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：

　　（1）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)?，可以大大簡化制管工藝過程；

　　（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