液晶的电光特性实验_混合排列向列相边缘场效应电光特性的模拟计算
摘要：研究混合排列向列相-边缘场转换（HAN-FFS）液晶显示模式。通过假设液晶盒内电场为均匀共面场建立简化模型，并做k11=k22=k33=k的单一弹性常数近似。根据液晶的连续体理论，从而求得HAN-FFS模型指向矢分布，它与液晶盒厚、电极宽度、弹性系数以及介电常数有关，并根据液晶光学中琼斯矩阵法利用计算机模拟出指向矢变化情况及电光特性曲线。
关键词：液晶显示；HAN-FFS模式；正性液晶；琼斯矩阵；光电特性
中图分类号：TN141.9文献标识码：A
Simulated Computation of Electro-optics Characteristic of Hybrid Alignment Nematic Controlled by Fringe Field Switching
GAI Cui-li, ZHEN Xiao-ling, WANG Ji-gang, ZHANG Zhi-dong
( Deparment of Physics of Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)
Abstract:Hybrid aligned nematic- fringed field switching（HAN-FFS）liquid crystal mode is studied. We set up a simplified model by supposing a uniform and in plane switching electric field; and we assume that splay elastic constant, twist elastic constant bend elastic constant are all equal, i. e.k11=k22=k33=k.By using liquid crystal continuum theory,we obtain the expression of distribution of liquid crystal director,which is relative with thickness of liquid crystal cell,width of electrode, elastic constant and dieletric constant.Also by Jones matrix and computer simulation we obtain the curves of distribution of liquid crystal director and electro-optics characteristic.
Keywords: liquid crystal display； HAN-FFS model； positive dielectric anisotropy;Jones matrix;electro-optics characteristic.
引言
液晶显示(LCD）的视角问题源于液晶的工作原理。液晶分子是棒状的，不同的分子排列方式对应着不同的光学各向异性。液晶双折射率随入射光和液晶分子夹角的减小而减小。入射光与液晶分子指向矢的夹角不同，有效光程差Δnd 就不同。液晶盒的最佳光程差是按照垂直于盒的法线方向设计的，对于斜入射的光线，最小透射率随夹角的增大而增大，对比度就会下降。当夹角足够大时，甚至会出现对比度反转的现象。
目前，已经提出了很多解决视角问题的方法，如：OCB 模式、共面转换模式(IPS)、边缘场开关模式(FFS)等。它们都有各自的优缺点，多畴垂面排列模式具有高对比度和快速响应的特点，但是它需要一个双轴补偿膜和两个椭圆偏振片，因此成本较高；OCB模式很难用交流电压来保持稳定控制，对R、G、B三种单色光的透过率不一样，另外液晶盒内的分子在零场是按平行于基板的方向排列的，为了实现弯曲排列，需在盒上加几秒电压进行预置，然后才可以在较低的电压下维持这种排列，因此使用不便；共面转换模式只需要线偏振片而不需要补偿膜，但响应速度太慢，不能显示快速运动的画面。而由Seung HO HONG 等提出了一种新的显示模式即HAN-FFS模式，具有制作简单、宽视角、低驱动电压和高透光率的特点，是改善视角特性，提高显示质量很有吸引力的方法。
本文研究正性液晶构成的液晶盒的HAN-FFS显示模式。通过两个简化条件：(1)将边缘电场简化为均匀电场；(2)弹性系数k11=k22=k33=k；得到该显示模式的简化模型，从而求得HAN-FFS模型指向矢分布，它与液晶盒厚、电极宽度、弹性系数和介电常数有关,并基于琼斯矩阵方法计算出电光曲线。
1HAN-FFS显示模式的简化模型
如图1所示，在模式HAN-FFS模式中，上基板内没有电极，下基板存在像素电极和共用电极。液晶分子以混合排列形式存在,下基板上的摩擦方向和下基板偏振片的偏振方向一致，上下基板偏振方向垂直，因此在不加电压时LCD呈暗态。图中a习惯上称为摩擦角。当加电压时，在边缘场作用下，混合排列液晶分子沿场方向发生旋转，从而出现亮态。
图2为HAN-FFS模式电场示意图和坐标系。电极间距离小于盒的间隙和电极的宽度，加电时整个液晶盒内电力线成抛物线形状，电场既有水平分量又有垂直分量 。
由于在该模式中电场的垂直分量引起液晶的展曲-弯曲形变，相对于扭曲形变，所引起的光电效应为次级效应。本文建立HAN-FFS模式的简化模型：如图3所示，盒内液晶分子为混合排列，所加电场是平行于液晶上下基板的均匀场，且做单一弹性常数近似k11=k22=k33=k。
2光学计算
出射偏振片作用后的Jones矩阵为
3简化模型模拟计算
这里采用差分迭代法[7]进行计算，由（1）、（2）式，并且利用FORTRAN程序对该模型进行计算机模拟可以得到以下几种情况。在模拟过程中，采用常数如下：弹性常数 K=11.067E-12N（这里K= K +K +K ）；电极宽度L=9E-6m；盒厚d=5.25E-6m；介电常数ε0=808541.E-12 ，△ε＝8.0；U为外加电压。在取定值摩擦角时，下基板偏振片透光方向与摩擦角方向相同，上基板偏振片方向与之相垂直，且一维模型的电极宽度为二维模型时的电极宽度和电极间距之和。
图4描述的是摩擦角为零时HAN液晶盒指向矢方位角在电压分别为2.0V、3.0V、4.0V、5.0V时随盒厚的变化曲线，图5描述的是摩擦角为零时HAN液晶盒指向矢倾角在电压分别为2.0V、3.0V、4.0V、5.0V时随盒厚的变化曲线 。
图6、图7分别描述的是摩擦角分别取0° 、3 °、6° 、9 °、12 °、15 °时的扭曲角最大值和电光曲线随电压的变化情况。
4结论
本文通过计算机模拟研究了HAN-FFS显示模式简化模型的电光特性曲线。
从结果比较可以看出HAN-FFS简化模型模式在低摩擦角时存在阈值电压，这与Seung Hee LEE提出的HAN-FFS显示模式存在阈值相一致。但阈值电压随着摩擦角的增大而减小，至逐渐消失。HAN-FFS显示模式较好地解决了LCD 的视角问题。对于自身存在的色移、开口率低、透光率低、响应速度慢等也有了许多相应的改进方法。相信经过努力，该模式一定能在显示领域占据一定地位。
参考文献
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