新兴克尔效应液晶显示器
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇新兴克尔效应液晶显示器范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要:最近,克尔效应液晶显示器由于其快速的响应时间及简单的制造工艺而受到青睐。文章通过模拟无数新兴LCD技术来了解该器件的物理原理,在提高显示器性能和优化配置方面起着重要的作用。
中图分类号:TN141.9文献标识码:B
Emerging LCDs Based on the Kerr Effect
Linghui Rao, Zhibing Ge, Sebastian Gauza, Shin-Tson Wu, Seung Hee Lee
(1. College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Florida, USA; 2. Apple, Inc., California, USA; 3. Department of Polymer Nano ・ Science and Technology, Chonbuk National University, Chonju, Korea)
Abstract: Liquid-crystal displays based on the aKerr effect have recently been drawing attention due to their fast response time and simple fabrication process. Understanding the device physics through numerical modeling of this emerging LCD technology will play an important role in improving display performance as well as optimizing configurations.
Keywords: Kerr effect; LCD; BPLC
引 言
1875年首次发现的克尔效应是一种极分子在透明和各向同性介质中的电场感应作用下出现的二次电光效应。克尔效应液晶显示器的出现是因为下列三个明显的优势:(1)制造过程简单经济,因为它不要求任何基准层;(2)闭合电压光学上是等方的,这意味着视角是宽而对称的;(3)转换时间在次级毫秒范围。因此,该技术可用于色彩连续的显示器,而不需要滤光镜,假若红绿蓝发光二极管用来做背光灯,可获得3X高光学效率和分辨率。
1 背景
一些各向同性的透明物质,例如液体和玻璃,在一个电场E[1,2]中可以变成双折射。克尔效应不同于普克尔效应(仅发生于晶体,缺乏反对称性,例如铌酸锂或砷化镓),来自于克尔效应的双折射(Δn)与电场的平方而非线性变化成正比。 由于Δn不能随电场无限增加,它可以写为[1-3]:
Δn = λKE2 = (Δn)o(E/ES)2 (1)
其中λ是波长,K是克尔常量,E是叠加电场,(Δn)o是最大感应双折射,并且当电场E超出饱和场ES时,引起Δn在(Δn)o时饱和。
最近,这个平方律相关性现象也可以在液晶中观测到,如聚合物稳定的蓝相(BP)液晶。而且,令人惊讶的是,它的克尔常量高于CS2 5～6个数量级(克尔效应常数在1×10-14m/V2的数量级上)。蓝相是一种液晶相,出现在手征丝状相和等方性相之间的一个很窄的温度范围(1～2℃)内,它有排列在几个几百纳米周期的立方晶格中的双卷筒组成的分子结构[4,5]。但是,聚合物稳定的蓝相展示出较宽的温度范围,包括室温在内。因此,得出结论,基于克尔效应的新型液晶是可能实现的,即显示器中的二次光折射因电场引起,而不是来自于液晶的内在Δn。
三星在2008年Display Week展会上推出了世界上第一个聚合物稳定的蓝相液晶产品,在显示器领域引起广泛关注,一场技术革命即将到来。由于它的快速响应时间,该蓝相液晶显示器可以以前所未有的240Hz(如图1所示)或更高的图像驱动速率呈现出更自然的移动画面。
不过,由于纳米液晶合成物(K≈1～10nm/V2)的克尔常数非常小,这种基于克尔效应的新型液晶显示器的工作电压仍偏高(>50Vrms),从而不能有效地应用于常规的非晶薄膜晶体管[6,7]。此外,液晶器件的光效率仅为大约65～75%,因此,迫切需要材料和器件的开拓观念来解决这些问题。
2 挑战方法
作者最近开发了一个模型[3,8],模拟横向电场效应显示技术(IPS)[9]和边界电场切换广视角技术(FFS)[10]模块中基于克尔效应的液晶显示器的光电道具。若要实现高对比度,液晶模块可夹在两个交叉线性偏光器的中间。没有应用电压的液晶模块在光学上是等方性的,在它的主坐标中有相同的折射指数,从而导致一个非常好的暗态。当电压存在,一个来自于IPS电极的强电场(E)会引起蓝相液晶(BPLC)双折射,改变附带光的相位延迟,折射椭球会按照其主要的光轴沿E向量的方向排列。
所以,首先通过求解泊松方程(・εφ)=0来计算电势分布φ,然后计算介质中电场E的分布,这是可行的。根据电场,我们进一步计算公式(1)中的二次光折射分布Δn,分配沿E矢量的每个模块的局部光轴方向。我们限定从公式(1)中计算出的双折射低于液晶合成物固有的双折射(Δn)o,然后使用一种扩展的琼斯矩阵计算相关电子的光学属性[11],如电压相关透光率和视角。因此,在如波长、电极配置和间隙等不同的参数条件下,液晶的光电相关性以及减少驱动电压的潜在方法是可以探讨的。
通过以下的单波段模式[12,13],液晶双折射(Δn)o与波长有关:
λK≈G(2)
在这里,λ*是平均共振波长,G是比例常数。在一项基于葛等人[3]的FFS结构中克尔效应液晶模块实验中, 研究人员在λ=550nm,K≈1.27nm/V2时派生出G≈8.78×10-3V-2。最近,在日本福冈九州大学里的H. Kikuchi研究小组报道了λ=633nm[7]时的K≈10nm/V2。相应地,作者已经达到在λ=550nm时G≈8.78×10-2V-2,K≈12.7nm/V2。由于延长π-电子共轭[12],连同E-7型LC混合物(Δn≈0.22)的λ*≈250nm,我们可以通过公式(2)计算出λ=450、550和650nm时的克尔常数分别为K≈17.6、12.7和9.9nm/V2。
图2所示为在一个10μm IPS模块下的模拟V-T曲线,它的电极宽度W=5μm,间距L=10μm。至于顶部线性偏光器的传输轴,电极条被置于45°。这个结构的透光性在每个波长的两个平行偏光器中规范化为最大值。红绿蓝色彩的分散作用大于向列的IPS或FFS模块。在一个常规向列的IPS或FFS模块中,通态液晶的外形包括两个连接的琼斯矩阵模块反扭转感。因此,这两个特殊的琼斯矩阵模块的外形产生一个波长分散的自补偿效应[14],而在IPS蓝相液晶模块中,透光率源于克尔效应的纯相位推移,类似于垂直对齐方式(VA)模块。越短的波长越有较大的K常量,然后获得更大的Δn/λ值,因此通态电压较低。但是,相对于向列VA模块,感应双折射(亮态)有源自电场配置的多域结构,在一个IPS中,水平电场在电极间隙中占优势,垂直部分在电极表面以上活跃[14]。因为每个本地感应双折射还将与电场对齐,感应折射椭圆体在整个模块中将逐渐从垂直到水平方向排列,从电极中心开始到电极间隙结束。此多域的外形会导致一个更对称和更广阔的视角,稍后展示。
关于电极作用,公式(1)中的感应双折射Δn与E2成比例,椭圆体光轴是沿电子领域矢量E的。在IPS结构中,电场在像素和常见电极之间是水平的,在电极上是垂直的。对于远离偏光器传输轴45°的液晶模块,仅来自电场的感应Δn有助于整个透光率,即高透光率发生在电极之间。因为折射椭圆体是由电场垂直排列的,所以电极顶部的入射光没有任何相变。在常规的向列IPS模块中,因为液晶是一个连续体的材料,液晶控制器在像素和常见电极空间里的水平旋转也将在电极顶部产生微弱的平面液晶旋转,从而有助于弱光透过,这最终增强了整体透光率。但是,在基于克尔效应的IPS模块中,视角更均衡对称,因为电极表面以上的感应Δn会作用于倾斜的入射光。
当提到基于克尔效应的液晶显示器电光学中的模块配置时,图3展示了在不同的W/L比率(电极宽度W,间距宽度L)、间隙和克尔常数(K1=12.7nm/V2,K2=10K1)中,模块的模拟V-T曲线。一般来讲,在常规的IPS模块中,间隙会影响透光率和响应时间。然而,透过率不会显著更改间隙变化,如我们在V-T曲线中可以看到,电极尺寸W=5μm、L=10μm和W=5μm、L=5μm、间隙d=5和10μm。这是因为感应Δn>0.05渗透层的厚度在空间中仅为 0.1～0.2μm[8]。如我们所知,透光率主要来自于感应双折射的作用,来自于两个电极间空隙的克尔效应。只要间隙大于垂直方向非常小的穿透深度,透光率就不急于依赖间隙。微小的变化可能来自一个电容率小于液晶合成物介电常数的钝化层,使电能更集中在5μm而不是10μm间隙的液晶层中。对于电极尺寸,更小的电极间距通常导致一个更强的电场强度,反过来导致更低的驱动电压。例如图3中电极配置(W=5μm,L=5μm)的运行电压总是低于尺寸为W=5μm,L=10μm的电压。考虑到仅电极间的区域作用于透光率,较大的长/宽比尺寸(W=5μm,L=10μm和W=2μm,L=4μm),如长/宽=2比长/宽=1(W=5μm,L=5μm)具有较高的透过率。然而,与W=5μm和L=5μm的模块相比,W=2μm和L=4μm的IPS模块表现出略高的工作电压。在一个IPS模块中,电场产生于底部平面电极,渗透液晶层的深度比例为W+L,这是典型的2φ=0形式的泊松问题。这样一来,对于间距宽度为L的类似电极的两个IPS模块,尺寸较大(W+L)的那个会有较厚的液晶穿透深度作用于感应Δn,因此弱透光率需要较低的电压。如果我们比较一下W=2μm,L=4μm在K1=12.7nm/V2和K2=10K1条件下的V-T曲线,通态电压从K=K1的大约40Vrms降到K=10K1的大约12.5Vrms。根据公式(1),我们可以从下列关系中估计工作电压:V1/V2≈。为了减少驱动电压,带有较高克尔常数、双折射和介电各向异性的液晶材料将是一个不错的选择。
根据克尔效应,LCD的视角是宽而相称的。在暗态时,当无电压可用,液晶像一个视等方性材料运转。因此,当两个交叉线性偏振光镜不再相互垂直,漏光仅发生在离轴入射时。对于一个通态电压,多域类似的Δn由于电场在IPS模块的分布是感应的。所以,如图4所示,模块的iso辉度等高线在λ=550nm带状电极(宽度W=5μm,间距L=10μm)的IPS模块中是非常相称的。为了弥补视角问题,单轴晶体膜和双轴膜可以用来减少暗态时的漏光,并扩大视角[15]。如图4(b)所示,在对比度超过500:1时,视角可以轻松达到70°以上,堪比常规四域的IPS结构。
对于应用高驱动电压的问题,一些专家还建议使用双TFT驱动的隔开式墙形电极设备结构,整个液晶层生成很强的平面电场,理想的模块配置如图5(a)所示。这种结构的电场强度E在整个液晶层的垂直位置保持不变。这样一来,均匀分布式水平电场有助于大大减少所需的工作电压。传统LCD中的液晶模块通常是交流电压驱动排除残留影像。常规的1 TFT驱动方案决定在像Von这样的某一个值的常见电极的电压,然后以信号示意在点转换驱动方案中,像素的电极从0到2Von时的电压变化。因此,可用于液晶模块(在Von时)的最大可能电压减少到TFT驱动程序功能(2Von)的一半。提议的2 TFT驱动方法允许像素和公共电极的分散控制,使可能的液晶驱动程序驱动能力最大化。例如,当像素电极的TFT潜能为Von(0V),相应的电压在公共电极上可以为0 V(Von),而产生+Von(-Von)。在图5(b)中,模块参数为电极宽度W=5μm、电极间隙L=10μm、模块间隙d=10μm(K=7nm/V2)。通过模拟和比较:(1)常规的IPS设备;(2)提议使用的带有1 TFT驱动的分隔式墙形电极的器件;(3)提议的具有2 TFT驱动的器件,提议的结构显示出比传统IPS结构有效减少工作电压2.8X的改进。
3 结论
至今为止,我们已详细研究了器件的物理原理,并分析了数字模拟的液晶光电学。通过正确的概念,器件结构得到最优化,减少了工作电压,进一步提高了光学效率,就像提议的具有2 TFT驱动的分隔式墙形电极结构。另一方面,由于其快速的转换速度、均衡的视角和轻松的制作工序,而且无需排列层,使用大克尔常数的液晶混合物日益普遍。如果可以妥善处理涉及高电压和低效率的挑战,液晶显示器的新时代可能就离我们不远了。
参考文献
[1] E. Hecht. Optics, 4th edition. Addison Wesley, 2002.
[2] A. Yariv, P. Yeh. Optical Waves in Crystal: Propagation and Control of Laser Retardation. Wiley, Hoboken, 2002.
[3] Z. Ge, S. Gauza, M. Jiao, H. Xianyu, S. T. Wu. Appl. Phys. Lett. 94, 101104(2009).
[4] S. Meiboom, J. P. Sethna, W. P. Anderson, W. F. Brinkman. Phys. Rev. Lett. 46, 1216 (1981).
[5] R. Memmer. Liq. Cryst. 27, 533(2000).
[6] S. W. Choi, S. Yamamoto, Y. Haseba, H. Higuchi, H. Kikuchi. Appl.Phys. Lett. 92, 043119(2008).
[7] H. Kikuchi, Y. Haseba, S Yamamoto, T. Iwata, H. Higuchi. SID Symposium Digest 39, 579(2009).
[8] Z. Ge, L. Rao , S. Gauza, S. T. Wu. J. Display Technol. 5, 250(2009).
[9] M. Ohe, K. Kondo. Appl. Phys. Lett. 67, 3895(1995).
[10] S. H. Lee, S. L. Lee, H. Y. Kim. Appl. Phys. Lett. 73, 2881(1998).
[11] Z. Ge, T. X. Wu, X. Zhu, S. T. Wu. J. Opt. Soc. Amer. A. 22, 966(2005).
[12] S. T. Wu. Phys. Rev. A. 33, 1270(1986).
[13] S. T. Wu, C. S. Wu, M. Warenghem, M. Ismaili. Opt. Eng. 32,1775(1993).
[14] Z. Ge, S. T. Wu, S. S. Kim, J. W. Park, S. H. Lee. Appl. Phy. Lett. 92, 181109(2008).
[15] X. Zhu, Z. Ge, S. T. Wu. J. Display Technol. 2, 2(2006).
[16] M. S. Kim, M. Kim, J. H. Jung, K. S. Ha, S. Yoon, E. G. Song, A. K. Srivastava, S. W. Choi, G. D. Lee, S. H. Lee. SID Symposium Digest 40, 1615(2009).
作者简介:Linghui Rao,就职于佛罗里达中央大学光电科学学院。
(彩虹集团电子股份有限公司 胡彬彬
译自《Information Display》 11/09)