掺有反手性分子、表面摩擦方向90°的垂面排列液晶盒的电光特性
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摘要：研究了掺有手性分子、扭曲角为90°的垂面排列液晶盒的电光特性，该分子的手性方向与液晶扭曲方向相反。在未施加电压时，液晶指向矢呈垂面排列，但是在中间电压状态下，由于电场、表面锚定作用及反手性掺杂作用之间的平衡力矩，大量液晶分子呈垂面排列。本文着重讨论了该模式在液晶显示器方面的潜在应用，尤其是对半透半反射型双层盒的液晶显示器。
关键词：反手性分子；液晶盒；光电特性
中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
Electro-optic Properties of a Homeotropic Liquid Crystal Cell with 90° Surface Rubbings and a Reverse-Handed Chiral Dopant
SJ-Hyun Lee，Zhibing Ge，Shin-Tson Wu
(College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, Florida 32816，ＵＳＡ)
Abstract: The electro-optic properties of a 90°twisted-homeotropic liquid crystal (LC)cell with a chiral dopant whose handedness is opposite to the LC twist are studied. In the voltage-off state, the LC directors exhibit a homeotropic alignment. However, in the intermediate voltage state, the bulk LC directors behave like a homogeneous alignment due to the balanced torques between the electric field, surface anchoring, and reversed chiral dopant. Potential applications of this mode for liquid crystal displays, especially for dual-cell-gap transflective liquid crystal displays, are emphasized.
Keywords: reversed chiral dopant；liquid crystal (LC)cell；electro-optic properties
扭曲角为90°的向列相液晶盒[1]由于制造工艺简单、发光效率高及色散低，已经被广泛应用于笔记本电脑中。其低微的色散是由液晶指向矢的旋光现象引起的[2]。然而，它的对比度和视角有限，为了扩大视角，研究人员开发了一种特殊碟型液晶相的补偿膜[3]。因为对大屏幕的液晶电视而言，高对比度和宽视角是很重要的。为了实现这些目标，人们发明了多畴垂直取向模式（MVA）[4-6]。MVA具有优良的关态特性，并且它对盒厚、波长和温度不敏感。但由于双折射效应，具有倾斜角的MVA液晶显示器的色偏移成为一个重要的问题。致力于减小色差正成为目前要攻克的课题。
正在研究的VA盒的场致TN结构有望将VA模式的高对比度和TN模式的低色散的优点结合起来。这种模式的液晶盒称为手性垂面液晶盒（简称CH）[7-11]。它是在垂面排列的介电各向异性（Δε）为负的液晶盒中掺杂少量手性化合物分子而制成的。在关态下，不管是否含有手性掺杂剂，液晶指向矢都几乎垂直于基板排列（除了小的预倾角之外），上下两基板的摩擦方向互相垂直。当外加电压超过阈值电压（Vth）时，液晶指向矢将会扭曲排列。掺杂有手性分子的液晶盒内液晶指向矢的扭曲方向和由表面摩擦引起的扭曲方向一致。然而，由于CH盒边界层上的液晶指向矢垂直于基板，CH盒的旋光效应要弱于TN盒。因此，要实现CH盒与TN盒相似的旋光效应就必须增加液晶盒的厚度。但这样做的同时又会增加响应时间。
本文介绍了一种经过改造的CH模式，它克服了传统CH盒的缺点。与传统CH盒不同之处是，该模式使用了一种手性掺杂剂，它的螺旋方向与由于表面摩擦引起的扭曲方向相反。为了方便，以下称这种模式为反手性垂面模式（简称R-CH）。由于存在反手性掺杂剂，R-CH盒表现出几个引人注目的特征，例如：当两个偏光片正置时，它的关态和VA盒的关态一样，而且它的开态特性与垂面排列的液晶盒的特性非常类似。一个好的关态特性可以保证高的对比度，同时大的相位延迟可以减小液晶盒的厚度，进而缩短响应时间。但是，当R-CH模式应用于半透半反射型双盒液晶显示器[12]中时，它的电压-透过率曲线（V-T曲线）和电压-反射率曲线（V-R曲线）重叠得很好。
为了研究R-CH模式的电光特性，对其作了数值仿真，并将结果与TN、VA及CH模式进行了比较。仿真模拟中TN盒用的液晶材料是ZLI-2293，而VA、CH及R-CH模式用的液晶材料都是MLC-6608。仿真中用到的参数如表1所示。d/p顶中的负号表示掺有手性化合物的液晶指向矢的扭曲方向与通过表面摩擦引起的扭曲方向相反。在仿真中，使用基于有限元素法的MATLAB软件和扩展了的琼斯矩阵法[13]分别计算出一维静态液晶指向矢的剖面图和反射型液晶显示器的V-T、V-R曲线。
图1（a）和图1（b）分别是传统CH模式和R-CH模式在不同工作电压下的扭角图（倾斜角同CH盒的相似）曲线。盒的阈值电压大约为2.1Vrms。在CH模式（如图1(a)）中，液晶分子扭角随着盒厚的增大而单调递增。然而，在R-CH模式中，当外加电压在2.2Vrms~6.0Vrms且V为约3Vth时，边界除外的大部分区域的扭角都在40°～50°范围内。因此，在这个电压范围内，R-CH盒呈现和垂面排列的液晶盒相似的特性。这是由电场、手性掺杂的扭曲力及垂直排列的边界层的表面锚定能量三者之间的平衡扭矩引起的。在高电压区域，由于电场太强，使得手性效应变弱，在这种情况下，液晶指向矢主要由电场和表面锚定作用决定。如图1（b）所示，扭角沿盒厚方向单调递增。
在未施加电压时，R-CH盒的特性近似于VA盒，具有良好的关态。当电压V在1Vth~3Vth之间时，如图1（b）所示，大部分区域呈现垂面排列液晶盒的特性。通过比较可知，图1(a)中传统CH盒在整个盒厚区域有持续的扭曲。因此，在给定dΔn值时，R-CH盒比CH盒表现出更大的相位延迟，可以从图2中明显看到这一点。
图2是三个CH盒和一个R-CH盒的电压-透过率曲线，其中三个CH模式的盒厚分别是5μm、6μm、7μm，R-CH模式的盒厚为5μm。在低电压区域，两种模式的盒均为垂直排列。当垂直入射时，表现出优良的关态效果，当电压超过阈值电压（1Vth~2.1Vrms）时，透过率开始增加。与盒厚为5μm的R-CH盒相比，由于R-CH盒比CH盒的双折射性要好很多，CH盒的光线要走将近7μm才能达到100%的透过率。R-CH盒要求更薄的盒厚，所以它的响应速度要比相应的CH盒的响应速度快。R-CH盒显著的双折射效应使得反射型液晶显示器（简称TR-LCD）采用双盒更合适[14]。在TR-LCD中，每个像素都被分成两个子像素，一个用于透射，另一个用于反射。在透射模式下，背光经过液晶盒一次；而在反射模式下，外界光经过液晶盒两次。为了平衡相位延迟，把反射型像素的盒厚做成透射型像素的一半。
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在圆偏光片正置时，双盒的TR-LCD的归一化透过率与反射率曲线如图3所示。它忽略了所有光学元件的表面反射和偏光片的吸收。在TR-LCD中，为了得到反射模式下的高对比度，经常使用宽缝隙的圆偏光片。下面来比较CH、R-CH和VA这三种模式，它们各自的V-T、V-R曲线分别被标注为a和b、c和d及e。如图3（e）中VA盒由于使用了双盒结构，其V-T和V-R曲线重合得很好。从图3（a）和（b）可以看出，基于半透半反射式LCD的CH盒的V-T和V-R曲线均未达到100%。这归因于扭曲的液晶指向矢和圆偏光片的使用。TN盒的旋光现象对线偏振光很适用，但是不适合圆偏光[15]。因此，当两个偏光片正置时，可获得的最大透过率和最大反射率因液晶层的扭曲结构而减小；另一方面，当外加电压时，R-CH盒与垂面排列的液晶盒很相像。因此，它的V-T和V-R曲线在1Vrms~6Vrms之间重合得很好。当高于6Vrms时，与CH模式相似，透过率和反射率下降得很快。这个现象可以由偏离了扭曲结构的液晶指向矢剖面图来解释，如图1（b）所示。也就是说，在R-CH盒中，低电压时，双折射现象是主要因素，但是在高电压时，扭曲效应成为主要因素。
众所周知，双折射效应的色散要比旋光效应的色散严重[15]。因此，VA盒的色散最强，R-CH盒次之，再次为CH盒，TN的色散最小。为了验证这个结论，比较了这四个液晶盒结构在透射模式下没有任何补偿膜时的色散特性。在标准白光垂直入射时，计算透射光在外加电压由0~10V变化时色坐标x和y的值，并且在CIE（国际发光照明委员会）色度图上标注出来。
正如所预料的，TN模式表现出最弱的颜色变化，这种变化是由旋光效应引起的。相比而言，利用双折射效应的VA模式表现出最强的颜色变化，而且这种变化是由纯粹的双折射效应引起的。传统的CH模式表现出比TN模式略强的颜色变化。在CH模式中，当外加电压时，存在一个表面区域，这个区域的液晶指向矢由于表面锚定作用不能很好地扭转。与旋光效应所引起的影响相比，这些边界层导致双折射效应的影响要大得多。但是，在一个TN盒中，表面区域对光波导效应的贡献大于对双折射效应的贡献。R-CH模式中的颜色变化在CH模式和VA模式之间。因此，R-CH模式具有比通常使用了VA盒的TR-LCD更弱的色散。
对TR-LCD而言，宽视角是另一个重要的因素。单畴TN、VA、CH和R-CH模式的液晶盒视角都不够大，于是产生了四畴模式[16]。VA盒被公认为具有比TN盒更高的对比度。在VA、CH和R-CH三个模式的比较中，VA盒的盒厚最薄。因此，如果使用相同的液晶材料，它的响应速度是最快的。不过，它的色散也是最强的。另一方面，CH盒的色散是最弱的，而其盒厚也是最厚的。因此，R-CH盒在响应时间与色散之间做了很好的折中处理。
总之，本文展示了掺有反手性分子的扭曲垂直排列的液晶盒。它具有和VA盒相似的关态，具有和垂面排列的液晶盒相似的开态。与TN、VA和传统的CH盒相比，它的优势是具有更高的对比度、更小的色散以及更薄的盒厚。这个工作模式对采用双盒结构的透射型LCD尤其具有吸引力。
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（陕西科技大学史永胜
译自Applied Physics Letters）
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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