蓝相液晶技术的进步

　　引言

　　蓝相液晶由于其优异的特性，已引起了业内人士的广泛注意。为了早日实用化，人们对聚合物稳定蓝相液晶（polymer- stabilized- blue phase liquidcrystal，PS- BPLC） 所面临的问题进行了大量的研究，下面对这些研究工作作综合介绍。

　　1 蓝相液晶的优缺点

　　蓝相液晶（blue phase liquid crystal，BP- LC）较之目前常用的TN 型液晶具有下列优点：

　　（1）具有亚毫秒的响应时间，不但使液晶显示器有可能实现场序彩色显示模式，还可以大大降低动态伪像，而场序彩色显示模式显示器的分辨率和光学效率是常规的3 倍；

　　（2）不需要定向层，可以大大简化制管工艺过程；

　　（3）暗场时光学上是各向同性的，所以视角大，并且非常对称；

　　（4）只要液晶盒的厚度大于一定值，其透明度对液晶盒的厚度不敏感，所以特别适于制作大显示屏。

　　BP- LC 实用化曾经面临的严重问题是蓝相存在的温度范围太窄，它只存在于手性向列相（胆固醇相）与澄清相（各向同性）之间的0.5～2℃范围中。而随着聚合物稳定蓝相液晶的发现，BP- LC 存在的温度范围已扩展到- 10～50℃，但是仍然面临下列两大问题：

　　① 驱动电压太高。如果采用如共平面开关结构（IPS）液晶盒中的交叉指电极，当BP- LC 的Kerr 常数K 为约10nm/V2 时，驱动电压约为50Vrms；

　　② 透明度不够高，只有约65 %。

　　2 蓝相液晶的工作原理

　　为了后续叙述方便，需要对BP- LC 的工作原理作一简单的说明。

　　BP- LC 的工作原理是基于Kerr 效应。将蓝相液晶置于两平行电极板之间就构成一个Kerr 盒，外加电场通过平行电极板作用在BP- LC 上，在外电场作用下，BP- LC 就变为光学上的单轴晶体，其光轴方向与电场方向平行。当线偏振光以垂直于电场的方向通过BP- LC 时，将分解为两束线偏振光，一束的光矢量沿着电场方向，另一束的光矢量与电场垂直。

　　它们的折射率分别称为正常折射率n0 与反常折射率ne。蓝相液晶是正或负双折射物质，取决于ne- n0值的为正或负。

　　式中，λ 是入射光的波长，K 是Kerr 常数，E 是外加电场。由于蓝相液晶有较强的Kerr 效应，所以公式（1）只适用于未饱和前的较小电场情况。

　　但是Kerr 盒的结构是不适用于显示器的，因为按标准Kerr 盒结构，电压是加在两平行电极板之间，即电场是垂直于电极板的，入射光要与电场垂直必须从两平行电极板之间入射。作为显示器，入射光是垂直于两平行透明电极板入射的，要产生与入射光垂直的电场，只能将平行电极制作在下透明电极板上。为了增强电场，每组两平行电极必须很靠近，即做成如共平面开关结构液晶盒中的交叉指电极结构。

　　在液晶盒上、下各置一片偏振方向互相垂直的偏振片，当液晶盒上无电场时，BP- LC 的表现如同一个各向同性介质，与上偏振片偏振方向相同的入射偏振光透不过液晶盒，呈现一个黑背景；当液晶盒上加有电场时，BP- LC 的表现如同一个具有双折射特性的单轴晶体，其Δn 随外加电场的平方而增加，透过的光强度也随之增加，达到利用BP- LC 的Kerr效应，用外电场实现调光的目的。这类器件透射率T与相位延迟的关系为：

　　式中，Ψ 是BP- LC 的光学轴与偏振片的一个透射轴之间的夹角，di 是BP- LC 层中有效双折射的厚度。为了获得最大的透射率，Ψ 应取45°，diΔni应等于λ/2。

　　3 设计合适的电极结构以降低驱动电压

　　3.1 采用梯形横截面交叉指电极结构降低驱动电压

　　如图1 所示。电极之间产生的电场只有水平电场分量对透射率有贡献，其垂直分量是没有用的。水平电场分量在电极平面内较大，越向上（即越靠近顶部玻璃）越小，为了使顶部的液晶在“开”态时也有足够的透射率，必须加大极间电压。普通矩形横截面电极间的水平电场分量比梯形横截面电极间的要小，所以前者“开”态的电压大。

　　采用梯形横截面电极，当w2=2μm，w1=4μm，h=2μm 和l=4μm 时，“开”态电压为17Vrms，而透射率约为71%。

　　采用矩形横截面电极，当w2=w1=4μm，h=2μm和l=4μm 时，“开”态电压为38Vrms，而透射率只有约66.5%。

　　比较上列数据可以看出，采用梯形横截面电极可以显着降低“开”态电压而又维持较高的透明度，原因在于梯形横截面电极产生的电场能更加深入地渗透进入顶部。

　　是否可以依靠减少极间距离l 来降低“开”态电压呢？当极间距离l 减少时，同样电压情况下，电场增强，“开”态电压必然会降低。如采用梯形横截面电极，仍然取w2=2μm，w1=4μm 和h=2μm，而l 分别为4μm、3μm、2μm 时，“开”态电压分别对应为17Vrms、13Vrms、9.9Vrms。但是随着极间距离l 的减小，向顶部渗透的电场变弱，会使透射率降低。因此极间距离l 的选取要综合考虑“开”态电压和透射率这两个矛盾的因素。

　　采用梯形横截面电极对，可以将蓝相液晶显示器（BP- LCD）的“开”态电压Vop 降低到约10Vrms，而又维持合理的高透射率。

　3.2 寻找最佳电极形状降低驱动电压

　　本节所讨论的PS- BPLC 盒中电极的尺寸为：电极宽度w =5μm，电极高度h=3μm，当为平板结构时尺寸为：h=0.03μm，极间距离l=10μm，上下玻璃极板间距为10μm。只加一片偏振片时透射率为41%，加两片互相平行的偏振片时透射率为35%。取K=62nm/V²。

　　对普通IPS、矩形、椭圆顶和反椭圆顶四种电极结构（图2- a） 模拟计算了器件的透射率- 电压（T- V）曲线（图2- b）。由图可知，采用普通IPS 电极结构时，Vop=106V，透射率T=24.8%；采用矩形电极结构时，T 没有什么变化，但是Vop 只有46V，其原因是矩形电极结构中的水平电场沿z 方向不变；采用椭圆顶电极结构时，T 只有不大的改善，但是Vop 增加了；采用反椭圆顶电极结构时，T=32%，透射率比采用普通IPS 电极结构时改善了29.8%。从提高透射率方面来讲，反椭圆顶电极结构是四种电极结构中最好的，但是Vop 仍然偏高。图2- c 所示为三种不同的电极形状附近的透射率分布，可以清楚地说明为什么采用反椭圆顶电极结构时透射率最高。图3所示为四种电极结构下的电场分布。采用普通IPS电极结构（图3- a）时，水平电场强度沿z 的正方向减弱，即越靠近上玻璃极板水平电场越弱，所以Vop高；采用矩形电极结构（图3- b）时，水平电场强度沿z 方向不变，所以Vop 低；采用椭圆和反椭圆电极结构（图3- c、d）时，水平电场强度沿z 的正方向的分布介于图3- a 和图3- b 之间。

　　3.3 采用波浪形电极结构降低驱动电压

　　采用波浪形电极结构可以获得比采用梯形横截面电极结构更低的驱动电压和更高的透射率，其整体结构如图4 所示。液晶盒被夹在偏振方向互相垂直的两偏振片之间，为常黑模式。上下衬底表面都做成波浪形，两表面上的导电层构成公共（COM）电极和像素（PIX）电极。波浪形电极的倾角α 越大，水平电场分量就越强，驱动电压便越低；波浪形的周期越长，在转角处的透明死区面积比率降低，透射率便越高。波浪形表面衬底可以采用模压或印刷工艺获得，实现并不困难。在对图4 结构进行模拟计算时，取波浪形的周期为40μm、倾角为60°、Kerr 常数K 为12.7nm/V²。液晶盒的间隙d 取3.5μm，但是垂直入射光经过BP- LC 的距离更长，为d/cosα。

　　指定的八个灰度等级及其对应的作用电压如图8 所示，测量响应时间时使用的驱动交流波形的周期组成为：10ms 高压跟随40ms 低压。测量获得的各灰度等级之间转换时的响应时间如表2 所示，表中T10 表示归一化透射率为10%，器件上所需加的电压可由图8 查出，为58.1V，其余类推。如果将表2 中所有X连成一根斜线，该斜线将矩形表分成上下两个三角形。则上三角形中的数据为由低灰度等级向高灰度等级变化的响应时间，即上升时间；下三角形中的数据为由高灰度等级向低灰度等级变化的响应时间，即下降时间。

　　由表2 可知，所有的上升时间和下降时间都小于400μs ，全部的响应时间小于1ms。增加驱动电压可减少上升时间，但下降时间与驱动电压无关。

表2 测量获得的各灰度等级之间转换时的响应时间

　　GLEESON 和Coles 在研究BP- LC 全开状态和全关状态之间转换时给出了上升时间和下降时间的公式（3）、（4）。式中γ1 是扭曲粘度系数，Ec 是临界电场，Vc 是临界电压，Δε 是BP- LC 介电常数各向异性。公式（3）表明下降时间与驱动电压无关；公式（4）表明上升时间随驱动电压V的增加而下降。

　　用公式（5）可以计算GTG 的上升时间，式中的Vb 是达到后一个灰度等级所需加的电压。实验证明用公式（5）计算所得的数据与测量值很接近。

　　以上研究说明BP- LC 的GTG 响应时间也足够短，并且可以采用过驱动技术来降低GTG 的响应时间。

　　5 用μ -IR 和μ -MS 分析悬浮在BPLC中单体的聚合度

　　PS- BPLC 是一种最重要的宽温度范围BP- LC，需要在BP- LC 中形成一个聚合物网络结构。通常采用紫外光（UV）处理悬浮在BP- LC 中的聚合物单体，处理后形成的悬浮在BP- LC 中的聚合物的网络结构及其聚合度，很大程度上决定了PS- BPLC 的温度特性。

　　测试LC 中单体聚合度的基本思路是：设法将LC 中未被聚合的单体全部萃取出来，称出其重量，由于原先加入LC 的单体总量是已知的，由此可以计算出聚合度。由于PS- BPLC 中在聚合前进入的单体含量较少（<10%），因此只能采用色谱- 质谱联用（GC- MS） 分析方法或液相色谱- 质谱联用（LC- MS）分析方法。这两种方法的缺点有两个：（1）因为不能肯定是否已将未被聚合的单体全部萃取出来，所以由此计算出的聚合度并不是很准确；（2）测得的聚合度只是LC 盒中整体的平均值，无法获悉各层中的单体聚合度。采用微观分析法（例如微观红外光谱法μ- IR、微观采样质谱法μ- MS）则可以直接深入洞察LC 盒中每一个小区域中的聚合物和单体，即使LC 中原加入单体的含量<1%。

　　用μ- IR 可以获得功能团的信息；用μ- MS 不只可以获得微量不纯物的信息，还能获得聚合物的分子结构。μ- MS 是一种新的微观分析方法，具有三大特点：（1）可以分析纳克（ng）量级的微观样品；（2）可以分析高挥发性物质；（3）能获得更准确的热谱。μ- MS 分析示意如图9 所示。

　　用上述两种微观分析方法分析了一个掺有10% 单体的BP- LC 盒不同层中的聚合度和剩余单体的比例，结果如下：

　　UV照射前，LC 层中的聚合度为5%，前后两个界面上的聚合度为30%，但聚合物的结构不完整；UV照射后，LC 层中的聚合度为90%，UV入射面的界面上的聚合度为98%，背面的界面上的聚合度为95%。

　　6 提出指数收敛模型来解释PS -BPLC 中的扩展Kerr 效应

　　PS- BPLC 具有Kerr 效应， 当电场较弱时，PS- BPLC 双折射引起的折射率差Δn 与电场E 的关系如公式（1）所示；但是，当电场变强时则出现饱和现象。后者被称为扩展（extended）Kerr 效应，可以用指数收敛模型来表达，这时折射率差Δn 与电场E 的关系用公式（6）表示：

　　式中，Δnsat 为饱和折射率差，Es 为饱和电场。如果将（6）式用幂级数展开，当电场较弱时可只取第一项，公式（6）便变成公式（1）。

　　Δnsat 与Es 之值需要用实验确定，以使实验测得之值与由公式（6）计算得出之值互相符合。实验使用的PS- BPLC 由49%（重量）Merck BL- 038、27%手性试剂（CB15 和ZLI- 4527）和24%反应单体（RM257 和EHA）组成，在40℃下用UV聚合。对于这种情况，由实验测得的Δnsat=0.038，Es=13.9V/μm。

　　实验数据与计算数据符合很好，如图10 所示。

　　7 结论

　　由于TN 型TFT- LCD 已经发展到了很高的水平，并且已进入大规模生产，实现了价廉物美。以PS- BPLCD 为代表的蓝相液晶显示器虽然较之前者具有巨大的优势，预示着更加美好的发展前途，但是从三星的BP- LCD 样机来看，与前者的差距还是比较大的。早期的TN 型TFT- LCD 较之CRT 也存在过巨大的差距，但是随着多年来大量研发资金的投入，克服了一个个难点，终于把CRT 挤出了显示器市场。可以相信，只要在BP- LCD 上投入足够的研发资金，说不定哪一天BP- LCD 就可以在市场上与TN 型TFT- LCD 决一高下。其实，这何尝不是我国平板显示界追赶世界先进水平的一个良好机会。