（光学专业论文）铁电液晶器件特性及应用研究.pdf

摘要： ，t 般近二、三十年以来，液晶在日常生活和科学技术领域都有着极为广泛的 应用，液晶器件的研制发展也很迅速，1 9 75 9 - ，m e y e r 等人首次提出了液晶存在 着铁电性之后，c l a r k 和l a g e r w a l l 又于1 9 80 年提出了“表面稳定铁电液晶 ( s s f l c ) ”结构。与传统的“扭曲向列型( t n ) ”或“超扭曲向列型( s t n ) ”显示模 式相比，该结构具有更快的响应速度( 其响应时间约为数十微秒，而s t n 的响应 时间仍限于毫秒量级) ，并且由于其双稳性和记忆性好，因而当其应用于高信 息容量显示技术时，不需要专门的记忆元件，如薄膜晶体二极管( t f t ) 等，因 而具有更高的分辨率( 它的显示区域的线条数目可以高达每平方英寸2 0 0 0 条) 。 由于表面稳定铁电液晶的这些优点，因而非常适合应用于高分辨率、高信息容 、一 量显示技术。? 我们主要研究了表面稳定铁电液晶器件的电光性质，尤其是器件 的灰度特性。洇为灰度等级是铁电液晶应用于显示技术时要考虑的一个重要问 题，并且灰度显示还是实现彩色显示的基础，有了灰度显示，才可以配出丰富的 4 色彩0 我们研制出了具有条形畴结构的电寻址1 2 8 12 8 象素铁电液晶显示器， 设计了液晶器件的驱动电源，并在实验中观察到了灰度现象此外，我们还研 究了c c d 的使用技术，为开展表面稳定铁电液晶器件在三维立体显示方面应用的 研究工作作准备。在本论文中，总结了我们在液晶器件，尤其是表面稳定铁电 液晶器件的性质及其应用方面的工作。并且探讨了铁电液晶应用的发展前景， 为进一步的铁电液晶器件研制工作奠定基础。 关键词：铁电液晶，表面稳定铁电液晶，液晶显示器，三维立体显示 a b s t r a c t ： l i q u i dc r y s t a l sh a v e b e e n w i d e l y u s e di ne i t h e rr o u t i n el i f eo rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y f o rt h er e c e n tt l l i r t yy e a r s ，a n dt h e r ei sa l s or a p i dp r o g r e s si nt h ef a b r i c a t i o no fl i q u i d c r y s t a ld e v i c e s a f t e rm e y e rr e p o r t e dt h ee x i s t e n c eo ff e r r o e l e c t r i c i t yi nl i q u i dc r y s t a l i n 1 9 7 5 ，c l a r ka n dl a g e r w a l ld e m o n s t r a t e dt h e “s u r f a c es t a b l i z e df e r r o e l e c t r i c l i q u i dc r y s t a l ”( s s f l c ) s t r u c t u r ei n1 9 8 0 c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lt no rs t n d i s p l a ym o d e ，t h i ss t r u c t u r ef e a t u r e so n i t sr a p i dr e s p o n s e ( t h et y p i c a lr e s p o n s et i m ei s a p p r o x i m a t e l yt e n so fm i c r o s e c o n d s ，w h i l es t nm i l l i s e c o n d s ) a l s ob e c a u s eo fi t s g o o d b i s t a b l ea n dm e m o r y c h a r a c t e r i s t i c ，i tn e e d n ts p e c i a lm e m o r yu n i tw h e nu s e di n t h ed i s p l a yt e c h n o l o g y t h e r e f o r ei th a sh i g h e rr e s o l u t i o n ( t h el i n en u m b e rc o u l db e u pt o 2 0 0 0l i n e sp e rs q u a r ei n c h ) b e c a u s eo ft h e s ev i r t u e s ，t h es s f l ci s v e r y a p p r o p r i a t e f o rt h e a p p l i c a t i o n o fh i g hr e s o l u t i o na n d l a r g e i n f o r m a t i o nc o n t e n t d i s p l a yt e c h n o l o g y o u rr e s e a r c hw o r kw a sm a i n l yf o c u s e do nt h ee l e c t r i c o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yt h eg r e ys c a l eo fs s f l cd e v i c e s ，f o ri ti st h ep o i n tp r o b l e m w h e nt h ef e r r o e l e c t r i cl i q u i dc r y s t a li su t i l i z e di nt h ed i s p l a yt e c h n o l o g y t h eg r e y s c a l ei sa l s ot h eb a s i so ft h ec o l o rd i s p l a y o n l yw i t ht h eg r e ys c a l e ，c o u l dt h ef u l l c o l o rd i s p l a yr e a l i z e t h ee l e c t r i c a l l ya d d r e s s e d1 2 8 1 2 8p i x e l sf l c d i s p l a yd e v i c e w a ss u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dw i t ht h es t r i p e s h a p e dd o m a i n s t r u c t u r e ，w i t ht h ed r i v i n g s o u r c ed e s i g n e d t h eg r e ys c a l ed i s p l a yw a so b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t b e s i d e s ，w e a l s os t u d i e dt h eu s a g eo f c c d ，a s p r e p a r a t i o nf o rt h er e s e a r c hw o r ko f t h ea p p l i c a t i o n o fs s f l cd e v i c e so n3 - d d i s p l a y s o u rw o r k o nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o no f s s f l cd e v i c e sw a sc o n c l u d e di nt h i sp a p e r t h ef u t u r eo ff e r r o e l e c t r i cl i q u i dc r y s t a l a p p l i c a t i o n si sa l s od i s c u s s e d t h i sc o u l dl a ya f o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hw o r ki n t h i sf i e l d k e y w o r d s ：f e r r o e l e c t r i cl i q u i d c r y s t a l ，s s f l c ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ， 3 - d i m o n s i o n d i s p l a y s 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 液晶发现迄今已经有一百多年的历史，今天，无论在日常生活，还是在科 技、工业领域，液晶已经是家喻户晓但是在未曾找到实际用途以前，液晶一 直处于被冷落的地位，只是到了六、七十年代，由于液晶材料合成的发展以及 液晶物理性质的深入研究，人们才注意到液晶在应用方面尤其是在显示领域中 的巨大发展潜力19 6 8 年美国科学家g h h e i l m e i e r 发明了第一个初级的液 晶显示器件，此后液晶研究进入飞速发展的阶段液晶的许多新特征逐渐被人 们发现，液晶理论有了很大进步，人们在新液晶材料开发，己知合成方法的改 进等方面也作了大量工作，液晶在光学器件，传感器，信息处理等领域的应用 也有了充分的发展 一、液晶简介 液晶，作为一种特殊的有机化合物，既表现有液体的流动性，又表现出晶 体的光学各向异性，是介乎于固体和液体之间的一种新的物质状态。如果按照 分子的排列方式来对液晶相进行分类，液晶可分为向列相( n e m a t i cp h a s e ) 、胆 甾相( c h o l e s t e r i cp h a s e ) 和近晶相( s m o c t i cp h as e ) 三大类向列相液晶的分 子位置杂乱无章，但排列方向倾向于平行于某个公共方向( 如图1 1 a 所示) ， 胆甾相液晶与向列相液晶的分子排列方式有些类似，差别在于分子的排列取向 并不是单一的，而是沿着一条螺旋轴螺旋式地变换方向( 如图1 1 b 所示) 图1 1 a 向列相中分子的排列 3 詹 、o 、o 、： 、卜、 7 乏o ， ，：一? - ： = 二尊。一 图1 1 b胆甾相中分子的排列 “咛1 “q一-j、 ；=认心 一_ii、“ 、_，u 州n“小 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 近晶相的分子排列具有层状结构，层间距是一定的，按照分子的排列取向 方式，近晶相又可分为很多不同的类型，分剐称为近晶a 相，近晶b 相， 例如近晶a 相( s m a ) 分子的层结构( 如图1 2 a 所示) ，在每层间分子的位置是 无序的，但分子长轴均垂直于层面，近晶c 相( s m c ) 分子长轴虽然也沿同一方 向排列，但并不垂直于层面( 如图1 2 b 所示) ，如果在近晶c 相液晶材料中添 加入光活性或手性分子，就形成s m c * 相液晶，它的液晶分子也是呈层状排列， 每层分子也是沿一个方向取向，只是各层分子的取向并不相同，而是呈螺旋状 在一顶角为2 目的圆锥面上旋转地变换方向( 如图1 2 c 所示) ，这一点与胆甾 相液晶很相似，s m c * 相液晶具有铁电性，是铁电液晶的典型代表，此外，还有 一些近晶相液晶也具有铁电性，如s m l ，s m f * ，s m t * 等，其中s m c * 相的响应速度 最快，有序性最低，从而得到了最为广泛的研究和应用，因此所谓的铁电液晶 皆指s m c + 相液晶 一。一 一! ! 11 上上i ! ! ! ! ! 山上1 l f ! ! ! ：l j l l1if ，| l 图i 2 a 近晶 相中分子的排 7 | | | |f | t | | i | tlt | ji l | | l | f | t | l 图i 2 b 近晶c 相中分子的倾斜排列 层法线 图1 2 c 在近晶c 相中添加手性材料所产生的扭曲结构 4 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 二、液晶应用 六十年代末期，人们研究了液晶的电光效应，提出动态散射模式( d s m ) ， 并制成第一个液晶显示器件由于动态散射型液晶器件采用电流电压效应，耗 电较多，并且d s m 显示模式对比度很低，因而显示图象质量较差从那时起， 人们一直在努力改善液晶显示的性能，相继出现了由h e ii m e i r 等人提出的宾主 型( g h ) 、m f s c i e k e l 、k f a h r e n s c h o n 和g a ss o h l i n 提出的电控双折射 型( e c b ) 。，以及j l f e r g a s o n 、m s c h a d t 和w h e l f r i c h 提出的扭曲向列相 型( t n ) 、t s c h e f f e r 、j n e h r i n g 和g w a t e rs 提出的超扭曲向列型( s t n ) 等多 种显示模式，在图1 3 中，以t n 模式为例，说明了液晶显示的基本原理，在未 加电场时，液晶分子使入射偏振光线的偏振面旋转9 0 。，因而使之能够通过与起 偏器偏振方向垂直的检偏器，形成“开”态，当加上外加电场时，分子沿电场 方向排列，入射偏振光的偏振面不发生偏转，因而无法通过检偏器，形成“关” 态1 9 7 5 年m a y e r 等人首次提出液晶存在着铁电性，这使得铁电液晶开始被人 们注意，由于铁电液晶具有对比度高、响应速度快等优点，因而非常适合应用 于高分辨率、大信息容量的显示器件。 入射光 a 1 无龟场状枣 一偏振片 一玻璃基板 一液晶是 一透明电极 一偏振片 入射光 t n 模式液晶盒的结构慨貌及其工作原理 盗婴 第一兰! ! 童! 壅曼垦苎查旦塑塾查：翌垄塑查查一 早期，液晶主要用于手表、袖珍计算器等小型显示仪器上，三十多年以来， 液晶显示器的发展表现出突飞猛进的势头，尤其是近十年来，l c d 的市场份额 持续增长，目前的平板显示技术，除了液晶显示外t 还有诸如场致发光平板显 示( e l ) ，发光二极管( l e d ) ，真空荧光显示( v f d ) ，等离子体显示( p d p ) 等 等从表1 1 可以看出各种平板显示技术的特点及其应用，液晶显示由于其具 有的诸多优点，其发展十分迅速从简单的扭曲向列型显示器到如今的高清晰 度大屏幕显示器，从电子手表、袖珍计算器到笔记本电脑、掌上电脑显示屏， 液晶显示器正在对传统的阴极射线管c r t 显示市场发起强大的冲击，虽然现在 l c d 仅占显示器市场的较小份额，但随着移动通信、互联网的迅速发展，液晶 平板显示必将越来越表现出其重要性 l c dl e de lv f d 清晰度o 0o 显示能力对比度 oo0o 全色彩o 响应时间 oooo 大屏幕显示 oo0 o 亮度 o00 ( 背光源) 耗电量o o 戍本 oooo 计算机、文字处 户外大屏 文字处理器 汽车面板 理嚣、个人电个人电脑、 主要应用幕显示音响设备 脑、车用显示器车用显示器 表1 1各种平板显示器的特点及应用( 。：好， 。：中， a ：差) 液晶显示器可以按照显示信息的容量分为高信息容量和低信息容量显示两 大类，前者如便携式电脑、文字处理器、袖珍电视、摄像机等显示装置，后者 如计算器、蜂窝电话、汽车的显示器等等l c d 的一些重要应用如图i 4 所示 6 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 图1 4l c d 的一些重要应用 早期液晶显示器件的驱动方式以静态驱动为主，静态驱动主要应用于笔段 显示，由于这种驱动方式的电极的树木随着显示单元数目的增加而增加，因而 无法应用于大屏幕，高信息容量显示技术，动态驱动方式的发展使得大屏幕显 示成为可能，并且实现了灰度等级，这是笔段显示无法做到的，最常用的动态 驱动方式可分为简单矩阵驱动和有源矩阵驱动两大类，前者主要应用于诸如计 算器，文字处理器等以静态显示为主的液晶显示器，后者则主要应用于驱动视 频显示等需要高清晰度，快响应的液晶显示器件在有源矩阵驱动方式中，t f t ( 薄膜晶体二极管) 方式在近年来取得了飞快的发展，它的优点是利用玻璃电 极，能透射显示， 驱动和有源矩阵驱 还具有信号传递特性好，可以大容量显示等优点，简单矩阵 动的结构如图1 5 所示。 一一 简单矩阵驱动 x 有源矩阵驱动 图1 5 简单矩阵驱动和有源矩阵驱动的结构 7 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 液晶除了应用于显示领域外，由于外加电场能改变液晶的分子排列，并随 之产生液晶盒的光调制现象，因此液晶在光学器件领域就可以有很广泛的应用， 并且与传统的电光材料制成的光学器件相比，所需电压更低、制造更筒单液 晶在光学器件领域主要可以应用于光开关、相位衍射光栅、透镜等方面由于 液晶的分子排列易受电、磁、热、机械力等外加场的影响，因而液晶在测量及 传感器方面也有许多重要应用，如用作温度测量传感器、红外线传感器、超声 波传感嚣、压力传感器等等 二、液晶材料 液晶材料始终是为了满足液晶器件在对比度、响应时间、视角等方面要求 而不断发展的，为了满足不同的l c d 技术的要求，应选择不同的液晶材料，液 晶材料的主要物理参数包括折射率各向异性a 1 1 ，介电各向异性a ，展曲弹性 系数k 。，弯曲弹性系数k ：，扭曲弹性系数k ，等，2 0 多年前，g g r e y 发明的氰 基联苯一直可以被应用于手表、计算器等小型液晶显示器上，对于温度范围较 宽或宽视角的扭曲向列型显示装置，主要采用环己苯，适合于高对比度、快响 应的显示技术如宾主型液晶器件等的液晶材料以苯基吡啶为代表，超扭曲向列 型显示模式的提出要求有大的介电各向异性，还要求具有低的旋转粘滞性和大 的k 3 k 1 ，这些是烷基系列所具有的特征此外，t f t 显示器要求液晶材料具有 很好的稳定性，如含氟液晶图1 6 列出了应用于不同显示技术的一些重要的 液晶材料 ：足vq。 ：殳苇。 第一章引言：液晶及其应用的过去、现在和未来 在信息传输、信息处理技术迅速发展的今天，液晶，由于其重量轻、耗电 省、信息容量大等诸多优点在许多领域获得了广泛的应用我们主要研究了铁 电液晶的一些性质及应用，本论文主要总结了我们在液晶灰度显示、空间光调 制器、液晶三维立体显示等方面的工作 9 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研宄 第二章表面稳g a 失, h 液晶器件灰度显示特性研究 一、原理 1 i 表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 结构的黑白双稳性 1 9 75 年，m e y e r 等人首次提出了液晶存在着铁电性，铁电液晶具有许多 新型的电光效应，比如表面稳定铁电液晶效应( s s f l c ) 、反铁电液晶t s f 、变 形螺距铁电液晶效应( d h f ) 等等其中c l a r k 和l a g e r w a l l 于19 8 0 年提出的 “表面稳定铁电液晶( s s f l c ) ”结构”1 在应用方面有着广阔的发展前景为了 说明表面稳定铁电液晶结构，我们首先来描述一下铁电液晶的分子排列情况 作为铁电液晶的代表，手性近晶c 相( s m c * ) 的棒形分子成层状排列，各层分 子呈螺旋状在一顶角为2 护的圆锥面上旋转取向，螺距为异( 如图2 1 所示) 与棒形分子长轴垂直的永久偶极矩也沿着螺旋轴旋转，因此宏观的自发极化为 零 _ 一螺距+ 近晶屠 层法毁 图2 1 手性近晶c 相( s m c , ) 中的分子排列 f i g 2 1h 1 0 1 e c u l a ra l ；g n m e n t i ns m c * 当液晶盒的厚度很大时，利用光的散射状态和透明状态，虽然可以产生“亮” 态和“暗”态，但是这种亮暗态的双稳性和对比度都很差，原因在于在厚的液 晶盒中，基扳表面的液晶分子排列方向是相同的，而液晶盒内则是螺旋结构， 因而在上下电极表面附近产生的扭曲向错线，在电场作用下，上下基板附近的 向错线互相靠近、结合、消失，使螺旋解脱，向错线的消失与生成使液晶器件 形成光的散射状态和透明状态，这种基于基板表面的向错线的消失与生成而造 成的双稳性，其可靠性和稳定性都存在着问题，因而人们的注意力更多地集中 到了薄液晶盒的情况 当s m c * 液晶盒的厚度远小于螺距只时，则盒的表面对液晶分子有抑制螺旋 结构，使之解旋的锚定作用，即分布在锥面上的各层分子将不再呈螺旋状排列， 0 苎三兰耋亘璺塞竺皇堕曼墨竺茎鏖墨至堡竺堕壅 一 而是只能在焦锥骨架角的两个态之间转换，相应于自发极化强度丹向上和向下 的两种稳定状态，这就是表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 结构( 如图2 2 所示) 玻璃基扳 图2 2 表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 结构中分子的两种取向 f i g 2 2 t h et w od ir e c t o r i so f m o l e c u l c si ns s f l cs tt u c t u r c 该结构具有转换速度快、双稳性和记忆性好等优点，因而非常适合应用于 高分辨率显示技术它与扭曲向列相液晶和超扭曲向列相液晶相比，具有许多 优点超扭曲向列相液晶( s t n ) 可以利用无源矩阵寻址技术作显示器件，但只 能在一定程度上满足显示图像精细程度的要求，这是因为为了保持s t n 器件的 亮态舜口暗态象素之间的区别，显示区域线条数目不能太大，s t n 平板显示只能 限于4 8 0 条左右并且转换速度对于s t n 显示器件来说也是一个很关键的限制 因素，尽管驱动方式的改善能够提高速度，但s t n 的响应时间仍限于毫秒量级。 扭曲向列相液晶( t n ) 应用于显示器件时，由于t n 本身没有记忆效应，因而必 须采用薄膜晶体管( t f t ) 来驱动每个象素，作为每个象素的记 乙元件。通过这 种方式，每个象素被直接驱动，这使得保持液晶亮、暗态象素之间的区别不成 为问题，但是利用这种有源矩阵驱动方式，显示器件的分辨率就受到了很大限 制然而，当s s f l c 结构应用于无源矩阵寻址的液晶显示时，由于它在转换速 度及双稳性方面的优良性质，使得它的显示区域的线条数目可以高达2 0 0 0 条 铁电液晶显示器( f l c d ) 在高分辨率显示方面( 例如头盔式显示器虚拟现实 等领域) 有着广阔的发展前景 i 2 表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 结构的黑白双稳性 表面稳定铁电液晶( s s f l c ) 结构实现黑白双稳态的机制是这样的：当改变 外加电场的方向时，铁电液晶分子就在这两种排列取向之间切换而晶体材料 中的光轴方向近似沿液晶分子长轴方向，所以通过反转电场的极性，就可以在 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 这两种状态之问接通或断开 - 3 液晶盒的上述任何一种分子排列方向与入射直 线偏振光的偏振方向一致时，透射光无法通过偏振方向与起偏器垂直的检偏器， 从而形成“关”态，改变电场方向，使分子排列方向切换至另一种状态时，透 射光的强度 ，：厶s i n ：( 4 曰) s i nz ( 型号卫) 式中，五为入射到液晶盒上的直线偏振光的强度，a 为其波长，4 为液 晶盒的折射率各向异性，d 为盒厚，臼就是焦锥骨架角适当选择盒厚正使4 力d = 入2 ，并选择0 约为2 2 5 的液晶材料，则可获得最大的透光率，形成“开” 态。 1 3 灰度显示的实现方案 灰度等级是其应用于显示技术时要考虑的一个重要问题，因为灰度显示是 实现彩色显示的基础，有了灰度显示，才可以配出丰富的色彩。虽然铁电液晶是 黑白双稳态的，但是采用适 - 3 的驱动方式，利用铁电液晶的多畴结构也可以产 生近似的模拟灰度加上它的高分辨显示特性，因而使之有了更为广阔的应用 前景，例如用作掌上电脑的显示屏等高分辨率、高信息容量的显示器等 尽管表面稳定铁电液晶是双稳性的，但是采用适当的驱动方式，是可以实 现灰度等级的产生模拟灰度等级可以采用空间分割和时间分割两种方法，利 用空间分割法，即采用子象素的方法，利用这种方法，每个象素被分割成为若 干个独立转换亮暗态的子象素，通过控制子象素开启的数目来产生象素的灰 度最有效的空间分割方法是采用2 “分割法，如图2 3 所示( 以n = 4 为例) ， 为了不增加行的数目( 因为当帧刷新时间一定时，增加行的数目意味着减小对 行寻址的时间，这就提高了对寻址电路的要求) ，各列的宽度按l 一2 4 8 的 比例进行分割，而行则可按1 ：2o 的宽度比例分割为两行( 图中n = 4 ，因而行 宽之比为1 ：16 ) 这样就可以实现2 “的灰度等级，且使行的数目保持最小，从 而使寻址电路的复杂程度降至最小时间分割方法，就是在每一帧刷新的时间 范围内，多次对各个象素进行寻址，通过调整一个象素的开关持续时问( 由开 关脉冲的宽度决定) 来产生时间平均结果的灰度等级在这种情况下，所需要 的灰度等级决定了有效帧速，这是这种方法的一个缺点，另外闪烁效应也是该 f 2 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 方法的一个不利因素 图2 3 ，空间分割方法一一将一个象素分割成若 干个子象素 f i g 2 3s p a c ei n t e g r a t i o nb yd i v i d i n ge a c hp i x e l i n o8n u m b e ro fs u b p i x e is 在单个象素内产生灰度还可以采用诸如“织构方法”【3 】、“软模铁电液晶 ( s m f l c ) ”效应 4 1 或“变形螺旋铁电液晶( d h f ) ”1 等方案 例如织构方法， 就是当在液晶器件上施加低频电场时，会导致液晶器件近晶层结构的重定向， 电压逐渐增加时，可以观察到液晶器件从初始织构，经过一个不均匀的瓦片状 织构，最终转变成一种均匀的带状织构，这三种织构的透射率一电压曲线的双稳 态之间都有一定宽度的展宽( 如图2 4 所示) ，因而可以用来产生灰度等级但 是对于这种织构方法，为了得到足够的灰度等级，需要施加比较强的电场，因 而会产生一些场致缺陷，从而降低了对比度近来有人发现向f l c 样品中加入 一些纳米级的超细微粒能够产生一些微畴，这些畴具有不同的开启电压，因而 也同样使透射率一电压曲线产生展宽，并且阈值电压的变化范围可以由掺加的 微粒的粒子大小分布来控制从而可以通过调整外加电场来产生模拟灰度“1 图2 4铁电液晶样品中，三种不同织构的投射率一电压曲线 1 3 ff_rr旦# 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 此外，还可利用所谓的“软模铁电液晶”效应或变形螺旋铁电液晶( d h f ) 来产生连续灰度变化“软模铁电液晶”是指某些铁电液晶在高于相变温度的温 度范围内，其双稳性质退化为连续的灰度器件但是这种灰度产生方式具有很 强的温度依赖性，并且角度变化小、电压水平高这些都限制了其在灰度显示 方面的应用变形螺旋铁电液晶( d i i f ) 也是一种灰度器件，可以产生连续灰度， 但是它的机制和s m f l c 效应不同d h f 是由于电场导致铁电液晶的螺距变化， 表现为双折射轴方向的变化，从而使透射率发生变化但是对比度小以及散射 效应是d h f 灰度器件的很大缺点。 二、 实验 实验采用的s s f l c 样品材料为s c e - i3 ( b d h ) ，利用摩擦法来对液晶材料进 行取向控制，采用的取向材料为聚酰亚胺( p i ) 聚合物摩擦膜，选取聚酰亚胺 作为取向材料是因为聚酰亚胺系材料在涂覆性、摩擦性、取向控制能力、化学 稳定性等方面均优于其他有机高分子铁电液晶材料夹于两片镀有氧化铟锡 ( i t o ) 电极的玻璃片当中盒的间隔为2 “m ，利用光刻聚合物膜的方法来控制 盒厚将铁电液晶材料在加热至各向同性相后( 相序为c r y s t 一s m c + 一s m a n + 一is o ) ，控制好降温速度慢慢降至室温图2 5 为我们制作的条形多畴器件 照片，在此条形畴器件上加上交变电压，当电压逐渐增加时，我们观察到器件 中会产生如图2 6 所示的灰度变化 j 4 苎三兰耋亘整塞壁皇堕曼墨堡壅枣星重塑堡堕塞 图2 6多畴铁电液晶的灰度显示( 沿箭头方向驱动电压逐渐增加) 整个实验装置如图2 7 所示在这套装置中，液晶样品与入射光源、起偏 器、检偏器、光电倍增管一起被安置在一台显微镜上组成测量光路，并在显微 镜的一次倒立像平面上增加一个光阑。这样作的目的是利用显微镜对液晶象素 进行放大，从而可以利用显微镜的目镜进行监控，使得视场的十字准丝位于被 测量象素的中心，此时光阑可以使通过象素中心的透射光大部分进入探测器， 而周围象素和象素问隔的透射光则无法进入探测器。这样就可以避免这些透射 光对象素的对比度、透射光强等测量量的影响。 图2 7 测量铁电液晶器件单象素电光响应特性的实 验装置图 f i g 2 7e x p e r i m e n s e t u pf o rm e a s u r e m e n to fe o r es p o n s ei 1 1 _ as s f l cp ix e l ( i 目镜2 分光棱镜系统3 辅助透镜4 分光 棱镜5 辅助透镜6 辅助透镜7 物镜8 液晶 器件9 聚光镜1o 可变孔径光阑n 辅助透镜 12 可变视场光阑 l3 平面反光镜 l4 隔热玻璃 i5 非球面聚光镜1 6 磨砂玻璃1 7 溴钨灯源i8 检偏器19 起偏器206 x 6 平方毫米光阑2 i 光 电倍增管2 2 液晶驱动电源 23 数字电压表2 4 存储示波器) 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 三，液晶器件的驱动电源 在液晶器件上，我4 1 1 力a _ k 了如图2 8 所示的驱动波形，用来研究铁电液晶 器件的灰度特性，即象素透射率随外加电场的强度或持续时间的变化关系 该驱动波形由复位脉冲吁和驱动脉冲好组成，其中野的脉冲幅度是不变 的，这是为了使被测量象素在被驱动时处于相同的初始状态，紧随其后的驱动 脉冲盼幅度是可变的，用以研究铁电液晶器件透射率随外加电场强度变化的情 况。 非 图2 8 驱动波形由一个幅度不变的复住脉冲 灯和一个紧随其后的幅度可变的驱动脉冲瞻 组成 f ig 2 8t h e d r i v i n gw a v e f o r m t h a tw a s a p p l i e dt o t h es s f l cp ix e ls ，c o n s i s t i n go f a ni n v a r i a b l er e s e t p u ls ea n dav a r ia b l e s e l e c t t o np u ls e s h o r t l y a f t er w & r d s 产生该驱动波形的电路如图2 9 所示，在该电路中，c d 4 0 9 8 为双单稳态多 谐震荡器，利用信号发生器产生的方波，在上升沿时触发4 0 9 8 ( 1 ) 产生一个 方波脉冲，其脉冲持续时间由r t c ，决定，下降沿时，触发4 0 9 8 ( 2 ) 又产生一 个方波脉冲，其脉冲持续时间由r ：c ，决定，显然两脉冲之间的时间间隔由信号 发生器产生的方波宽度决定由两块c d 4 0 9 8 触发产生的方波经l f 3 53 运放叠加， 产生如图2 8 所示的驱动波形，并且脉冲幅度可分别由r ，和r 来调节 图2 9 产生图2 8 所示驱动波形的电路图 ，6 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 对于这种不对称的双极脉冲， - 3 加在液晶器件上时，由于正脉冲和负脉冲 幅度不对称，因此会在液晶盒两表面产生积累电荷，从而形成一个直流偏压， 在电极附近的液晶材料会发生电化学反应而损坏器件因此我们利用a d 转换 卡，采用计算机端口输出波形的方法，对数模转换卡进行编程来产生如图2 1 0 所示的对称波形该波形的原理与图6 的波形相同，只是增加了盱和眇，用 来抵销盱和垤幅度不对称造成的电荷积累( 这样会形成一个直流偏压而损坏 器件) 阼 产生该波形的程序如下 # i n c l u d m a i l l ( ) ( i n t i d o u b l er f i l e + f p ； a = 6 3 ，b = 0 ， n = 2 i ，q = 4 f o r ( i = l ：i ( p r i n t f o h t p o r + 7 。a ) ； 圈2 1 0 为了避免由于驱动脉冲不对称而造成 积累而采用的对称驱动波形 f i g 2 10t h es y m m e tr i cd r iv i n gw a v e f or m t oa v o i dt h ec h a r g ea c c u m u i aci o n n 0 口 卜 吡 ， 毗印- = 2 o u ) 啦 ，m ， 苎三兰 童亘整室竺鱼壅曼矍堡茎塞墨至鳖丝里墨一 o u t p o r t ( p o r t + 7 ，a ) o u t p o r t ( p o r t + 7 ，b ) o u t p o r t ( p o r t + 7 ，b ) o u t p o f t ( p o r t + 7 ，n ) o u t p o r t ( p o t t + 7 。n ) o u t p o f t ( p o t t + 7 ，q ) o u t p o r t ( p o t t + 7 ，q ) o u t p o r t ( p o r t + 7 ，c ) o u t p o r t ( p o r t + 7 ，c ) ； f p = f o p e n ( e ：d a t a d a t ”，”w + 。) ； o u t p o r t ( p o r t ，10 ) ； o u t p o r t ( p o t t + l ，0 ) ； d = i n p o r t ( p o r t + 2 ) ； e = i n p o r t ( p o r t + 3 ) ； r e s u lt = ( c 2 5 6 + d ) ： f p r i n t f ( f p ，d t g n ”，i ，r e s u lt ) ； p r i n t f ( ”d t d n d t g n ”，d ，e ，i ，r e s u lt ) f c l o s c ( f p ) ； g e t c h ( ) ； ) 在该程序中，a 、b 、n 、q 分别控制输出卧，、卧 路- 跆的脉冲幅度， 而c 则是0 伏输出，即对应于无外加电场状态。由a d 转换卡输出的波形再通 过运放进行放大，就可以用做液晶器件的驱动电源 ，9 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 四、测量结果与讨论 利用图2 7 所示的实验装置，我们对s s f l c 器件的灰度特性进行了测量， 按照驱动脉冲持续时间和液晶盒导电玻璃电极的电阻值的不同，我们在以下四 种情况下进行了测量： l 、非对称驱动脉冲，持续时间为2 4 8 0 微秒，液晶盒导电玻璃电极的电阻为8 欧姆方块 2 、非对称驱动脉冲，持续时间为2 4 80 微秒，液晶盒导电玻璃电极的电阻为8 0 欧姆方块 3 、对称驱动脉冲，持续时间为2 4 80 微秒，液晶盒导电玻璃电极的电阻为80 欧 姆方块 4 、对称驱动脉冲，持续时间为5 7 5 微秒，液晶盒导电玻璃电极的电阻为8 0 欧 避| 玄块 在第一种情况下得1 4 的样品象素的电光响应曲线如图2 1 1 所示 m o i n m e n u ，9 c h o r 、r l e l1 5 m s2v c h o n n e l2 5r i i s5v c h l 2v ” t d i v5m sc h 2 5v “ t r i g 2 o o d i v c h a n 2 ” m a i n m e n u r i a i n m e n u m a i n m e n u f i 。i f ii i l l 厂- r c h a n n e l f 5 m s2 j c h a n n e l 5 m s5 t d i v5m ec h 2 5 t r i g 2 0 0 d v c h a n 1 - q 厂 1 1 v 2 v v v 2 c h a n n e l1 5 m s2v c h a n n e l2 5m s5v c h l2v t d i v5 m 8c h 25v ” t r i q 2 0 0 d i v c h a n2 ij ll 2 0 c h a n n e l1 5m s1v c h a n n e l2 5 m s5v c h l1v t d i v5 m ec h 25y ” t n + ，n n j 、，r “ h f ，” h a i n i il h i g t l u f i i i i l l _ i h a i n h e n u h a l n h e n u ， f f f c h a n n e l1 5m e1v c h a n n e l2 5 m s5v c h11v “ t d t v5 m sc h25v 一 1 - r i g _ + 2 0 0 d r y c h a n2 一 l j l 一 ，l lil c h a n n e l 5 m e1 i c h a n n e l 5m e5 t d i v5 m sc h25 t r i g _ + 2 0 0d r y c h a n f i 1 1 v 2 v v v 2 | ls h a n n e l1 | 5m s1v c h a n n e l2 5 m s5v t d i v6 m ec h c h 2 5v 一 11v t r i g + 2 0 0 d i v c h a n2 一 第二章表面稳定铁电液晶器件灰度显示特性研究 l l a l n m e n u n o i n h e n u ul c h a n n e i1 5 m s1v c h a n n e l2 5 m s5v c h11v t d j v5 1 1 1 sc h 25v t r l g + 2 0 0d l v c h a n2 “ l l c h a n n e l1 5m s1v c h a n n e l2 5 m s5v c h11v 。 t d _ i v5 m sc h 25v ” t r l g _ _ 2 0 0 d l v c h a n2 。 图2 1 1 在第一种情况下得到的液晶象素对驱动脉冲的响应波形 f i g2 11 - or cs p o r l $ n v e f o r mi nc a s co n e 2 2 苎三兰耋耍整塞璧皇望曼堡堡壅鏖星至壁竺至壅 一 由图2 1 l 可以看出，当驱动脉冲加在被测量象素上，透射率首先有一个很 大的变化，然后逐渐衰减至一稳定的灰度状态这种现象可以这样来解释：如 原理2 j 所述，液晶象素的开态与关态分别对应着铁电液晶分子的两种取向 相应于自发极化强度乃向上和向下两种状态，如图2 1 2 所示，很明显，在铁 电液晶器件的内部，每个电偶极子的头部紧挨着另一个电偶板子的尾部，正负 电荷的效应相互抵消，但在器件的表面有净电荷存在，我们称之为表面极化电 荷，图2 1 2 ( a ) ，2 i2 ( b ) 分别表示丹向上和向下两种状态 图2 i2 液晶象素内，自发极化强度厅向上和向下的两种状态 f i g 2 1 2s p o n t a n c o u sp o l a r l z a t i o ni ns s f l cp i x e l s u pa n dd o w nr e s p e c t iv e l y 如果液晶象素中有一部分面积转换了开关状态，那么就相当于这部分铁电 液晶分子在两种排列取向之间切换，亦即这部分电偶极子改变方向例如对于 图2 1 2 ( a ) 所示的自发极化强度向上的状态，倘若加上方向向下的外加驱动电 压，由于电偶板子有沿外界电场取向的趋势，因此当外加驱动电压的幅度足够 大，达到了液晶象素中一些畴结构的反转电压时，那么这部分畴结构的电偶极 矩将改变方向，即转换了开关状态，图2 1 2 ( a ) 所示的情况下，将有一部分电 偶极子的方向由向上变为向下，这也就相当于液晶器件的两个表