表面性能对胆甾相液晶显示性能的影响

摘 要:文章主要通过胆甾相液晶显示器件在P态和FC态的反射特征谱线和微观结构来研究表面性能对显示器件的反射率、多畴结构及阈值电压的影响。结果表明,摩擦取向促使胆甾相液晶形成比较规整的多畴结构,从而增大显示器件的反射率,表面材料的性能会影响显示器件的阈值电压。

关键词:胆甾相;表面处理;反射率;多畴结构

中图分类号:TN141.9 文献标识码:B

Effect of Surface Properties on the Display Characteristics of Cholesteric LCD

LI Ying-jie1,2, LU Hong-bo1,3, HAN Shao-fei1,2, LV Guo-qiang1,2,3

(1. Key Laboratory of Special Display Technology, Ministry of Education, Hefei Anhui 230009, China; 2. School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China; 3. Academe of Opto-electronic Technology, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract: The reflectivity, multi-domain structure and threshold voltage of the liquid crystal devices were studied by the reflective properties of P and FC state and the microscopic structure. The results showed that the rubbing technology can create a more structured multi-domain structure and increase the reflectivity of liquid crystal device. The properties of surface material would affect the threshold voltage of LCD.

Keywords: cholesteric; surface treatment; reflectivity; multi-domain structure

引 言

自1992年发现胆甾相液晶具有零场下双稳态现象以来[1],反射式胆甾相液晶显示(cholesteric liquid crystal display, CH-LCD)已发展成为一种新型显示模式,CH-LCD具有重量轻、零场稳定、不使用背光源、功耗低、不使用滤色片、反射亮度高等优点,并可以广泛应用于移动信息工具、电子书及其它小尺寸显示,已成为当今液晶显示的研究热点之一。

胆甾相液晶的双稳特性可以通过两种途径得到[2]:其一是在胆甾相液晶中添加聚合物,形成聚合物稳定胆甾相液晶(polymer stability cholesteric texture,PSCT);其二是对器件表面进行适当处理,形成表面稳定胆甾相液晶(surface stability cholesteric texture,SSCT)。本文针对表面稳定胆甾相液晶进行研究,着重研究表面处理对胆甾相液晶的反射率、多畴结构及阈值电压的影响。

1反射式胆甾相液晶的工作原理

胆甾相液晶具有三种不同的分子排列结构(如图1所示),一种是平面织构状态(planar texture),称为P态;第二种是焦锥织构状态(focal conic texture),称为FC态;第三种是垂直织构状态(homeotropic texture),称为H态[3]。

当胆甾相液晶处于P态时,由于液晶具有螺旋结构,对满足一定条件的光具有Bragge反射。对P态施加一定强度的电场,则胆甾相液晶可以从P态转换成FC态,FC态是一种多畴结构,其螺旋分布杂乱无章,但每个畴内螺旋结构依然存在,FC态对入射光产生散射。如果对胆甾相液晶施加足够高的电压,则会变成透明的H态,处于H态的胆甾相液晶,在电压迅速降到零时,H态转变为P态;当电压慢慢降低时,H态转变为FC态。P态和FC态在一定的条件下均可稳定存在,P态时的反射态和FC态时的散射态形成对比态,这就是反射式胆甾相液晶的工作原理[4]。

2实验

2.1 胆甾相液晶的配制

显示用胆甾相液晶材料由向列相液晶和手性材料配制而成,当处于P态时,胆甾相液晶具有螺旋结构,其螺旋轴基本与液晶盒表面垂直,当入射光的中心波长?姿与液晶材料的螺距P及其平均折射率n满足Bragge方程时[3],即:

则光被反射,反射光为圆偏振光。而材料的螺距P与手性材料的扭曲力常数(helical twisting power,HTP)及浓度Xc有关:

可以通过调节不同HTP值的手性组分及其在液晶材料中的含量来改变螺距,从而显示不同的颜色。实验所用液晶材料是由石家庄实力克液晶材料有限公司提供的BN1-12型向列相液晶和手性剂混合而成,通过调节手性剂的含量,混合而成的胆甾相液晶中心反射波长为?姿=560nm。

2.2 实验过程

反射式胆甾相液晶显示器件主要由ITO玻璃、胆甾相液晶等组合而成,图2所示为实验所用显示器件的结构示意图,器件的上、下基板是1.1mm厚的ITO玻璃,中间充满胆甾相液晶,液晶器件的厚度由Spacer控制,为5.9μm。

本文着重研究表面性能对反射式胆甾相液晶显示器件的反射率、多畴结构及阈值电压的影响,具体表面处理方式如表1所示。

利用岛津UV-25型紫外可见分光光度计对液晶显示器件的反射特征谱线进行测试和分析,利用XPN-203E型偏光显微镜观察器件的多畴结构,从而揭示表面处理对液晶显示器件的反射率、多畴结构及阈值电压的影响。

3结果和分析

3.1表面处理对液晶器件双稳态的影响

通过对Cell A、B、C、D的微观结构进行观察,发现Cell A、B、D在P态和FC态时的微观结构不会随着时间发生改变,而是能够稳定的存在,说明Cell A、B、D液晶器件具有良好的双稳定特性。而Cell C的FC态不能够稳定存在,对Cell C施加一个强度为20V、脉冲宽度为100ms的电压后,经过10s、1min、10min、30min后观察其微观结构(如图3所示)。由图3可知,10s后,胆甾相液晶处于FC态,排列较为凌乱;1min后,液晶器件的微观结构已发生变化,部分液晶转变为P态,此时液晶处于P态和FC态的混合态,随着时间的延长,P态液晶逐渐增加;10min后,形成规整的P态,微观结构不再发生变化,说明Cell C的FC态是不能够稳定存在的,随着时间的推移,会不断向P态转变,直到完全转变为P态。

P态的自由能最低,不论边界条件如何,它都能稳定的存在。PI层经过取向摩擦后,具有定向能力,使得靠近PI层的液晶分子沿着摩擦方向排列,平行于表面,当液晶分子处于FC态时,由于PI取向层对液晶的取向作用,促使液晶向P态转化,经过双面摩擦取向的液晶器件不具有良好的双稳定特性,不能用于双稳显示。

3.2 表面处理对反射式胆甾相液晶器件反射率和多畴结构的影响

对Cell A、B、D均施加强度为35V、脉冲宽度为100ms的电压,脉冲过后,液晶器件处于P态。再对Cell A、B、D液晶器件施加强度为20V、脉冲宽度为100ms的电压,脉冲过后,液晶器件处于FC态。图4所示为Cell A、B、D在 P态和FC态的反射特征谱线。

由图4可知,当Cell A处于P态时,在波长为550~600nm的区间内存在明显的反射峰,反射率为31.2%,而处于FC态时,在波长为550~600nm的区间内存在比较弱的反射峰,反射率为10.31%。而Cell D在P态和FC态均有比较明显的反射峰,反射率比 Cell A大,具体结果如表2所示。

由表2可知,Cell A和Cell B在P态和FC态时的反射率相差不大,这说明表面材料的性能对液晶器件的反射率基本没有影响;而Cell D在P态和FC态的反射率要比Cell A和Cell B大得多,说明摩擦取向可以使液晶器件的反射率增大。

图5所示为Cell A、B、D在 P态时的微观结构。由图5可知,Cell D的液晶分子排列比较整齐,而Cell A和Cell B的液晶分子排列较为凌乱。经过摩擦取向的液晶器件,能够形成较为规整的P态,这是Cell D有较高反射率的主要原因。Cell B的液晶分子有小部分(如图中A区域处)比Cell A的排列整齐,其反射率相对于Cell A也略高。

器件的反射率主要与胆甾相液晶分子的排列有关,液晶分子在P态的排列越规整,其反射率越高,反之就越低,而液晶分子的排列取决于取向层对它的取向作用。只涂覆PI,未经摩擦取向的表面对液晶分子不具有取向作用,其液晶分子排列也并不整齐,反射率较低。而经过摩擦取向后的液晶器件,其表面的液晶分子可以形成比较规整的晶畴结构,故反射率较高。

图6所示为Cell A、B、D在FC态的微观结构。由图6可知,Cell A、B、D的液晶分子排列杂乱无章,呈现所谓的暗态,此时液晶器件的反射率比较低。从Cell D的微观结构中可以看到,有一小部分液晶分子(如图B区域)的排列相对于 Cell A、B规整,故其反射率也比较高。

摩擦取向可以使液晶器件具有较高的反射率,并形成规整的多畴结构;而仅涂覆PI对液晶分子不具有取向作用,故其对液晶器件的反射率和多畴结构基本没有影响。

3.3 不同的表面处理对液晶器件阈值电压的影响

对Cell A施加不同强度、宽度为100ms的脉冲电压,撤除电压后测其反射率,图7所示为Cell A反射率与电压的关系。由图7可知,当脉冲电压低于6V时,其反射率保持不变,Rmax=31.2%;随着电压的增加,反射率逐渐降低,当脉冲电压增大至16V时,反射率达到最低,Rmin=10.2%;当脉冲电压介于16~19V时,反射率保持不变,随后,反射率随着脉冲电压的增加逐渐变大,当脉冲电压大于22.8V时,反射率达到最大,为31.2%。液晶器件由P态转化为FC态的过程中,当反射率R=Rmax-(Rmax-Rmin)×10%时,此时的脉冲电压为阈值电压VP-FC;液晶器件由FC态转化为P态的过程中,当反射率R=Rmin+(Rmax-Rmin)×10%时,此时脉冲电压为阈值电压VFC-P (如图7所示)。Cell A、B、D的阈值电压(VP-FC、VFC-P)如表3所示。

4结论

本文通过研究不同表面处理的胆甾相液晶显示器件的反射特征谱线和微观结构,发现摩擦取向可以形成规整的多畴结构,从而增加显示器件的反射率。双面摩擦的显示器件的FC态是不能够稳定存在的,FC态会逐渐向P态转变,而表面材料的性能会影响显示器件的阈值电压。

参考文献

[1] 王新久. 液晶光学和液晶显示[M]. 北京:科学出版社.

[2] 陆红波. 反射式胆甾相液晶显示器件双稳特性的研究[J]. 现代显示,2008.

[3] 魏 振. 表面摩擦对反射式胆甾相液晶显示器件对比度的影响[J]. 现代显示,2008.

[4] 蔡秋萍. 反射式胆甾相液晶显示器多畴结构形成及研究[D].东南大学物理电子学系,2004.

[5] 庞继叶,黄子强. 聚合物稳定的双稳态胆甾液晶显示器的电光特性[J]. 现代显示,2006.

[6] 张 俊. 反射式胆甾相液晶显示器件多畴结构的形成及相变的研究[J]. 光电子技术,2005.

[7] 杨登科. 双稳态螺旋相液晶显示器[J]. 现代显示,1994.

作者简介:李英杰(1985-),女,黑龙江齐齐哈尔人,合肥工业大学仪器科学与光电工程学院硕士研究生,E-mail:。