雙穩態液晶器件的電光特性分析.pdf

汕頭大學碩士畢業論文 II 用偏振片，在衍射光學、光開關等許多領域具有潛在的應用前景。 雙穩態技術除了應用在電子書、廣告牌、商品標牌等顯示領域以外，如果使用柔性基底可以應用在目前相當熱門的可撓性顯示技術中，除了高對比、廣視角等固有優點以外，省電節能、便攜以及節省紙漿等優點，是未來環保潮流的最佳選擇之一。 關鍵詞 ：液晶 液晶光閥 膽甾相 雙穩態 液晶光柵 汕頭大學碩士畢業論文 III Abstract Thin Film Transistor Liquid Crystal Display (TFT‐LCD) is widely applied in TV, PC and mobile phone, etc.， for high‐quality display. It is very costly and wasteful to product TFT, and, becomes worse with the expansion of substrate size and production. it’s essential to develop an alternative technology in industry of ebook、 billboard needn’t high refresh rate. Bistable technology gradually emerges with the enhancement of people’s awareness of environmental protection and energy conservation. In terms of display technology, bistable state can own both bright and dark states in one display pixel without being charged. This display technology can save lots of electrical energy in application. In ideal circumstances, traditional LCD use up hundreds of times the electrical energy than bistable technology device. It is very suitable for application in screens needn’t to be frequently updated, for example, commodity signs, e‐books, and, even large electronic billboards, etc,. The spectral characteristics and optical bistable characteristics of liquid crystal light valve (LCLV) driven by voltage were measured. The physical mechanism of nonlinear effect on the production of optical bistability are discussed, and the reason of LCLV’s unconspicuous bistable state characteristics is analyzed. The results show that the twisted angle of liquid crystal light valve influence the optical bistable characteristics strongly, and the bistable state characteristics are found to be not obvious because the distortion angle of TN‐type liquid crystal light valve is only 90o. The optical bistable characteristic was found in a certain voltage range. The mechanism of the nonlinear effects of cholesteric liquid crystal in generating optical bistability and various factors in its display are analyzed. The optical bistability characteristics of the cholesteric liquid crystal drived by a pulse voltage were measured using an UV‐Vis 8500 double beam spectrophotometer. The spectrograms for different textured liquid crystals over a range in wavelength of visible light were obtainded. The results show that the energy of the focal cones pattern is lower than that of the planar pattern, moreover, with the increase of thickness of the liquid crystal, the transmittance and the contrast of various textured liquid crystal decreases. A reflective display device can be attained, if an absorption layer is added on the back side of the cholesteric liquid crystal bistable display device. As the thickness of the box 汕頭大學碩士畢業論文 IV increases, the reflectivity of the planar pattern enlarges, while that of the focal cones pattern almost keeps unchanged, thereby improve its display effect. A new type of liquid crystal grating, bistable liquid crystal grating，was designed in consideration of the optical properties of cholesteric liquid crystal. According to the bistable characteristic of cholesteric liquid crystal, this type of grating filled with cholesteric liquid crystal not only can work at zero‐field state by a series of surface treatment, but also can achieve tunable diffraction intensity under different pulse voltages. It is potentially applied in optical diffraction, optical switches and many other fields with simple production process, adjustable diffraction efficiency by electric field and polarizers saving. In addition to the applications in e‐books, billboards and mobile phones, bi‐stable can also be used in the currently popular flexible display technology with flexible substrate. With its intrinsic virtues of high contrast, wide viewing angle, etc., it will be one of the best choices in environmental protection display for electricity and pulp saving. Keywords: Liquid crystal, Cholesteric Liquid Crystal, Liquid crystal light valve, Bistability, Liquid crystal grating 汕頭大學碩士畢業論文 V 目 錄 摘 要 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? Ⅰ Abstract ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? V 目錄 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? V 第 1 章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1 液晶分類及其主要液晶相 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2 液晶的電光效應 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4 1.3 膽甾相液晶的電場效應 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 1.4 膽甾相液晶的光學特性 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 1.4.1 膽甾相液晶的光波導效應 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9 1.4.2 膽甾相液晶的選擇反射 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 10 1.4.3 膽甾相液晶的圓二色性 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11 1.5 雙穩態液晶顯示 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12 1.6 柔性液晶顯示 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17 1.7 選題意義及研究內容 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 18 參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 第 2 章 液晶光閥的雙穩態特性研究 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 2.1 液晶光閥概述 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 2.2 液晶光閥雙穩態的基本原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 2.3 測試方法及設備 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 2.4 結果及分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24 2.4.1 可見光范圍電光特性曲線 T-U ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 2.4.2 632.8nm 處電光特性曲線 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 26 2.4.3 雙穩態特性測試 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 27 2.5 小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 28 參考文獻 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29 第 3 章 膽甾相液晶雙穩態器件電光特性研究 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 31 3.1 研究背景及意義 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 31 3.2 雙穩態膽甾相液晶器件的工作原理 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 31 3.3 測試方法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34 汕頭大學碩士畢業論文 VI 3.4 測試分析及結論 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34 3.4.1 不同電壓下膽甾相液晶電光特性 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34 3.4.2 可見光范圍不同脈沖電壓下膽甾相液晶電光特性 ?????????????????????????????????????????????? 36 3.4.3 不同脈沖電壓下膽甾相液晶的透射光譜特性 ?????????????????????????????????????????????????????? 37 3.5 不同盒厚液晶器件的各種織構在可見光波長范圍內的光譜特性測試 ???????????????????????? 37 3.6 小結 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 40 第 4 章 零場雙穩態液晶光柵 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 4.1 液晶光柵的發展 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 4.2 液晶光柵的工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 43 4.3 雙穩態液晶光柵的背景技術及工作原理 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 44 4.4 雙穩態液晶光柵的設計基本構造 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 44 4.5 雙穩態液晶光柵的工作方式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46 4.6 小結 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 47 參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 49 第 5 章 結論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 致謝 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 51 攻讀碩士期間完成和發表的論文 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 個人簡歷 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 53汕頭大學碩士畢業論文 ‐ 1 ‐ 緒論 1.1 液晶分類及其主要液晶相 液晶顯示器件作為一種信息電子產品，變得日益重要。液晶顯示器件重量輕、體薄、功耗小，這些優點促使其取代 CRT 迅速發展為現代顯示中最為重要的產品。隨著人們對液晶的逐步了解，發現液晶物質基本上都是有機化合物，現有的有機化合物中每 200 種中就有一種具有液晶相，從成分和出現液晶相的物理條件進行歸納分類，液晶可以分為溶致液晶和熱致液晶兩大類[1,2]。1、溶致液晶 有些材料在溶劑中，處于一定的濃度區間內時便會出現液晶相，這類液晶稱之為溶致液晶。即有機分子溶解在溶劑中，使溶液中溶質的濃度增加，溶劑的濃度減小，導致有機分子的排列有序而獲得液晶。其實這類液晶廣泛存在于自然界中，尤其是一些生物體內。很多生物體的組織構造如大腦、神經、肌肉、血液的生命物質和生命的新陳代謝、知覺、生物信息的傳遞等生物現象都與這種液晶態有關，因此它在未來的生物電子工程領域備受關注。雖然溶致液晶廣泛存在于自然界中，但是在顯示領域中尚無應用。 2、熱致液晶 把某些有機物加熱溶解，由于加熱破壞了結晶晶格而形成的液晶就稱為熱致液晶。主要過程是采用降溫等方法，將溶融的液體降溫，當降溫到一定程度后分子的取向變得有序化，從而獲得液晶態。分子會隨溫度上升而伴隨一連串的轉移，即由固態變為液晶態，最后變成各向同性的液態。 在這些相變過程中液晶分子的物理性質也會隨之變化， 如折射率、介電各向異性、彈性系數、黏度等。熱致液晶只有在一定的溫度范圍內才呈現液晶態，我們稱這一溫度范圍為液晶相溫度。低于液晶相溫度的下限，液晶就會變為晶體，而高于液晶相溫度的上限，液晶態就會消失，變為普通的透明液體。目前液晶顯示器件中用到的液晶材料采用的都是熱致液晶。 在熱致液晶中，根據液晶的晶相又可分為三大類[2,3]：向列相 (nematic)、膽甾相(cholesteric)和近晶相(smectic)。 （ 1） 向列相 向列相亦稱絲狀相。它由長、徑比很大的棒狀分子組成。分子大致平行排列，質心位汕頭大學碩士畢業論文 ‐ 2 ‐ 置雜亂無序，具有類似于普通液體的流動性。分子不能形成層狀結構，但是卻能在上下、左右、前后 3 個方向上平移滑動，在分子長軸方向上保持相互平行或近似平行。單個分子首尾可能不同，但總體排列上不出現首尾之別，光學上一般表現為單軸正性。 圖 1‐1 向列相液晶分子的示意圖 Fig 1-1 The sketch map of nematic liquid crystal 向列相液晶分子排列的主要特點： ①分子的長程指向有序，分子之間趨向于彼此互相平行排列。 ②向列相液晶具有流動性，即眾多分子的中心排列是無序或長程無序。 向列相液晶是液晶家族中最為重要的成員，并且得到了廣泛的應用。在向列相液晶中所有分子的長軸大體指向一個方向，平行排列的從優方向稱為液晶分子的指向矢，通常用一個單位矢量 n 表示，注意 n 實際上沒有正反方向之分，這樣使向列液晶具有單軸晶體的光學特性，而在電學上又具有明顯的介電各向異性，這樣可以利用外加電場對具有各向異性的向列相液晶分子進行控制，改變原有分子的有序狀態，從而改變液晶的光學性能，實現對外界光的調制，達到顯示的目的。向列相液晶已成為現代顯示器件中應用最為廣泛的一種液晶材料。 （ 2）膽甾相 膽甾相亦稱螺旋相。它可以看作是由向列相平面重疊排列而成的，同一個平面內的分子互相平行，逐次平面的分子排列方向成螺旋狀，光學上一般是單軸負性。 以與所有面的指向矢在 x 軸、 y 軸、 z 軸上的投影 nx、 ny、 nz表示為膽甾相液晶分子的指向矢，如式（1-1）所示 汕頭大學碩士畢業論文 ‐ 3 ‐ 002cos2? sin0xyzzpzp??????? ???????????? ??????????nnnn（1-1） 圖1-2膽甾相液晶分子的示意圖 Fig 1-2 The sketch map of cholesteric liquid crystal 膽甾相液晶結構是以P0為周期的螺旋結構，P0的符號與膽甾相液晶是左旋還是右旋有關，取正號為右手螺旋，取負號則為左手螺旋，P0的數值可以用來計算空間周期。我們稱P0與液晶折射率的乘積為膽甾相液晶的光學螺距。當光學螺距與光的波長相當時，這樣的周期結構會導致膽甾相液晶對光呈現強烈的布拉格散射效應，因此膽甾相液晶看起來是色澤鮮艷的液體。 向列相液晶與膽甾相液晶可以相互轉換，在向列相液晶中加入旋光性物質，會形成膽甾相液晶，在膽甾相液晶中加入消旋光性材料，能將膽甾相液晶轉變為向列相液晶。膽甾相液晶材料在顯示技術中同樣有廣泛的應用， 扭曲向列(TN)、 超扭曲向列 （STN） 、 相變 （PC）等液晶顯示方式都是在向列相液晶中加入不同比例的膽甾相液晶而獲得的。 （ 3）近晶相 近晶相亦稱層狀相或者脂狀相。它的分子分層排列，層內分子互相平行，其方向可以汕頭大學碩士畢業論文 ‐ 4 ‐ 是垂直于層面，也可與層面傾斜，層內分子質心可以是無序、 自由平移、似液體；或有序呈二維點陣。分子層與層之間的相關程度在不同的相中有強有弱。手征性分子化合物則可以呈現扭曲的螺旋狀層狀結構，非扭曲型近晶相液晶根據發現先后，以 A、 B、 C 等命名，近晶 A 相的分子與層面垂直，層內分子質心無序，像二維流體，層厚約等于或略小于分子長度。 C 相與 A 相在結構上唯一不同之處是分子與層面傾斜，傾角各層相同并互相平行，因此 C 相在光學上是雙軸的。在近晶 B 相中，雖然局部看來，每個分子都有六個最近鄰，但分子的整體排列并不形成一個完善的六角點陣。到目前為止，還沒有人利用近晶 B 相來做任何實際的顯示器件。 圖 1‐3 近晶 A 相液晶的示意圖 Fig 1‐3 The sketch map of smectic A liquid crystal 1.2 液晶的電光效應 液晶從宏觀物理性質上看既具有液體的流動性、粘滯性，又具有晶體的各向異性，能像晶體一樣發生雙折射、布拉格反射、衍射、 旋光效應等，也能在電、磁場等外場作用下產生熱光、電光或者磁光效應。液晶作為一種光電顯示材料來說，主要是應用了它的電光效應。液晶的電光效應是指液晶在電場作用下分子的排列狀態因電場的施加或者電場變化而發生改變，從而引起液晶盒的光學性質也隨之發生一系列變化的一種電光調制現象。因為液晶具有介電各向異性和電導各向異性，因此外加電場能使液晶分子排列發生變化，從而進行光調制，同時由于雙折射性，可以呈現出旋光性、光干涉、光散射等一系列特殊的光學性質。 液晶的電光效應主要包括以下幾種： 汕頭大學碩士畢業論文 ‐ 5 ‐ 1、液晶的雙折射 液晶是一種各向異性的物質，因此光在液晶中傳播時會發生雙折射，雙折射現象是液晶的重要性質之一， 當光經過液晶時， 假如非常光的折射率大于尋常光的折射率， 即 ne>no。這表明光在液晶中傳播速度存在著 vevo，因此膽甾相液晶在光學上為負光性材料。 2、電控雙折射效應 對液晶施加電場，使液晶的排列方向發生變化，因為排列方式的改變，按照一定的偏振方向入射的光，將在液晶中發生雙折射現象[4,5]。 在施加電場時，由于在不同的電場強度作用下，液晶分子長軸與電極產生一個不同的傾角，傾角隨施加電壓的變化而變化，從而使液晶盒產生雙折射現象。入射偏振光由于雙折射而變成橢圓偏振光，它將被選擇透過檢偏振片。當入射光為白光時，透過光由于干涉而著色。電控雙折射是一種多色液晶顯示的方式，但是由于其雙折射率受溫度影響較大，所以使用起來不太方便。 3、動態散射 如果在液晶盒中的向列相液晶中摻入一定比例的有機電介質，當通過一定頻率的交流電時，隨著電壓的提高，液晶會產生威廉姆斯疇，如果電壓繼續提高，最終會出現對光產生強烈散射作用的紊流或攪動，這種現象稱為動態散射效應[6]。動態散射的驅動是受液晶摻雜后的電導率及液晶本身的介電各向異性決定的，動態散射型液晶顯示器只在一定頻率下才產生，它的電光響應受粘滯系數、盒厚、 驅動電壓、彈性常數等因素的影響。動態散射是最早應用于顯示的液晶技術，但由于它屬于電流型器件，功耗較大，所以現在已很少使用。 4、旋光效應 在液晶盒中充入向列相液晶，通過在兩玻璃基片上做表面處理，這樣液晶分子長軸方向與它們互相垂直的軸扭轉 90o，向列相液晶的內部就發 生了扭曲，這樣就形成了一個具有扭曲排列的向列相液晶盒。在這樣的液晶盒前、后放置起偏振片和檢偏振片，并使其偏振化方向平行，在不施加電場時，讓一束光透過，液晶盒會使入射光的偏振方向順著液晶分子的扭曲而旋轉 90o[7]。 5、賓主效應