場中，在兩個電極之間，液晶分子的水平旋轉也會在電場表面創(chuàng)造一個弱的共面液晶旋轉，由于液晶是一種連續(xù)性物質，所以在電極上也會出現(xiàn)一個弱的透過率，這也加強了整體的透過率。圖8 共面電場藍相液晶盒在不同電極尺度下的V-T曲線由圖8看出，驅動電壓的降低與電極寬度和電極間距l(xiāng)的縮小不成比例，即使電極寬度和間距都縮小到2

18、um，驅動電壓仍然很高，這個問題源于電場由液晶盒底部到頂部的分布被粗略的認為是與成比例，所以一個小的電極寬度和電極間距可以在低電壓下產(chǎn)生強的電場，但誘導雙折射率與大的電極尺寸相比仍很低。3.3優(yōu)化電極形狀降低驅動電壓采用普通IPS電極結構水平電場強度沿z 的正方向減弱，即越靠近上玻璃極板水平電場越弱，聚合物穩(wěn)定藍相液晶的驅動電壓之所以高，根本上是因為電極間電場的強度不夠高，電極間距減小會降低對液晶層的穿透深度，但這樣會導致藍相液晶的光學效率降低，克服這一問題優(yōu)化電極結構是比較好的方法。3.3.1 蝕刻底層的IPS電極經(jīng)過蝕刻的共面轉換電極可以產(chǎn)生雙透射邊緣電場，藍相液晶分子填注蝕刻的底層產(chǎn)生相

19、遲滯有助于降低驅動電壓，同時，在蝕刻區(qū)域存在多個對稱域可以獲得寬視角，但是其制造過程比較復雜。圖9 雙透射邊緣電場藍相液晶顯示圖3.3.2 梯形電極電極之間產(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，圖9所示，水平電場分量在電極平面內較大，越向上越小，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，梯形橫截面電極間產(chǎn)生的水平電場分量比普通矩形橫截面電極間的要大，所以梯形電極的開態(tài)的電壓小，且梯形橫截面電極產(chǎn)生的電場能更加深入地滲透進入到頂部，所以有較高的透明度。圖10梯形橫截面電極模式的藍相液晶圖 墻形電極藍相液晶顯示器無需配向膜和表面處理，所以電極高度和形狀不

20、會影響藍相液晶顯示的黑態(tài)， 在此結構中，液晶層垂直方向上的電場強度分量是一致的，墻形電極之間存在相同強度的水平電場，相同的誘導雙折射率，所要求的驅動電壓會減小，但增加了顯示的價格。 圖11 墻形電極模式的藍相液晶顯示圖3.3.4波浪形電極 采用波浪形電極結構可以獲得比采用梯形橫截面電極結構更低的驅動電壓和更高的透射率。且制造不復雜。周期性波浪形電極可以產(chǎn)生強的水平電場且電場深度穿透整個液晶層，從而獲得低電壓和高透射率。波浪形電極的傾角越大，水平電場分量就越強，驅動電壓便越低；波浪形的周期越長，在轉角處的透明死區(qū)面積比率降低，透射率便越高。采用一個適度的克爾常數(shù)，驅動電壓可以降低到10Vrms圖12波浪形電極模式的藍相液晶顯示圖3.4 應用聚合物穩(wěn)定藍相液晶具有可加工性、粘合性和特殊的光學性能，所以可以用藍相液晶制作高衍射效率和亞豪米響應時間的可調光柵；通過插入藍相液晶盒獲得可控視角的顯示，視角可以隨著電場對藍相液晶層誘導雙折射率的改變而改