（物理电子学专业论文）多畴胆甾相液晶显示器件驱动方式的研究.pdf

摘要 多畴双稳态胆甾相液晶反射显示是近几年发展起来的一种反射式液晶显示，它是利用胆 甾相液晶平面织构状态的b r a g g 反射亮态和焦锥织构状态的散射暗态构成对比态实现显示。 其晟显著特点是具有零场稳态，从而易实现低功耗反射显示。它无需偏振片，在阳光下可读， 并且能够制作在软基底材料上，非常适合电子书等纸片式显示，愈来愈受到人们的广泛关注。 本文首先简单介绍了多畴胆甾相液晶显示屏的结构和显示机理，对现阶段常见的各种驱 动方法进行了讨论，在比较与分析常用的驱动方法：动态驱动法，累计驱动法和p 态刷新法 的优缺点基础上，结合实验室制备的胆甾相液晶显示屏的性能特点，选用p 态刷新法来设计 本课题的驱动方案。 完成p 态刷新法的设计方案后，在硬件电路上实现了这种方案的功能。通过这种驱动 方法，成功实现了胆甾相液晶的各个状态之间的转换，并在此基础上实现了全屏驱动。最后， 根据p 态刷新法的驱动原理，进而设计了胆甾相液晶显示器件的字符显示方案，并将这种方 案应用到8 8 矩阵式胆甾相液晶显示屏的驱动系统中，测试了系统的功能，基本实现了矩 阵式胆甾相液晶显示屏的字符显示。 关键词：胆甾相液晶，反射显示，驱动方法，电路，p 态刷新法 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i - d o m a i nb 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 i dc r y s t a ld i s p l a y s ( c h - t c d ) h a v eb e e n ak i n do fr e m a r k a b l er e f l e c t i v ed i s p l a yi nr e c e n ty e a r s t h i sd i s p l a yi sr e a l i z e db yt h et w o c o n t r a s t i v es t a t e sb e t w e e np l a n n a rt e x t u r e sb r a g gr e f l e c t i v eb r i g h ts t a t ea n df o c a lc o m e s s c a t t e r e dd a r ks t a t e t w os t a b l es t a t e s 疵z e r of i e l di si t sm o s tn o t a b l ec h a r a c t e r i s t i c ，s oi ti sal o w p o w e rr e f l e c t i v ed i s p l a y i ti sn op o l a r i z e r , r e a d a b l ei ns u n l i g h t , a l s op l a s t i cd i s p l a y , s u i t a b l et o e - p a p e ra p p l i c a t i o n , a n dr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o n s t h es t r u c t u r ea n dd i s p l a yp r i n c i p l eo fc h - l c da i n t r o d u c e df i r s t l y , t h e ns o m ed r i v i n g m e t h o d sa r ed i s e a s e d n o w , t h e r ea r et h r e ed r i v i n gm e t h o d sf o rt h ec h - l c d ：d y n a m i cd r i v i n g s c h e m e s ，c u m u l a t i v ed r i v i n gs c h e m e sa n du p d a t i n gd r i v i n gs c h e m e sw i t hps t a t e c o m p a r i n gt h e s e t h r e ed r i v i n gs c h e m e s ，a n a l y z i n gt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e s ed r i v i n gm e t h o d sa n d a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e so fc h l c dd e v i c e sw ef a b r i c a t e d ，t h eu p d a t i n gd r i v i n gs c h e m e s w i t h ps t a t ea l ec h o s e nt ob eo u rd r i v i n gs c h e m e s 。 a f t e rt h ed e s i g n so fu p d a t i n gd r i v i n gs c h e m e sa r ec o m p l e t e d , t h e s ed r i v i n gs c h e m e sa r e a c h i e v e db yt h ec i r c u i lt h e na p p l i e dt ot h es a m p l eo ft h er e f l e c t i v em u l t i - d o m a i nc h - l c d t h e p h a s et r a n s i t i o n sa m o n gt h et h r e ep h a s es t a t e sc a nb co b t a i n o ds u c c e s s f u l l y w i t ht h es u c c e s si n p h a s et r a n s i t i o n s ，t h ed r i v i n gs c h e m e sf o rs t a t i cc h a r a c t e rd i s p l a y so f c h - l c da r ed e s i g n e d ，t h e n ， t h ec h a r a c t e rd r i v i n gs c h e m e s 1 i ea p p l i e dt ot h ed r i v i n gs y s t e mo f8 8m a t r i xc h l c d a f t e r t e s t i n gt h ef u n c t i o n so f t h i sd r i v i n gs y s t e m , t h es t a t i cc h a l a c t e rd i s p l a yo f t h i sm a t r i xc h - l c d c a l l b ea c h i e v e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：c h - l c d ，r e f l e c t i v ed i s p l a y , d r i v i n gs c h e m e , c i r c u i t , u p d a t i n gd r i v i n gs c h e m ew i t hp s t a t e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下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过的研究成果，也不包含为获得东南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了谢意。 研究生签名：型釜遴 日期：鱼b 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：必难鸯 导师签名： 李李 日期：衫啦， 第一章：绪论 第一章绪论 液晶显示( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 器件是6 0 年代末研制出来的一种新型平板显 示器件。在近三、四十年里，它的研制和产业取得了惊人的发展，同时带动了许多相关产业 的发展。而液晶显示器件的应用也从简单的钟表显示扩大到仪器、仪表、汽车电子设备、便 携式电脑显示、电视显示和大屏幕显示等，并逐步成为众多平面显示器件中发展最成熟、应 用面最广、已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显示器件。目前，l c d 产品以扭曲向列 相液晶显示( t n - l c d ) 、超扭曲向列相液晶显示( s t n - l c d ) 及薄膜晶体管液晶显示( t f t - l c d ) 为主。以上产品主要是透射型l c d ，但透射式液晶显示器的功耗较大，没有体现液晶显示 器件低功耗的优点，原因在于透射式液晶显示器必须采用背光源，器件功耗的8 0 消耗在 背光源上。因此。不使用背光源、低功耗、重量轻的反射式液晶显示近年来普遍被人们关 注，尤其在当今移动信息工具( m i t s ) ，个人数字助理( p d a s ) ，电子报纸及其他小尺寸显 示器件需求急剧增长的形势下，各种模式的反射式液晶显示器被研制出来。其中又以双稳态 反射型胆甾相液晶显示器尤其受到关注。主要类型有聚合物稳定胆甾相液晶显示( p s c t ) 和多稳态胆甾相液晶显示( m l c d ) 。它们利用平面织构状态( p l a n a r ) 的b r a g g 反射亮态和 焦锥织构状态( f o c a lc o n i c ) 的散射暗态构成对比态实现显示。该类器件具有反射亮度高， 对比度高，功耗小，视角宽等特点，并且断电后能长期保留图象，是天然反射式的全彩色显 示，同时在阳光下具有可读性。它不用t f t 阵列就可实现大容量，高分辨率显示，并可以 制备在软基底上。因为不使用偏振片。光亮度损失很小，非常适合于移动电子产品类的显示 器，如手机、数字相机、电子书本和个人数据助理等，并且还适用于户外阳光下显示。 1 1 反射型多畴胆甾相液晶显示的发展现状 早在二十世纪6 0 年代到7 0 年代，液晶显示器刚刚发明时，美国，欧洲就有许多学者及 实验室从事胆甾相液晶相关的研究。1 9 6 8 年，r b m e y e r 根据实验指出，在电场或磁场的 作用下，胆甾相和向列相之间存在相变( c n 相变) ，他并预计在下个十年中该效应可能 应用于信息显示中”1 。在1 9 6 9 至1 9 7 0 年间，r b m e y e r l 2 1 和f r e d e r i cj k a h n p l 等人分别从 实验上观察了磁场和电场作用下胆甾相液晶的螺距产生发散直到变成场致向列相态，即垂直 取向的情况。j j w y s o c k i ，h b a l s s l e r 等给出了电场强度对相变影响的初步结果，并且就 电场强度对胆甾相液晶的光学特性的影响方面也进行了研究”。 虽然当时从实验中观察到相变，但对相变机理不十分了解。加之当时合成胆甾相液晶的 稳定性( 尤其是化学稳定性) 不好，介电常数各向异性( 出) 值较大的材料也不多，使相变 电压达到i o o v 左右。因此，在随后的几年间，有关胆甾相液晶的研究几乎处于停顿状态。 直到7 0 年代末到8 0 年代初，相变模式的胆甾相液晶显示器开始出现。i s a k a t a 等人向列相 液晶里加入手性添加荆，得到胆甾相液晶。利用透明状态的p 态和f c 态的光散射这两种状 态进行存储显示。g r e u b l e 首次观察到胆甾相液晶在电场作用下c - n 相变存在滞后现象， b k e r l l e n e v i c h ，k a w a e h i ，t o h t s u k a 等先后通过实验得到滞后现象与偏置电压的关系， 东南大学硕+ 学位论文 并指出在滞后现象存在的前提下，器件工作在一定偏压下，可利用h 态的透明态f c 态的散 射态进行显示。以上这几种显示模式都是在电场作用下进行的。n a c l a r k 等人在1 9 8 0 年 给出了零场下p 态，f c 态的双稳态曲线，直到1 9 9 0 年，美国肯特大学的液晶研究所利用胆 甾相的双稳态特性开始了反射式胆甾相液晶显示的研究。 由于双稳态反射胆甾相液晶显示所具有的优点及诱人的前景，在二十世纪九十年代一经 出现就引起人们强烈的关注，这期间取得了很多研究成果。研究发现，在胆甾相液晶添加聚 合物或对基板进行表面处理均可以得到零场稳定的f c 态；添加聚合物形成聚合物网络结构， 虽然能够实现零场稳定的f c 态，但对提高双稳态胆甾相液晶的响应速度极为不利，其响应 时间甚至可达到几百毫秒。如果采用聚合物稳定指印胭甾相织构形成不完美的p 态和多畴指 印状态构成双稳态反射显示，可以提高对比度和响应时间，使相变时间降到7 0 m s 左右，但 距离实用还相距甚远。采用表面处理的方式形成双稳态胆甾相液晶反射显示，过程简单，类 似于传统的l c d 工艺。由于不添加聚合物，使材料粘度大为降低，可以进一步提高响应速 度。但表面处理方式的均一性难以控制，难以得到所需的多畴分布。直到美国a d s 公司发 明了快速响应的多畴稳态胆甾相液晶显示( m l c d ) 这种情况才有所转变。该公司采用适当 的表面处理技术，使器件的相变时间大为提高，同时取得螺旋轴的适当分布，以扩大视角州。 对于表面稳定型胆甾相液晶器件，取向技术是获得其多畴结构的主要手段之一。而液晶 分子的取向涉及到取向材料的结构和性质、表面处理的方法、固液界面的相互作用等一系列 比较复杂的问题。控制液晶取向的方法有多种，如倾斜蒸镀s i c h 、摩擦法、l b 膜法、光控 取向法等。从最初的倾斜蒸镀s i 0 2 取向到现在广泛使用的摩擦取向，许多研究人员还在不 断探索更好的取向技术，并且做了大量的工作。v a k o n o v a l o v 等人就提出了一种新的栅格 取向获得多畴的方法p 一。实验证明，用栅格取向技术不仅不影响视角，而且畴的数量及其 位置容易控制，并且获得的畴的边界比较分明，通过调整栅格的高度及其斜度，有可能改变 显示亮度、图像对比度、灰度级及响应时间。有一项专利州里也提到一种获得多畴、宽视角 的液晶显示，它的取向层是一种全新的成阶层间隔的墙似肿块状( s s w b ) 结构，既不需要 摩擦取向，也不用紫外光照射聚合物膜取向，能达到的平均预倾角为3 。7 0 。可是，更 多的研究者在光取向技术及取向材料方面表现出浓厚的兴趣。9 0 年代初，s c h a d t t l o j 就提出 用线性紫外偏振光照射聚合物可以使液晶分子取向，其工艺过程就是在带有光敏基团的聚合 物成膜后，用线性紫外偏振光照射而成光控取向膜。g u yp e t e rb r y a n - b r o w n 等人在他们的专 利里介绍了一种新颖的光取向技术。它是的取向材料是乙烯聚会肉桂酸，在其交叉耦合时， 先经过光诱导排列，然后通过干涉法或斜入射照相平板技术或压纹技术，获得类似不对称摩 擦、横截面大约锯齿状的取向排列【1 “。一些研究者开发出新的取向材料，同时给出了新材 料应用于线性偏振紫外光取向法的特性表现，证明了新取向材料应用于液晶显示的可行性。 还有一种非接触式的取向方法近来也得到了发展。它是用带电低能离子束轰击取向膜层，通 过改变离子束能量及其入射角，从而得到一定的预倾效果。 也有些研究者从胆甾相液晶材料入手，为了提高胆甾相液晶显示亮度开发出了a n 0 3 5 的高双折射率新型混和液晶【1 1 ，使显示亮度改善两倍；为降低工作电压，开发出了一种a e 一6 0 的高介电各向异性化合物作为掺合物。m i n k y uk i m 等人在胆甾相液晶中添加了低分子材 料，也达到了降低驱动电压的目的。 2 第一章：绪论 反射式胆甾相液晶显示还可以实现软基底显示。在显示器件介质基底方面，传统大多采 用玻璃基板，但近年来塑料软基底越来越受到人们的关注。因为采用软基底使得显示器件很 薄。重量轻，柔韧性、持久性好，飞利浦实验室研制的4 2 英寸的软基底c t l c 显示器件”， 不仅性能上优于传统玻璃基板显示，而且其柔韧性强，甚至在显示中，也能弯曲成、 径2 0 m m 弧度，而不影响显示图像，非常适用于电子书、电子布告等纸片式显示。 在器件驱动方面，如果采用逐行扫描的驱动方法，响应时间达几十毫秒，比较适合显示 静态图象，而不适合动态图象的显示。为提高响应时间，驱动方法采用了一些新的方法。 x yh u a n g ，y - m z h u ，d - i cy a n g 等人相继提出了三段动态驱动方案，四段动态驱 动方案，五段动态驱动方案等，较好地改善了响应速度，使响应速度进一步接近动画视频显 示的水平。同时，为提高显示质量，消除显示中的黑带，还提出了管道输运方案i z 。在这 之后，更多的研究者投入了胆甾相液晶的驱动工作中。为了降低驱动电压。a r y b a l o c h k a 等人在a k o z a c h e n k o ，v s o r o k i n 等人的“u 4 2 ”动态显示方案基础上，提出了“u 4 3 2 ” 动态驱动方案，实现了更多线程驱动，加快了平均寻址速度并降低了驱动电压。肯特公司提 出了一种低成本的驱动方案，他们利用现有的s t n 驱动芯片，针对s t n 芯片的局限性，结 合胆甾相液晶驱动原理，建立了全新的动态驱动方案，使每行成本低于0 0 3 美元，可能是 目前最低的胆甾相液晶驱动。 在实现反射式胆甾相液晶彩色显示方面，j y o m 等人利用b r a g g 反射自然光的特性研制 出采用叠层结构而不采用滤色器实现彩色显示的方案，使之成为该类器件实现彩色显示的有 效途径。 为了实现反射式胆甾相液晶灰度，利用了胆甾相液晶的多稳态特性，k h a s h i m o t o 2 4 1 等 人实现了多级灰度驱动，从而可以实现反射式胆甾相液晶的全色显示。 这类显示器的前景非常看好，但目前尚处于实验研制阶段。主要存在两个问题，一是驱 动电压比其它液晶器件高，达几十伏，二是响应速度较慢，在几毫秒，甚至几十毫秒数量级 上，目前不适合动画、视频显示，只适合静态显示。驱动电压的降低主要取决于胆甾相液晶 材料的合成及物理参数的改进，一旦材料方面研究取得进展，驱动电压就可能降至几伏或者 十几伏，满足实用需要。而影响响应速度的因素主要有胆甾相液晶的相变机理，多畴结构的 形成及其驱动方法等等，而各种驱动方法取决于器件工作机理。胆甾相液晶的相变是一个非 常复杂的动力学过程，多畴结构的形成涉及到液晶中的缺陷的产生、成核过程，同样也是一 个非常复杂的过程，有待于专家们进一步的研究。 1 2 本论文主要研究内容 本文根据多畴胭甾相液晶的三种状态的相变机理和多畴胆甾相液晶显示器件的工作原 理，研究矩阵式胆甾相液晶显示器件的驱动方式，制定全屏和字符显示的驱动方案，设计相 应的驱动电路和控制电路，实现在全屏方式下的胆甾相液晶三种状态的自由转换以及胆甾相 液晶显示器件的矩阵式字符显示，具体工作如下： 1 根据胆甾相液品的特点，研究胆甾相液晶的相变机理。 2 分析当前常见的脾甾相液晶显示器件驱动方法，包括动态驱动法、p 态刷新法、 3 东南大学硕士学位论文 累计驱动法等，通过比较各种驱动方式的优缺点并结合实验中制备的胆甾相液 晶屏各项参数，提出本文所运用的驱动方案。 3 在全屏驱动中，设计p 态刷新法波形以及控制电路，实现胆甾相液晶各状态之 间的变换。 针对实验室制备的胆甾相液晶屏，测量三个状态之间的转换阈值电压，结合p 态刷 新驱动法的驱动原理，设计p 态刷新法的驱动波形，最后在电路上实现功能，并且分 析最后的波形信号，驱动胆甾相液晶屏，实现三个状态之间的相态变化。 4 反射型多畴胆甾相液晶显示器件的字符显示 在全屏驱动基础上，设计字符显示的驱动方案，控制信号以及电路，成功的实现了 矩阵式胆甾相液晶显示屏的字符显示，并分析显示效果。 4 第二章：多畴胆甾相液晶显示器件驱动方法的理论基础 第二章多畴胆甾相 法的理论基础 液晶显示器件驱动方 当组成物质的原子或者分子的空间尺寸远大于它们随时间变化的尺寸，同时其变化过缓 慢时，把组成物质的每个原子、分子的微观状态看作连续体，以此用来描述宏观的物理性能。 将基于这些观点的理论称为连续体理论，用来描述在弹性力学、流体力学或者电磁学方面各 向异性流体的宏观物理性能。液晶中许多物理现象的研究都可以忽视单个主成分子的存在， 而将其视为连续介质进行处理。二十世纪五十年代，f c f r a n k 在前人研究的基础上，整理 并提出了曲率弹性理论，也就是我们现在所称的液晶连续体弹性形变理论，简称液晶连续体 理论，它是描述液晶对外场的响应、流体性能及取向起伏的液晶性能的有效手段。 液晶一般都是由大的、近乎刚性的分子构成的，在某一方向上分子的线度要比其余两 个方向上的线度大许多或者小许多。前一种情况呈现长形的分子，后一种情况呈现扁平的分 子。对于长形分子，最简单的模型是把它看作刚性长棒，或刚性椭球，目前显示器件中经常 使用的三类液晶。向列相液晶、胆甾相液晶、近晶相液晶均属于棒状分子。这三类液晶分子 的排列如图1 2 所示。在宏观上把液晶当作连续体来处理的液晶连续体理论中，经常引用一 个平滑的矢量场”来描述液晶中的排列状态，进而讨论液晶的各种各向异性的物理特征，可 以把h 看作描述液晶分子的长轴取向，矢量 称为指向矢。由于体系的对称性，n 和m 。 = 三三三兰= 二， 无区别。在体系为平衡状态时，整个宏观体。= 三三：! 系的指向矢是一定的，表示为n o ( 基态) 。 二= 二 通常，当n 受到容器壁，外场( 外力、电场、 么= = ! _ 磁场) 热起伏的作用时将引起空间和时间上j 兰一 的变化。因此，n 是位置( 位置用矢量，表z ! ! 示) 和时间f 的函数，即n = n ( r ， 1 ) 。静态卤丢r 面雷霜蕊旋结构 情况下，一只依赖， ( ，) 。在液晶连续体 理论中，假设除去在液晶中的一些奇异点或奇异线之外，n 是位置，缓慢变化的连续函数。 当液晶各处的指向矢偏离了它们在平衡状态时所指的方向时，则液晶发生了形变。液晶的形 变可分为三种类型：展曲，扭曲和弯曲，与之对应的弹性常数记为k i ，鲍? ，局j 。 对于温度为r ，体积为k 的液晶体系，在位置函数的指向矢空间( 指向矢场) 中。当 系统内部发生弹性形变，取向状态由基态 o 变化到 ( ，) 状态时，经过推导，可得到液晶的 f r a n k 自由能密度占的表达式： g = 争v 咖2 + 如( 棚一每2 + b ( 棚) 2 】 ( 2 - 1 ) 在电场e 作用下，体积为v 。的液晶系统的自由能为 f = 互1 o k ，v 班蚴眠刀毫尸+ 蚴，哕之舢k q 。2 东南大学硕士学位论文 式中岛是与液晶材料螺距有关的弹性常数。 向列相液晶和胆甾相液晶是光学单轴性的各向异性流体，因此( 2 1 ) 式和( 2 - 2 ) 式对 于胆甾相液晶是适用的。当胆甾相液晶处于零场时，能量处于最低状态，液晶中相邻两平面 中的指向矢n 具有螺旋式转动的状态，如图2 - 1 所示。此时处于平面织构状态( p 态) ，只 存在扭曲形变，其相应的自由能密度表示为 萨吉屹( 小乳肛每2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) p 0 ，为正螺距，即右螺旋结构，p v 。 回 图2 - - 5 胆甾相液晶三态转变图 通过对胆甾相液晶各状态转换的理论论述，我们了解了胆甾相液晶的相变机理和过程， 熟悉了多畴胆甾相液晶显示器件的工作原理，这为设计多畴胆甾相液晶显示器件的驱动方案 提供了很好的理论依据。 9 东南大学硕士学位论文 第三章多畴胆甾相液晶显示器件驱动方 案的研究 3 1 多畴胆甾相液晶显示器件的驱动原理 将手性分子溶解在向列相液晶中，液晶结构出现螺旋畸变，这种螺旋结构在纯胆甾醇酯 中也存在，故将这种螺旋向列相液晶称作胆甾相液晶。胆甾相液晶的分子在同一平面上分子 的长轴相互平行，在不同平面上有不同的取向， 各平面的指向矢逐层扭曲，呈周期性螺旋结构排 列，如图3 1 所示。其螺距定义为指向矢扭转 2 耳弧度的两个层面的距离。 胆甾相液晶具有三种不同的分子排列结构， 一种是平面织构状态( p l a n a rt e x t u r e ) ，称为p 态；第二种是焦锥织构状态( f o c a lc o n i c t e x t u r e ) ，称为f c 态；另一种是垂直织构 ( h o m e o t t o p i ct e x t u r e ) ，或称为场致向列相，称 为h 态。上述三种状态如图3 - 2 所示，在零电 场下，处于p 态的胆甾相液晶如图3 - 2 ( 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 图3 1 胆甾相液晶的螺旋结构 的波长与螺距p 相匹配，即= n p ( ”是液晶的平均折射率) ，则光将被反射，反射光为圆 偏振光，此时，p 态是一个零稳定态。反射波长 可由螺距来控制，所用的胆甾相液晶是 由丝状液晶和手性材料混合而成，螺旋距p 和手性材料浓度x c 的关系是 p ：l ( 肛伊) + j 2 ( 3 - 1 ) 其中h t p 是与手性材料有关的常数。通过调节手性材料的浓度，很容易改变反射光的 颜色。 第三章多畴月h 甾相液品显示器件驱动方案的研究 鳖l - - - i 粪 r 卡c ( i ) 平面织柯( p 蛔蛔咖) ( ”焦锥织构( f 嘲l t 既岫) ( c ) 场致向列相( h o m c o tr o p i c ) 图3 2 胆甾相液晶的三种状态 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 态逐步转换为f c 态， 中间会出现p 态和f c 态的混和状态，如果电场达到一定的强度，则p 态完全转换成f c 态， 如图3 - 2 ( b ) 所示，这是一种多畴结构，其螺旋轴分布杂乱无章，基本取向于平行基板的 范围。当此电场变为零时，f c 态在一定条件下是稳定的构成了另一个零场稳定态。目前为 使f c 态在零场处于稳定状态，通常采用的方法有：在胆甾相液晶中添加聚合物，相应产生 的器件称为聚合物稳定胆甾相液晶( p s c t ) 类型；或对器件进行表面处理，以形成零场稳 定的f c 态，相应的器件称为表面处理反射胆甾相液晶显示( s u r f a c m o d i f l e dr e f l e c t i v e c h o l e s t e r i ed i s p l a y ) 。 处于f c 态的胆甾相液晶螺旋结构的周期性不复存在，呈现多畴状态，但每个畴内的螺 旋结构仍存在，因此它对入射光产生散射。如果在液晶上施加足够高电压的电场，液晶将变 化到h 态，如图3 - 2 ( c ) 所示。此状态分子 都沿电场方向排列，液晶是透明的。对处于 h 态的胆甾相液晶，当电压迅速降到零时， 液晶分子回到p 态；当电压缓慢降低时，液 晶分子则转变为f c 态。而p 态和f c 态在零 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 态反射式胆甾相液晶显示器件的基本工作原 理。 此外，加在液晶显示器上的电压都是脉 冲式的矩形波，不能用快降或慢降的方式来 控制液晶的状态，但对双稳态胆甾相液晶， 这却不成问题。可以用脉冲来改变液晶的状 v o i , i o a e _ 1 l t e c t i o 最舯书p f cf cf c h t 图3 - 3 用脉冲来改变胆甾相液晶显示器的状态 态，其原理如图3 3 所示。如要把液晶从f c 态改变到p 态，我们就对液晶加一个高脉冲， 在高脉冲期间，液晶变到h 态，高脉冲过后，液晶跃迁到p 态。如要把液晶从p 态变化到 f c 态，我们就对液晶加一个低脉冲，在低脉冲期间，液晶变到f c 态，低脉冲过后液晶保 持在f c 态。 前面提到，在零场情况下，胆甾相液晶有两种稳定的状态：一种是具有b r a g g 反射特性 的平面织构态( p 态) ，另一种是呈散射状态的焦锥状态( f c 态) ，同时在持续电场的作用 下，有第三种状态，即场致向列相态( h 态) ，这种状态在没有电场作用下是非稳定性的。 在对胆甾相液晶相变机理的研究中发现，在一定的电压作用下，p 态转变为f c 态只需几毫 东南大学硕士学位论文 秒，但f c 态直接转变为p 态却需要几十到上百毫秒甚至更长，可以说是不可逆的，但是如 果将胪甾相液晶首先变成场致向列液晶( h 态) ，然后通过不同的电压撤除方式，就可以较 快的实现p 态和f c 态之间的相变转换：当快速降低电压时，h 态的液晶将迅速转变成p 态， 而当逐步降低电压时，h 态液晶在几毫秒的时间内会转换成f c 态。因此，利用中间状态h 态就可以快速切换p 态和f c 态，通过p 态和f c 态的反射率不同，就可以实现静态字符显 示。目前提出的胆甾相液晶的驱动方法主要有以下几种：1 ) 动态驱动法，其中又分为三段 驱动法，四段驱动法，五段驱动法等，其中四段驱动法，五段驱动法都是从三段驱动法衍生 出来的驱动方法，主要是为提亮寻址速度以及完善显示性能而做的改进；2 ) p 态刷新法， 这种驱动方法首先是将整屏刷新到p 态，然后逐行扫描，仅把选择态的p 态转变成f c 态， 而非选择态的p 态不受电压的影响，仍保持p 态；3 ) 累积驱动法，这种驱动方法和传统的 驱动方式是类似的，只是在每一帧的寻址中，显示象素通过一个短脉冲向着所要求的状态稍 微转变一些，然后通过多步短脉冲实现相变。尽管驱动方法有很多种，但是基本原理都是类 似的，都是控制胆措相液晶的三种相态之间的转换，实现两种零场下的稳定状态，通过p 态和f c 态之间的反射率差异实现显示。 3 2 驱动方式讨论和对比 3 2 1 动态驱动法 对胆甾相液晶相变机理的研究发现，在一定电压作用下，p 态转变为f c 态只需几毫秒， 但f c 态转变为p 态却需几十甚至上百毫秒。但如果将胆甾相液晶首先变成场致向列相态( h 态) ，处于h 态的液晶相变取决于撤除电压的方式，当快速降低电压时，在不到i m s 的时间 内，h 态液晶将迅速变成p 态，而当逐步降低电压时，h 态液晶将经过圆锥状态变成瞬间稳 态( p 态) ，此过程只需几毫秒，而后又变成f c 态。利用快速的h p 相变，x y h u a n g 和 y m z h u 等人提出了动态驱动法，用较短选择段决定最终状态，并首次采用管道输运方案， 大大缩短了行寻址时间。 3 2 1 1三段驱动法 三段动态驱动法的驱动波形如图3 4 所示，它分为三个阶段，即准备段、选择段和擦除 段。驱动过程可描述如下。在准备段，施加幅值为v k r m s ) 脉宽足够长( 约6 0 m s ) 的电压脉冲， 首先将胆甾相液晶变成h 态；进入选择段，v s 值选取不同值，当v s 值较高为v o n 时，液晶 材料继续维持h 态，而v s 值较低为v a t 时，液晶将从h 态转变为p 态；到擦除段，施加幅 值为v e ( r m s ) ，宽度约为6 0 m s 的电压脉冲，h 态的液晶仍将维持，而p 态的液晶将相变为 f c 态。当移去擦除脉冲后，成为零场时，h 态的液晶很快成为p 态，而处于f c 态的液晶 仍将维持f c 态，这样，p 态和f c 态两个零场稳定态就构成了能够显示的对比态。 1 2 第三章多畴胆甾相液晶显示器件驱动方案的研究 图3 4 三段动态驱动法方波图形 从图上看出，尽管整个驱动序列约1 2 0 m s 长，但液晶的最终状态仅由很短的选择脉冲 ( i m s ) 决定，因此，对一个n x m 的点阵式液晶显示屏，又提出了管道输运的方法，如图3 5 1 2 3 靠一2 一- l + 。， 圈3 5 驱动n 行简单矩阵的管道输送方法 所示，图中r o w 为行数，准备段和擦除段的时间由多行分享，这样可以大大提高器件的寻 址速度以及响应时间。寻址n 行所需的总时间，即帧周期，由聊p + n 1 s + t e 决定，t p 、 t s 、t c 分别为准备段、选择段和擦除段的时间。可见当n 较大时，寻址一行的时间仅由t b n = t s 决定，如果t s 为i m s ，寻址一行的时间只需i m s 。三段驱动法中，显示对比度对擦除电压 v e 的幅值有较大的依赖性，因此必须根据具体器件合理选择。另外，简单矩阵驱动易产生 交叉效应，原则上，当选择段的行、列电压脉冲的频率亿和准备段、擦除段的行、列电压 脉冲的频率行满足下列关系f r = n f c ，n 为大于1 的整数时，交叉效应可消除，这是由于在准 备段、擦除段象素上的电压均方根为+ ，v r 、v c 分别为行、列电压，它不依赖行、 列电压间的相位关系。 3 2 1 2 四段驱动法 在进一步研究胆甾相液晶相变机理的基础上，对三段驱动法进行了改进，提出了四段 驱动法，使寻址速度提高了一倍，并改善了显示中出现的黑带现象。胆甾相液晶在h 态向 1 3 东南大学硕士学位论文 p 态转变过程中，极角h ( 基板法线与分子指向矢的夹角) 与时间的关系如图3 6 所示，由图 可见，在第一个s 2 内，极角h 变化很小，约为几度，而在第二个s 2 中，h 很快变到9 0 4 。 根据这个现象，将三段驱动法中的选择段分为两部分，即四段驱动法，它分为准备段、预选 择段、选择段和擦除段如图3 7 所示。驱动过程大致与三段法类似，区别在于预选择段，即 图3 7 中第一个s 2 ，液晶部分也从h 态向p 态开始弛豫，h 很小，在选择段，即第二个s 2 ， 施加不同的电压脉冲得到不同的相态，低电压时，h p 相变继续，最终成为p 态，高电 压时，上述相变停止，h 仍然很小。这样，在擦除段，h 小的液晶又回到h 态，而p 态的 液晶变成了f c 态。可见，选择段的时间降到原来宽度的一半，使寻址速度比三段驱动法提 高了一倍。 9 0 。 o 图3 6h - p * 相变中极角h 与时问t 的关系曲线 l f 2 一 瓦 靠 - r 2 嚣gl 1 3 r c w 幽o n 耄 意 荨 啦 f , q e v o l u t i o a 羞 图3 7 四段动态驱动法 1 4 8上窘书v蛮篁呻uv鲁一p 第三章多畴胆甾相液晶显示器件驱动方案的研究 3 2 1 3 五段驱动法 在四段驱动法基础上，经过发展又得到了五段驱动法，它可以进一步提高寻址速度，结 合具体的器件，使每行寻址时间达到5 0 v s 。这种方法将h p 相变分成三段，包括了准备 段、准备后段、选择段、选择后段和擦除段，如图3 8 所示，增加了选择后段，它的电压较 低，使在选择段向p 态弛豫的液晶完全成为p 态，而在选择段回到h 态的液晶又开始向 p 态弛豫获得小的极角。当施加中等幅值的擦除脉冲时，上述两种状态又分别成为f c 态和 h 态。这样就将选择段时间进一步缩短。 t i m e 图3 8 五段动态驱动法的方波波形 3 2 2 累计驱动法 累积驱动法的提出，使双稳态反射型胆甾相液晶显示向着动态视频显示方向发展了一 步。如图3 9 所示为累计驱动法的原理图，它也是基于传统的寻址驱动，但改进之处是当p 态和f c 态之间相互转变时，不是通过一个电压脉冲实现，而是利用累积效应通过多步完成， 每步的寻址时间很短，使寻址速度提高。一段累积驱动方法的波形如图3 9 ( a ) 所示，可见与 传统驱动方法非常相似，但所不同的是，在每一帧寻址中，显示象素通过一个短脉冲向着所 要求的状态稍微“转变”一些，通过多步短脉冲实现相变，因此，寻址速度大大快于传统驱 动方法，寻址速度可达l m s 行。为减小简单矩阵驱动中交叉效应，信号电压应小于一定值 v h 。把胆甾相液晶转变为p 态的电压称为v o n ，转变为f c 态的电压称为、h ，一组参考数 据为：v “v ，v 。- - 6 0 v ，v o f f = 5 0 v 。寻址行的电压选定为l 尼( v 。+ v a t ) = 5 5 v ，非寻址行的电 压为0 v 。当开态列电压为5 v 时，象素电压为6 0 v ，可转变为p 态：当关态电压为5 v 时， 象素电压为5 0 v ，可转变为f c 态。如果显示内容以准视频的频率 0 h z 届u 新，帧周期为1 0 0 m s 。 1 5 东南大学硕上学位论文 ( a ) 一段累计驱动法 f ”二段累计驱动法 图3 9 累计驱动法原理图 在一段累计驱动法的基础上，又提出了两段累计驱动法，原理也是类似的，只是将原来 的一段累计分解成两段累计，如图3 9 ( b ) 所示，这种驱动波形由准备段和选择段组成。在准 备段中，液晶部分变为h 态和f c 态的混合物，有助于降低选择段的时间，仍可采用管道输 运方法分享准备段的时间，可以大大提高寻址时间。一组参考数据如下：准备段的脉冲宽度 t p 为2 m s ，幅值为3 5 v ，选择段的脉冲宽度t s 为0 5 m s ，v o n = 7 4 v ，v o f f = 6 2 v 。显示n 行 的帧周期t f = - t p + n t s = 2 + n 0 5 ( m s ) 。当以1 0 h z 频率刷新，即t f 为l o o m s ，逐行扫描可显示 1 9 6 行，隔行方式可显示3 9 2 行。 可见，累积驱动法可达到i m s 行和o 5 m s 行的寻址速度，并且无交叉效应和黑带现象， 这种准视频显示为双稳态反射型胆甾相液晶显示达到实用的视频显示拓宽了道路 3 2 3p 态刷新法 动态驱动法具有寻址速度快的优点，在静态图像显示上已获得很好的应用。但是这种方 法所需的电压高，线路复杂，驱动成本较大。另外，无法彻底消除由于光学滞后引起的黑带 现象。由e h y u 等人提出的p 态刷新驱动法基本克服了上述不足。p 态刷新驱动法是基于 传统的寻址驱动法加以改进实现的。它利用p f c 相变大大快于f c p 相变的特性，首先 将整板刷新至p 态，然后逐行扫描，仅把选择态的p 态转换为f c 态，而非选择态的p 态不 受施加电压的影响，仍保持p 态。图3 1 0 是该方案的波形图，显示开始时，无论选择态象 素还是非选择态象素，均受到3 0 v ，1 0 - - 2 0 m s 脉冲的作用，使之刷新到p 态，大约经过o 1 s 的维持稳定时间后开始逐行扫描。选择态象素的电压是约l m s 寻址脉冲( 2 4 v ) 和信号脉冲 ( 6 v ) 之和，达3 0 v ，使之转变为f c 态。对于非选择态象素，则受到i m s ，1 8 v 脉冲 的作用，不影响p 态，可见选择合适的脉冲幅值以确保p 态不受非选择脉冲的影响在此方 案中是非常重要的。 1 6 第三章多畴胆甾相液晶显示器件驱动方案的研究 矿 r c 几2 4 vl 士2 4 v ； l j 卫k | n； u ! n； l j ! s v 卫i 图3 1 0p 态刷新驱动法的波形图，r ，c 1 分别是行、列信号 可见，这种方法驱动简单，施加的最大电压较低，可用现成的商用集成块，大大降低了 驱动成本，并且不存在光学滞后现象，不存在黑带。但是，还需注意两点，一是必须适当合 理地选择寻址脉冲宽度，寻址速度过快会增加交叉效应。当p f c 相变约为l m s 时。可选 择寻址脉冲宽度为l m s ，对显示亮度、对比度影响不大，这样，每行的扫描速度为l m s ，二 是该方法中存在维持稳定时间，由图3 1 0 可见，当l m s ，3 0 v 开关脉冲出现在信号脉冲 链的末端时，显示板最后几行的f c 态需要稳定，因此必须在信号脉冲链的末端附加o 1 s ， 4 - 6 v 脉冲链，造成了每帧之间的时间间隔，这对静态图像显示影响不大，但对动态图像显 示则不适用。 3 3 本章小结 目前用于双稳态反射型胆甾相液晶显示的几种驱动方法中，动态驱动方法寻址速度快， 有效地弥补了胆甾相液晶效应速度慢的不足，并首次采用了管道输运方法。但它驱动方法复 杂，所需的电压较高，线路复杂，驱动成本较大。而p 态刷新驱动法和累积驱动法都是基于 传统的寻址驱动方法改进而成的，方法简单，成本较低。p 态刷新法由于存在维持时间间隔， 适合于静态图像显示，而累积驱动法集传统寻址法的简单和动态寻址法的快速于一体，已接 近准视频速度，为这种显示在视频显示实用化打下基础。 在本实验中，我们采用p 态刷新法作为多畴胆甾相液晶显示屏的驱动方案，这种方法所 需的电压较低，波形简单，时序比较容易控制，对静态图象的显示是有利的，同时在实验中， 对p 态刷新法的驱动波形也进行了改进，借鉴了累计驱动法的一些原理和方法，通过胆甾相 液晶显示的累计效应在一定程度上降低了驱动电压。 1 7 东南大学硕上学位论文 第四章p 态刷新法实现全屏显示 4 1 胆甾相液晶显示器件的驱动波形设计 通过前面的论述以及图1 1 所示的胆甾相液晶的结构可以看出，胆甾相液晶的结构跟普 通向列相液晶的结构有相似点，同时又有一些本质上的差别。在一层上，胆甾相液晶具有向 列相液晶的结构，但是层与层之间却是螺旋结构，结构上的异同决定了在设计胆甾相液晶的 驱动波形的时候，可以借鉴向列相液晶显示器件的一些驱动原理和方法，同时也要考虑到胆 甾相自身的独特性质，