出处：jeremyzhao发布于：2011-08-1510:40:54
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-bluephaseliquidcrystal，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（bluephaseliquidcrystal，BP-LC）较之目前常用的TN型液晶具有下列优点：
（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；
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：
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。
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。
3.2寻找电极形状降低驱动电压
本节所讨论的PS-BPLC盒中电极的尺寸为：电极宽度w=5μm，电极高度h=3μm，当为平板结构时尺寸为：h=0.03μm，极间距离l=10μm，上下玻璃极板间距为10μm。只加一片偏振片时透射率为41%，加两片互相平行的偏振片时透射率为35%。取K=62nm/V2。
对普通IPS、矩形、椭圆顶和反椭圆顶四种电极结构（图2-a）模拟计算了器件的透射率-电压（T-V）曲线（图2-b）。由图可知，采用普通IPS电极结构时，Vop=106V，透射率T=24.8%；采用矩形电极结构时，T没有什么变化，但是Vop只有46V，其原因是矩形电极结构中的水平电场沿z方向不变；采用椭圆顶电极结构时，T只有不大的改善，但是Vop增加了；采用反椭圆顶电极结构时，T=32%，透射率比采用普通IPS电极结构时改善了29.8%。从提高透射率方面来讲，反椭圆顶电极结构是四种电极结构中的，但是Vop仍然偏高。图2-c所示为三种不同的电极形状附近的透射率分布，可以清楚地说明为什么采用反椭圆顶电极结构时透射率。图3所示为四种电极结构下的电场分布。采用普通IPS电极结构（图3-a）时，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，所以Vop高；采用矩形电极结构（图3-b）时，水平电场强度沿z方向不变，所以Vop低；采用椭圆和反椭圆电极结构（图3-c、d）时，水平电场强度沿z的正方向的分布介于图3-a和图3-b之间。
3.3采用波浪形电极结构降低驱动电压
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，其整体结构如图4所示。液晶盒被夹在偏振方向互相垂直的两偏振片之间，为常黑模式。上下衬底表面都做成波浪形，两表面上的导电层构成公共（COM）电极和像素（PIX）电极。波浪形电极的倾角α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。波浪形表面衬底可以采用模压或印刷工艺获得，实现并不困难。在对图4结构进行模拟计算时，取波浪形的周期为40μm、倾角为60°、Kerr常数K为12.7nm/V2。液晶盒的间隙d取3.5μm，但是垂直入射光经过BP-LC的距离更长，为d/cosα。
设入射光波长为550nm，BP-LC盒在不同驱动电压下，在一个波形周期内沿x方向透射率的变化曲线如图5所示。图5中纵坐标是对上、下偏振片的偏振方向为互相平行情况下的透明度（35%）归一化的。
由图可知：（1）水平电场分量是比较大的；（2）电场均匀深入地渗透进入整个液晶层；（3）由于电极对是波纹形的，光线经过液晶层的距离大于液晶层的间隙，因此当光线从顶部经过液晶层由底部射出的过程中会积累更多的相位延迟，使得“开”态电压很低，只有约10Vrms，并且在10Vrms以下具有很好的灰度等级。
在波纹形电极的顶点和谷点，电场只有垂直分量，该处即使在“开”态电压下也是不透明的，在该区域附近形成透明度死区，影响“开”态下的器件透射率。由于在波纹形电极结构中透明度死区面积与整个面积之比较小，所以其“开”态透射率是较高的。在上述电极结构参数中，在极间施加9.9Vrms的情况下，“开”态透射率为85.6%；而在采用普通IPS液晶盒的交叉指电极结构中，在极间施加约50Vrms下，“开”态透射率只有约65%。
本文还研究了上、下波纹形电极水平对准误差对“开”态透明度的影响。水平对准误差决定于电极间支撑物的尺寸误差，一般小于0.3μm。但是研究表明，水平对准误差值即使大至1μm，只要电压小于8V，不同水平对准误差下的透射率随极间电压的变化曲线几乎是重合的（如图6所示）。在水平对准误差为1μm的情况下，“开”态透射率仍然达到70%。其物理解释是：发生水平偏移时，在一个波形周期内，部分区域极间距离变小，电场增强；而另一部分区域极间距离变大，电场减弱。即在一个波形周期内形成了自补偿，使得水平偏移对T-V曲线的影响不大。
关于倾角α与液晶盒间隙d对器件“开”态透射率Top与“开”态电压Vop的影响如表1所示。
表1α与d对器件Top与Vop的影响
增加α会增加电场的水平分量和使垂直入射光经过BP-LC的距离变长，结果是降低器件的“开”
态电压Vop和“开”态透射率Top。减小间隙d，一方面会增加电场的水平分量，有利于Vop的降低，另一方面使垂直入射光经过BP-LC的距离变短，不利于Vop的降低。由于相位延迟与电场的平方成正比，所以总的来说，减小间隙d会降低Vop。此外，减小间隙d会使透明度死区相对变小，所以减小间隙d会使“开”态透射率Top增加。
如果该器件加一层双光轴的补偿膜，则对于550nm的入射光，在70°的视角内对比度都大于100。
采用波浪形电极结构，使用具有中等水平Kerr常数（K=12.7nm/V2）的BP-LC，可获得Vop约为9.9Vrms，“开”态透射率Top达到85.6%的高水平。
4.1研究时采用的BP-LCD的材料和结构
聚合物稳定BP-LC盒由MerckBL-038、手性试剂（CB15和R-1011）、反应单体RM257和EHA丙烯酸脂组成。采用IPS电极结构，电极材料为ITO，电极宽5μm，极间距为10μm，盒的间隙为13μm。BP-LC盒采用常黑模式结构。其不同温度下的V-T曲线如图7所示。
5用μ-IR和μ-MS分析悬浮在BPLC中单体的聚合度
PS-BPLC是一种重要的宽温度范围BP-LC，需要在BP-LC中形成一个聚合物网络结构。通常采用紫外光（UV）处理悬浮在BP-LC中的聚合物单体，处理后形成的悬浮在BP-LC中的聚合物的网络结构及其聚合度，很大程度上决定了PS-BPLC的温度特性。
测试LC中单体聚合度的基本思路是：设法将LC中未被聚合的单体全部萃取出来，称出其重量，由于原先加入LC的单体总量是已知的，由此可以计算出聚合度。由于PS-BPLC中在聚合前进入的单体含量较少（<10%），因此只能采用色谱-质谱联用（GC-MS）分析方法或液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析方法。这两种方法的缺点有两个：（1）因为不能肯定是否已将未被聚合的单体全部萃取出来，所以由此计算出的聚合度并不是很准确；（2）测得的聚合度只是LC盒中整体的平均值，无法获悉各层中的单体聚合度。采用微观分析法（例如微观红外光谱法μ-IR、微观采样质谱法μ-MS）则可以直接深入洞察LC盒中每一个小区域中的聚合物和单体，即使LC中原加入单体的含量<1%。
用μ-IR可以获得功能团的信息；用μ-MS不只可以获得微量不纯物的信息，还能获得聚合物的分子结构。μ-MS是一种新的微观分析方法，具有三大特点：（1）可以分析纳克（ng）量级的微观样品；（2）可以分析高挥发性物质；（3）能获得更准确的热谱。μ-MS分析示意如图9所示。
用上述两种微观分析方法分析了一个掺有10%单体的BP-LC盒不同层中的聚合度和剩余单体的比例，结果如下：
UV照射前，LC层中的聚合度为5%，前后两个界面上的聚合度为30%，但聚合物的结构不完整；UV照射后，LC层中的聚合度为90%，UV入射面的界面上的聚合度为98%，背面的界面上的聚合度为95%。
6提出指数收敛模型来解释PS-BPLC中的扩展Kerr效应
PS-BPLC具有Kerr效应，当电场较弱时，PS-BPLC双折射引起的折射率差Δn与电场E的关系如公式（1）所示；但是，当电场变强时则出现饱和现象。后者被称为扩展（extended）Kerr效应，可以用指数收敛模型来表达，这时折射率差Δn与电场E的关系用公式（6）表示：
式中，Δnsat为饱和折射率差，Es为饱和电场。如果将（6）式用幂级数展开，当电场较弱时可只取项，公式（6）便变成公式（1）。
Δnsat与Es之值需要用实验确定，以使实验测得之值与由公式（6）计算得出之值互相符合。实验使用的PS-BPLC由49%（重量）MerckBL-038、27%手性试剂（CB15和ZLI-4527）和24%反应单体（RM257和EHA）组成，在40℃下用UV聚合。对于这种情况，由实验测得的Δnsat=0.038，Es=13.9V/μm。
实验数据与计算数据符合很好，如图10所示。
7结论
由于TN型TFT-LCD已经发展到了很高的水平，并且已进入大规模生产，实现了价廉物美。以PS-BPLCD为代表的蓝相液晶显示器虽然较之前者具有巨大的优势，预示着更加美好的发展前途，但是从三星的BP-LCD样机来看，与前者的差距还是比较大的。早期的TN型TFT-LCD较之CRT也存在过巨大的差距，但是随着多年来大量研发资金的投入，克服了一个个难点，终于把CRT挤出了显示器市场。可以相信，只要在BP-LCD上投入足够的研发资金，说不定哪一天BP-LCD就可以在市场上与TN型TFT-LCD决一高下。其实，这何尝不是我国平板显示界追赶世界先进水平的一个良好机会。