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预倾角对液晶响应时间的影响

2024-08-10 来源:步旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com Xiangyi Nie等:预倾角对液晶响应时间的影响 文章编号:1006—8268(2008)01/02—0007—05 预倾角对液晶响应时间的影响 Xiangyi Nie,Haiqing Xianyu,Ruibo Lu,Thomas X.Wu,IEEE高级会员, and Shin—Tson Wu,IEEE会员 (中佛罗里达大学光学光子学院,美国奥兰多) 摘要:从理论上分析了预倾角对液晶动力学的影响,推导出一系列可用于描述预倾角非0条 件下的液晶响应分析公式。使用垂直取向的液晶盒能够通过实验验证理论分析的正确性,这一 发现将预倾角与液晶响应时间定量的联系在一起 对预倾角和液晶响应时间的关系的研究,将 加深我们对液晶动力学过程的理解,从而有助于优化液晶的响应时间。 关键词:液晶:预倾角;响应时间 中图分类号:TN141.9 文献标识码:A Pretilt Angle Effects on Liquid Crystal Response Time Xiangyi Nie,Haiqing Xianyu,Ruibo Lu,Thomas X.Wu,Senior Member,IEEE, and Shin—Tson Wu,Fellow,IEEE (College of Optics and Photonics/CREOL,University of Central Florida,Orlando,USA) Abstract:Pretilt angle effect on liquid crystal dynamics is analyzed theoretically.Analytical expressions are derived to describe liquid crystal response time under nonzero pretilt angle conditions.The theoretical analysis is confirmed experimentally using vertically aligned liquid crystal ceHs.This inding quantitatively fcorrelates pretilt angles with liquid crystal response time.This study improves the understanding of the liquid crystal dynamic process which is helpful for optimizing liquid crystal response time. Keywords:liquid crystal(LC);pretilt angle;response time 1 前言 液晶(LC)nR应时间在显示应用中具有关键性的 是迄今为止,还没有相关方面的细致的理论研究。本 文中我们推导出了一系列可用于描述LC动力学(包 括预倾角效应)的分析公式,此类分析适用于有预倾 角的LC设备,诸如具有液晶分子长轴平行于基板取 向的透反式显示器I删,以及具有垂直取向的硅基液晶 (1iquid crystal on silicon,LCoS)显示器1日 。为了验证 作用。响应时间过长会导致图像模糊,因此需要避免 这种情况。LC响应时间主要受到基板表面处理的影 响,对基板进行适当处理之后,向列相液晶的指向矢 会沿着某一从优方向取向,这一方向就叫做预倾角【1I。 预倾角对于液晶盒的动力学过程具有重要影响 ,但 理论分析,我们制备了一系列具有不同预倾角的垂直 取向(vertically aligned,VA)的液晶盒。实验中,我们 发现大的预倾角确实在很大程度上影响了液晶响应 收稿日期:2007—12—05 Jan./Feb.,2008,总第83184期 现代显示Advanced Display 7 维普资讯 http://www.cqvip.com Xiangyi Nie等:预倾角对液晶响应时间的影响 时间,这些实验结果与我们理论分析的结果一致。 是液晶盒中央处指向矢的最大形变角(0 lz--o=0 m)。如 果顶部和底部基板有不同取向条件,那么0。≠0,方 2 原 理 图1显示的是夹在两片平行基板中的一层垂直 取向的向列相液晶,其中z=一d/2和z=+ 2分别代 程(3)中方括号内的两项都需要考虑。在本文中,为 简单起见,我们假定顶部和底部基板的预倾角是对 称的,因此0。=0。 在预倾角0。为O且锚定能很强的情况下,则 满足以下的边界条件: Oz:一表底部和顶部基板,Z轴垂直于基板平面,而电场E 沿着z轴方向。 譬,譬=0p=0. (4) 项部基板 j 厂一 I E 由式(3)和(4)可得到如下典型的衰减时间(T d) 和上升时间(T r)/i ̄: I 【 1 } 1 I  『丙 一l( ) 一 1. (5) Z I I 3'1d (6) —/ ̄33—"K2 l I  II I X 在公式(5)中,T。是自由弛豫时间,就是说在衰 底部基板 减的过程中偏 ̄,(bias voltage)为O。在公式(6)中,阈 图1 垂直结构液晶盒示意图 值电压定义为:  、如果不考虑背流(backflow)gn惯性效应,描述液 晶指向矢的Erickson—Leslie方程可以简化为以下 (7) 形式f8】f9】: (/ ̄11 sin2 0+/{33 cos2 0) +( 3 1) 如果预倾角不为0,则 ×sin0 cos0( )2 △ siI 刚: 瓦0O(1) z:一辱,粤=0p≠0. (8) 在方程(1)中,y1是液晶指向矢的旋转黏滞系 数,K 和K∞分别代表展曲和弯曲弹性系数, 公式(3)在z=一(d/2)gn z=d/2处应满足如(8)式 E。△E E 是电场能量密度,△E是液晶的介电各向 所示的边界条件。由公式(3)gneb式(8),可得到口: 异性,0是形变角,定义为Z轴与液晶指向矢之间的 夹角。 = 方程(1)基本上只能是数值可解的,但是,当形 ( ). 变角很/J ̄(sin 0—0)(小角近似) 以及K33~K 1 (单 考虑到预倾角效应,我们根据公式(2)可推出新 弹性系数近似)时,Erickson—Leslie方程可以化简 g-j响应时间公式: 为: = = L/32K(1 0) 33 。 △ : O瓦0 (2) 1 ’ (1 1) 方程(2)有如下通解: 通常情况下,最大形变角远大于预倾角,即 0=【0 si ̄(Zz)+0  ̄os(Zz)】.exp(一th-). (3) 0 >>0。O在这种情况下, ̄-Y;(9)5b的COS 0项能做 如果垂直取向液晶盒的项部和底部基板经过相 以下近似: 同处理,那么0。就为0。在某~给定的电压下,0 8 现代显示Advanced Display Jan./Feb.,2008,总第83/84期 维普资讯 http://www.cqvip.com Xiangyi Nie等:预倾角对液晶Ⅱ向应时间的影响 c0s ( ) 三~ ㈡2 (1 3) 于上升和衰减时间之和。上升时间主要取决于所施 加电压,一般比衰减时间小得多,而且使用过压驱动 技术(overdriving technique)u-I-以进一步缩短上升时 由此,我们可得到响应时间为 间。因此,在本文中我们主要讨论液晶的衰减时间。 3 实 验 一 Js。 一IA ̄IEz一 (三一别 一 )J (1 4) 为了证实理论分析的正确性,我们研究了各种 不同的垂直取向的液晶盒(VALC cells),它们具有不 同的预倾角。例如,两个有经过相同摩擦处理的聚酰 亚胺的VA液晶盒,它们具有很强的锚定能(>4 x 严格来讲,当预倾角不为O时,尽管由电压决定 的透光率仍然存在类阈值现象,但是液晶阈值电压 不再存在。简便起见,我们假定阈值电压仍然存 在,这时公式(14)可以化简为: 一1O /m ),以致锚定能对液晶响应时间的影响可以 忽略不计。这些液晶盒的预倾角和衰减时间分别是 (15) 1 2 在室温(4~2O℃)以及波长 =633nm的条件下测 得。我们已经知道,即使取向的条件相同,但预倾角 当预倾角为零时,正如预期所料公式(13)和(15) 可以简化为公式(5)和(6)。公式(1 3)和公式(1 5)表明液 是取决于液晶材料的”。1114I。因此液晶盒的预倾角对于 液晶动力学的影响仍然可能不同。 在我们的实验里,VA液晶盒夹在两片正交偏光 晶的响应时间也取决于8 ,而8 则由所加电压决 定。 的偏振片之中,并在其上施加了 的偏压, 对应 的是第一次透光率达到最大值时的电压,在此条件 下整个相位改变了 。=Tr。在t=0时瞬间释放电 在参考文献 中发现,当 接近 时,预倾角 效应更加明显。本文中推导出的公式进一步证实了 所加偏压对液晶响应时间的影响,随着 的减小 8 也呈减小的趋势。 图2 是由外加电压与8 关系的模拟结果。在 <V<4Vt 区域,8 随着电压的增加迅速增大,并 且在V~4V, 处8 最终达到9O。。预倾角同样也 压,则时间决定的透光率能够转换成瞬态相位衰减, 用 ft)表示[151 (£)≈80 exp(~2t/%) (1 6) 由公式(1 6)可知,T。可以从时间与In( 0, (t)) 关系曲线的线性区间计算得到。 在第一项实验中,我们在一厚度为6.97 u m的 会影响8 ,特别是当 稍大于 时。 最 大 形 变 角 e (O) 透 过 塞 电压(Vnms) 图2 最大形变角0 与外加电压、预倾角8。的 关系,用‘于模拟的液晶参数为:As=-4.2, 2.19V ,K11 16.7pN, 18.1pN 图3厚度为6.971xm的液晶盒在波长A=633nm 时透光率与电压的关系曲线,实线是实验 结果,点线和虚线分别是 为10.5。和0.1。 时的模拟结果 现代显示Advanced Display 9 对于一个LCD器件,其整个响应时间通常取决 Jan./Feb.,2008,总第83/84期 维普资讯 http://www.cqvip.com Xiangyi Nie等:预倾角对液晶响应时间的影响 液晶盒中填入一种光学负性的液晶材料A。这种液 晶材料是一种经过修饰的MLC一6608混合物,购于 Merck公司。通过对实验数据的数值拟合,确定预倾 角为10.5。。 相同。在此液晶盒中,我们填入了一种市售光学负向 液晶混合物B(MCL一6608)。在20℃时,混合物B的 液晶参数为:n。=1.4778,Re=1.5578( =633nm), △E=-4.2,y 1-1 86mPas, 1=1 6.7pN, =侣.1 图3为在波长 =633nm和温度约为20。C的 pN。类似于第一项实验,通过拟合得到预倾角为 条件下,液晶盒的归一化透光率与电压之间的关系。 为便于比较,图中也分别绘出了预倾角为10.5。和 0.1。时的数值模拟曲线。大的预倾角减弱了阈值现 象,并降低了有效阈值电压。从图3中我们可以看 3.5。。由于此预倾角较小,当 =3.63V 时透光率 最大, 。="IT。采用与第一项实验相同的方法测出 T。约为644ms,根据公式(5)理论计算得到T。约为 52ms,与实验值相差约23%。考虑到3.5。的预倾 角,根据公式(13)可算得T o为56mS,相对更接近实 验结果。我们也测试了其他一些使用不同光学负性 液晶材料的VA液晶盒,他们的预倾角都比较,J、( <2。),在这种条件下,预倾角对液晶响应时间的影 响可以忽略不计,这一结果与我们理论分析的结果 相吻合。 到,当 为3.25 时透光率最大,对应于 0="IT。 为了测量衰减时间,我们释放了偏置电压并用Lab— VlEW系统记录了电压决定的透光率。如图4所示, 透光率就转换成了瞬态相位改变。根据实验数据曲 线的线性区间斜率,可以得到T。约为59 2.5ms。如 我们使用了基于有限元方法(finite—element method,FEM)的数值模拟来解方程(1)j这样就能避 免在理论分析时用到单常数近似(one—constant approximation)币口,J、角近似(small—angle approxi— mation)。如图5所示,模拟结果证实T 0随着预倾角 8。的增大而增大,这一结论与我们理论分析的一 响 图4 6.971xm厚的液晶盒ln『,So/6(t)】与时间的关系。 点代表的是试验结果.实线是拟合曲线,直线 的斜率为0、0338/ms,丁n约为59ms 应 时 间 T 0 (ms) 果不考虑预倾角效应,则根据公式(5)算得T。为 42ms。测量的实验结果比理论计算值约大40.5%, 这个差异是非常大的。如果我们使用修饰过的公式 (13)的话,得到的T。约为52ms,仅比实验值小约 预倾角(0。) 图5 预倾角0p与液晶响应时间 的关系。实线表示 的是Erickson-Leslie方程【(1)】的数值解。圆圈是 使用液晶混合物B的试验结果。虚线是公式 111.3%。在公式(13)中,数值模拟得到8 约68。。 通过比较实验与两种理论模拟结果(考虑预倾角效 应与否),我们发现推导出的理论公式(13)能非常好 (13)的计算结果(K= ),它采取了小角(small 地描述预倾角效应,这表明之前所提到的差异主要 源自预倾角效应。除此之外,液晶中的背流效应也可 能导致理论与实验结果偏离。 然而,在低运行电压下,薄VA液晶盒内的背流 效应相对是非常小的。 在第二项实验中,我们测试了一个厚为 7.10 u m的液晶盒,其表面处理方法与第一个样品 angle)和单一弹性常数(one—elasitc constant) ̄ 似。点线也是由公式(13)得到的,只是K33由 K=(K1 +K33)/2取代。液晶盒的厚度d= 7.101 ̄m,偏置电压 =3.63 。 致。根据公式(13),绘出了两条采用不同弹性常数值 的曲线,弹性常数分别是 和K-( + )/2。在 处理有关VA液晶盒动力学相关问题时,通常取 10现代显示Advanced Display Jan./Feb.,2008,总第83184期 维普资讯 http://www.cqvip.com

Xiangyi Nie等:预倾角对液晶响应时间的影响 ,但是在这里取K=(K1 + )/2时分析结果更 4 结 论 我们发现预倾角对液晶动力学有很强的影响, 接近模拟曲线。在公式(1)中,只有当日较小时K~ 。在高电压状态下,液晶指向矢的形变角相对较 大,此时 项的影响非常显著,因此,考虑 并假 设K_(K11+ )/2似乎更加合理。 模拟结果与分析结果之间的差异主要是因为单 我们的理论分析结果得到了实验以及数值模拟结果 的验证。这一发现加深了我们对液晶动力学的理解。 通过优化表面处理和预倾角,液晶的响应时间可以 得到改善。 (北京交通大学何志群译自 弹性常数近似( =K1 )以及小角近似。预倾角较小时 (0。≤2。),这种差别不到1 1%,随着日。的增大,二 者之间的差异也稍有增大。图5中的圆圈表示的是 我们第二项实验的结果,它与模拟及理论结果拟合 得非常好。 {JOURNAL OF DlSPLAY TECHNOLOGY) VO L_3,NO.3,SEPTEMBER 2007) 9 ’窜 9 9k 9 9 9 —窜 9 9 9 9 9 9 9 9 9 —§ 9 9 9 9 ,: 拓 9 9 9 9 9 9 船 9 9 9 、9 9 9 9 — ,9 9 9 — ,9 9 奄 r 9 (上接第19页) with dual orientation of liquid crystal,”Jpn.J. App1.Phys.,vo1.43,pt.2,PP.L972一L974,Ju1. 2004. H.Kim,and J.S.Choi,”Transf Jective LCD in a patterned vertically aligned mode with a single cell gap, in SID Dig.Tech.Papers,2006,vo1. 37.PP.821-824. 【5】J.H.Song and S.H.Lee,”A single gap trans— flective display using in—plane switching mode, ”Jpn。J。App1.Phys。,vol。43,pt.2,PP. 【11】Y.C.Yang,J.Y.Choi,J.Kim,M.Han,J. Chang,J.Bae,D.J.Park,S.I.Kim,N.S.Roh, Y.J.K m,M.Hong,and K.Chung, Single cell gap transflective mode for vertically aligned L1 130-L1 132.Aug.2004. 【6】Z.Ge,X.Zhu,T.X.Wu,and S.T.Wu, A single cell-gap transflective VA—LCD using positive liquid crystal materials,”in SID Dig.Tech.Pa— pers,2006,vo1.37,PP.802—805. negative nematic liquid crystals,“in SID Dig. Tech.Papers,2006,vo1.37,PP.829—831. 【1 2】O.Itou,S.Hirota,Y.Sekiguchi,S.Komura,M. Morimoto,J.Tanno,K.Fukuda,T.Ochiai,H. I mayama,T.Nagata,and T.Miyazawa,。。A [7】Y.W.Lim,J.Kim,and S.D.Lee,“Single driv— ing transfiective liquid crystal display in a single mode configuration with an inner—patterned retarder,“in SID Dig.Tech.Papers,2006,vo1. 37,PP.806-809. wide viewing angle transflective ips Icd apply- ing new optical design,” n SID Dig.Tech.Pa— pers,2006,vo1.37,PP.832—835. [8】E.Jeong,M.0.Choi,Y.J.Lim,Y.H.Jeong, H.Y.Kim,S.Y.Kim,and S.H.Lee,”A single [1 3】W.K.Choi and S.T.Wu, Transfiective liquid crystal display with partial switching,”U.S. Patent 7 01 5 997,Mar.21,2006. gap transflective fringe—field switching display, “in SID Dig.Tech.Papers,2006,vo1.37,PP. 810-812. 【14】X.Zhu,Z.Ge,and S.T.Wu,”Transflective liquid crystal display with vertical alignment,“ U.S.Patent pending,2005. 【9】J.Kim,D.W.Kim,Y.W.Lim,and S.D.Lee, ”Brightness improvement of transflective LCD in a unified configuration ”in SID Dig.Tech. Papers,2006,vo1.37,pp.81 7—820. (南开大学代永平译自 {JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY》,VOL. 3,NO.3,SEPTEMBER 2007,P247~249) 现代显示Advanced Display 1 1 【1 0]Y.J.Lee,H.R.Kim,T.一H.Lee,J.W.Jung,J. Jan./Feb.,2008,总第83184期 

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