趙永潛，張亞萍，許廣建，劉金柱，房靈猛

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島　266580)

*通訊聯(lián)系人

扭曲向列相液晶電光效應(yīng)的微觀機(jī)理研究

趙永潛，張亞萍*，許廣建，劉金柱，房靈猛

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)， 山東 青島266580)

摘 要：為了探究液晶電光效應(yīng)的微觀機(jī)理，以扭曲向列相液晶為研究對(duì)象，對(duì)液晶分子的變化情況進(jìn)行了理論分析。運(yùn)用連續(xù)體彈性理論分析了扭曲向列相液晶分子的指向矢取向變化，并對(duì)液晶電光效應(yīng)曲線不同區(qū)間范圍液晶微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明:液晶分子在零電場(chǎng)條件下的扭曲是均勻的；當(dāng)外加電場(chǎng)大于某一值時(shí)，液晶分子開始轉(zhuǎn)向，液晶產(chǎn)生電光效應(yīng)。研究結(jié)果對(duì)液晶顯示器件設(shè)計(jì)和深入理解液晶電光效應(yīng)機(jī)理具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：電光效應(yīng)；扭曲向列相液晶；連續(xù)體彈性理論；自由能

液晶電光效應(yīng)在物理、化學(xué)、電子等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如電光開關(guān)[1,2]、光調(diào)制器[3,4]、光通信[5]、激光器Q開關(guān)等，特別是在液晶顯示[6-10]相關(guān)研究方面，電光效應(yīng)發(fā)揮了重要作用。因此，對(duì)液晶電光效應(yīng)的研究有著重要應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。液晶的結(jié)構(gòu)介于固態(tài)晶體與各向同性液體之間，液晶分子在形狀、折射率、電導(dǎo)率及介電常數(shù)[11-13]上具有各向異性。如果對(duì)液晶施加電場(chǎng)，液晶分子軸的排列變化和液晶分子的流動(dòng)就會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象，從而引起其光學(xué)特性發(fā)生變化，這就是通常所說(shuō)的液晶電光效應(yīng)。本文重點(diǎn)從微觀機(jī)理角度對(duì)液晶的電光效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究。

1扭曲向列相(Twisted Nematic，TN)液晶盒的基本原理

扭曲90°向列相液晶盒的基本結(jié)構(gòu)類似于三明治，如圖1所示，在兩塊玻璃基板間夾有正性液晶材料，液晶層厚度一般為5～8 μm ，玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，作為電路驅(qū)動(dòng)的公共電極，電極的表面預(yù)先做定向處理，貼近透明電極表面的液晶分子就會(huì)處于摩擦所形成的微溝槽里，使電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極的定向方向相互垂直。由于力的作用，中間液晶層的液晶分子由于范德瓦爾斯力的作用，其長(zhǎng)軸取向逐漸從上電極過渡到下電極，因此稱為扭曲向列相液晶。

圖1　液晶盒剖面圖

在兩端玻璃的外側(cè)分別緊貼一張偏振片，其透振方向分別與電極的定向方向相同。無(wú)外加電場(chǎng)作用時(shí)，垂直入射到玻璃基片上且偏振方向平行于偏振片P1的線偏振光在通過液晶盒的過程中，其偏振方向?qū)㈨樦壕Х肿拥呐で较蚱D(zhuǎn)90°，從偏振片P2出射；當(dāng)對(duì)液晶施加電壓，并且電壓大于閾值電壓(這里的閾值電壓指液晶分子開始轉(zhuǎn)向時(shí)的電壓，而工業(yè)應(yīng)用中的閾值電壓指液晶透光率變化10%的電壓值)時(shí)，液晶分子的長(zhǎng)軸開始向電場(chǎng)方向傾斜。當(dāng)外加電壓足夠大時(shí)，除了接近電極的分子被錨定外，其他分子的長(zhǎng)軸都將傾向于平行電場(chǎng)的方向重新排列，從而導(dǎo)致液晶分子的旋光性消失，如圖2所示。

圖2　電場(chǎng)中液晶盒剖面圖

2實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用液晶光開關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀(成都世紀(jì)中科，ZKY-LCDEO-2型)測(cè)量液晶的電光特性曲線，采用波長(zhǎng)為632.8 nm的激光光源，垂直入射到向列相(TN)液晶片上，該液晶屏為上述液晶盒在玻璃外表面緊貼兩片偏振片，其透振方向分別和電極的定向方向相同，其光路如圖3所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

調(diào)節(jié)激光發(fā)射器位置，使得激光光源垂直通過液晶屏，再經(jīng)過入射孔垂直照射到光探測(cè)器上，在液晶屏靜態(tài)0 V的供電條件下，將其透過率顯示校準(zhǔn)為100%，調(diào)節(jié)電壓值從0 V變化至3 V，記錄對(duì)應(yīng)電壓下液晶的透過率數(shù)值T，做出液晶電光特性曲線，如圖4所示。由圖4可得該實(shí)驗(yàn)條件下液晶的閾值電壓為0.97 V，關(guān)斷電壓為1.48 V，當(dāng)電壓在0～0.92 V之間時(shí)，液晶屏的透過率變化甚微；當(dāng)電壓在0.92～1.56 V之間時(shí)，透光率曲線迅速下降，當(dāng)外加電壓大于1.60 V時(shí)，液晶屏透光率幾乎為零。

圖4　液晶屏電光效應(yīng)曲線

3微觀機(jī)理分析

3.1液晶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型

液晶分子一般具有兩大特點(diǎn)：第一，分子是細(xì)長(zhǎng)的筷子狀或長(zhǎng)棒型，理論研究表明[14]，它的長(zhǎng)寬比至少要大于4才可能形成液晶相；第二，分子是剛性的，通常液晶分子結(jié)構(gòu)通式如圖5所示。

圖5　液晶分子結(jié)構(gòu)

3.2液晶的連續(xù)體彈性理論

3.2.1指向矢(Pointing vector)

3.2.2液晶中的形變(deformation)

液晶易于變形，對(duì)外場(chǎng)很敏感，即使是很小的電場(chǎng)、壓力或表面吸附都能使液晶產(chǎn)生形變，這時(shí)， 是位置 的函數(shù)，液晶中可以獨(dú)立存在3種彈性形變：展曲、扭曲和彎曲形變[16],如圖6所示。

3.3液晶電光特性的數(shù)學(xué)分析

3.3.1扭曲90°向列相液晶的分子取向

如圖7所示，液晶分子指向矢在兩邊平面上平行于平面取向，分別與x軸和y軸平行，在兩面之間沿著z軸在X-Y軸平面上扭轉(zhuǎn)。

圖7　液晶分子的扭轉(zhuǎn)

依照?qǐng)D7中的坐標(biāo)系，液晶的指向矢可以表示為(cosφ，sinφ,0)，因無(wú)外場(chǎng)作用，液晶彈性自由能可以表示為

(1)

(2)

結(jié)合邊界條件

z=0時(shí)，φ(z)=0；

(3)

(4)

得

(5)

式(5)表明，扭曲90°向列相液晶盒內(nèi)液晶分子的扭曲角φ(z)與液晶分子離開邊界的距離呈線性關(guān)系，由此說(shuō)明在圖1中，液晶分子長(zhǎng)軸取向從上電極過渡到下電極是均勻變化的。如果順著光入射的方向看進(jìn)去，液晶分子取向變化呈螺旋狀變化，如圖8所示。

圖8　液晶分子的指向矢變化

3.3.2零電場(chǎng)垂直入射條件下向列相液晶的透過特性

(6)

(7)

本實(shí)驗(yàn)中入射光波長(zhǎng)λ=632.8 nm，當(dāng)T=1時(shí)：

Δnd=0.55 μm、1.26 μm、1.87 μm、2.51 μm、3.15 μm、……以Δnd為橫軸，以透過率為縱軸，可得液晶屏透過率關(guān)系曲線如圖9所示：

圖9　液晶屏的透過率曲線

由圖9可以看出，在第一極大值點(diǎn)附近,液晶屏厚度的微小誤差就會(huì)引起透過率的較大變化。此后，液晶屏厚度引起的透過率變化就小得多，液晶屏透過率更趨穩(wěn)定。但液晶屏厚度增加，一方面會(huì)加大液晶用量，制造成本增加；另一方面，LCD的響應(yīng)時(shí)間與液晶屏厚度的二次方成正比[18-19],液晶屏厚度的增加會(huì)極大地降低液晶屏的性能，因此實(shí)力雄厚的生產(chǎn)廠家都努力減小液晶屏的厚度。

3.3.3外加電場(chǎng)下扭曲90°向列相液晶的透過率

液晶處于電場(chǎng)中，因液晶分子的各向異性，外加電場(chǎng)使得液晶分子有沿外場(chǎng)取向或垂直于外場(chǎng)取向的趨勢(shì)，使液晶分子處于自由能最小的狀態(tài)。如圖10所示，

圖10　液晶指向矢

液晶屏的一個(gè)電極在XY平面上，入射光沿Z軸入射，液晶分子的指向矢n與XY平面的夾角為θ0，n在XY平面上的投影與x軸之間的夾角為φ，液晶屏中任一點(diǎn)的指向矢可以表示為

n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ)

(8)

對(duì)扭曲90°向列型液晶，電場(chǎng)下的自由能密度為[17]:

(9)

式中第一項(xiàng)表示展曲形變自由能密度，第二項(xiàng)表示扭曲形變自由能密度，第三項(xiàng)表示彎曲形變自由能密度，最后一項(xiàng)為外電場(chǎng)對(duì)液晶自由能密度的貢獻(xiàn)。于是XY平面單位面積上的自由能為:

(10)

要使液晶自由能最小，仍需對(duì)F進(jìn)行變分處理再代入Euler - Lagrange方程，前文中已有詳細(xì)推導(dǎo)，此處不再贅述，結(jié)合邊界條件，解得液晶分子開始轉(zhuǎn)向時(shí)的電壓為

(11)

式(11)表明，當(dāng)液晶所受電壓小于Vth時(shí)，液晶分子保持原來(lái)取向，當(dāng)液晶兩端電壓大于Vth時(shí)，液晶分子才開始轉(zhuǎn)向，這就解釋了圖4電光效應(yīng)曲線中，液晶透過率在0.92 V以內(nèi)沒有變化，當(dāng)電壓在0.92～1.56 V之間時(shí)，透光率曲線迅速下降的現(xiàn)象。液晶光學(xué)性質(zhì)的躍變是由液晶分子在外場(chǎng)為 附近發(fā)生轉(zhuǎn)向引起的。

4結(jié)論

本文從分析液晶實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電光效應(yīng)曲線入手，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡述了液晶分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指向矢取向，液晶彈性自由能等基本理論，并運(yùn)用連續(xù)體彈性理論解釋了TN型液晶在零電場(chǎng)和非零電場(chǎng)條件下的透過特性，證明了液晶零電場(chǎng)條件下分子取向的變化呈線性規(guī)律，給出液晶在外場(chǎng)條件下的理論模型并計(jì)算出液晶分子開始轉(zhuǎn)向時(shí)外電場(chǎng)的代數(shù)解。研究結(jié)果對(duì)深入理解液晶電光效應(yīng)機(jī)理具有一定的指導(dǎo)意義。

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A Study on Microcosmic Principle of Twisted Nematic Liquid Crystal Electro-Optic Effect

ZHAO Yong-qian,ZHANG Ya-ping,XU Guang-jian,LIU Jin-zhu,FANG Ling-meng

(China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580)

Abstract：To explore the microscopic mechanism of liquid crystal electro-optic effect,using twisted nematic phase liquid crystal as the research object,the changes of the liquid crystal molecules were analyzed in theory.Using the continuum elastic theory analyzed the changes of orientation vector of twisted nematic liquid crystal molecules,and systematically analyzed the microstructure changes of liquid crystal in different range of liquid crystal electro-optic effect curve.The results showed that the distortion of liquid crystal was uniform under the condition of zero electric field；when the applied electric field was more than a certain value,the liquid crystal molecules began to change directions,and liquid crystal electro-optic effect was produced.The results for the design of liquid crystal display device and deep understanding of mechanism of liquid crystal electro-optic effect have a certain guiding significance.

Key words：electro-optic effect；twisted nematic liquid crystal；continuous elastic theory；free energy

收稿日期：2015-11-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(21476262)；教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項(xiàng)目(DWJZW201522hd)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)教改項(xiàng)目(JY-A201402)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20151288)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)自主創(chuàng)新科研計(jì)劃本科生項(xiàng)目(2015)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)02-0001-05

中圖分類號(hào)：O 469

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.001