表面摩擦对反射式胆甾相液晶显示器件对比度的影响|声表面波器件

　　文章编号：1006-6268（2008）09-0027-05 　　摘要：主要通过p态和fc态的反射特征曲线来研究取向层的摩擦强度对胆甾相液晶显示器件对比度的影响。随着摩擦强度的增大，器件的对比度先增大后减小，在摩擦强度为25.26mm时，器件的对比度达最大，约为5.66。结果表明，对取向层进行适当的摩擦处理，可以得到对比度较高的显示器件。
　　关键词：反射式；胆甾相；摩擦强度；对比度
　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A
　　
　　Effect of Different Rubbing Strengths to Reflective Cholesteric
　　LCD Contrast Ratio
　　WEI Zhen1,2,LV Guo-qiang1,2,3,LU Hong-bo1,3
　　（1.Key Laboratory of Special Display Technology，Ministry of Education，Hefei 230009,China；2. School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering,Hefei University of Technology Hefei 230009,China；3.Academe of Opto Electronic Technology, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)
　　Abstract: We got the reflective cholesteric LCDs" reflective characteristic curves of their p states and fc states,then the effect of different rubbing strengths on alignment layers to contrast ratio was studied.The contrast ratio of the display increased first and then reduced to a constant with the rubbing strength enhanced.When the rubbing strength was 25.26mm,the display showed its best contrast ratio about 5.66 in value.The result told us that we can get a high contrast ratio reflective cholesteric LCD by rubbing the alignment layer properly.
　　Keywords:reflective display；cholesteric；rubbing strength；contrast ratio
　　
　　引言
　　
　　透射式液晶显示器件（liquid crystal display，LCD）必须采用背光源，器件功耗的80%都消耗在背光源上。因此，无需背光源、低功耗、重量轻的反射式液晶显示成为当今液晶显示研究热点之一，其中又以双稳态反射式胆甾相液晶显示[1]尤为受到关注。
　　双稳态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研制而成，其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、中国和欧洲等国家和地区投入了大量的人力、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通常通过两种途径得到：其一是在胆甾相液晶中添加聚合物，相应的器件称为聚合物稳定胆甾相液晶[2]（polymer stabilized cholesteric texture，PSCT）；其二是对器件表面进行适当处理，相应的器件称为表面稳定胆甾相液晶（surface stabilized cholesteric texture，SSCT）。本文针对第二类器件进行研究，着重研究摩擦强度对双稳态反射式胆甾相液晶显示器件多畴结构[3]的影响，揭示出摩擦强度对此类器件对比度的影响，这对制作双稳态反射式胆甾相液晶显示器件有着重大的指导意义。
　　
　　1反射式胆甾相液晶显示器件的显示原理
　　
　　胆甾相液晶有四种不同的分子排列结构，如图1。第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（homeotropic texture）或称为场致向列相，称为h态；第四种是短暂的平面态（transient planar texture），称为p*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，其螺旋轴基本与液晶盒表面垂直，如果入射光的波长λ０满足Bragg方程：
　　 λ０＝P0 （1）
　　其中是平均折射率，P0为液晶材料螺距，则光将被反射，反射光为圆偏振光，此时的p态是一个零场稳定态，反射的波长可通过螺距来控制。
　　对p态胆甾相液晶施加一定强度的电场，则胆甾相液晶可以从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态在一定条件下构成了另一个零场稳定态。处于fc态的胆甾相液晶螺旋结构的周期性不复存在，呈现多畴状态，但每个畴内的螺旋结构仍存在，因此它对入射光产生散射。如果对液晶施加足够高的电场，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，p*态是一个具有螺距（K33/K22）P0类平面态，主要出现于液晶分子从垂直排列态向平面态过渡的过程中。p态时的反射态和fc态时的散射态构成一组对比态，这便是双稳态反射式胆甾相液晶显示器件的基本工作原理。
　　
　　2实 验
　　
　　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，对于反射式胆甾相液晶, 反射波长λ0可由螺距P0来控制。螺距P0和手性材料浓度Xc的关系[4]是：
　　
　　其中HTP是手性材料的扭曲力常数（helical twisting power），由手性材料自身特性决定，当P0值一定时，手性材料的HTP值越大，Xc相对越小。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和反射波长，以获得不同的反射颜色。
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 　　实验所用材料是由石家庄实力克公司提供的BN1-12型向列相液晶材料和手性材料CB15混合而成，BN1-12型向列相液晶的清亮点为105℃，Δn值为0.2，CB15型手性材料的HTP值为7.9μm-1，旋光性为左旋。通过调节CB15的含量使得胆甾相液晶的反射波长中心为480nm。
　　图2是实验所用液晶盒的结构示意图。图中，器件的上下基板是1.1mm厚的ITO玻璃，在ITO玻璃显示区域涂覆KP1-2046型聚酰亚胺（PI），在270℃固化40min后，进行不同程度的摩擦处理。液晶盒厚度通过Spacer控制，为5.9μm。
　　利用岛津公司的UV-2550型紫外可见分光光度计对液晶的反射特性进行测试、分析与比较，利用160倍率光学显微镜对液晶多畴结构进行观察分析。
　　
　　3测试与分析
　　
　　对器件表面处理的摩擦效果[5]可以用摩擦密度 ρ来衡量， ρ的定义如下：
　　
　　N为摩擦次数，r为粘合绒布的滚筒半径（单位：mm），ω为滚筒转速（单位：r/s），v为平台前进速度（单位：mm/s）。摩擦强度S还与绒布压入深度h (单位：mm)相关，即
　　S=ρ・h（4）
　　我们主要通过改变绒布压入深度h来改变摩擦强度。
　　对液晶盒施加一个强度为60V、时间为110ms的脉冲电压后，液晶处于p态，而当对液晶施加强度为60V的电压后再缓慢撤除，则液晶处于fc态[6]。
　　图3是摩擦强度为25.26mm时的p态与fc态反射特征曲线，由图可知，p态时液晶在波长为440~520nm区间存在明显的反射峰，反射率达到43%左右，而fc态时，液晶的反射率约为7.6%。
　　反射式胆甾相液晶器件的对比度Cr可以定义为p态反射率值Rp与fc态的反射率值Rfc的比值[7]，即
　　
　　则图3对应的显示器件的对比度为：
　　Cr=43/7.6=5.66。
　　图4是摩擦强度与p态、fc态的反射率的关系。由图可知，当摩擦强度小于16.84mm时，器件P态时的反射率很小，约为8%。随着摩擦强度增大到25.26mm，液晶盒p态的反射率快速增大至43%左右，随着摩擦强度的进一步增大，p态反射率缓慢增加，而当摩擦强度大于33.68mm后，p态的反射率保持在了45%左右。fc态的反射率变化与p态不同，在摩擦强度小于25.26mm时，fc态的反射率在7.6%左右，当摩擦强度大于25.26mm而小于58.94mm时，fc态的反射率随着摩擦强度的增加而增大，即从约7.6%增加到15%左右。在摩擦强度大于58.94mm时，fc态的反射率在15%左右趋于稳定。
　　图5是摩擦强度对显示器件对比度的影响。当摩擦强度处于0mm和16.84mm之间时，对比度约为1。在摩擦强度为25.26mm时，Cr达到最大，为5.66。随着摩擦强度继续增大，对比度逐渐下降，在摩擦强度为58.94mm时，Cr降为2.65，之后则趋于稳定。由此看来，要得到较好的对比度，应选择适当的摩擦强度。
　　从理论上分析来说，器件的反射率主要与胆甾相液晶分子的排列情况有关，液晶分子在平面织构态的排列越规整，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锚定作用，在摩擦强度较小时，锚定作用较小，而在摩擦强度增加时，锚定作用也随之增加，所以导致不同强度下反射率的差异，当摩擦达到一定强度后，其对分子的锚定作用会达到饱和。
　　图6为不同摩擦强度下胆甾相液晶器件的p态微观结构。在摩擦强度分别为16.84mm和25.26mm时，器件表面的微观现象有较大差别：在摩擦强度较大的25.26mm器件表面观察到了清楚的晶畴结构，此时胆甾相液晶的排列较为规整。而在摩擦强度较小的16.84mm没有观察到这一现象，由于取向层对液晶分子的取向作用较小，所以液晶分子排列较为凌乱。由此分析，在摩擦强度相对大时，由分子所受锚定作用等而形成的平面态晶畴是器件有较大反射率的主要原因。在摩擦强度更大时的75.78mm的液晶层表面，我们看到其也存在明显的晶畴结构，但是该微观结构与摩擦强度为25.26mm时相近，故而在上述测试中，两者p态反射率大小相近，分别约为43%和45%。
　　图7（a）、（b）、（c）分别对应于摩擦强度为16.84mm、25.26mm、75.78mm时胆甾相液晶的fc态微观结构。可以看到，图7（a）和图7（b）中分子排列的情况比较相近，此时平面态晶畴基本弛豫完毕，所以其反射率都比较低，在7.6%左右。图7（c）中弛豫的程度相对较小，还存在部分在p态时可以观察到的晶畴，从而致使反射率较高，在15%左右。
　　因此，为了得到较高的对比度，应当控制对取向层有合适的摩擦强度，使液晶在p态有较高的反射率的同时，在fc态有较低的反射率。
　　我们选择不同摩擦强度下的样品进行相应测试：在5min、15min、30min、60min后分别测试其p态、fc态反射率，结果发现，其各自的反射特征曲线均基本重合，这也就说明，我们所制作的胆甾相液晶显示器件有良好的双稳特性。
　　
　　4讨 论
　　
　　本文通过对不同强度摩擦处理下的胆甾相液晶显示器件的反射特征曲线进行分析，得到了摩擦强度与器件对比度的关系。在摩擦强度为25.26mm时，器件对比度达最大，约为5.66。研究结果表明，在适当的摩擦强度下能得到较好的器件对比度，同时，经摩擦处理的器件亦具有良好的双稳特性。
　　
　　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,2006.
　　[2]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,(4):49-52.
　　[3]张俊等.反射型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，2005,25(4).
　　[4]张智勇等.显示用胆甾相液晶材料发展现状[J].液晶与显示，2003（10）.
　　[5]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.
　　[6]李青等. 双稳态反射型胆甾相液晶显示的驱动方法[J].固体电子学研究与进展，2000,20(4).
　　[7]杨登科.双稳态螺旋相液晶显示器[J].现代显示，1994,(2).省略。
　　
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