【显示器的快速响应液晶效应】 戴尔显示器 快速响应

　　摘要：为了减少运动模糊、控制场序色彩、改善低温工作性能以及在一些立体显示器中的用途，液晶的快速响应显得极其必要。本文综述了向列型液晶显示器响应时间的一些重要影响因素。
　　关键词：显示器；快速响应；液晶效应
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：B
　　
　　Fast-Switching Liquid-Crystal Effects for Displays
　　
　　Philip Bos
　　（Liquid Crystal Institute, Kent State University, USA）
　　
　　Abstract:A fast liquid-crystal response time is needed in order to reduce motion blur, to allow field-sequential color, to improve low-temperature operation, and for use in some stereoscopic displays. A review of the factors that control the response time in nematic LCDs follows.
　　Keywords: display；fast-switching；liquid-crystal effect
　　
　　应用液晶快速响应机理不但可以降低显示器中运动模糊的影响，还可以用来改善场序色彩（field-sequential color）或数字灰度级（digital gray scale）。本文综述了影响向列型液晶显示器响应速度的主要因素，特别是扭曲向列型（twisted -nematic,TN）、电控双折射型（electrically controlled birefringence, ECB）和垂直取向型（vertically alignment, VA）液晶显示器，以及共面开关（in-plane-switching, IPS）模式。本文重点介绍控制这些显示器响应速度的基本问题，以及更快显示模式的情况，例如 π-盒以及非向列型液晶显示器。
　　液晶显示器的光学开关时间与液晶材料的动力学特性和液晶显示模式的光学性质有关。
　　若考虑到材料动力学，取向场（director field）的变化尤其引人注意。指向矢（local director）定义为：在纳米尺度范围内，指向矢的方向为分子长轴（受热运动的影响较大）的平均指向方向。取向场是宏观描述液晶盒取向方向的量。图 1 表示了在加电和不加电的情况下，显示器中均匀取向像素的取向场。
　　取向场动力学主要受液晶材料三个因素的影响：与平衡指向场形变相关的弹性能、材料粘度和介电性能。这些材料的因素主要受所用材料的液晶相态的影响。
　　大多数商业显示器使用向列相液晶（分子取向有序、平移无序）。与这些因素相关的扭矩如式 1 所示，使用极角变化率描述指向矢。这里进行了简化假设：取向场的变化只发生于垂直于液晶盒基板的方向上（通常像素尺寸约为 100 μm，盒厚约为 4 μm）；弹性扭矩和粘度设为常数；△θ的值小于θ的平均值。
　　
　　其中，z为盒厚；θ为指向矢与 z 轴的夹角；△θ为△t时间内θ的变化量；γ为旋转粘度；K为平均弹性常数；△ε为液晶材料的介电各向异性。
　　施加电压后取向场松弛快慢的主要决定因素是：取向场扭曲程度（d θ／dz 的大小）、材料的弹性常数及粘度。如图 1 所示，施加电场时，基板附近的指向场扭曲大。去掉电场，就松弛到未加电压时的状态。
　　外加电场的方向和强度（代入公式 1）以及液晶盒表层取向场的边界条件均由含液晶材料的液晶盒决定。如图 1 所示，液晶盒基板上的取向层决定了指向场的边界条件，液晶盒上下基板的电极决定了电场方向沿盒法线方向。
　　根据公式 1，同时考虑盒厚的影响，弹性扭矩随 d2变化，因此盒厚对移除电压后的松弛影响很大。因此，常用公式 2计算液晶显示器的松弛时间，来近似表示指向场的自由松弛。
　　
　　但是光学响应时间更复杂。光学响应既与指向场的变化有关，还与应用的特殊光学效应有关。图 1 所示的液晶盒具有可调的双折射效应，通过正交偏振片（与液晶盒摩擦方向成45°角的方向排列）的光透过率由sin (π△n"d/λ)来表示，其中△n"d取决于用n (z)=n n/nsin (θ)＋ncos (θ)和 △n(z)=n (z)-n 计算的△nd的平均值。液晶盒如果无外加电压时，△n"d由盒厚和液晶材料双折射率的乘积决定，等于△nd/λ。
　　如上所述，当施加电压时，指向矢重新取向，引起△n"减小。在一定高的电压范围内，△n"d/λ值和透过率均为 0。对于这种显示器，光学响应时间与从接近零透射的状态转变到接近于最大透射的状态所需时间相关。最薄的盒需要满足△nd/λ＝0.5。需要注意的是，如果盒厚较大并且指向矢响应转变按公式(2)进行，全光学响应并不要求所有指向矢都响应。例如，当使用同样的液晶材料时，比较两个液晶盒，其中一个盒厚满足△nd/λ=0.63，而另一个的盒厚是第一个的 3.16 倍，即△nd/λ=2，这就意味着较薄的盒的指向场松弛率仅为较厚盒的十分之一。但是需要注意，对于较厚的盒，指向场只需要松弛到△n"d/λ平衡值的 25 %，就能实现最大透过率；而对于较薄的盒，则需要松弛达到平衡值的 80 % 才能实现。因此，较薄的液晶盒需要全面松弛到接近零场的平衡状态，但较厚的盒的指向矢只需要改变一个较小的角度就能实现光学开关的作用。
　　图 2 表示了两种不同厚度的双折射率可调的液晶盒的指向响应与光学响应。较厚液晶盒的光学响应稍慢，尽管其指向效应预期系数为 10。
　　在实际液晶盒中，需要考虑液晶的流动性（下文将会讨论），盒厚相当大时，实际响应速度比盒厚非常薄的更快。该效应最初是 Kobayashi 在研究快速响应显示器时提出的[1] 。该效应后来被称为"表面模式（surface mode）"。同时 Kobayashi 也指出了该方法的缺点――视角小。
　　虽然可调双折射光学效应的例子证实了取向响应和光学响应的非线性关系，但其他效应的影响关系又与此不同。以宾主型液晶显示盒为例，要实现全面的光学响应就要求达到完全的取向垂直（因此相对较慢）。
　　从上文可以明显看出，液晶材料保持不变而减小液晶盒厚度时，如公式(2)所示，由于显示器的光学厚度减小，响应时间并不会缩短；而如果减小液晶盒厚度同时保持光学厚度不变，会有产生显著效果。例如，具有相同光学厚度的显示器，结合公式(2)和公式△nd=C(常数)，可以计算出材料参数比γ/K△n2，它与松弛时间成正比。Wu[2]近期发表了一篇采用大双折射率材料制备薄型、快速的显示器的文章。Kumar[3]提出了一种制备超薄液晶盒的方法。
　　可以采用多层盒作为单层薄液晶盒的替代品。因为显示器的弛豫速度与盒厚的平方成正比，将厚盒一分为二，则会使显示器响应速度加快三倍。同时，也有可能设计出一种显示器，其响应时间仅受外场转变时间控制，可实现响应时间小于 100μs[4]。
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　　公式(1) 暗含了影响响应速度的另一个重要因素，即粘度随温度变化的关系。液晶材料的粘度与温度呈指数关系，这意味着提高温度会使响应速度显著下降。然而，其他的材料参数在一定程度上也与温度有关，因此，如果温度过高，响应时间不再缩短。Wu 和 Yang[6] 研究发现，对于给定的材料，存在一个高速响应的最佳温度，最佳温度较各向同性――向列相转变温度大约 低20 ℃。进而他们从一个材料的优势曲线中得出，在最佳温度下高清亮点的液晶材料具有更快的响应速度。
　　
　　向列型液晶显示器所需的附加响应时间
　　
　　前面讨论了降低响应速度的基本思路，包括基础材料和液晶盒的设计。但是还有一些其他因素可以提高器件性能。这些影响因素包括液晶盒中的液晶流动、"双频"液晶、电极结构和挠曲电效应。
　　结构如图 1 所示的显示器受"透过率反弹（optical bounce）"效应的影响，响应时间延长，如图 4a 所示。Van Doorn[7] 首先明确表示，这种效应是由于电场消失后显示器中液晶流动造成的。如图 3 中左图所示，松弛显示器中，箭头所示的液晶流体给予盒中心附近一个扭矩，该扭矩沿"反向"且与低弹性能区的方向有关。在撤掉外电压后处于弛豫过程的显示器中，液晶流动在靠近盒中部的地方产生扭矩，方向如箭头所示，与弹性能相对较低的方向"反向（backwards）"。TN 显示器也具有类似现象，Berreman[8]对此做了解释。在考虑液晶流体的基础上，重新设计液晶盒，能够消除这种效应，实现快速松弛。对 TN 显示器来说，提出了-3π/2液晶盒[9] （这里，-3π/2是指显示器的扭曲角；负号表示所使用的手性添加剂产生的扭曲方向与无手性添加剂时由表面预倾角引起的扭曲方向相反。）
　　对于可调双折射显示器，提出了一种π-液晶盒器件[10]。如图 3 右图所示，液晶盒两个基板表面预倾角产生的倾斜方向相反。这时，由于流动，"反向"扭曲被抵消。π-盒器件的另一个优势是它具有出色的离轴光学特性，并且可以通过外部补偿膜进一步改进。Bos[11] 和Mori[12] 提出了单轴延迟器 (retarders)；Uchida[13]提出了双轴补偿器，并将此类显示器命名为"OCB"。此后，Uchida 研究小组和其他学者相继对此类显示器进行了深入的研究和改进。
　　低预倾角的π-盒显示器存在一个问题，即零场取向场是展曲的，在拓扑学上不能等同于预期的弯曲取向场，所以必须在使用前将取向场从倾斜状态转变为弯曲状态。
　　一些论文研究了这种转变，以及加快转变的方法[14]。Kwok[15] 最近提出了一种获得稳定弯曲状态的新方法，在该方法中采用了可以获得高预倾角的新技术。
　　对大多数向列型液晶显示器来说，相对于图像更新时间而言，撤除电压后松弛的响应时间是限制因素。但是，有一类被称为"双频"液晶的向列型液晶材料，其介电常数各向异性的正负是频率的函数。就这种材料而言，在应用于低频电场时，液晶分子倾向于沿电场方向排列；而应用于高频电场时，液晶分子倾向于垂直于电场排列。Bucher 和 Raynes[16] 首次报道了这种技术，近期 Laverentovich[17] 报道获得了 150μs的响应时间。
　　另一种方法是采用电场驱动取向场来获得两种不同的优先取向方向，它使用正性（单频）液晶材料，电极结构更为复杂。RCA 展示了一种称为"三极管光闸（triode optical gate）"的显示器，使用交叉电极提供"共面（in plane）"电场，而常规反向电极仅能提供沿液晶盒法线方向的电场。类似的方法目前已应用于快速垂直排列（VA）显示器中，响应时间为 1 ms[18]。
　　"挠曲（flexoelectirc）"效应是电场与分子取向线性耦合的结果，它导致取向方向发生变化[19]。最近，Coles 利用这种效应，设计出了快速响应的显示器以及改进的材料[20]。在这些显示器中，手性分子用于提供指向场的自发扭曲，这种扭曲结构的螺距比光波长短。在此情况下，不施加外电场时，光轴与螺旋轴方向一致，螺旋轴方向设计在液晶盒平面内。使用与液晶盒法线方向一致的电场，通常会使指向场扭曲畸变，使光轴在显示器基板上发生旋转。
　　由于这种畸变与大量弹性能相关，松弛时间非常快。同样，由于这种倾斜与外加电场成线性关系，共面光轴旋转方向与外加电场的极性有关。这种有趣的效应表明，共面指向旋转角度大于90°时，响应时间小于20μs。
　　
　　向列型液晶显示器中的聚合物
　　
　　聚合物与向列型液晶结合，可以改善响应时间。有两种基本方法：一是使液晶形成微滴；二是在沿某一特定方向排列的液晶材料中形成蜘蛛网状的聚合物结构[22]。第一种方法是由 Bunning[23] 研究提出的，他制备的液滴尺寸小于光波长。在此类研究中，40μs的响应时间已见报道。第二种方法是由 Kelly首次提出的，他将沿主体液晶排列的伸长的单体按照预定取向方向进行聚合。这样制备出来的聚合物网络如果偏离聚合时的状态，就会具有很高的能量。该方法的两个应用实例，确实提高了 IPS 显示器的响应速度，也使"展曲液晶盒（splay cell）"得到稳定。另外一种使用非伸长单体的方法也得到 West和 Wu 的证实。研究中，制备了非取向的聚合物网络，然后通过液晶盒基板的机械位移产生剪切作用。研究表明，将这种方法应用于厚液晶盒，能够使通常情况下的缓慢取向松弛明显加快，响应时间小于 2 ms。使用聚合物添加剂的另一个例子是，稳定手性向列型液晶的"蓝相"，实现了彩色像素快速调制切换。
　　使用其他液晶相态的显示器
　　
　　虽然向列相液晶广泛应用于大多数显示器中，但是有序性更高的近晶相能够实现更快的响应速度。
　　研究最多的是铁电近晶 C 相。Clark 发明了表面稳定的铁电液晶显示器（Surface-Stabilized Ferroelectric-Liquid-Crystal Device），它具有双稳态、亚微秒响应的特点。 Handschy 与"显示技术"的其他人员共同努力，利用这些技术制备了快速响应的数字灰度级场序显示器，可以在宽温度范围内工作。与该技术类似的是由Kobayashi（基于聚合物稳定）和O"Callahan（基于偏振稳定装置）提出的。基于电子检测效应（electroclinic effect），手性近晶 A 相也用于制备非常快速响应的显示器。在这些材料中，直流电场使有序的近晶相层结构发生高能畸变，因此电场消除时，响应时间非常短。Walba 和 NRL 针对这种效应改进了一些液晶材料。
　　展望未来，弯曲核分子或者"香蕉"形分子的使用属于液晶的新效应。近期在这些液晶材料诱导双轴方面的研究表明，响应时间可以控制在数百微秒之内。
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　　结论
　　
　　快速响应液晶显示器应用领域很广阔，囊括了很多种方法。对于特定显示应用，需要综合考虑视角、驱动电压及液晶盒的制造成本。像 π-盒和数字铁电灰度级显示器件对这些特性进行了优化，能够满足商业化应用的需要。但是，上述能够提供更快的响应速度的其他方法，在视角和驱动电压不是重要影响因素的情况下，也能满足应用。另外，新的效应正在研究之中，比如：挠曲、electroclinic、聚合物稳定及基于弯曲核分子的新液晶相等，均有可能制备出更优异的快速响应显示器。
　　
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　　（北京科技大学袁军涛、石琳
　　译自《Information Display》 9/07）
　　
　　注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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