毕业论文-聚合物稳定蓝相液晶显示器

1、 聚合物稳定蓝相液晶显示器 摘 要聚合物稳定蓝相液晶具有电场诱导下从光学各向同性到各向异性转换的特性，且无需表面处理，具有非常好的宽视角特性，响应时间在亚毫秒数量级，但仍存在两个主要问题，即蓝相液晶显示器的驱动电压仍然很高，光学效率很低。本文对共面转换模式下的聚合物稳定蓝相液晶进行了数值模拟，在这个模拟中可以对蓝相液晶在不同参数:波长、克尔常数、电极尺寸下的电光曲线进行研究并讨论了降低驱动电压的方法。最后，介绍了优化电极结构来达到降低驱动电压的目的。关键词：蓝相液晶显示器，克尔效应，感应双折射率，电光曲线毕业论文外文摘要Modeling of Polymer-stabilized Blue P

2、haseLiquid Crystal DisplaysAbstractPolymer-stabilized blue phase liquid crystal displays offer several attractive features: they do not require any alignment layer so that the fabrication process is simple; the voltage-off state is optically isotropic so that the viewing angle is wide and symmetric;

3、 the response time is in sub-microsecond range，so that it enables color sequential displays using RGB light emitting diodes. at present， two major challenges need to be overcome: high operating voltage and low optical efficiency. This letter discuss the detailed formulation of my numerical model tha

4、t is useful for calculating the induced birefringence of BPLCs based on the Kerr effect in IPS cell. From this model， the dependence of BPLC electro-optics on different parameters such as wavelength， electrode conguration. Finally， potential approaches for reducing the driving voltage are discussed.

5、Keywords：blue phase liquid crystal displays ， Kerr effect ， induced birefringence prole， electro-optical properties2011届城市学院毕业论文1 引 言胆甾相液晶显示器是一种应用也很广泛的显示模式，蓝相是分子重复扭曲排列的结果，蓝相一般具有三种状态，按照温度从低到高为蓝相1、蓝相2、蓝相3， 分别具有体心立方、简单立方和等方对称结构；晶蓝相1、2 晶胞的晶格常数通常为几百个纳米，所以该相态对紫外- 可见区显示出布拉格衍射特性。“蓝相”这个词就来源于衍射光的颜色，许多蓝相液晶能显示出

6、蓝色，而有些则不显示。对于胆甾相液晶显示器的研究内容很多，但是由于其为双稳或多稳态显示，因此它的响应时间通常较长。蓝相液晶是胆甾相液晶中的一个重要状态，蓝相状态早在液晶被发现的时候就被看到，只是其存在的温度范围很小（<1k），通过在蓝相中添加少量的聚合物，蓝相的温度范围可以被大大增加，60左右，在聚合物稳定蓝相液晶中，分子的动态性能没有损失，电光响应非常迅速，又因为蓝相本身为三维周期性结构，所以为光学各向同性液晶状态，在电场作用下，可以变为光学各向异性状态，其中涉及到了该状态的电光克尔效应(蓝相液晶具有三维周期性结构，并且在聚合物稳定点的情况下，螺旋轴的方向不固定，因此液晶整体为各向同性

7、相，夹在正交偏光片之间，表现出黑态，在偏光片光轴对角线方向加电场，可以使液晶分子在这个方向上有优先取向，从而在此方向上表现出液晶的光轴来，也就是在此方向上形成光学双折射现象，也就是电光克尔效应)，用克尔参数来描述该液晶状态在电场作用下的光学反应能力，在2008年出现了第一台蓝相液晶显示器，继而开始了蓝相液晶显示模式的研究。，图1是蓝相液晶显示模式的显示原理。因为该蓝相液晶显示模式的暗态为各向同性相，亮态为液晶光轴在偏光片对角线方向上，并且产生横向电场的电极为IPS模式的电极，可以制作成双畴模式，因此蓝相液晶显示模式具有非常好的宽视角特性，但该液晶显示模式的驱动电压很高，远高于普通向列相液晶显示

8、器的10v以下的驱动电压。 图1蓝相液晶显示模式的显示原理（IPS） 聚合物稳定蓝相液晶显示器有很多优点：（1）它无需配向膜，所以装配过程比较简单；（2）蓝相液晶显示模式的暗态为各向同性相，亮态为液晶光轴在偏光片光轴对角线方向上，并且产生横向电场的电极为IPS模式的电极，可以制作成双畴模式，因此蓝相液晶显示模式具有非常好的宽视角特性；（3）响应时间在亚微米量级，所以能够使用RGB发光二极管能够产生连续的色彩显示。但到目前为止蓝相液晶显示器的驱动电压仍然很高，需要数值模拟蓝相液晶显示以找到降低驱动电压的方法。在这个课题中，需要详细的数值模拟用来计算在共面转换的蓝相液晶感应双折射率，我们对蓝相液晶

9、在不同参数如波长、温度、电极结构、盒厚下的电光曲线进行了数值模拟，进而找到降低驱动电压的方法。对于显示装置，一个蓝相液晶盒放在两片垂直的偏光片之间，来自IPS电极的横向电场用来诱导入射光迟滞场，不加电压时，每个小蓝相单元是各向同性的，有相同的折射率，即黑态。当有外加电场时，存在诱导双折射率，所以我们可以用以下思路来模拟蓝相液晶显示:运用差分法来计算蓝相液晶盒上基板、下基板和盒内各处的电压值，再由电压值通过拉普拉斯方程计算各处的电场值进而计算蓝相液晶的诱导双折射率，最后计算蓝相液晶的投射率。（1）了解蓝相液晶的定义、结构及一些基本特性；（2）理解计算聚合物稳定蓝相液晶透射率的理论思想；（3）学习

10、FORTRAN语言，应用FORTRAN语言来完成模拟计算聚合物稳定蓝相液晶显示的电光曲线程序的编程，并与实验结果进行对比；（4）聚合物稳定蓝相液晶透射率的计算；（5）应用Origin81绘图软件，绘出蓝相液晶盒的电光曲线。以下是基于克尔效应的蓝相显示模拟流程图:2聚合物稳定蓝相液晶透射率2.1差分法差分法是常用的一种数值解法。它是在微分方程中用差商代替偏导数，得到相应的差分方程，通过解差分方程得到微分方程解的近似值。网格与差商:在平面上的一个以S为边界的有界区域D上考虑定解问题。为了用差分法求解，分别作平行于轴和轴的直线族。 做成一个正方形网格，这里为事先指定的正数，称为步长；网格的交点称为节

11、点，简记为。取一些与边界接近的网格节点，用它们连成折线，所围成的区域记作。称内的节点为内节点，位于上的节点称为边界节点（如图2）。下面都在网格上考虑问题：寻求各个节点上解的近似值。在边界节点上取与它最接近的边界点上的边值作为解的近似值，而在内节点上，用以下的差商代替偏导数： 上式中的差商称为向后差商，而称为向前差商，称为中心差商。也可用向前差商或中心差商代替一阶偏导数。轴与轴也可分别采用不同的步长即用直线族做一个矩形网格。 图2 差分网格图22 聚合物稳定蓝相液晶电场的计算由于蓝相液晶是光学各向同性的，如果晶格造成的衍射偏移处在可见光范围，在垂直偏振片下将得到一个暗场，这时折射率椭球形变成一个

12、正球形。最初液晶的结构没有视角相关性，但是，当施加电场的时候，双折射出现了，光轴沿着电场的方向，折射率椭球变成了一个沿着电场方向拉长的椭球体。蓝相的电控双折射类型为光学各向同性和各相异性之间切换，当施加电场的时候获得一个从零到特定值的双折射。当电场强度很小时，诱导双折射的大小正比于电场强度的平方。利用差分法计算电压值，首先对蓝相液晶盒进行分层，横向分为N层，纵向分为M层，设电极宽度为，电极间距为，盒厚为d，选一个周期，则， ，则电极所占的格子数为：，电极间距所占的格子数为：，然后计算液晶盒基板处和液晶盒内部各处的电压如图3，设电极电压分别为V1、V2， （1） 上基板电压分布：差分法:选无穷远

13、处为零势能点，则有整理，解得把这一项略去，上式可近似为:（2） 对于下基板的电压分布如图3所示，下基板的分层结构：图3 下基板电极分层结构 （3）盒内电压分布： 再根据计算液晶盒的电场强度：边界处电场强度：盒内电场强度：23 聚合物稳定蓝相液晶透射率的计算最后计算透射率，如图4，高的透过率出现在电极之间。液晶盒的边界处透射率的计算：诱导双折射率：透射率：液晶盒内透射率的计算：诱导双折射率：平均折射率： 电场的诱导折射率：液晶分子与电场之间的夹角：由图4和图5可以看出在共面转换场模式中，像素电极和公共电极之间的区域有相对较大的强水平电场，所以在两电极之间的区域内呈现了较大的透过率。同时，只有水平

14、电场对透过率有贡献，所以在电极的表面，不管多大的电压，透射率都是可以忽略的。图4 电压分布图图5透射率T随X轴的分布（，）3模拟结果31不同波长的V-T曲线共面转换蓝相液晶显示模式中，只是在底部存在薄电极片再加上小的克尔常数，设备的驱动电压就会很高。在共面电场蓝相液晶盒中，透光率来源于每个蓝相单元的迟滞作用，小的波长，大的克尔常数，得到大的值，可以降低驱动电压。图6模拟的是在共面电场中，蓝相液晶盒（电极宽度为，电极间距为）在不同波长下的V-T曲线。如果蓝相液晶拥有大的克尔常数就会有大的诱导双折射率，也就会降低驱动电压，如图6所示，驱动电压的降低可以减少装置能量的消耗。液晶分子的指向矢不受波长的

15、影响，但诱导双折射率依赖于波长，所以在不同的波长下绘制出的V-T曲线不同，可以描写为：其中为共振波长，G是常数，可以通过测量蓝相液晶在两个波长下的K值来得到G和值。如图6所示，在不同波长，和相对应的克尔常数，的蓝相液晶的电光曲线，由图6可以看出，随着波长的减小及对应的克尔常数的增大，驱动电压有相应减小，这是因为在相同的驱动电压下，诱导相迟滞与波长成反比，一个小的波长会有一个大的诱导相迟滞；在正常色散条件下，诱导双折射率随波长的增大会相应的减小。图7是在波长，不同克尔常数下蓝相液晶的电光曲线，由图7看出，在同一个共面转换蓝相液晶显示模式中，随着克尔常数的增大，驱动电压会有相应的减小，当增加克尔常

16、数为原来的50倍，驱动电压由45v下降至6v，大致上符合。 图6 V-T曲线，波长，对应的克尔常数分别为，图7 波长，不同克尔常数的V-T曲线32不同电极间距的V-T曲线在一个IPS盒中，在两个电极之间水平电场为主，在电极表面存在丰富的垂直电场。由于每一个诱导双折射率都依附于电场分布，电场诱导的折射椭球在整个液晶盒内，逐渐由垂直向水平，从电极中央到电极间距之间，由于蓝相液晶与偏光片的传输光轴成，诱导只有从横向电场诱导才有助于整体透过率。其实，只有水平电场对蓝相液晶的透过率有作用，所以，可以通过创建一个强的水平电场，使他深入穿透液晶层来加强透过率且降低驱动电压。在IPS结构中，通过减小电极间距来

17、增大水平电场，图8 模拟在不同电极尺寸的V-T曲线，一个小的电极间距，会导致一个强的电场，则会降低驱动电压，一个大的值会有高的透过率，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。在IPS蓝相液晶盒中，大的透过率出现在电极之间，即使在一个很高的电压下，电极上的透过率也是可以忽略的，因为椭圆折射光轴与入射光轴基本平行，另外，在一个常规的旋共面电场中，在两个电极之间，液晶分子的水平旋转也会在电场表面创造一个弱的共面液晶旋转，由于液晶是一种连续性物质，所以在电极上也会出现一个弱的透过率，这也加强了整体的透过率。图8 共面电场蓝相液晶盒在不同电极尺度下的V-T曲线由图8看出，驱动电

18、压的降低与电极宽度和电极间距l的缩小不成比例，即使电极宽度和间距都缩小到2um，驱动电压仍然很高，这个问题源于电场由液晶盒底部到顶部的分布被粗略的认为是与成比例，所以一个小的电极宽度和电极间距可以在低电压下产生强的电场，但诱导双折射率与大的电极尺寸相比仍很低。3.3优化电极形状降低驱动电压 采用普通IPS电极结构水平电场强度沿z 的正方向减弱，即越靠近上玻璃极板水平电场越弱，聚合物稳定蓝相液晶的驱动电压之所以高，根本上是因为电极间电场的强度不够高，电极间距减小会降低对液晶层的穿透深度，但这样会导致蓝相液晶的光学效率降低，克服这一问题优化电极结构是比较好的方法。3.3.1 蚀刻底层的IPS电极

19、经过蚀刻的共面转换电极可以产生双透射边缘电场，蓝相液晶分子填注蚀刻的底层产生相迟滞有助于降低驱动电压，同时，在蚀刻区域存在多个对称域可以获得宽视角，但是其制造过程比较复杂。图9 双透射边缘电场蓝相液晶显示图 3.3.2 梯形电极 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，图9所示，水平电场分量在电极平面内较大，越向上越小，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，梯形横截面电极间产生的水平电场分量比普通矩形横截面电极间的要大，所以梯形电极的开态的电压小，且梯形横截面电极产生的电场能更加深入地渗透进入到顶部，所以有较高的透明度。图10 梯形横截面电

20、极模式的蓝相液晶图3.3.3 墙形电极 蓝相液晶显示器无需配向膜和表面处理，所以电极高度和形状不会影响蓝相液晶显示的黑态， 在此结构中，液晶层垂直方向上的电场强度分量是一致的，墙形电极之间存在相同强度的水平电场，相同的诱导双折射率，所要求的驱动电压会减小，但增加了显示的价格。 图11 墙形电极模式的蓝相液晶显示图3.3.4 波浪形电极 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。且制造不复杂。周期性波浪形电极可以产生强的水平电场且电场深度穿透整个液晶层，从而获得低电压和高透射率。波浪形电极的倾角越大，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。采用一个适度的克尔常数，驱动电压可以降低到10 Vrms图12 波浪形电极模式的蓝相液晶显示图3.4 应用聚合物稳定蓝相液晶具有可加工性、粘合性和特殊的光学性能， 所以可以用蓝相液晶制作高衍射效率和亚豪米响应时间的可调光栅；通过插入蓝相液晶盒获得可控视角的显示，视角可以随着电场对蓝相液晶层诱导双折射率的改变而改变；也