反射式胆甾相液晶显示器件双稳特性的研究|功率器件的基本特性

　　文章编号：1006-6268（2008）10-0045-04 　　摘要：主要利用反射光谱特征曲线来研究摩擦取向对反射式胆甾相液晶显示器件双稳特性的影响，研究表明未经摩擦PI层不具有取向作用，由于其较高的预倾角和表面非均匀性，有利于胆甾相液晶形成多畴结构，实现双稳态显示，同时该器件具有较高的对比度，能实现不同灰度。
　　关键词：双稳态显示；平面织构态；焦锥织构态；摩擦取向
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：A
　　
　　Investigation of Bistability of Reflective Cholesteric Liquid Crystal Display
　　LU Hong-bo1, 2, LV Guo-qiang1, 2, HU Jun-tao1, 2, HU Yue-hui1, 2,FENG Qi-bin1, 2,
　　GAO Wei-qing1, 2
　　(1.Key Laboratory of Special Display Technology, Ministry of Education, Hefei 230009；
　　2.Academe of Opto-Electronic Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009)
　　Abstract: Influence of rubbing alignment on bistability of reflective cholesteric liquid crystal display were deeply discussed by reflected spectrum. The lack of rubbing leaves the surface non-homogeneous. The non-homogeneity introduces permanent defect which result in long-term bistability, high contrast and gray scale.
　　Keywords:bistable display; planar texture; focal conic texture; rubbing alignment
　　
　　引 言
　　
　　液晶显示器件（liquid crystal display, LCD）经过多年的发展，已形成一个巨大的产业，广泛应用于各个领域，扭曲向列相液晶显示（TN-LCD）、超扭曲向列相液晶显示（STN-LCD），薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）等透射型液晶显示器件占有很大比重。透射型液晶显示器件功耗大, 80％以上的能量都消耗在背光源上。为了降低电子显示设备的功耗和体积，最有效的办法之一就是摆脱背光源，采用反射式胆甾相液晶显示器件。
　　反射式胆甾相液晶显示器件是利用胆甾相液晶的双稳特性[ 1-3]研制而成，具有很多传统液晶显示器件无法比拟的优点：①采用零场双稳态显示，无需刷新，并且不需要背光源，真正发挥了液晶显示微功耗的优点；②采用Bragg反射光显示，易于实现彩色，并且在阳光下具有可读性，适用于户外显示；③不需要偏振片，从而大大提高了显示亮度；④在零电场下，显示器的每一个像素可以长期稳定在不同的反射态，加适当的电压脉冲可以实现不同稳态间的转换和灰度显示；⑤其视角比传统的LCD的视角宽；⑥驱动电路比较简单，可以实现多层次高密度多路驱动。这种显示器件特别适用于电子书、电子窗帘和商业广告等领域。美国、日本、欧洲和中国等国家投入了大量的人力、物力从事此方面的基础研究和应用开发工作。
　　胆甾相液晶的双稳特性可以通过两种途径得到：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 stabilized cholesteric texture，PSCT）[4-5]；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 stabilized cholesteric texture，SSCT）[6-7]。本文针对表面稳定胆甾相液晶显示器件进行研究，着重研究摩擦取向对胆甾相液晶双稳特性的影响，这对制作反射式胆甾相液晶显示器件有着重大的指导意义。
　　
　　1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)，一种是平面织构态（planar texture），称为p态；第二种是焦锥织构态（focal conic texture），称为fc态；第三种是垂直织构态（homeotropic texture），称为h态。在零电场下，处于p态的胆甾相液晶具有周期性的螺旋结构（如图1a），其螺旋轴基本与液晶盒表面垂直，如果入射光的波长满足Bragg方程[8]，即波长（λ0）与液晶材料的螺距（P0）及平均折射率（ ）成正比：
　　
　　则光将被反射，反射光为圆偏振光，此时，p态是一个零场稳定态。
　　对p态胆甾相液晶施加一定强度的电场，则胆甾相液晶由p态转换为fc态，其螺旋轴分布杂乱无章，基本取向与基板平行。当此电场变为零时，fc态在一定条件下是稳定的，构成了另一个零场稳定态。处于fc态的胆甾相液晶呈现多畴状态，每个畴内的螺旋结构仍存在，因此它对入射光产生散射。如果在液晶上施加的电场大于阈值电场Ec，液晶将变化到h态，此状态分子都沿电场方向排列，液晶是透明的。对处于h态的胆甾相液晶，当电压迅速降到零时，液晶分子回到p态；当电压缓慢降低时，液晶分子则转变为fc态。胆甾相液晶的这些状态中，只有p态和fc态在无外场时是稳定的，垂直排列态仅当有外场时才存在。这样p态时的反射态和fc态时的散射态构成一组对比态，这便是反射式胆甾相液晶显示器件的基本工作原理。
　　
　　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，对于反射型胆甾相液晶, 反射波长l0可由螺距P0来控制。螺距P0和手性材料浓度Xc的关系[8]是：
　　
　　其中，HTP是手性材料的扭曲力常数（helical twisting power），由手性分子自身特性决定。可以通过调节不同HTP值的手性组份及其在液晶材料中的含量来改变螺距和反射波长，以获得显示屏不同的反射颜色。
　　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，BN1-12型向列相液晶的折射率为1.712，介电各向异性常数De=18.9。通过调节手性剂的含量使混合而成的胆甾相液晶中心反射波长为λ0=560nm。
　　
　　2.2反射式胆甾相显示器件的结构
　　为了更好地研究摩擦取向对反射式胆甾相液晶显示器件双稳特性的影响，本文对显示器件的结构进行了设计，并确定相关了参数。图2是反射式胆甾相液晶显示器件的结构示意图，从上到下依次为上基片、列电极、胆甾相液晶、行电极、下基片、可见光吸收层。上下基片为1.1mm厚的ITO玻璃，行列电极的宽度为10mm，电极之间的间隔为0.05mm，基片之间充满胆甾相液晶，厚度为5.9mm。器件的外观尺寸、显示面积、电极数目及宽度等参数如表1所示。
　　
　　2.3试验过程
　　液晶显示器件的制做过程中比较重要的工序包括清洗、光刻、PI涂覆、摩擦取向、丝印成盒、液晶灌注等。本文主要研究PI层摩擦取向对显示器件双稳特性的影响。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　实验用的KPI-2046型PI液是由深圳市科利德光电材料股份有限公司提供，其固含量为3.5±0.1%，粘度为20~40mpa.s，折射率为1.67。
　　利用凸版印刷法将PI液均匀涂覆在刻有行列电极的ITO玻璃表面，静置流平后，先通过80℃～90℃的预烘3min，待溶剂挥发完全后在300℃下固化1.5hr，PI层呈土黄色，预倾角为6°~7°。
　　对部分已经烘烤固化的PI层按一定的方向用绒布进行摩擦取向。具体处理如下：
　　Cell1：涂覆PI取向层，但未经摩擦取向；
　　Cell2：涂覆PI取向层，并进行摩擦取向。
　　将混合好的胆甾相液晶注入液晶盒内，利用岛津UV-2550型紫外可见分光光度计对液晶显示器件的反射特性进行测试、分析与比较，从而揭示摩擦取向对反射式胆甾相液晶显示器件双稳特性的影响。
　　
　　3 结果与讨论
　　
　　如要把胆甾相液晶从fc态改变到p态，就对液晶盒加一个高脉冲，在高脉冲期间，液晶变到h态。高脉冲过后，液晶跃迁到p态。如要把液晶从p态变化到fc态，就对液晶加一个低脉冲，在低脉冲期间，液晶变到fc态。撤去低脉冲后，fc态的稳定性取决于液晶盒的边界条件。低脉冲撤去1min后，利用紫外可见分光光度计对试样Cell1、Cell2的反射光谱进行了测试，测得结果如图3所示。
　　从图3看出，Cell2存在一个明显的反射峰，其峰值反射率高达15%，远远大于玻璃-空气界面的反射率，而Cell1在400~700nm之间只有微弱的散射峰，其反射率约为5%，与玻璃-空气界面的反射率相当。从理论上分析，如胆甾相液晶处于fc态，液晶呈多畴结构，大部分光经液晶后前散射，被吸收层吸收，反射光谱特征曲线应没有明显的反射峰。由Cell1、Cell2的反射光谱特征曲线可知，此时Cell2已包含部分的平面态，而Cell1处于稳定的焦锥态。
　　 为了进一研究Cell2焦锥态的稳定性，撤去低脉冲放置一段时间后再测试其反射光谱，图4是分别放置1min、6min、12min、20min、30min后Cell2的反射光谱特征曲线。由图4可知，Cell2在530~590nm之间有明显的反射峰，随着放置时间的延长，反射峰的强度增大，液晶由fc态逐渐向p态转变，因为p态是自由能最低态，不论边界条件如何，p态总是稳定的。由图3、图4可知，PI层经取向摩擦后，胆甾相液晶的焦锥态不能稳定存在。
　　PI层经摩擦取向后具有定向能力，使得接近PI层的液晶分子沿摩擦方向排列，平行于表面，当液晶处于fc态时，PI层取向作用和液晶分子之间的相互作用促使液晶向p态转变，形成单晶，液晶不能长时间稳定在fc态。而未经摩擦的PI层不具有定向能力，由于PI层具有较高预倾角（6°~7°），表面分子倾向垂直于表面排列，同时PI层非均匀性导致缺陷的存在，缺陷促使胆甾相液晶形成多畴结构，当液晶形成多畴结构后，fc态就能长时间稳定存在，此时，胆甾相液晶具有双稳特性。
　　对比度和灰度是显示器件两个重要的参数指标，图5是Cell1在不同状态下的反射光谱特征曲线，曲线a、b分别是Cell1处于p态和fc态时反射光谱特征曲线，p态时，Cell1在530~590nm之间存在明显的反射峰，其反射率达到39%，而fc态时，在可见光范围内没有明显的反射峰，其平均反射率为5%。反射式胆甾相液晶显示器件的对比度可以定义为[9]：
　　
　　则Cell1的对比度可达7.8。由图5可知，p态的反射率主要取决于液晶材料，而fc态的反射率主要取决于玻璃-空气界面的反射率，要提高显示器件的对比度，可以通过降低fc态的反射率，如在玻璃表面增加一层减反膜。
　　反射式胆甾相液晶显示器件能够实现不同的灰度，不同状态下Cell1的反射光谱特征曲线如图5所示，具体测量规程如下：首先对样品施加一个高脉冲（60V），高脉冲过后得到p态，然后再加一个不同幅度的低脉冲，脉冲过后1min，测量其反射光谱。曲线c、d、e、f分别对应于幅度为25V、30V、35V、40V低脉冲，由图5可知，当脉冲幅度高于25V时，Cell1的反射率处于p态和fc态之间，且反射率随着脉冲电压的升高而线性增大，这说明此时液晶处于p态和fc态的混合态，随着脉冲电压的升高，样品中p态含量逐渐增大。通过对液晶显示器件施加不同幅度的脉冲，可以得到不同的反射率，从而实现灰度显示。
　　图6是我们制作的反射式胆甾相液晶显示器件显示字符"HFUT"效果图，器件已能显示不同字符，且已稳定存在超过10天。
　　
　　4结 论
　　
　　与一般的液晶显示器件不同，反射式胆甾相液晶显示器件的PI层不能摩擦，未经摩擦的PI层不具有取向功能，其较高的预倾角促使接近表面的液晶分子垂直于表面排列，同时PI层的非均匀性导致缺陷，形成多畴结构，从而实现双稳显示。反射式胆甾相液晶显示器件具有较高的对比度，能实现不同灰度。
　　
　　参考文献
　　[1]D.K. Yang, J.W. Doane. Cholesteric liquid crystal/polymer gel dispersion: reflective display application [C]//1992 SID￠92 Digest. 1992:759-761.
　　[2]D.K. Yang, L.C. Chien, J.W. Doane. Cholesteric liquid crystal/polymer gel dispersion bistable at zero field [C]//1991 Conference Record, International Display research conference. 1991:42-52.
　　[3]J.W. Doane, D.K. Yang, Z. Yaniv. Front-lit flat panel display from polymer stabilized cholesteric textures [C]//Japan Display 92. 1992:73-76.
　　[4]B. Taheri, J.M. West, D.K. Yang. Recent development in bistable Ch-LCD [J]// SPIE, 3297:115-134.
　　[5]庞续叶,黄子强. 聚合物稳定的双稳态胆甾相液晶显示器的电光特性[J].现代显示, 2006, 62:49-52.
　　[6]D. Davis, A. Khan, C. Jones, X.Y. Huang, J.W. Doane, Eight-color high-resolution reflective choiesteric LCDs [C]//SID Digest of Technical Papers, 1998:901-904.
　　[7]X.Y. Huang, A. Khan, D. Davis, M. Podojil, ect, Full color reflective cholesteric liquid crystal display [J]. SPIE, 3635:120-126.
　　[8]张智勇,陈元模,张宏伟,梁珊,姚乃燕,显示用胆甾相液晶材料发展现状[J].液晶与显示,2003, 5:31-324.
　　[9]杨登科,双稳态螺旋相液晶显示器[J],现在显示,1994,1:17-24
　　作者简介：陆红波（1979-），男，江苏海门人，博士，助理研究员，主要从事显示材料与器件的研究，E-mail：bozhilu@mail.ustc.省略。
　　
　　“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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