（凝聚态物理专业论文）应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 胆甾型液晶显示具有零场双稳态的特点，即当电场撤除后它的平面态或焦锥 态仍然能够保持下来，维持显示时不需要继续施加驱动电压。该显示模式具有低 功耗、高对比度和低成本的优点，并可制成可卷曲的柔性显示器，在电子书、电 子纸和电子标签等无需频繁刷新内容的显示领域里有着广阔的应用前景。 相对于平面态来说，焦锥态使液晶体系处于能量较高状态，是热力学中的亚 稳态，因此，焦锥态的稳定性就决定着胆甾型液晶双稳态显示性能的好坏。如果 对基板表面进行垂直取向处理，使边界处的液晶分子垂直于基板表面，这样有利 于焦锥态的稳定，这就是广泛应用的表面致稳胆甾型液晶显示器( s s c h l c d s ) 的 工作原理。此时基板表面的这种垂直取向“锚定 作用的强弱将直接影响焦锥态 的稳定性，因此深入研究这种“锚定作用对焦锥态的稳定性的影响机理和规律， 对于s s c h - l c d s 器件的研究具有较大的应用价值和理论意义。由于极向锚定能是 评价这种表面“锚定 作用的重要物理参数，本论文以基板的极向锚定能为着眼 点，通过改变温度连续调节极向锚定能的数值，研究极向锚定能的强弱对于焦锥 态稳定性的影响规律，为研究表面边界条件对于胆甾型液晶双稳态显示性能的影 响机理探索一条新的途径。 在本论文研究中，我们利用l a b v i e w 软件建立了液晶器件极向锚定能自动测 试系统，采用强电场法测定了不同温度下具有相同物理参数的摩擦和不摩擦垂直 取向液晶盒的极向锚定能，发现极向锚定能随温度升高而降低，但摩擦基板的锚 定能大于不摩擦基板。进而以焦锥态透过率的变化为指标研究焦锥态的稳定性， 测定了s s c h - l c d s 中焦锥态的透过率随温度的变化，发现温度越高，焦锥态的透 过率变化越大，但摩擦基板的稳定性要优于不摩擦基板。研究结果显示垂直取向 极向锚定能起着稳定焦锥态的作用，极向锚定能数值越大，焦锥态的稳定性就越 好。这些结论对于胆甾型液晶双稳态显示的研究和应用具有重要的指导意义。 关键词：胆甾型液晶；双稳态；垂直取向；极向锚定能；焦锥态稳定性 英文摘要 a b s t r a c t c h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( c h - l c d s ) h a v eb i s t a b l es t a t e s ，i e t h ep l a n a rs t a t e o rt h ef o c a lc o r d es t a t eh a sp i x e lm e m o r yw i t ht h ee l e c t r i cf i e l db e i n gr e m o v e d t k s m o d eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i 曲c o n t r a s tr a t i oa n d l o wc o s ta n ds oo n ，a n di ti ss u i t a b l ef o rf l e x i b l ed i s p l a y s t h u st h e r ei sag o o df u t u r ef o r c h l c d si nt h es t a t i cd i s p l a y sl i k ee - b o o k ，e - p a p e ra n de - l a b e le t c n 坨f r e ee n e r g yo ft h ef o c a lc o n i ct e x t u r ei sl a r g e rt h a nt h a to ft h ep l a n a rt e x t u r e ，s o t h ef o c a lc o n i cs t a t ei sas e m i s t a b l es t a t ei nt h e r m o d y n a m i c s t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n - c eo fc h - l c d si ss t r o n g l yd e p e n d e n to nt h es t a b i l i t yo ft h ef o c a lc o n i cs t a t e i ft h ep i l a y e ri sv e r t i c a l l ya l i g n e di no r d e rt h a tt h el cm o l e c u l e sa r ev e r t i c a l l ya l i g n e da tt h e b o u n d a r ya sw e l l ，i ti sh e l p 觚t ok e 印t h ef o c a lc o n i cs t a t e t l l i si st h ew i d e l yu s e d “s u r f a c es t a b l i z e dc h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ”( s s c h - l c d s ) t h ea n c h o r i n g e f f e c to fv e r t i c a la l i g n m e n ta tt h es u r f a c ep l a y sad i r e c ta n di m p o r t a n tr o l ei nt h e s t a b i l i t yo ft h ef o c a lc o n i cs t a t e t h a ta ni n - d e p t hs t u d yo ft h ea n c h o r i n ge f f e c tt ot h e s t a b i l i t yo ft h ef o c a lc o n i cs t a t e ，i sm o r em e a n i n g f u lt ot h es s c h - l c d sr e s e a r c h b e c a u s et h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g yi sa l li m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e rf o r t h e e v a l u a t i o no ft h ea n c h o r i n ge f f e c t ，f r o mt h ev i e w p o i n to fp o l a ra n c h o r i n ge n e r g y , w e a d j u s t e dt h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g yb yc h a n g i n gt h et e m p e r a t u r e ，a n di n v e s t i g a t e dt h e m e c h a n i s mo fh o wt h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g ya f f e c t st h es t a b i l i t yo ft h ef o c a lc o n i c s t a t e t h i ss t u d yb r i n g so u tan e ww a yf o rt h ef u r t h e rs t u d yo fs u r f a c eb o u n d a r y c o n d i t i o n se f f e c tt ot h ep e r f o r m a n c eo fs s c h - l c d s i no u rr e s e a r c h ，w ee s t a b l i s h e dt h ea u t o m a t i cs y s t e mf o rt h em e a s u r e m e n to fp o l a r a n c h o r i n ge n e r g y ，w h i c hi sc o n t r o l l e db yt h el a b v i e ws o f t w a r e w i t ht h eh i g he l e c t r i c f i e l dm e t h o d ，w em e a s u r e dt h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g yo fb o t hm b b e da n dn o n - r u b b e d v ac e l l s 谢t l lt h es a m ep h y s i c a lp a r a m e t e r sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g yd e c r e a s e s 、析t l lt h ei n c r e m e n to f t e m p e r a t u r e s ，w i t h i nt h ee x p e r i m e n t a le r r o r s ，t h ea n c h o r i n ge n e r g yo fr u b b e d 泓c e l l s i sl a r g e rt h a nt h a to fn o n - r u b b e dv a c e l l s t r e a t i n gt h ec h a n g eo ft r a n s m i t t a n c eo ft h e f o c a lc o n i ct e x t u r ea st h ep e r f o r m a n c ei n d e x ，w em e a s u r e dt h et r a n s m i t t a n c eo ft h ef o c a l c o n i ct e x t u r ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a n di ti sf o u n dt h a tt h ec h a n g eo ft r a n s m i t t a n c e o ft h ef o c a lc o n i ct e x t u r eb e c o m e sl a r g e rw i t ht h ei n c r e m e n to ft e m p e r a t u r e s ，a n dt h e s t a b i l i t yo fr u b b e dv ac e l l si s b e t t e rt h a nt h a to fn o n - r u b b e dv ac e l l s t h e s e c o n s e q u e n c e si m p l yt h a tt h ep o l a ra n c h o r i n ge n e r g yo fv e r t i c a la l i g n m e n tp l a y sa n i m p o r t a n tp a r ti nt h es t a b i l i t yo ft h ef o c a lc o n i ct e x t u r e ，a n dt h em o r el a r g e rp o l a r a n c h o r i n ge n e r g yi s ，t h em o r eb e t t e rs t a b i l i t yt h ef o c a lc o n i ct e x t u r eh a s a l lt h ea b o v e r e s u l t sa r es i g n i f i c a n tt ob o t ht h es t u d ya n da p p l i c a t i o no fc h o l e s t e r i cb i s t a b l el c d s k e yw o r d s ：c h o l e s t e r i el i q u i dc r y s t a l s ：b i s t a b l es t a t e ：v e r t i c a la l i g n m e n t ；p o l a r a n c h o r i n ge n e r g y ；s t a b i l i t yo ff o c a lc o n i ct e x t u r e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博硕士学位论文竺廛旦王厘甾型邀昌显丞垂直塑囱撞盔的婴究= = ，除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：! 物型：雯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文 的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究 所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后 遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密酉( 请在以上方框内打“4 ) 论文作者签名：尚小买导师签名：论文作者签名：闻小头导师签名： 孑涛 日期：垆7 月, , e l 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 第1 章绪论 1 1 液晶概述 液晶是一种介于固态和液态之间的特殊物质。一方面，它的力学性质、电学 性质、磁学性质和光学性质都呈现出与排列有关的类似于晶体的各向异性；另一 方面，它又具有与普通流体类似的流动性。虽然液晶结合了晶体和液体的性质， 但是又展示出不同于晶体和液体的非常特殊的电光特性和磁学特性，正因为如此， 液晶在显示领域里受到了人们广泛地关注。 自从1 8 8 8 年奥地利植物学家莱尼茨尔( f r e i n i t c e r ) 首先发现了液晶( 即胆甾醇 苯酸酯) ，迄今为止，已发现具有液晶态的材料在几千种以上。它们呈现的结构也 五花八门，有数十种不同的液晶相，而且随着新材料的出现，液晶家族在不断地 扩大，液晶相的类型也在不断地增加。能够形成液晶的物质通常具有刚性分子结 构，同时还具有在液态下维持分子的某种有序排歹0 所必须的结构因素。这种结构 特征常与分子中含对位苯基团、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。如 4 , 4 ，_ 二甲氧基氧化偶氮苯( 见图1 1 ) ，分子上两极性基团间相互作用有利于形成线 性结构，从而有利于液晶有序态结构的稳定。形成液晶的物质也可以是盘状、碗 状或者是高分子聚合物等。总的来说，液晶物质结构的位置有序性比晶体低，一 般都比液体的位置有序性高，它们还具有一个重要的共同特点即取向有序性。 h a c o c 图1 14 ，4 一二甲氧基氧化偶氮苯分子结构式 f i g 1 1m o l e c u l a r s t r u c t u r a lf o r m u l ao f 4 。4 - d i m e t h o x y a z o x y b e n z o l 按照液晶形成条件和组成的不同，可以将液晶分为溶致液晶和热致液晶两大 类。溶致液晶是指将某些有机物分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加， 一童 第1 章绪论 造成有机物分子排列有序而获得液晶态；而热致液晶的形成与温度有关，将物质 从各向同性态缓慢降温，当降温到一定程度后分子取向出现有序化，从而获得液 晶态。在显示应用领域中，经常使用的是热致液晶，它大致可以分为以下三种类 型：向列相液晶，胆甾相液晶和近晶相液晶。 1 1 1 向列相液晶 向列相液晶是液晶家族中很重要的成员，目前被广泛应用在显示领域里。在 向列相中，液晶分子彼此倾向于平行排列，平行排列的从优方向称为指向矢，通 常用一单位矢量n 来表示，它实际上表示宏观上无穷小，但微观上又包含相当多 液晶分子的一个局部体积中的分子排列的从优方向，注意n 实际上没有正反方向 之分，如图1 2 所示。 图1 2 向列相液晶分子的示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fn e m a t i cl cm o l e c u l e s 在向列相液晶中，由于热起伏造成液晶分子排列并不是完全相互平行，而是 符合一定概率的统计分布，故可用有序参数s ( o r d e rp a r a m e t e r ) 来描述【1 】： 1 s = - 妻( 3 c o s 2p 一1 ) ( 1 1 )，、， 二。 式中，0 是液晶分子长轴和指向矢n 之间的夹角。三角括号表示在一定空间时间内 取平均值。有序参数s 实质上是描述单位指向矢n 所代表的宏观上无穷小，但微 观上又包含相当多分子的一个局部体积中的众多液晶分子偏离指向矢n 的程度。 i i i l il-li -i i-f li - l 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 由上式可以看出，当物质呈晶态时，e = o o ，故s = l ；当物质变成各向同性态时，0 = 9 0 0 ， 故s ：0 ；液晶态的有序参数s 介于0 - - - 1 之间。一般来说，随着温度的升高，有序 参数s 呈减小的趋势。 1 1 2 胆甾相液晶 胆甾相液晶分子呈层状结构，每一层中的液晶分子长轴与该层平面平行，层 与层之间呈螺旋状结构重叠，与各层平面相互垂直的方向称为胆甾型液晶的螺旋 轴。当不同层中的液晶分子长轴排列沿螺旋轴方向旋转3 6 0 0 之后，又回到初始取向， 这个周期性的层间距称为胆甾型液晶的螺距( p ) 。胆甾型液晶具有左旋和右旋结构 之分，下图1 3 是胆甾型液晶分子的结构模型示意图。 0 3 r i m 图1 3 胆甾型液晶分子结构模型示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a 掣 a mo f c h o l e s t e d cl cm o l e c u l e s 胆甾型液晶又可以分为两类：一类是由胆甾醇经酯化1 2 , 3 或卤素取代之后得到 的胆甾相液晶，这类液晶称为甾体液晶；另一类就是非甾体的胆甾相液晶，它是 通过在向列相液晶中添加一定量的手性剂从而使液晶呈现出螺旋状结构，这一类 液晶也具有甾体液晶的特殊的光学性质，称之为手性胆甾型液晶。通常对于这两 种液晶不加以区别，都称为胆甾型液晶。 1 ：1 3 近晶相液晶 近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，这类液晶除了具有沿指向矢方向的取 第1 章绪论 向有序性外，还具有沿某一方向的平移有序性，从而形成层状结构。层内分子长 轴相互平行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列( 见图1 4 ) 。液晶分 子可以前后、左右滑动，但各层之间不能上下移动。因分子排列整齐接近于晶体 结构，从而具有二维有序性。液晶分子质心位置在层内无序，可以自由平移，从 而又具有流动性。 i i i i f if n f j j i l i l 图1 4 近晶a 相( a ) 和近晶c 相( b ) 的分子示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs m e c t i cp h a s ea ( a ) a n dc ( b ) l cm o l e c u l e s 1 2 胆甾型液晶的光学特性 在平面态时，胆甾型液晶的周期性排列如同晶体的规则晶格排列，当入射光 波长满足布拉格( b r a g g ) 反射条件时【4 棚，胆甾型液晶将会发生选择性反射，此时液 晶盒呈现亮态，且可以通过调节螺距p 来改变其反射颜色。在焦锥态时，液晶呈现 多畴状态，液晶畴内部仍呈螺旋结构排列，但不同液晶畴之间的螺旋轴方向随机 分布。在不同液晶畴的交界处，入射光会由于折射率的突变而发生光散射现象， 从而使液晶盒呈现雾态或暗态( 在液晶盒后面贴一层黑色吸收层即可形成暗态) 。 正是由于具有这种零场双稳态的性质，使得胆甾型液晶显示器件具有耗能低，且 对比度高和具备一系列柔性电子纸等优点，在电子书，电子纸和电子标签等无需 频繁刷新内容的显示领域里有着广阔的应用前景，因而在液晶界掀起了对胆甾型 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 液晶显示与应用的巨大研究热潮。 胆甾型液晶除了具有向列相液晶的光学性质以外，还具有自身特殊的光学性 质，现分别叙述如下： ( 1 ) 旋光性 胆甾型液晶的螺旋结构会使线偏振光在穿过液晶层后，出射光的振动平面相对 于入射光的振动平面发生一定角度的旋转，这种性质称为胆甾型液晶的旋光特性 【7 ，8 】 o ( 2 ) 圆偏振光二向色性 当自然光入射到胆甾型液晶层上时，入射光的电场矢量可分成两束：左旋圆 偏振光和右旋圆偏振光。其中一束与胆甾相液晶螺旋结构旋向一致的圆偏振光被 反射，另外一束与螺旋结构旋向相反的圆偏振光则透过。这就是胆甾型液晶的圆 偏振光二向色性质【9 ，1 0 1 。 ( 3 ) 选择反射性 胆甾型液晶具有反射一定波长范围光的性质，其反射光波长与双折射率平均 值万和螺距p 之间的关系 4 , 5 , 6 1 1 1 是： 五= 万p 反射波长的带宽为： ( 1 2 ) a 力= a 刀p ( 1 3 ) 其中：万为平均折射率；a n 为折射率各向异性；螺距为p = 1 ( h t p x 尼) ，其中为 手性剂浓度，拭陋是手性材料的扭曲力常数，它由手性分子的自身特性所决定。因 此，可以通过调节螺距p 来改变胆甾型液晶的反射光波长，从而改变液晶器件的反 射颜色。这种性质被广泛应用于胆甾型液晶颜色温度计和实现胆甾型液晶彩色显 示【1 2 】等领域。 1 3 胆甾型液晶零场双稳态显示原理 胆甾相液晶具有三种不同的分子排列结构，第一种是平面织构态( p l a n a r 第1 章绪论 t e x t u r e ) ，简称为p 态；第二种是焦锥织构态( f o c a lc o n i ct e x t u r e ) ，简称为f c 态；第三 种是垂直织构；态, ( h o m e o t r o p i ct e x t u r e ) ，简称为h 态，如图1 5 所示。 ( a ) p 态 ( b ) f c 态 ( c ) e e c ，h 态 图1 5 胆甾相液晶的三种织构状态 f i g 1 5s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e et e x t u r e so fc h o l e s t e r i cl cm o l e c u l e s 在外加电场为零时，胆甾型液晶开始处于p 态，由于p 态时液晶的自由能为最 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 小，所以p 态是一种稳定状态。此时胆甾相液晶具有周期性的螺旋状结构，其螺旋 轴与液晶盒基板垂直。当入射光的波长满足布拉格反射条件时，入射光将被强烈 反射，且反射光为圆偏振光，此时液晶盒呈现出亮态，反射光的波长可由螺距p 来 调节控制。当将一定强度的电压施加到胆甾相液晶材料上时，胆甾型液晶就会由p 态转变为f c 态，此时螺旋轴分布杂乱无章，但总体取向与基板平行。处于f c 态的 液晶分子呈现出一种多畴结构【4 1 3 】，在每一个液晶畴内，螺旋结构仍然存在，但此 时周期性重复螺旋结构却不复存在，入射光因畴与畴之间的折射率不匹配而被散 射，此时液晶盒呈雾态或暗态。若此时撤去施加电场，f c 态在一定条件下( 如表 面处理，聚合物稳定等方法) 可以保持稳定，这就构成了另外一种零场稳定态。 当在液晶盒上施加足够高的电场强度e e e 时( e e 为液晶发生相变时的阈值电场强 度) ，由于液晶材料的介电各向异性a e 0 ，所有液晶分子都有沿电场方向排列的趋 势，故螺旋结构开始解体，胆甾相液晶开始发生相变，最终转变成沿电场方向一 致排列的向列相液晶即h 态，此时液晶盒呈透明态。若在h 态减小电场强度并低于 e c 时，h 态将变得不稳定而发生弛豫。液晶最后的状态由撤销电场的方式决定：若 将电压缓慢降低，液晶分子将以h f 模式弛豫，最终转变为焦锥态并保持下来；如 果在h 态把电压快速下降为零，液晶分子将以h p 模式弛豫，从垂直排列态弛豫到 平面织构。该弛豫过程是h f 模式和h p 模式竞争的结果。以h f 模式弛豫时，液晶从 垂直排列态弛豫到焦锥织构或指纹织构，螺旋轴大致平行于基板平面。一旦液晶 转变到f c 态，当电场为零时，f c 态就能够保持下来，如图1 6 所示。在h p 模式转 变过程中，首先液晶材料很快转变到瞬时平面态，此时螺距大概是初始平面态螺 距的2 2 5 倍【1 4 】，然后材料缓慢弛豫到最终平面织构态( 螺距为p o ) ，如图1 8 所示。 对于h f 模式，可只考虑一个参数即扭曲角9 ( 如图1 7 所示直角坐标系示意图) ， i 扫l a n d a u k h a l a m i k o v 方程得到动力学方程为【m 1 ： 7 鲁= 局：雾一筹酽咖细s ( 1 4 ) 其中丫是旋转粘度，k 2 2 是扭曲弹性常数，a e 是介电各向异性常数。 第1 章绪论 l - - o l - - i - _ _ _ _ _ _ _ _ 0 1 _ _ _ 一 i i ll 一t l ll il i , tl ( a ) e e 。( b ) e e c 一 e 0 ( 0 。 0 v 曲时，基板表面处的液 晶分子也会发生重新排布以使系统的自由能为最小值，边界层的这种液晶分子取 向变化将会对整个液晶盒的光延迟量和电容量产生一定的影响。因此，液晶盒的 极向锚定能数值可以通过在特定的电压区间对液晶盒的光电特性( 光延迟量电压 和电容量电压) 曲线进行简单地拟合求出。 ( a )( b ) 图2 1e = 0 ( ( a ) 图) 和e e t h ( ( b ) 图) 时v a 液晶盒中液晶指向矢分布示意图 f i g 2 1d i s t r i b u t i o no fl cd i r e c t o ri nv a l cc e l l sw i t he = o ( a ) a n de e t h 下面我们从理论上分析如何从液晶显示器件对外界电场的光电响应特性中求解出 极向锚定能数值w p 。 在图2 1 中，当施加外电场时，假设液晶盒内液晶分子只在x z 一维平面内发 生重新取向，且上下两块基板经过相同的表面处理，即两块基板的极向锚定能大 小相等。根据f r a n k o s e e n 连续弹性体理论，上述垂直取向液晶盒总的体自由能密 一万二一步二 童 斓坐 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 度可以写作口7 】： = r 争( c 。s 2 + s i n 2 姒警) 2 面豆】出+ 舯? + 倒) ( 2 1 ) 其中：乒= l ( g l l c 0 5 2 + k ，s i i l 2 ) ) 2 一西豆】比是体系的体自由能密度。k l l 和k 3 3 分别是展曲弹性常数和弯曲弹性常数，q 是液晶指向矢n 与x 轴的夹角即倾 角，d 是液晶盒的盒厚，去西豆是电场能量密度，( o ) 和舣d ) 分别代表上下两基板 的极向锚定能密度。根据r a p i n i p a p o u l a r 理论模型，( o ) 和( d ) 可以写作： 乒( o ) = 乒( j ) = 乒= + w p s i n 2 ( 秒一啡) ( 2 2 ) 其中：w p 是极向锚定能系数，也称为“极向锚定能”。 又因为1 9 , = 占o ( 占上+ , , s s i n 2 矽) 巴 所以总的电场能量为： 一互lf ( b 豆) 比= 一i 1r ( 及尼) 出= 一兰等f ( 上+ a f s i n 2 矽) - 1 比 ( 2 3 ) 其中：8 上和分别是垂直于指向矢和平行于指向矢的介电常数。 因此，垂直取向液晶盒总的f r a n k 体自由能为： f = s 吉胁- t c o s 2 矽怕，s ；n 2 姒警2 一等懈s t n 2 们比 + 2 丢s i l l 2 ( o - o p ) ( 2 4 ) 其中：s 为基板面积。 当施加电场达到一定强度时( v v m ) ，基板表面处的液晶分子排列不再像强锚 定理论描述那样固定不变，而是会发生重新取向。由于液晶分子和基板表面之间 强烈的相互作用，基板表面处的液晶指向矢仍然很接近预倾角0 p ，因而a o - - o - 0 p 的数值是非常小的。0 p 是液晶分子的预倾角，0 = 9 ( o ) = 平( d ) 是外电场下的基板表面 处液晶分子的分布。当a o o 3r a d 时，s i n ( a 0 ) = a 0 ，因此上述方程( 2 2 ) 可以简化为： 第2 章强电场法测定v a 液晶盒极向锚定能 z = 三( 力2 ( 2 5 ) 要满足a o 非常小的条件，外加电场必须满足v v t l l ) ，以保证液 晶盒中间层处的指向矢完全与电场矢量垂直。边界处表面力矩平衡方程为【3 7 】： ( k l l c o s 2 + k 3 3 s i n 2 ) - 石) l ；。- - 艘7 口、= s i n ( 秒一巳) c 。s ( 秒一巳) ( 2 1 9 ) 当波长为九的单色光垂直入射液晶盒时，整个液晶盒的光延迟量可以表示为【3 0 ，3 1 l r = 等胁州m 。k ， ( 2 2 0 ) 其中：，砜力：冶正面，= 舻彳) 舻，l l o 和1 1 e 分别为寻常光和非寻常光的折射率。 将( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 代入( 2 2 0 ) 式，得d 明 嚎删c 矿= 等c y 一去w 川争 其中：地= 要f 熹貉垃学形，r o - - 2 7 c d ( 巩一舭是 液晶盒的最大光延迟量，乒上s d ) 兀( k 3 3 ) 忱，s 是电极面积，c 是液晶盒的电 容。从上述方程( 2 2 1 ) u - l 以看到，在上述所提及的特殊电压区域里( v m i n v 1 c m 2 时沩界场效应所弓l 趋的液晶指向矢形蛮就可以 第2 章强电场法测定v a 液晶盒极向锚定能 忽略不计。当对液晶盒施加强电压时，其电容和电压之间有如下关系h 1 】： c v = c 。( 矿一v )( 2 2 2 ) 其中：c 。是当电压v c o 时的电容。垂直取向液晶盒的y 可以表示为： y ：口( 1 一旦) 玩， 占上 其中：删万c 瓜而丽丽产等- l o 将方程( 2 2 2 ) 和方程( 2 2 3 ) 代入方程( 2 2 1 ) ，方程( 2 2 1 ) 则可以简化为： ( 面r t ) c m 。，= 嚣c 卜彘地 争 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 通过对方程( 2 2 4 ) 进行线性拟合，就可求出极向锚定能w p 。此方法避免了对于液 晶盒电容值的测量过程，因而是一种比较简单，且易被广泛推广的测量极向锚定 能的方法。 2 2v a 液晶盒光学延迟量r 的测量 图2 2 所示是测量v a 液晶盒电光特性曲线的实验装置。现将测试原理叙述如 下：将垂直取向液晶盒放在两正交偏振片p l 和p 2 之间，其光轴与两偏振片的偏振 轴方向成4 5 0 角，采用波长为6 3 5 n m 的单色激光束垂直入射在起偏片p l 上，偏振 光透过液晶盒，经检偏片p 2 透射出来，透射光光强i 被探测器接收并记录下来， 则v a 液晶盒的光延迟量由下列公式给出： j ：，os i n 2 ( 冬) ( 2 2 5 ) 其中：而是透过起偏片p l 的光强，尺是v a 液晶盒的光延迟量。 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 p o l a r i z e rv al cc e ： 图2 2 测定v a 液晶盒光延迟的装置示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r m no fs e t u pf o rm e a s u r i n gt h ep h a s er e t a r d a t i o no fv a l cc e l l s 2 3v a 液晶盒电容c 的测量 一般情况下，液晶盒的电容属于微小电容，一般为几百p f 。我们在实验中采 取了如下方法测量v a 液晶盒的电容值，见图2 3 和图2 4 。 图2 3 测定液晶盒电容的等效电路示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc i r c u i t sf o rm e a s u r i n gt h ec a p a c i t a n c eo fl cc e l l s c l cc o 图2 4 测定液晶盒电容的简化等效电路示意图 f 追2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i m p l i f i e mc i r c u i t sf o rm e a s u r i n gt h ec a p a c i t a n c eo fl cc e l l s 2 5 第2 章强电场法测定v a 液晶盒极向锚定能 在上述图2 3 所示电路示意图中，液晶盒等效为一个电容c l c 和一个电阻r l c 并联表示，然后与一个固定电容c o 串联。实际上由于液晶材料的电阻很大( 电阻 一般大于1 0 m q ) ，所以液晶电阻对总导纳的贡献很小，因而可以将液晶盒只用电 容c l c 来表示。故上述图2 3 所示电路可以简化为两个电容串联表示，如图2 4 所 示。根据正弦交流电路计算方法，可以得到以下方程； c l c ( v 讹l - v o ) = c o v o( 2 2 6 ) 其中：c t , c 和c o 分别为液晶等效电容值和固定电容值，v 幻t a l 和v o 分别为加入 上述电路中的总电压和固定电容c o 两端的电压。用数字万用表测量出v 幻t a i 和v o ， 已知固定电容值c o ，利用方程( 2 2 6 ) 就可计算出液晶的等效电容值c l c 。 2 4v a 液晶盒阈值电压v 。的确定 在实验中，阈值电压v 。h 通常可以从v a 液晶盒的t v 曲线或c v 曲线上获得。 将v a 液晶盒放入图2 2 所示光路中，在阈值电压以下，盒内的液晶分子通常处于 垂直基板排列状态，由式( 2 2 5 ) 可知，此时v a 液晶盒的透过率为零。当增大施加 电压至阈值电压时，液晶分子的取向开始发生变化，此时v a 盒的透过率开始增大， 这一点就是阈值电压v t l l 。同样对于液晶盒电容来说也具有类似的规律，在阈值电 压以下v a 盒的电容值为一恒定值c = o s d 。当电压大于阈值电压时，液晶盒 的电容随液晶分子的取向发生变化，所以在阈值电压附近，液晶盒的c v 曲线上也 有一转变点，此转变点就是其阈值电压v t i l 。 2 5 液晶材料介电常数、上和的确定 采用上述图2 4 所示电路测量液晶盒空盒之电容c 啪p t y ，有： c e m p t y = v _ o s d ， ( 2 2 7 ) 已知电极面积s ，盒厚d 就可以求出。将液晶盒灌入负性液晶材料，测量其c v 特性曲线。在c v 曲线阈值电压以下，电容为一恒定值 c = r ：o s d ， ( 2 2 8 ) 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 将式( 2 2 8 ) 除以( 2 2 7 ) ，得 盈：l 岛， 已知c 锄p t y 和c 就可以求出介电常数。 对于v a 液晶盒来说，其c 上可以通过外推法获得【3 甜。 ( 2 2 9 ) 由式( 2 2 2 ) 变形得： c ：一旦g + g ( 2 3 0 ) v 、 其中：g 是当电压矿专o o 时的电容即v a 液晶盒的c 上。上式表明：在高电压区域， 电容的变化与电压的倒数呈线性关系。实际测量时可以将高压区域的曲线按直线 外推到电压为无穷大，在电容坐标轴上的截距即为c 上。将c 上代入上式( 2 2 9 ) 进行 计算，就可以求解出介电常数上，从而a e = e 吨上也可以获得。 2 6 液晶材料弹性常数k 。的确定 对于v a 液晶盒来说，其中灌入的负性液晶材料的弯曲弹性常数k 3 3 可以由阈 值电压公式变形求得： k 3 3 = e o a 6 ( 笥 仁3 ， 将通过上述介绍的方法求出的液晶材料的介电各向异性常数a s ，和阈值电压v m 代入式( 2 3 1 ) ，即可求得弯曲弹性常数k 3 3 。 第3 章基于l a b v i e w 实现液晶器件锚定能自动测试装置 第3 章基于l a b v ie w 实现液晶器件锚定能自动测试装置 3 1 l a b v l e w 软件简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图形 化的编程语言( 又称“g ”语言) ，它是由美国n i 公司推出的虚拟仪器开发平台，也 是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。 l a b v i e w 作为一种强大的虚拟仪器开发平台，广泛地被工业界、学术界和研 究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了 g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，并且它 还内置了便于应用t c p i p 、a e t i v e x 等软件标准的库函数。因此，l a b v i e w 是一 个功能强大且灵活的软件，利用它可以很方便地组建自己的虚拟仪器。 3 1 1l a b v i e w 软件的主要特点 使用l a b v i e w 软件开发平台编制的程序称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 程序。 它包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标连接器 ( i c o n c o n n e c t o r ) - - - 部分。在使用这种编程语言时，基本上不用编写程序代码，取而 代之的是程序流程图。l a b v i e w 尽可能地利用了技术人员，科学家和工程师等所 熟悉的术语、图标和概念。因此它是一种面向最终端用户的工具，可以大大增强 用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的 便捷途径，使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高 工作效率。总的来说，l a b v i e w 软件具有以下优点f 4 5 4 8 】： ( 1 ) 具有图形化的编程方式，编程对于工程师和科学工作者来说相对简单。 ( 2 ) 3 2 b i t 的编译器编译生成的程序可保证数据采集、测试方案的高速执行。 ( 3 ) 提供了大量的虚拟仪器和函数库来帮助编程。 ( 4 ) 采用传统的调试手段与新颖的高亮显示，更有利于程序的调试。 ( 5 ) 囊括了各种仪器通信总线标准的所有功能函数，方便了不懂总线标准的用户也 能驱动不同总线标准接口设备与仪器。 应用于胆甾型液晶显示垂直取向技术的研究 312l 曲v l h 程序的结构 利用h b w 开发测试系统软件时主要涉及两个部分：前面板和程序框图 ( 或流程图) 。 前面板是指一些图形化的测试界面，如图3 2 所示，即测试程序开发完成后， 用户运行时所展现的各种涮试交互接口。包括菜单、参数设置和结果显示等。 程序框图是指测试程序的内部运行结构，是测试系统结构、数据处理的流程， 如图3 3 所示。测试程序绝大部分都是在程序框图中完成的。开发完成的测试程序 在运行时流程图是不可见的，它和文本式开发平台( 如v c + + ) 中的h 、印p 等 文件的作用是一样的，只是【庙v m w 流程图的开发是图形化的，更简单、高效和 直观。 i 凳? 釜蠢蔫i 妊瓣豢：嚣景蓑笼i 釜童留= = ：，= = ：盎：p ；黜：i 图3 2 v l 程序的前面板 f 嘧3 2s c b e m a d c 击呻删n 。f 口”f r c , m p 曩n d o f v i i