蓝相液晶技术的进步

摘要：为了解决，特别是聚合物稳定实用化所面临的瓶颈，业内人士对聚合物稳定显示器的各个方面，例如：新的电极结构和形状、单体在聚合物网络结构中的分布、GTG响应时间和工作物理过程等方面作了许多研究，文章对此作了综合介绍。

　　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