（理论物理专业论文）液晶显示模式视角特性的数值模拟.pdf

北丁业人学明j 学位论文 液晶显示模式视角特性的数值模拟 摘要 本论文研究了液晶显示器的光学和动力学特性，基于超扭曲向列相和手性垂直排列两 种液晶显示器，通过优化参数提高了液晶显示器件的性能。 在液晶连续体弹性形变理论的基础上，提出差分迭代方法求解液晶指向矢的空间分布。 为解决液晶显示器中光波传输的模拟计算r e l 题，本文从液晶分层理论出发，对应用于液晶 显示器件光学模拟计算中的扩展j o n e s 2 x2 矩阵方法和由此派生的动态参数空间方法作了 详细研究。对液晶体系的动态响应特性作了深入分析，推导出用于液晶体系动态响应定量 计算和定性分析的确定形式。 本文在对超扭曲向列相液晶显示器( s t n l c d ) 的研究过程中，提出双膜补偿结构解 决了s t n l c d 关态带色的问题。应用扩展j o n e s2 2 矩阵，通过一系列优化步骤，对前后 偏振片、补偿膜的光轴方向，以及两层补偿膜的光学延迟六个参量进行了优化，得n t 宽视角， 低色散，黑白显示的双膜补偿s t n l c d 。 为了解决垂直排列液晶显示器色散大和税角窄的问题，以实现透射式和反射式全彩色 液晶显示，本论文提出手性垂直排列液晶显示器( c h h - l c d ) ，并对其进行详细研究。与 垂直排列液晶显示器相比，手性垂直排列液晶显示器具有低色散、宽视角的优点。另外， 本文对c h h l c d 进行了优化。首先，对c h h l c d 上加正性补偿膜的隋况做了分析。然后 通过动态参数空间方法，对透射式和反射式c h h - l c d 进行优化。本文选取优化参数：液 晶层扭曲角、起偏器透光轴与液晶层上表面摩擦方向之间的夹角口和液晶层光学延迟值 d a n 。优化后的c h h l c d 具有低色散、宽视角、高对比度和快速响应的特性。优化后的 反射式c h h l c d ( r c h t - i l c d ) 具有低色散、低工作电压、高对比度、快速响应的特性。 关键词；超扭曲向列相液晶显示，双膜补偿，手性垂直排列液晶显示，扩展j o n e s2 x 2 矩 阵，参数空间，优化 鲨曼里型：堡些坐垄竺竺竺塑焦篓型 c o m p u t e rs i m u l a t i o no fv i e w l n ga n g l e c h a r a c t e l u s t i c so fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d e a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c so fo p t i c sa n dd y n a m i c so fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( l c d s ) a r es t u d i e di n t h i s t h e s i s b a s i n go ns u p e rt w i s t e dn e m a t i c ( s t n ) a n dc h i r a l h o m e o t r o p i c ( c h h ) l c d s ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h el c d si si m p r o v e da f t e ro p t i m i z a t i o n b a s i n go nt h ec o n t i n u u mt h e o r yo fl i q u i dc r y s t a l ，an e wf i n i t e d i f f e r e n c ei t e r a t i v em e t h o di s p r o p o s e dt oc a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fl i q u i dc r y s t a ld i r e c t o r su n d e ra na p p l i e dv o l t a g e an e w 2 2e x t e n d e dj o n e sm a t r i xi si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h el i g h t w a v et r a n s m i s s i o no fal i q u i d c r y s t a lc e l la n dt h ed y n a m i cp a r a m e t e rs p a c em e t h o di sa l s os t u d i e d t h ef o r m u l a so fq u a n t i t y a n dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so fd y n a m i cr e s p o n s eo fl c da r eo b t a i n e da f t e rt h ed y n a m i cr e s p o n s e p r o p e r t i e so f l i q u i dc r y s t a lc e l la r ea n a l y z e di nd e t a i l i nt h es t u d yo ns t n - l c d ，d o u b l ef i l m sc o m p e n s a t e ds t n - l c di si n t r o d u c e dt oe l i m i n a t et h e c o l o ra tt h eo f f - s t a t ei nt h i sp a p e r u s i n g2 2e x t e n d e dj o n e sm a t r i x ，w eh a v eo p t i m i z e ds i x p a r a m e t e r s ，t h eo r i e n t a t i o nf o ro p t i c a la x e so fp o l a r o i d sa n dc o m p e n s a t i n gf i l m sa n dt h eo p t i c a l r e t a r d a t i o no ft w oc o m p e n s a t i n gf i l m s a n dg e tt h ed o u b l ef i l m sc o m p e n s a t e ds t n l c dw i 也 w i d ev i e w i n ga n g l e ，w e a kc o l o rd i s p e r s i o na n db l a c k - w h i t ed i s p l a y i nt h i st h e s i s ，t h ec h h - l c di sa l s os t u d i e di no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e m so fc o l o rd i s p e r s i o n a n dn a r r o wv i e w i n ga n g l eo fv e r t i c a ll e d b yo p t i m i z a t i o n ，w eh a v eo b t a i n e dt h et r a n s m i s s i v e a n dr e f l e c t i v el c dw i t hf u l lc o l o r si nc a l c u l a t i o n c o m p a r i n gw i t l lv e r t i c a ll c d t h ec h h l c d h a sm a n yv i r t u e s s u c ha sw e a kc o l o rd i s p e r s i o na n dw i d ev i e w i n ga n g l e t h ec h h l c dw i ma p o s i t i v ec o m p e n s a t e df i l mi sa l s os t u d i e d ，a n dt h et r a n s m i s s i v ea n dr e f l e c t i v ec h h l c d sa r e o p t i m i z e du s i n gd y n a m i cp a r a m e t e rs p a c em e t h o d w eo p t i m i z et h r e ep a r a m e t e r s ，t h et h i c k n e s s a n db i r e f r i n g e n c ep r o d u c t ，t h el i q u i dc r y s t a lt w i s ta n g l ea n dt h ea n g l eb e t w e e nt h ei n p u td i r e c t o r a n dt h ep o l a r i z e r a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h ec h h l e dh a sm a n yv i r t u e s ，s u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i c o fw e a kc o l o rd i s p e r s i o n ，w i d ev i e w i n ga n g l e ，h i g hc o n t r a s tr a t i o ，a n df a s tr e s p o n s e b y o p t i m i z a t i o n ，t h er e f l e c t i v ec h h l c d ( r c h h l c d ) h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fw e a kc o l o r d i s p e r s i o n ，l o wo p e r a t i o nv o l t a g e ，h i g hc o n t r a s tr a t i o ，a n df a s tr e s p o n s e k e yw o r d s ：s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ，d o u b l ef i l m sc o m p e n s a t i o n ，c h i r a l - h o m e o t r o p i c ，l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y , e x t e n d e dj o n e s2 x2m a t r i x ，d y n a m i cp a r a m e t e rs p a c e ，o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写的研究成果，也不包含为获得河北工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名：任芝 f 1 期：”一f f j 7 关于学位论文版权使用授权的说明 本学位论文作者完全了解河北工业大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北 工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有蓑数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 杜受一 导师签名 羰吞 只期： 4 f - f - 1 f 斡：善。s 1 - 7 王 ，罩 1 吒 盼 i , j = | l i 业人学颂f 学位论文 第一章绪论 1 1 液晶及液晶显示器简介 液晶是介于各向异性晶体与各向同性液体之间的一种中介物( m e s o g e n ) ，也称作物质的第四态。 从成分和出现中介相的物理条件来看，液晶大体可分为热致液晶( t h e r m o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l ) 和溶致 液晶( l y o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l ) 两大类。溶致液晶是两种或两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或 其它的极性溶剂。溶致液晶在生物系统中大量存在，生物膜就具有液晶特征。热致液晶指单一成分的纯 化合物或均匀混和的混和物在温度变化下出现的液晶态。典型的故棒状有机化合物热致液晶的分子最一 般在2 0 0 - - 5 0 0 左右，分子的轴径比( 长宽比) 约在4 8 之间。热致液晶中所有的分子对长程序都具有 同等的作用。在显示技术领域使用的都是热致液晶。对于热致液晶，从分子排列的有序性来区分液晶相， 可以分为三大类：向列相、胆甾相和近晶相i l 。 液晶除了具有流动性和光学各向异性以外，还具有介电各向异性。介电各向异性使液晶分子在外电 场作用下发生形变。由于具有光学各向异性，液晶分子的指向矢在外晃光的调制作用下将发生改变，这 正是液晶之所以能应用于显示器的根本原因。 目前广泛应用的扭曲向列液晶显示器( t w i s t e dn e m a t i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，简称t n l c d ) 上 下偏振片垂直放置，液晶扭曲9 0 0 ，不加电压时，入射光经过上偏振片后变成线偏振光，然后线偏振光 将随着液晶的扭曲而同步扭曲，因而在到达下偏振片时，偏振面扭曲9 0 0 ，线偏振光正好从下偏振片射 出，液晶显示器呈现亮态，此时利用的液晶的旋光效应。当外加电压超过器件的阈值电压后，液晶分子 不再是扭曲排列而呈现出垂直于玻璃基板的方向排列，导致旋光效应消失。入射光变成线偏振光后不再 发生扭曲，从而被下偏振片挡住，液晶显示器呈现暗态。 由于t n l c d 的电光特性曲线比较平缓，其简单矩阵多路寻址能力受到限制，因此只适合于低容 量显示。与t n l c d 相比，超扭曲向列液晶显示器( s u p e r t w i s t e d n e m a t i c l c d ，简称s t n l c d ) 3 , 4 1 的多路寻址能力大大增强。但是在简单矩阵显示方面，二者均存在交叉串扰的影响。为此，有源矩阵 ( a c t i v em a t r i x 简称a m ) p 1 显示方案应运而生，由于每个像素由一个独立的有源开关控制，因而有源 矩阵显示从根本上消除了液晶显示器的交叉串扰现象，这种显示方案目前广泛应用于高品质液晶显示器 中，如液晶电视和便携式计算机等等。由于t n 型液晶属于“常白”( 液晶像素在没有电压时该像素显 示为亮) 显示模式，生产工艺出现的瑕疵容易导致t f t 故障而无法将驱动电压加到液晶像素上，这在 屏幕上就会显示成一个“亮点”。为了解决这个问题，近年来有许多新型液晶显示应运而生，如s t n 模 式、o c b 模式、v a 模式、i p s 模式等。本论文第三章和第四章分别对超扭曲向列相液晶显示和手性垂 直排列液晶显示做了详细分析。下面对这两种显示模式作一简单介绍。 1 - 1 1 超扭曲向列相液晶显示l 印l 1 9 7 1 年m s c h a d t 和w h e l f f i c h 提出了扭曲向列相液晶显示( t n l c d ) 1 8 1 ，随后它就广泛应用于 汕北t 业 学颂1 学位论义 第一章绪论 1 - 1 液晶及液晶显示器简介 液品是介于备向异陛品体与各向同性液体之间的一种中介物( m e s o g e n ) ，也称作物质的第四志。 从成分和出现中介相的物理条件来看，液晶大体可分为热致液晶( t h c r m o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l ) 和溶致 液晶( c y o t r o p i cl i q u i dc r y s t a l ) 两大类。溶致液晶是两种或两种以上组分形成的液晶，其中一种是水或 其它的极陛溶剂。溶致液晶在生物系统申火量存在，生物膜就具有液晶特征。热致渡晶指单一成分的纯 化台物或均匀混平的渥和物在温度变化下出现的液晶志。典型的长棒状有机化台物热致液晶的分于量一 般在2 0 0 - - 5 d 0 左右，分子的轴释比( 疑宽比) 约在4 8 之间。热致液晶中所有的分子对氏程序都具有 同等的作用。在显示技术领域使用的都是热致液晶。对于热致液晶，从分子排列的有序性来区分液晶相， 可以分为三大类：向列相、胆甾相和近晶相【l 一1 。 液晶除r 具有流动性和光学各向异性以外还具有介电各向异性。介电各向异性使液晶分子在外电 场作用下发生形变。由于具有光学各向异性，液晶分子的指向矢在外界光的调制作用下将发生政变，这 芷是液晶之所以能应用于显示器的根本原因。 目前广泛应用的扭曲向列液晶显示器( t w i s t e d n e m a t i cl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，简称t n l c d ) 上 下偏振片垂直放置，液晶扭曲9 0 。，不加电压时，入射光经过上偏振片后变成线偏振光，然后线偏振光 将随着液晶的扭曲而同步扭曲，因而在到达下偏振片时，偏振面扭曲9 0 0 ，线偏振光正好从下偏振片射 1 1 1 液晶显示器呈现亮态，此时利用的液晶的旋光效应，当外加电压超过器件的闽值电压后液晶分子 不再是扭曲排列而呈现出垂直丁- 玻璃基板的方向排列，导致旋光效应消失。入射光变成线偏振光后不再 发生扭曲，从而被下偏振片挡住，液晶显示器呈现暗态。 由于t n l c d 的电光特性曲线比较平缓，其简单矩阵多路寻址能力受到限制因此只适台于低容 量显示。与 i n l c d 相比，超扭曲向列液晶显示器( s u p e r - t w l s t e dn e m a t i el c d ，简称s t n l c d ) p ，4 j 的多路寻址能力大大增强。但是在简单矩阵显示方面，二者均存在交叉串扰的影响。为此，有源矩阵 ( a c t i v em a t r i x 简称a m ) p 1 显示方案麻运而生，由于每个像素由一个独立的有源开关控制，因而有源 矩阵显示从根本上消除了液晶显示器的交叉申扰现象这种显示方案目前广泛应用丁高品质液晶显示器 中，如液晶电视和便携式计算机等等。由ft n 型液晶属于“常白”( 液晶像素在没有电压时该像素显 示为亮) 显示模式生产工艺出现的瑕疵容易导致t f t 故障而无法将驱动电压加到液晶像素上，这在 屏幕上就会显示成一个“亮点”。为了解块这个问题近年来有许多新型液晶显示麻运而生，如s t n 模 式、o c b 模式、v a 模式、i p s 模式等。本论文第三章和第四章分别对超扭曲向列相液晶显示和手性垂 直排列液晶显示做了详细分析。下面对这两种显示模式作一简单介绍。 ! - 1 1 超扭曲向列相液晶显示1 6 , 7 i 1 9 7 1 年m s e h a d t 和w h e i f r i e h 提出了扭曲同列相液晶显示( t n l c d ) i ”，随后它就j “泛应用于 1 9 7 1 年m s c h a d t 和w h e l f r k ：h 提出了扭曲向列相液晶显示( t n - l c d ) i ”，髓后它就j “泛应用于 液品皿示模式视角特性的数值模拟 电子手表和计算器等方面。1 9 8 5 年国外做出了第一台超丰孔曲向列相液晶显示( s t n l c d ) 便携式屏幕 的样机”1 ，随后s t n 显示迅速商品化，1 9 8 7 年开始就被广+ 泛地应用于各种信息处理器。目前，液晶显 示技术发展十分迅速，其中t f ta m l c d ( t h i nf i l mt r a n s i s t o ra m l c d ) 和l c o sf l i q u i dc r y s t a lo n s i l i c o n ) 代表了其发展主流。液晶显示的应用范围非常广泛t n 、s t n 仍有j j 泛的市场，很多小 型显示器件仅需t n 或s t n 显示模式即可，而不需要t i ：i j 生产成本较高的a m 模式。目前，小犁显示器 件的需求量很大，而且其生产j ：艺简单易掌握，国内的液晶产业的研究水平较低，因此国内大多数液晶 器件生产厂家仍以t n 、s t n 为主要产品。s t n 与t n 相比较而言具有更陡的电光特性曲线，因此更适 应用于多路驱动，从而实现更多信息的显示。 任何显示的最终目的都是彩色显示，作为液晶显示家族中的重要成员s t n l c d 也不例外。但从 目前的生产过程和生产条件来看，要实现液晶彩色显示，首先要实现黑白显示，然后通过加彩色滤光膜 ( c o l o rf i l t e r ) 的方法来实现彩色显示。但由于双折射效应，s t n 在显示时存在光的色散，在不加电压( 关态) 时s t n - l c d 略带颜色，比如带有黄颜色或蓝颜色。s t n 的这种彩色背景，不受习惯于t n 黑白显示的 用户的欢迎；而且黑白显示是利用镶嵌滤色片作为获得彩色显示的必要条件。因此实现黑白s t n 显示非 常必要f 1 2 】。为了消除这些不期望的颜色，人们提出了双盒补偿的办法。在这种结构中，一个液晶盒 是受电压驱动的，作为驱动液晶盒；而另一个是不受电压驱动的，作为补偿盒而且驱动液晶盒和补偿 液晶盒具有相同的扭曲角，但扭曲方向相反，在工艺制作过程中，要求他们的厚度要严格相等。虽然双 盒s t n l c d 方法消除了显示时带有的颜色，使黄模式或蓝模式s t n l c d 达到了黑白显示，但同时增 加了液晶器件的体积和重量，增加了生产成本。1 9 8 8 年有人提出了用具有双折射特性的聚合物薄膜来 代替补偿液晶盒这样既消除了双盒补偿带来的重量重、体积大和制作成本高等问题，又达到了黑自补 偿的目的 n j s i 。单轴双折射膜可以补偿s i n 的这种颜色缺吲m 1 。膜补偿液晶盒可分为单膜补偿 1 8 , 1 9 和双膜 补偿【“。 目前，国际上对s t n 的研究集中在膜补偿超扭曲的优化上。由于单膜补偿的优化效果不如双膜补 偿的好j ，因此工业用的大多是双膜补偿法。本文只对双膜补偿s t n 液晶盒进行优化。 1 - 1 2 手性垂直排列液晶显示 传统的液晶显示器采用沿面排列扭曲向列相模式口2 ”】，即液晶分子平行于玻璃基板平面并沿基板平 面的法线旋转，形成扭曲排列，如果在两片基板间施加电压，沿面扭曲排列可变成垂直排列，由于表面 锚定作用，即使外部电压超过饱和电压，表面层的液晶仍然沿着玻璃基板平面排列，因此这种类型的液 晶显示器存在着响应慢、对比度较低、视角较窄等缺点。后来人们提出垂直排列液晶显示模式，应用于 反射型投影显示和透射型直视显示的的垂直定向液晶盒已被广泛地研究口“。垂直定向液晶盒晟突出的 优点是二i _ = 作在两个正交偏振片之间，可以得到极其完善的黑态。但是由丁相位延迟，其开态透过率受光 波波长和电压影响较大，视角很窄o ”。而手性垂直排列模式可以克服这些不足之处2 “。手一l 生垂直排 列液晶盒就是掺进了手性分子( 如z l i - 8 1 l 或m e r c k c b 1 5 ) 的垂直排列液晶盒。没有手性添加剂的一 般垂直排列液晶盒，当施加电压超过响应阈值后，液晶分子指向矢只有倾斜形变，没有扭曲转动。而在 手性垂直排列液晶盒中，随着外加电场、手性分子和表面定向作用平衡力矩的变化，从一个表面到另一 个表面液晶分子的指向矢既存在倾斜形变，也存在扭曲转动。手性垂直排列模式用于透射式时，可以 大幅度提高显示的对比度b 。”1 。而在反射式显示中，可以获得极高的反射率【”川。无论在透射式还是 2 型苎! ：、业兰丝! ：兰竺笙兰 反射式中我们均能得到视角较宽的液晶盒，这一点我们将在筇四章详细说明。 1 2 当前l c d 的研究热点问题 目前液晶显示器件发展方向魁人面积、高密度 显示和电子阽刊。相应的遇到一些难以克服的问题 彩色化、高清晰度、高显示容量，进一步迈向视频 这些问题正是当前l c d 的研究热点问题。 1 - 2 1l c d 的视角问题 晟常用的t n - l c d 的视角范围很窄。通常上视角约1 0 。，下视角约4 0 0 ，左右视角约3 0 0 ，视角问 题严重制约了液晶显示朝着大面积化迈进。因此近年来，有许多广视角技术应运而生。下面本论文将重 点介绍目前l 种主流的广视角技术。 1 t n + f i l m ( t n 十视角扩展模) 广视角技术 t n + f i l m 这种技术仍然基于传统的t n 模式液晶，只是在制造过程中增加一道贴膜工艺，可以沿 用现有的生产线，对t n 模式液晶平板的生产工艺改变不大，因此不会导致良品率1 _ _ 降，成本得到有效 控制。由此可见，t n + f i l m 厂视角技术最大的特点就是价格低廉，技术准入门槛低，应用广泛。 2 m v a ( 多畴垂直取向) 广视角技术 多畴垂直取向m v a ( m u l t i - - d o m a i nv e r t i c a la l i g n m e n t ) 模式的液晶显示器，其液晶分子长轴在未 加电压时不像t n 模式那样平行于屏幕，而是垂直于屏幕，并且每个像素都是由多个这种垂直取向的液 晶分子畴组成。当电压加到液晶上时，液晶分子便倒向不同的方向。这样从不同的角度观察都可以获得 相应方向的补偿，也就改善了可视角度。在未进行光学补偿的前提下，m v a 模式对视角的改善仅限上 卜左右四个方向，而其他方位角视角仍然不理想。如果采用双轴光学薄膜补偿，将会得到比较理想的视 角。 3 c h h a ( c h i r a l - - h o m e o t r o p i c a l i g n m e n t 手性垂直取向) 这种显示模式是本论文研究的重点之一，将在后面的章节中进行详细介绍。 4 其他v a 广视角技术 ( 1 ) p v a ( p a t t e r n e dv e r t i c a la l i g n m e n t ，垂直取向构型) 广视角技术 p v a 广视角技术同样属于 c a 技术的范畴，实际上它跟m v a 极其相似，可以说是m v a 的一种 变形。p v a 采用透明的i t o 层代替m v a 中的凸起物，制造工艺与t n 模式相容性较好。透明电极可 以获得更好的开口率，最大限度减少背光源的浪费。 ( 2 ) c p a ( c o n t i n u o u s p i n w h e e l a l i g n m e n t ，连续焰火状排列) 模式广视角技术 c p a 模式广视角技术严格来说也属于v a 阵营的一员。在未加电状态下，液晶分子跟v a 模式一 贯特性一样都是分子长轴垂直于面板方向互相平行排列。c p a 模式的每个像素都具有多个方形圆角的 次像素电极，当电压加到液晶层次像素电极的另一面的电极上时，形成一个对角的电场驱使液晶向中 心电极方向倾斜。各液晶分子朝着中心电极呈放射的焰火状排列。由于像素电极上的电场是连续变化 的所以这种广视角模式被称为“连续焰火状排列( c p a ) ”模式。 5 i p s ( 平面控制模式) 广视角技术 跟m v a 广视角技术一样，i p s ( i np l a n es w i t c h i n g ) 模式的广视角技术也是在液晶分子长轴取向上 3 液晶址水模式 = ! l ! 拍特性的数值模拟 做文章，不同的是应州i p sj 。视角技术的液晶显示让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴，吲此 各个角度上观看的画面都不会有太大差别，这样就比较完美的改善了液晶显示器的视角。 第一代i p s 技术针对t n 模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，实现较好的可视角度。第二代i p s 技术( s - - i p s 即s u p e r - - i p s ) 采刚人字形电极，引入双畴模式，改善i p s 模式在某些特定角度的灰阶 逆转现象。第三代i p s 技术( a s - - i p s 即a d v a n c e ds u p e r j p s ) 减小液晶分子间距离，提高开口率， 获得更高亮度。 臼前而言，i p s 在各个方位都有着虽好的可视角度，而不象其他模式那样只是在上一f 左右四个角度 上视角特别突出。应用i p s 技术的液品显示器在左上和右下角4 5 度会出现灰阶逆转现象，这可以通过 光学补偿改善。 6 f f s ( 边缘场切换) 广视角技术 如同p v a 模式跟m v a 模式的关系一样，f f s ( f r i n g ef i e l ds w i t c h i n g ) 严格来说应该是i p s 模式的 一个分支，主要改进是采用透明电极以增加透过率。相对于已经比较完美的i p s 模式，f f s 又有了很大 的进步。 第一代f f s 技术主要解决i p s 模式固有的开口率造成透光少的问题，并降低了功耗。第二代f f s 技术( u l t r af f s ) 改善了f f s 色偏现象，并缩短了响应时间。第三代f f s 技术( a d v a n c e df f s ) 则在 透光率、对比度、亮度、可视角度和色差上均有明显提高。 由于a f f s 具有自补偿特性，在不同视角下不会发生色差变化，因此采用透明电极和舍弃黑矩阵有 利提高开1 2 1 率和高清晰度。事实上a f f s 除了响应时间稍逊之外，在其他方面它都代表着目前液晶显示 器高画质和广视角兼得的最高水平。 7 o c b 广视角技术 o c b ( o p 廿c a l l yc o m p e n s a t e db e n d o p t i c a lc o m p e n s a t e db i r e f r i n g e n c e ，光学补偿弯曲排列，光学补偿 双折射) 广视角技术利用其设计巧妙的液晶分子排列来实现自我补偿视角，所以它又叫自补偿模式。在 自补偿和双轴光学膜的补偿下o c b 模式的液晶可以实现不错的可视角度，而且视角均匀性非常好。 在不同的方位也不会出现t n 模式固有的灰阶逆转现象。 1 - 2 2l c d 的响应速度 现有的t n l c d 的响应时间约1 0 0 m s 。而对视频图像来说，要求响应时间小于2 0 m s ，如果响应时 间不能满足要求，快速移动视频图像将出现拖尾现象。目前的铁电液晶显示( f l c d ) 和反铁电液晶显 示( a f l c d ) 技术可以解决响应时间问题但其制作_ ：= 艺和稳定性还有一定的困难。o c b 模式的响应 速度快，即使是上升时间与下降时间之和也不会超过1 0 r e s ，目前已经有i m s 到5 m s 的产品。所以o c b 模式的液晶显示器最适合应用于还原动态图像。另外，v a 模式的响应速度也比较快，这种模式将在本 论文中详细介绍。 1 - 2 3 反射式l c d 传统的透射式l c d 采用冷阴极光源作背照明光源，一般情况，背光源的功耗约占整个透射式l c d 功耗的6 0 以上【”1 ；而反射式l c d 不需要背光源照明，因此其功耗大大降低。此外，由于不需要背光 源，反射式l c d 与透射式l c d 相比还具有重量轻、体积小等优点。从户外易读性的角度考虑，透射式 4 型些二些叁兰堡! 兰竺笙兰 l c d 的亮度是l 卉l 定不变的，而反射式l c d 的亮度取决丁周甬环境，所以反射式l c d 比透射式l c d 及 臼发光显示器具有更好的户外易渎性。随着信息时代的剑来以及国际互联网络的发展，人制需要更加方 便快捷地获取信息，因此轻便、小巧、微功耗和户外易读性盘：_ 的反射式l c d 成为个人信息显示i ：具的 酋选如移动电话、p d a 、掌上电脑等领域。 最近，轻便小巧且分辨率极高的微型显示器( m i c r o d i s p l a y ) 也成为l c d 研究开发的热点”3 ”，这 种显示器绝火部分基丁l c o s 技术阻3 “，它主要廊于头盔式虚拟显示器和高清晰度投影显示器等领 域。由t - 基板的非透明性，微型显示器绝火部分采用反射式液品显示模式；此外，反射式l c d 被认 为是最有可能替代传统印刷业而实现“电子饽刊( e l e c t r o n i cp a p e r ) ”的途径之一p ”。 1 3 本文的研究内容及意义 本论文围绕超扭曲向列相液晶显示和手性垂直排列液晶显示进行研究，以解决单轴向列相液晶显示 中存在的视角小、色散大、对比度低、响应时间长等问题，从而实现宽视角、全彩色液晶显示。 1 以垂直排列向列相液晶显示模式为例，本论文分别应用均匀场方法 t l l t 均匀场方法对手性垂离排 列和一般垂直排列液晶盒进行了数值模拟并把模拟结果进行了比较。比较结果表明：均匀场方法 快速、简单，适用于定性分析；非均匀场方法复杂、准确，适用于定量计算。 2 针对超扭曲向列相液晶显示器在关态时带色及视角较窄的问题，从扩展j o n e s 矩阵出发，通过分析 补偿膜和偏振片以及液晶相位延迟对光透过率和视角的影响，经过严格的计算，获得了使f - s t n ( 膜补偿超扭曲) 模式具有色散最小、视角晟大的优化配置。 3 针对一般垂直排列液晶盒色散大、视角较窄的缺点，本文提出了的手性垂直排列液晶显示模式。 模拟了该盒的指向矢分布、电光曲线，并在大视角内研究了其透过率、对比度及加膜后的视角特 性。结果表明这种常黑型显示模式具有很高的对比度、几乎无色的透过率、宽视角、高亮度和i 较 低的工作电压等特点。如果在盒上加一个正性补偿模使得液晶盒的关态视角更完善。 4 通过动态参数空间方法优化得到透射式和反射式手性垂直排列液晶显示器的最佳参数配置，并模 拟了优化后的透射式和反射式手性垂直排列液晶显示的电光特性、视角特性和动态响应特性。 本论文为解决液晶显示的色散人、视角窄和响应时间长等问题提出了有效的解决方案。对超扭曲 向列相和手性垂直排列液晶显示，给出具体优化步骤和最佳参数配置，为生产实际提供了理论依据。 丝曼竺! ：堡：! 型垫盐芏! ：竺丝堕丝型 第二章液晶显示器模拟计算的基础理论 2 - 1 引言 液品显示器件的模拟训算包括静态模拟和动态模拟两个方面。静态模拟计算是指液晶体系处丁平 衡状态时的模拟计算，包括计算平衡状态f 液晶指向矢的静态分布以及由这种静态分布计算相应的光学 特性；动态模拟计算则考虑的是液晶体系从某一个初始非平衡状态变化到平衡状态过程中的时间响应特 性。 r 面首先将介绍液晶连续体弹性理论【1 , 3 9 ，接着介耋升一种运j _ j 这一理论求解平衡态f 指向矢分布的 计算方法差分迭代法，然后介绍液晶显示器件光学特性的数值计算方法一一j o n e s2x2 矩阵方法 1 3 9 , 4 0 以及由此派生的参数空间法i ”i ，参数空间法对选择液晶显示模式的最佳参数具有重要意义。在本 章是后还将介绍液晶体系的动态响应特性。 2 - 2 液晶的连续体弹性形变理论 2 - 2 1 指向矢 在向列相液晶中，分子的质心位置是混乱无序的，但分子的取向存在一定有序性，即存在分子取 向的优先取向方向。所以可以引入单位矢量开来表示这一优先取向方向，再称为指向矢。指向矢开一般 由倾角e 和方位角+ 来确定，它描述了液晶分子在空间的排列方向，因此可以剧它来表征液晶的宏观结构 和状态。计算液晶盒内的指向矢分布以及这种分布随外场的变化是研究液晶器件显示特性的基础。 2 - 2 2 液晶连续体的基本弹性形变 在液晶盒中，通常用指向矢开来描述向列相液晶的状态。在没有任何外场或边界扰动时，向列相处 于i 为常数( 不随空间位置改变) 的状态。在外场作用下或者是由于边界条件的存在，再可以随着在液 晶中的位置变化而发生改变。在液晶的连续体理论中，我们假设除去在液晶中的一些奇异点或奇异线之 外，指向矢亓是位置的连续函数。当液晶中各处的指向矢偏离了它为常数时所指的方向时，我们称液晶 发生了形变，发生形变的液品的内部将产生反抗形变的回复力，或者更确切一些说是回复转矩。向列相 液晶中的形变可以分为三种类型：展曲( s p l a y ) 、扭曲( t w i s t ) 和弯曲( b e n d ) 。它们的几何图象如图 21 所示，图中的小线段代表各处的指向矢。展曲的特点是v i 0 ，扭曲的特点是v i 与亓相平彳亍， 而弯曲的特点是v x 亓与开相垂直。展曲、扭曲、和弯曲是三种基本的形变形式，液晶中实际产生的形 变可能相当复杂，但是无论如何都只能是这三种基本形变的某种组合。 连续体弹性形变理论讨论的是，在受到外力作用f 液晶发生小形变时，力与形变关系的问题。这 是一个静态问题，也就是说讨论的是在受力前液晶的状态与受力后又达到平衡状态时，两种状态之间的 关系问题。从经典力学的观点看。物体处于平衡状态时应该是能量最低的状态，所以从能量角度出发进 6 * 北t 业人学伽学位论义 行讨论是最适宜的办法。固丝 图妪 ( a ) 展曲( b ) 扭曲( c ) 弯曲 f i g 2 1t h r e ef u n d a m e n t a ld e f o r m a t i o ni nl i q u i dc r y s t a l ( a ) s p l a y ( b ) t w i s t ( c ) b e n d 当不考虑表面弹性能项的时候，可以得到向列相液品的f r a n k 弹性自由能密度z f 的表达式为 丘，= 圭 t 。c v 疗y + t 。( h v x h + ； 2 + k 3 3c n v 一r c z ， ( 2 1 ) 式中的三项分别描述了展曲形变自由能密度、扭曲形变自由能密度、弯曲形变自由能密度。其中 k ”k 2 2 和k 3 3 分别表示展曲、扭曲和弯曲弹性常数，p 表示手性剂在向列相液晶中诱导的螺距。 2 - 3 3 向列相液晶静态连续体理论 考虑厚度为d 的液晶层。建立直角坐标系( x ，y ，z ) ，让砂平面平行于基板表面，并让坐标系原点 在下基板表面处。设指向矢亓与x y 平面的夹角为口，在x y 平面上的投影与x 轴的夹角为，则指向矢 7 液- 昆“一“模式讹柏特件的数值模拟 i 可以表示为 h = ( c o s e c o s ，c o s o s i n 妒，s i n 0 ) 其中0 干i l 均为坐标z 的函数，分别记为口( z ) ，矿( z ) 。 1 图2 2 指向矢示意图和坐标系 f i g 2 2s c h e m a t i cd r a w i n go f t h ed i r e c t o ra n dc o o r d i n a t es y s t e m y ( 2 3 ) 单位面积基板l 司系统的自由能司写为 g = 复小豆卜 强a ， 其中第一项为弹性自由能：第二项为电场作用对自由能的贡献。 由于本论文的计算中均取强锚定情况，锚定能为定值，所以在系统自由能中没有写出锚定能项。 我们用k 、k 2 2 、k ”分别表示展曲、扭曲和弯曲弹性系数：p 表示手性剂在向列相中诱导的螺距， 0 表示真空介电常数，知，气分别表示平行、垂直丁- 液晶指向矢的介电常数，s = 勘一q 为液晶介 电各向异性。考虑到扭曲向列相的螺旋结构，扭曲向列相弹性自由能密度- ，j 的一般表达式如r ： 无，= ；t 。( v - 再) 2 + 三t ：( 亓v x h + - - ； 2 + 去七，( 亓v 疗) 2 c ：s ， g g - ( 2 4 ) 式代入上式，可得 无，呐c 。s 2 口( 警) 2 + ( c 莳口警一 警- 1 2 + k 3 3 f s ；n 2 口( 警 2 “n 2 口c 。s 2 口( 警 2 ( 2 s ， 在单轴向列相液晶中 西= 氏 气豆+ 占忙丘k 因为豆只有z 分量，因此而丘= , i z e ， 州北丁业人学坝j 。学位论义 见= 占o 【占1 e ：+ n ；e ： = g o 【s l + a c s i n 2 o e ：( 27 ) x n 为d ：为常鲑，所以上f 基扳间l b 压u 可表示为 u = 一f e z d z 二b 而 堡d 瞳出：一i d ； 2 7 2 2 g 一c o ( e + 堡a e s i n 2 0 ) 因此单位面积基板间液晶系统的吉布斯自由能g 及其密度 可写为 其中 g = 卧- c o f 馑卜：( c 。f 目i d o 一2 + k 3 3 卜程) 2 埘概。f 暖) 2 z 厶= 圭【，( 默警) 2 + g ( 钡警门一如等c o s 2 0 d 出e 一圭( _ d 出u ) 2 ( i n 2 日托c 。s 2 口) 厂( 臼) = k 1 1c o s 2 0 + k 3 3s i n 20 g ( 目) = ( k 2 2c o s 20 + k s i n 2 0 ) c o s 20 求解平衡状态f 液晶指向矢的分布实际上就是求解( 2 11 ) 式的极小值。 2 3 差分迭代法求解液晶盒中的指向矢分布 ( 2 8 ) ( 29 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 为了对液晶光器件进行计算模拟，首先