（光学工程专业论文）柔性聚合物双稳态胆甾相液晶彩色显示单元的研究.pdf

扎 “，0 ：￥l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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 确的说明并表示谢意。 签名- 一绡蜓一 日期：文。f9 年上月；旧 论文使用授权 本学位论文作老，。尘了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垡业导师签名：缸 日期：a o fo 年，月引日 摘要 摘要 在现代信息显示技术中，液晶显示占据着主导地位，特别对于聚合物双稳态 反射型胆甾相液晶显示器来说，其具有不需要背光源，并可实现柔性显示等优势， 在大容量显示但不需要快速更新信息的领域得到了广泛的研究和应用。 首先本文从理论和实验相结合出发，验证了布拉格反射。通过在向列相液晶 中加入手性添加剂配制了不同手性添加剂浓度的胆简相液晶，根据b c r r c m a n4 x 4 矩阵法，利用m a t l a b 程序计算了该胆甾相液晶的反射光谱，得到了布拉格反射 光谱随液晶螺距变化的关系。同时通过光纤光谱仪测试了相应手性添加剂浓度的 胆甾相液晶盒样品的反射光谱，经比较分析，其与理论计算值相一致。 在制作柔性显示单元时，需要对上下柔性基板进行轧制。由于转速的限制， 很难在市场上买到符合要求的覆膜机，所以作者研制了柔性显示单元专用覆膜机。 此仪器要求能实现方向可变，转速可调，且滚轮的最慢线速度能达到2 0 c m h 。该 设备已研制成功，并已用于柔性双稳态器件的制作。 本文采用聚合物诱导相分离( p i p s ) 方法制备了聚合物分散型液晶( p d l c ) 和聚合物稳定的胆甾相液晶( p n c l c ) 。 对于p d l c 显示单元而言，主要研究了单体含量、盒厚、曝光光强和温度等 因素对p d l c 显示单元光电特性的影响。通过光电特性对比，在混合聚合物单体 含量为3 0 、盒厚为1 3 p r o 、紫外曝光光强为0 5 5 0 m w c m 2 和紫外曝光温度2 5 的 情况下，实验样品具有最佳的光电特性。 对于p n c l c 显示单元而言，首先通过加入聚合物网络和基板表面处理来研究 它们对p n c l c 显示单元反射光谱的影响，然后研究分析了其他因素如单体含量、 盒厚、曝光方式和曝光温度对p n c l c 光电性能的影响，最后通过对三层单色r g b 胆甾型液晶显示单元堆栈方法来实现彩色显示，并对彩色单元进行了研究和分析。 研究发现，聚合物网络的微扰和基板表面的凹凸结构都可以使显示单元的反射光 谱得到展宽，这为p n c l c 彩色显示或白色显示的可行性提供了重要依据和方法。 关键词：柔性显示；布拉格反射；p d l c ；p n c l c ；反射光谱 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o d e r ni n f o r m a t i o nd i s p l a yt e c h n o l o g y , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yh a sa l r e a d y d o m i n a t e d ，e s p e c i a l l yf o rp o l y m e rb i s t a b l er e f l e c t i v ec 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 ， i t sb a c k l i g h ti sn o tr e q u i r e d ，a n dc a na c h i e v ef l e x i b l e d i s p l a y i n t h ef i e l do f l a r g e - c a p a c i t yd i s p l a yb u tn o tr e q u i r ef a s tu p d a t ei n f o r m a t i o n ，i th a sb e e nw i d e l ys t u d i e d a n da p p l i e d f i r s to fa l l ，f o r mt h es t a r t i n go ft h ec o m b i n a t i o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n t ，t h i s p a p e r v e r i f i e dt h eb r a g gr e f l e c t i o n t h ec h i r a lm a t e r i a l sw e r ei n c o r p o r a t e di n t on e m a t i c l i q u i dc r y s t a lw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n ，t of o r mc h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a lw i t h d i f f e r e n tp i t c h b e r r e m a n4 * 4m a t r i xm e t h o da n dm a t l a bw e r eu s e dt oc a l c u l a t et h e r e f l e c t a n c es p e c t r u m ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np i t c ha n dr e f l e c t a n c es p e c t r u mw a s o b t a i n e d t h er e f l e c t a n c es p e c t r u mo ft h i sl i q u i dc r y s t a lw a st e s t e db yf i b e r - o p t i c s p e c t r o m e t e r t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，i ti sc o n s i s t e n t1 ) l ，i mt h et h e o r e t i c a lv a l u e i nt h ep r o d u c t i o no ff l e x i b l ed i s p l a yu n i t ，t h ef l e x i b l es u b s t r a t e sn e e dt or o l lu pa n d d o w n a st h es p e e dl i m i t , i ti sd i f f i c u l tt ob u yt h el a m i n a t i n gm a c h i n ei nt h em a r k e tt o m e e tt h er e q u i r e m e n t s s ot h el a m i n a t i n gm a c h i n ef o rt h ep r o d u c t i o no ff l e x i b l ed i s p l a y u n i th a sb e e nd e v e l o p e db ya u t h o r a n dt h em a c h i n ec a na c h i e v et h ed i r e c t i o no fc h a n g e , s p e e da d j u s t a b l e , a n dt h es l o w e s tw h e e ls p e e dc a l lr e a c h2 0 e m h o u r ，n l ed e v i c eh a s b e e nd e v e l o p e da n dh a sb e e nm a k i n gf o rf l e x i b l eb i s t a b l ed e v i c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n , p o l y m e r i z a t i o ni n d u c e dp h a s es e p a r a t i o n ( p i p s ) h a sb e e n a p p l i e dt op r e p a r ep o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ( p d l c ) a n dp o l y m e rn e t w o r k c h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a l ( p n c l c ) f o rt h ep d l cd i s p l a yu n i t ，t h em a i nc o n t e n to ft h em o n o m e r , b o xt h i c k n e s s ，l i g h t i n t e n s i t y a n dt e m p e r a t u r eh a v e b e e ns t u d i e d ，t of i n d t h ea f f e c tt ot h e o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep d l cd i s p l a yu n i t t h r o u g ht h ec o n t r a s to fp h o t o e l e c t r i c p r o p e r t i e s ，w h e nt h em i x e dp o l y m e rm o n o m e rc o n t e n ti s3 0 ，b o xt h i c k n e s si s13 p r o , u vl i g h ti n t e n s i t yi so 5 5 0 m w c m 2a n dt h et e m p e r a t u r ei s2 5 c ，t h ee x p e r i m e n t a l s a m p l e sh a v et h eb e s to p t i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s f o rt h ep n c l cd i s p l a yu n i t ，a tf i r s t ，p o l y m e rn e t w o r ka n ds u b s t r a t es u r f a c e h a b s t r a c t t r e a t m e n th a v eb e e na d d e d a n dt h e nt h ep n c l c d i s p l a yu n i t s r e f l e c t i v es p e c t r a lh a s b e e ns t u d i e d ，a n do t h e rf a c t o r sa f f e c t e do nt h ep n c l co p t i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e n a n a l y z e d ，s u c ha sm o n o m e rc o n c e n t r a t i o n ，b o xt h i c k n e s s ，e x p o s u r e ，a n de x p o s u r e t e m p e r a t u r e f i n a l l yt h r o u g ht h et h r e er g bc o l o rc 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 yu n i t s t a c km e t h o dt oa c h i e v ec o l o rd i s p l a y , a n di th a sb e e nr e s e a r c h e da n da n a l y z e d i th a s b e e nf o u n dt h a tt h ep o l y m e rn e t w o r ka n dt h es u r f h c e sc o n c a v ea n dc o n v e xs t r u c t u r eo f t h es u b s t r a t ec a nb r o a d e nt h er e f l e c t i o ns p e c t r u m a n dt h i sp r o v i d e sa ni m p o r t a n tb a s i s f o rt h ef e a s i b i l i t ya n dm e t h o d st op n c l cc o l o rd i s p l a yo rw h i t ed i s p l a y k e yw o r d s ：f l e x i b l ed i s p l a y ；b r a g gr e f l e c t i o n ；p d l c ；p n c l c ；r e f l e c t a n c es p e c t r a i l l 目录 目录 第一章绪论1 1 1 双稳态显示2 1 1 1 电泳显示2 1 1 1 1 微胶囊型电泳显示器。2 1 1 1 2m i c r o c u p 型电泳显示器3 1 1 2 双稳态液晶显示3 1 1 2 1 双稳态胆甾型液晶显示一3 1 1 2 2 双稳态向列型液晶显示4 1 2 聚合物分散液晶5 1 3 聚合物网络液晶。6 1 4 聚合物稳定双稳态胆甾相液晶7 1 5 课题背景与意义8 1 6 课题研究内容1 1 第二章胆甾相液晶1 2 2 1 胆甾相液晶简介及应用1 2 2 1 1 胆甾相液晶1 2 2 1 2 胆甾相液晶的应用1 3 2 2 胆甾相液晶的光学性质1 4 2 2 1 胆甾相液晶的光学特性1 4 2 2 24 x 4 矩阵数值计算1 4 2 3 胆甾相液晶材料的配制1 7 2 3 1 手性添加剂1 7 2 3 2 本论文所用胆甾相液晶的配制1 8 2 4 胆甾相液晶光电性能测试1 8 2 5 小结2 0 第三章实验样品制备2 1 3 1p d l c 显示单元制作2 1 3 1 1 实验材料2 1 i v 目录 3 1 2 仪器设备2 2 3 1 3p d l c 膜制作2 2 3 2p n c l c 显示单元制作2 5 3 2 1 实验材料2 5 3 2 2 仪器设备2 5 3 2 3p n c l c 制作2 6 3 2 3 1 玻璃基板p n c l c 制作2 6 3 2 3 2 柔性p n c l c 膜制作2 7 3 3 柔性显示单元专用覆膜机研制2 8 3 3 1 基于a r m 7 对反应式步进电机控制2 9 3 3 1 1 反应式步进电机简介2 9 3 3 1 2e a s y a r m 2 1 3 1 开发板简介3 0 3 3 1 3 基于a r m 7 对反应式步进电机程序控制。3 1 3 3 2 覆膜机电路结构设计3 3 3 3 3 覆膜机外形结构设计3 3 3 3 4 覆膜机面板设计3 4 3 3 5 覆膜机组装3 4 3 4 j 、结3 5 第四章实验品光电性能研究3 6 4 1p d l c 膜光电性能研究3 6 4 1 1 单体含量对p d l c 膜影响3 6 4 1 2 盒厚对p d l c 膜的影响3 7 4 1 3 光强对p d l c 膜的影响：3 9 4 1 4 曝光温度对p d l c 膜的影响3 9 4 2p n c l c 光电性能研究4 0 4 2 1 表面处理对p n c l c 的影响4 1 4 2 1 1 表面处理对柔性基板p n c l c 的影响4 2 4 2 1 2 表面处理对玻璃基板p n c l c 的影响4 4 4 2 2 单体含量对p n c l c 的影响。4 6 4 2 3 盒厚对p n c l c 的影响4 8 4 2 4 曝光方式对p n c l c 的影响4 9 4 2 4 曝光温度对p n c l c 的影响5 l v 目录 4 3 彩色p n c l c 显示单元的研究5 2 4 3 1 粘胶剂的选择5 2 4 3 2 彩色显示单元反射光谱的研究5 3 4 4 j 、结5 5 第五章总结5 7 至l 【谢5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间的研究成果6 4 v i 一 第一章绪论 第一章绪论 在2 0 世纪，图像显示器件中，c r t 显示器件以其高的性能价格比和高性能的 图像质量占据着大部分的显示市场。但随着科学技术的不断发展和进步，液晶显 示器件以其低电压、微功耗、显示信息量大、易于彩色化和平板式结构的优势得 到人们的广泛关注和研究，并逐渐取代了传统的c r t 显示器件。 近年来，柔性显示潜在的优势日益突出，与其他显示技术相比柔性显示的特 点是可以做得很轻、很薄、不易碎，并且有一定形变承受力，可弯曲、扭曲甚至 卷曲、折叠。使用柔性显示技术的产品也相应地具有这些优点，在一些特定应用 场合发挥柔性显示技术的优势。例如，如果用柔性显示和柔性电子线路集成制作 智能卡，就可以实现体积很小、很薄的显示，并且耐用，不易碎。再比如，某些 不需要快速更新大量信息的领域，如电子书、户外广告、物价牌等，利用双稳态 柔性显示则可以节能省耗。实现柔性显示的技术可以分为主动发光的柔性o l e d 显 示和反射式的其他显示技术。后者基本上可以归类为类似纸张的显示器，或者电 子纸显示技术。柔性o l e d 跟玻璃基板上的o l e d 一样，只是需要低温工艺制作， 并需要应对基板柔性的特点。电子纸显示则又可以通过多种技术实现。 一直以来，纸张是显示文字或是影像的重要工具之一，其具有很多优秀的显 示特性，如高反射率、高对比度、无视角问题、可弯曲不至损坏和完全不耗电等。 然而，相对于电子显示技术，纸张具有一个明显的缺点：印在纸上的内容几乎无 法更改，并因此带来更多的问题，如难以更新内容、难以进行内容搜索、信息含 量大时体积和重量增加等等。因此在现在这个数字化和信息化的时代，迫切需要 一种具有上述纸张所具有的优点，但又能克服其内容更新困难的缺点的显示技术。 在这种背景下，电子纸张也就应运而生了。许多时下主流的显示解决方案，如l c d ( 液晶显示) 、o l e d ( 有机发光二极管) 和p d p ( 等离子) 显示，都能达到部份 纸张的效果，但这些技术难免会消耗能量，因为此类显示器必须不断更新以维持 图像的内容。再者，这些显示实体亦不像纸张一样柔软，从而必须放置在平板装 置中。近年来，电泳显示( e l e c t r o p h o r e t i cd i s p l a y “e p d ) 及双稳态液晶显示( b i s t a b l e l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 等各种双稳态( b i s t a b l e ) 显示技术相继面世了。利用双稳 态显示技术可实现反射式显示，从而使得这类显示器具有高对比度、强光下可读、 功耗极低、薄如纸张的特点。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 双稳态显示 1 1 1 电泳显示 电泳图像显示( e p i d ，e l e c t r o p h o r e t i ci m a g ed i s p l a y ) 是利用胶囊分散粒子在 电场作用下发生泳动的现象，其具有高对比度、大视角、高显示亮度、低价格、 容易实现大平面显示等优点。但是其可靠性差，阈值特性不容易控制，尤其是分 散系中微粒易发生团聚、沉淀等现象致使其寿命较短。早在2 0 世纪7 0 年代初o t a l 等人就已经提出电泳液的制备方法，接着p m a r a u 等人制备了一种非水悬浮液，并 研究了其不稳定因素。同时m d c r o c h e r 等人研究探讨了各种悬浮液的优劣性。2 0 世纪9 0 年代，电泳显示器引起了人们的关注，最大的创新在于将电泳液做了微封装 处理，大大提高了电泳显示器的寿命。随着显示技术的发展，电泳显示器已成为人 们广泛关注的焦点，e i n k ，三星，柯达，富士，东芝，爱普生，摩托罗拉等多家 国际性公司都在涉足电泳类显示器件的研发【l 】。 1 1 1 1 微胶囊型电泳显示器 近年来，麻省理工学院( m 1 1 r ) 媒体实验室提出了电子墨水( e n c a p s u l a t e d e l e c t r o p h o r e t i ei n k ) 的概念，即微胶囊化电泳显示技术( e n c a p s u l a t e de l e c t r o p h o r e t i e d i s p l a y ) 。利用电泳显示原理，创新性地把颜料颗粒和深色染料溶液包裹在微囊 内，在微囊内实现了电泳显示，从而抑制了电泳胶粒在大于胶囊尺寸范围内的团 聚、沉淀等缺点，提高了其稳定性，延长了使用寿命。 带 的 子 亮态 暗态 图1 1 电子墨水显示原理图 微粒子薄膜显示材料中发展最成熟的就是在2 0 0 2 年1 月，由e i n k 、t o p p a n 、 2 第一章绪论 p h i l i p s 公司联合开发的电子油墨( e i n k ) 显示材料。其基本显示原理如图1 1 所示， 电子油墨经印刷涂布在经处理的基片材料上，形成一种微胶囊结构。在一个微胶 囊内有许多带正电的白色粒子和带负电的黑色粒子，正、负电微粒子都分布在微 胶囊内透明的液体当中。加电时，带负电的顶电极吸引带正电的白色胶粒聚集到 顶部，从而使微胶囊呈白色。当电场反转时，白色胶粒被吸引到底部，并被深色染 液隐藏，从而使微胶囊呈深色。简而言之，电场的作用使白色微胶粒移动到显示 器项面或者底部，使观察者看到白色或者深色。即使移去电场，白色微胶粒仍能 停留在原处很长时间，使显示图形保持不变，从而实现低功耗显示。 1 1 1 2m i c r o c u p 型电泳显示器 m i c r o c u p 型电泳显示器是由美国s i p i xi m a g i n g 公司开发研制的技术，其工作原 理是将电泳粒子分散在染色的绝缘溶剂中构成胶体电泳液，并将其封装在特制的 微杯结构中，对该结构两端施加电场，带电粒子在电场作用下发生电泳移动。通 过改变电场方向，使某一颜色的带电颗粒定向泳动，并透过透明电极板而显示， 其结构如图1 2 所示。由于电泳液和带电粒子比重接近，当电场撤除后仍能保持双 稳态的显示状态，从而显著降低了能耗。在s i d 2 0 0 4 展示会上，飞利浦电子展出了 m i e r o c u p 型结构的卷轴型电子纸。 粘合层 微杯壁 图1 - 2m i c r o e u p 型电泳显不器结构不意图 1 1 2 双稳态液晶显示 双稳态液晶显示是双稳态显示领域里的热点之一，它可以通过两种方式实现： ( 1 ) 直接使用具有双稳态性质的胆甾相液晶；( 2 ) 通过特殊的取向方法使向列相液晶 实现双稳态【2 】。 1 1 2 1 双稳态胆甾型液晶显示 胆甾相液晶的双稳特性可以通过两种途径得到：其一是在胆甾相液晶中添加 3 电了科技火学硕士学位论文 聚合物，形成聚合物稳定胆甾相液晶( p o l y m e rs t a b i l i z e dc h o l e s t e r i ct e x t u r e ，p s c t ) ； 其二是对器件表面进行适当处理，形成表面稳定胆箔相液晶( s u r f a c es t a b i l i z e d c h o l e s t e r i ct e x t u r e , s s c t ) 。 2 0 世纪9 0 年代，k e n t 大学液晶实验室开始从事液晶显示器方面的研究工作， 发现通过在液晶中加入少量的聚合物或用适当的表面处理，胆甾相液晶就会有长 时间的( 几年以上) 双稳态效应，同时视角大大提高，颜色随角度的变化也小得 多【3 】。香港科技大学叶永超，郭海成研究了低传输电压下双稳态胆 相液晶显示的 电光特性以及波形转换速率对双稳态胆甾相液晶显示的影响，得出在使用低端混 合液晶时，对4 m s 线寻址可获得最佳的电光特性。王庆兵，凌志华等人研究了在 液晶的不同排列状态下形成的聚合物网络的织构和形貌，分析了光强和温度等固 化条件对形成的聚合物网络形貌的影响【9 】。魏振等人研究了取向层的摩擦强度对胆 甾相液晶显示器件对比度的影响，得出了随着摩擦强度的增大，器件的对比度先 增大后减小。 1 1 2 2 双稳态向列型液晶显示 向列相液晶通过特殊的取向方法可以实现双稳态。z b dd i s p l a y s 、n e m a p t i 等 开发商以及惠普实验室都在这方面做出了令人瞩目的工作。具体包括以下几种： ( 1 ) 顶点双稳态向列相液晶显示 顶点双稳态液晶显示( z e n i t h a lb i s t a b l ed i s p l a y ) 是z b dd i s p l a y s 公司开发的一 种双稳态向列液晶显示技术。通过槽栅的特殊设计实现向列液晶的两个稳定态， 这些槽栅类似于常见的光栅。液晶分子在槽栅横截面上的取向存在高倾角和低倾 角两个稳态，高低倾角的稳态可以作为槽深槽距比的函数，高低倾角稳态之间的 转换通过外加可变电场来实现，这就是顶点双稳型液晶显示的基本原理。 b r y a n - b r o w ng p 在2 0 0 0 年报道了基于t - p e t 柔性基板研发高对比度反射式顶点双 稳态柔性显示器件。 与双稳态胆甾型液晶显示技术一样，都不需要背光光源，因此非常节能。在 制透方法上则与现在普通应用的液晶类似，成本可以得到较好的控制。但与其他 方式一样，它也难于实现彩色显示。另一个不足是顶点双稳型显示和t n - l c d 显示 一样都存在可视角偏小的问题。这些都有待于进一步的研究来解决。 ( 2 ) 方位角双稳态向列相液晶显示 表面方位角双稳态液晶显示( b i n e m ) 技术是由法国公司n e m o p t i c 提出的。 液晶盒中，液晶分子在上下两个基板表面都是沿面排列。该器件的特点是，在外 4 第一章绪论 加电压的作用下，液晶盒中的某一基板附近的液晶分子的取向会扭转1 8 0 0 。该液晶 器件两块基板上的锚泊情况不一样，下基板表面是弱锚泊，而上基板表面则是强 锚泊。靠近强锚泊基板的液晶分子即使在外加电场的作用下也不会改变取向方向。 但是弱锚泊基板附近的液晶分子在外加电场的作用下会改变取向，调换方向，于 是液晶分子从上到下扭曲了1 8 0 0 。该器件主要应用于反射方式，但是也可以应用于 透射和半透半反方式。 彩色b i n e m 液晶显示建立在彩色填充基质上。彩色b i n e m 液晶显示由能显示多 种不同颜色的“窗帘效应 狄度级驱动( 已经证实能显示多达3 2 ，7 6 8 种不同颜色) 。 r g b w 结构( 每个像素由红绿蓝白点组成) 已经在最近推出的大量常规显示和电 子纸显示技术中用于改善彩色显示效果。这种四色微像素结构已经运用于b i n e m 液晶显示模块中以提高亮度，同时可以保持反射模式中良好的对比度和色纯度。 最近已经开发出了5 1i n ，4 0 0 3 0 0 像素的b i n e m 彩色显示器，其分辨率为1 0 0 p p i 。 它已经实现了白状态下2 0 的反射率，并且弥漫照射下的对比度能超过1 0 ：l 。而 优化亮度和色彩饱和度的工作正在进行中。 ( 3 ) 双稳态扭曲向列相液晶显示 双稳态扭曲向列相液晶显示( b t n ) 是液晶在特殊波形驱动脉冲作用下在两 个准稳扭曲态间转换而进行显示的器件，最初是e h b e r r e r n a n 和h e f f n e r t l 2 1 在1 9 8 1 年 提出的。当时两个稳定态是0 0 和3 6 0 0 。这种双稳是由于在特定液晶盒厚d 下，扭曲 向列相液晶的自然螺距p o 与液晶盒的取向条件不一致造成的。而且只有这种不相匹 配在一定范围时，即抑。在一定范围时，才能得到双稳态。由于这种双稳态显示方 式具有制作简单、显示容量大、速度快、功耗低等优点，最近得到广泛的研究。 t a n a k a 等人提出了一种简单矩阵驱动方法，可使这种简单矩阵的显示方式达到有 源矩阵的显示效果。d o z o v 等人又提出一种应用单一稳定表面的高速b t n 显示方 式。b r y a n - b r o w n 等人提出了利用栅状表面排列的可在亚微秒驱动脉冲下工作的 b t n l c d ，对b t n 的动力学特性也有理论性研究。 1 2 聚合物分散液晶 聚合物分散液晶( p o l y m e rd i s p e r s e dl i q u i dc r y s t a l ，p d l c ) 显示模式，在八十 年代中期由j l f e r g a s o n 和j w d o a n e 等人提出。其优势在于不需要偏振片，可 柔性化，开态光透过率较高，制作工艺简单，所以受到人们的广泛关注和研究。 但其驱动电压较高，难以与高速电路集成等瓶颈，使得其在大容量信息显示方面 5 电子科技大学硕? e 学位论文 的发展受到了很大的限制。 p d l c 是将向列型液晶均匀分散于透明的聚合物基质中，透过光聚合、热引发 或溶剂挥发等方法诱导相分离，形成微米尺寸的液晶微滴，并且此微滴被固化的 网状聚合物体系包围。 p d l c 的显示原理如图1 3 所示，通过电场作用来实现。无电场时，液晶微滴 的指向矢是随机分布的，液晶微滴与聚合物的折射率不匹配，从而导致入射光被 散射，p d l c 膜呈不透明状态，即为关态( 如图1 - 3 ( a ) 所示) ：当p d l c 膜加上足 够电压时，液晶分子的指向矢平行于电场方向，此时，液晶微滴的寻常光折射率 与聚合物的折射率近似相等，即两者折射率匹配，p d l c 膜呈透明状态，即为开态 ( 如图l - 3 ( b ) 所示) 。可见通过电场，就可以控制p d l c 的光开关作用，实现明暗 显示。 1 3 聚合物网络液晶 图1 3 p d l c 的工作原理 p d l c 聚合物含量一般在3 0 以上，液晶以微滴形式分散在连续的聚合物介质 中，而聚合物网络液晶( p o l y m e rn e t w o r kl i q u i dc r y s t a l p n l c ) 的聚合物含量在l o 以下，液晶在聚合物中的存在形式由相互分离的微滴转变为以聚合物网络为边界的 液晶小畴。但是由于p d l c 的高驱动电压的限制，人们的研究重点主要在降低其 驱动电压。而当降低液晶中聚合物含量时，聚合物从微囊型结构变为连续的网络， 对液晶的边界作用降低，从而达到降低驱动电压的效果，这就是人们所研究的从 p d l c 演化而来的p n l c 。 p n l c 中聚合物为各向同性材料，液晶为各向异性材料，而聚合物的折射率与 液晶寻常光的折射率相等。如图1 4 ( a ) 所示，在关态，即未加电压时，由于液晶在 聚合物网络中以一种多畴态形式存在，各个液晶畴的指向矢是随机分布的，入射 6 第一章绪论 光在畴与畴的界面处由于折射率的不连续变化而引起散射，从而入射光不能透过 p n l c 膜；当给p n l c 加上电压后，如图1 4 d ) 所示，在电场的作用下，液晶的指 向矢沿电场方向统一分布，使得p n l c 内部变为折射率均匀的介质，因而p n l c 膜表现为透光。 图1 4 p n l c 的工作原理 1 4 聚合物稳定双稳态胆甾相液晶 美国k e n t 大学液晶研究所的杨登科和j u wd a o n e 等人最先提出了聚合物稳 定的胆甾相液晶显示模式。他们在胆甾相液晶材料中掺入少量的聚合物单体材料， 在平面排列态或垂直排列态用紫外光诱导单体聚合形成聚合物网络，制备了正反 两种模式的聚合物稳定的胆甾相液晶，这种聚合物稳定胆甾相液晶显示制作工艺 简单，饱和电压较低，响应速度快，无需偏振片，可以实现高亮度显示，在双稳 态显示领域有着很大的应用潜力【3 1 。 双稳态胆甾相液晶显示的工作原理是利用胆甾相液晶的布拉格反射特性。胆 甾相液晶具有三种不同的分子排列结构( 如图1 5 ) ，一种是平面织构态( p l a n a r t e x t u r e ) ，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 ) ，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 ) ，称为h 态。在零电场下处于p 态的胆甾 相液晶如图- 5 ( a ) 所示，此时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。在p 态时，如果入射光的波长与螺距p 相匹配，即五：万p ( 万是液晶 的平均折射率) ，则入射光将被反射，反射光为圆偏振光。因此反射光的波长可由 螺距p 来控制，而所用的胆甾相液晶是由向列相液晶和手性材料混合而成，螺距p 和手性材料浓度的关系是： 名= 万p = 万，乙百i 两i ( 1 - 1 ) 7 电子科技大学硕：l ：学位论文 其中船p 是手性材料的扭曲力常数。通过调节手性材料的浓度，很容易改变反射 亡= = = = = = = = = = = = = = = = ( a ) p 态( b ) f c 态( c ) h 态 图1 5 双稳态胆甾相液晶显示原理 光的颜色。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f c 态。如图1 5 ( b ) 所示，处于f c 态时的胆甾相液晶是一种多畴结构，其螺 旋轴分布杂乱无章，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压，液晶将变化到h 态，如图1 - 5 ( c ) 所示，此状态液晶 分子沿电场方向排列，液晶是透明的。对处于h 态的胆甾相液晶，但电压迅速降 为零，液晶分子回到p 态；而当打压缓慢降低时，液晶分子则转变为f c 态。而p 态和f c 态在零电场下均为稳态，这样p 态时的反射态和f c 态时的散射态构成一 组对比态，这便是双稳态胆甾相液晶显示器件的基本工作原理。 1 5 课题背景与意义 胆甾相液晶是由有螺旋结构的手性分子构成，其在零电场下具有两种稳定的 状态：一种是具有b r a g g 反射的平面织构态( p 态) ，另一种是呈散射态的焦锥织 构态( f c 态) 。利用这种双稳特性研制的反射型胆甾相液晶显示器具有反射亮度 高，视角宽，功耗小等特点，并且可以在柔性基底上实现显示。这种显示器广泛 应用在需要显示但不需要频繁刷新的场合，比如电子书，电子窗帘，物价牌和户 外广告等领域。 但是双稳态胆甾相液晶显示的工作原理是利用胆甾相液晶的布拉格反射特 性，其反射波长仅仅针对某中心波长的一个比较窄的范围。因此，显示器的底色 很难为白色，从而需要对反射光谱进行展宽。目前展宽反射光谱率常用的方法是 在胆甾相液晶中加入聚合物网络。但是网络的存在使液晶内部分割成为许多畴， 畴界面使入射光发生散射，使显示器的“黑 态反射率较大，对比度较低，因此 第一章绪论 需要控制畴的尺寸，抑制光散射效应。 在液晶中加入聚合物网络，制成所谓聚合物网络稳定液晶对于平面态的微扰 作用，一方面使胆 液晶的螺距沿盒厚方向格反射光谱得到展宽。加上显示器的 玻璃基板凹凸不平，处于螺旋轴也并非完全平行于基板的法向，于是布拉格反射 光谱得此，除了在液晶中制备聚合物网络以外，还要在液晶盒内表面积一层聚合 物膜，以得到界面的凹凸不平的结构。这样，强电型液晶就没有平面态，只能取 接近于平面念的状态，这种状态从微观上看，显示器各处螺距不同，液晶的螺旋 轴方向也不同晶盒表面的方向，而且不同位置的布拉格反射光的中心波长不显示 的颜色为多种波长光的混合，于是反射光频谱得到了展宽。 k e n td i s p l a y 等公司主要采用胶囊化( e n c a ps u l a t i o n ) 法研发胆甾型液晶柔性 显示器件。该方法主要通过聚合物诱导相分离法( p o l y m e r i z a t i o ni n d u c e dp h a s e s e p a r a t i o n ，p i p s ) 和乳化法( e m u l s i o n ) 来实现。前者是将液晶与聚合物单体混 合均匀，并通过光或者热引发诱导相分离；后者是将液晶分散在含水的有机连接 剂中( 如聚酰亚胺) 形成油水混合物，待水被蒸发后，液晶的微滴就被包袱在聚 合物网络中。k e n td i s p l 硐乏用p i p s 和乳化法，分别在双层厚为1 2 6 微米柔性聚碳酸 酯基板及单层纤维布基板上研制了反射式双稳态胆甾型液晶显示器件。p h i l i p s 公司 在2 0 0 2 年s i d 所展出的可弯曲胆甾型液晶显示器，其总厚度为2 5 0 微米。 e a s t m a n k o d a k 在2 0 0 4 年s i d 中推出了以印刷及涂布方式研制出的微胶囊化胆甾型 液晶的高分子分散液晶膜。f u j ix e r o x 的光电寻址电子纸( p h o t o a d d r e s s a b l e e l e c t r o n i cp a p e r ) 可以由一层有机感光体( o r g a n i cp h o t o c o n d u c t o r ，o p c ) 透过光 与电场改写微胶囊化胆甾型液晶内裂 1 。 胆甾相液晶显示器可采用不同的吸收层来实现单彩显裂6 】。若在黑底上实现彩 色的字体，可采用黑色的吸收层，因为液晶分子处于平面态时能够实现全彩反射， 而在焦锥态时，吸收层基本可以吸收可见光波段范围内的所有光，此时呈现黑态。 若需在白底上显示彩色的字体，则可以采用蓝色的吸收层，且要求胆甾型液晶