OCB液晶顯示的動(dòng)力學(xué)計算

第16卷第1期液晶與顯示2001年3月Chinese Journal of Liquid Crystals and DisplMar,2001文章編號:1007-2780(2001)01-OCB液晶顯示的動(dòng)力學(xué)計算孫玉寶,范志新,張志東(河北工業(yè)大學(xué)物理系,天津300130)晶動(dòng)力學(xué)理論為基礎,考慮引流效應后,計算在強錨定和弱錨定邊界條件下的OCB型盒中的指向矢分布和流動(dòng)速度分布,給岀透射光相對強度隨時(shí)間變化有預傾角情況下的透射光相對強度。計算結果表明,OCB盒較平行排列盒和HAN盒具有更快的響應速度關(guān)鍵詞:OCB盒;響應速度;透過(guò)率中圖分類(lèi)號:O753.2文獻標識碼:A引言如何提高液晶顯示的響應速度,一直是LCD技術(shù)的重要課題。在提高LCD響應速度的研究中,鐵電液晶顯示、反鐵電液晶顯示和混合排列向列相液晶顯示(HANLCD),已得到人們的充分認識。最近日本東北大學(xué)內田教授提出了 opticallycompensated bend(OCB)顯示模式,它擁有很快的響應速度23。OCB是一種新穎的顯示方式,在它的兩個(gè)基板處,液晶分子排列方向相反,并且有定的預傾角,而在中間層,液晶分子呈垂直狀態(tài),且在兩極板間分子排列連續變化(見(jiàn)圖1)。本文考慮了引流效應,研究OCB-LCD的指向矢分布和流速分布,并給出了此種液晶盒的光透過(guò)率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn),從數值計算上給出OCB盒具有高速響應的證明2指向矢的運動(dòng)方程和光透過(guò)率方程O(píng)CB液晶盒的示意圖如圖1所示,作為比較,圖中同時(shí)給出平行排列盒的結構。液晶盒厚為d,用角度θ描寫(xiě)指向矢的方向流動(dòng)方向中國煤化工圖1電控雙折射盒示意圖和指CNMH平行型盒ig. 1 Schematic diagram of ECB cell and the director coordinate system.(a)oCB cell;(b)Homogeneous cell收稿日;修訂日期:2000-10-29基金項目士基金資助項目第1期孫玉寶,等:OCB液晶顯示的動(dòng)力學(xué)計算s6(z, t),n,=0, n,= sinb(e, t)(1)在上式中,θ一般為坐標z和時(shí)間t的函數由向列相液晶的動(dòng)力學(xué)理論,指向矢滿(mǎn)足的運動(dòng)方程和液晶盒內的流動(dòng)方程φ為(a,sin26-a3cos0)2780D,2△ esinexos0so(e1+△esin2)+(k33-kusinecose次)+(k1C0+k1sim0)可T(cose, sing)=2a,cos2Asin20+(a-a,)sin 0+a,+(as+as)cos 0 (2a)c=(ascos 0-a,sin20)n.+2[2a, cos Osin 0+(as-a2 )sin'0+(a3 +a, )cos 0+a,(2b)其中k1、k3分別為展曲和彎曲彈性常數;△e=-E為介電各向異性;an(m=1,23,4,5,6)為粘滯系數;%1=α3-α2為轉動(dòng)粘滯系數;c為積分常數,強錨定時(shí)為零,弱錨定時(shí)為不定常數(隨時(shí)間變化);D,為電位移矢量的z分量,它與基板間所加電壓之間的關(guān)系為DU=J(c1+△sin)d弱錨定邊界條件下,邊界條件為[ucos(0, t)+k3 sin(0, )7/doSine(o, t)cos(0,t)=ya(0,1)(4a)Lkucos'(d, t)+k33sin (d, t)]- Sine(d. t)cos(d. t)=yao(d, t)a(4b)其中C為錨定能強度系數;γ為表面粘滯系數,取值為2.3×10-8Ns/m16·7。用λ表示錨定強度的參數,則有(5)在強錨定邊界條件下,平衡態(tài)方程仍然由(2)給出,為了得到OCB型盒,在兩個(gè)基板表面的預傾角必須相反。假設此預傾角為。則邊界條件具體寫(xiě)為0()=0,6(d)以上各式?jīng)Q定了指向矢的取向方向。對于起偏片和檢偏片正交放置的情況,利用下式計算垂直入射光通過(guò)液晶盒后的透過(guò)光強1(t)= En sin[πR()/其中E2是入射光通過(guò)起偏片后的強度;中國煤化工夜晶盒時(shí)產(chǎn)生o光和e光的延遲量CNMHGnn,d2R(8)(n2cos20+ nesin20n和n分落和e光在液品中的折射率。液晶與顯示3數值結果實(shí)驗上對液晶盒基板反平行摩擦實(shí)現OCB顯示,數值計算中反映為盒中央(ε=d/2)處傾角為π/2,并可用邊界條件0(0)=0,0(d)=π來(lái)實(shí)現,因此取。=0計算并不是一般性。在計算中,我們以平行盒的閾值電壓U=π(k1/E0△e)≈0.87作為標度,并取電壓為U′U=6.0。取盒厚為10μm,其它參數如表1所列,分別得到強錨定和弱錨定邊界條件下(錨定強度參數λ=0.1)的指向矢分布、流速分布和相應的光透過(guò)率。圖2、圖3分別為強錨定和弱錨定邊界條件下的盒內液晶指向矢分布。圖4、圖5為加電壓2.5:=00,0.5,2,5,10,20.,30,50,100r=0.0,0.5、L2,3,4,5,10圖2強錨定邊界條件下,不同時(shí)間下OCB型盒中的指向矢分布(a)接通電壓,(b)斷開(kāi)電壓。時(shí)間沿箭頭方向順延,單位:msig 2 Director orientation at varif time in ocb cell under stanchoringsurface condition (a)turning on the voltage,(b )turning off the voltageThe variety of time is along the direction of the arrow, unit: ms表1計算中用到的液晶材料參數Table 1 Material parameter of the liquid-crystal in the computation [4參數參數1.2×10-3N·m·s中國煤化工·m·sCNMHG和斷開(kāi)電壓時(shí),液晶盒內的液晶流速分布。由圖可見(jiàn):OCB盒上下基板處的液晶流動(dòng)的方向與盒內部的流動(dòng)方向是相同的。OCB盒中的這種液晶流動(dòng)特性會(huì )加速盒內液晶分子的排列穩定,于是呈現快速響應的特性,并且強錨定條件下的響應速度要好于弱錨定(見(jiàn)光透過(guò)暫變化圖6)。在圖7中,我們利用文獻[2]中的數據,令U=6.0V,盒第1期孫玉寶,等:OCB液晶顯示的動(dòng)力學(xué)計算厚為6μm,其它數據與前面相同,計算了強錨定邊界條件下,不同預傾角的光透過(guò)率隨時(shí)間的變化,可以看到:在預傾角增大時(shí),上升響應時(shí)間減小,最大透過(guò)率增大;下降響應時(shí)間變化不大,光透過(guò)率下降后反彈減小。從響應時(shí)間上與文獻[2]中所描述的響應速度完全相符(b)t=0.0,0.5,2,5,10,20.30,500圖3弱錨定邊界條件下,不同時(shí)間下OCB型盒中的指向矢分布(a)接通電壓,(b)斷開(kāi)電壓。時(shí)間沿箭頭方向順延,單位:msFig 3 Director orientation at various instants of time in OCB cell under weak anchoring surfacedition(a) turning on the voltage, (b)turning off the voltageThe variety of time is along the direction of the arrow, unit: msioFh)=n.0.3、234.I0521253050100r=0.1,0.5.1,2,3,4,5,10凵中國煤化工圖4強錨定邊界條件下CNMHG分布(a)接通電壓,(b)斷開(kāi)電壓。時(shí)間以子母順序或沿前頭萬(wàn)同順延,單位:msFig. 4 Flow velocity in x direction at various instants of time in OCB cell under strong anchoring(a)turning on the voltage, (b)turning off the voltage萬(wàn)數據time is along the order of the alphabet or the direction of the arrow, unit: ms液晶與顯示但20.L0.5,1,2315225.305t=0.020.1.0.5.1,23,4.5,10.15(n圖5弱錨定邊界條件下,不同時(shí)間下OCB型盒中的流速分布(a)接通電壓,(b)斷開(kāi)電壓。時(shí)間以字母順序或沿箭頭方向順延,單位;msFig 5 Flow velocity in direction at various instants of time in OCB cell under weak anchoringThe variety of time is along the order of the alphabet or the direction of the arrow, unit: msdown!/s圖6OCB型盒中透射光相對強度隨時(shí)間變化(a)強錨定邊界條件下,(b)弱錨定邊界條件下。rise為接通電壓,down為斷開(kāi)電壓Fig. 6 The relative intensity of the transmission light at various instants of time in OCB cell(a under strong anchoring surface condition, (b )under weak anchoring surface conditionRise is turning on the voltaYH中國煤化工agCNMHG第1期孫玉寶,等:OCB液晶顯示的動(dòng)力學(xué)計算316=1.0.5.0.10.0.15.0,20.00.252.02.53.0圖7強錨定邊界條件下,透射光相對強度隨時(shí)間和預傾角變化(a)接通電壓,(b)斷開(kāi)電壓。此時(shí)盒厚為6m。圖中單位:度the transmission light at various instants of time and pretilt angle(a)turning on the voltage ,(b)turning off the voltage. Cell gap is 6um. Unit: degree4結論OCB型盒具有很快的響應速度,在圖7所要求的條件下,其上升速度和下降速度之和t+lo<6ms,完全達到視頻要求,在一定的技術(shù)支持下,可以實(shí)現視頻彩色的快速響應。另外,這種顯示模式還具有寬視角的特性。如果這種顯示模式應用到實(shí)際生產(chǎn)中,將大大降低彩色液晶顯示屏的成本。參考文獻:1]小林駿介.液晶顯示技術(shù)的進(jìn)展歷程[J].現代顯示,1997,2:6-10[2]新穎的彩色液晶顯示[J.國際光電與顯示,200,5:39-41[3]賈正根,LCD的高速化[J.國際光電與顯示,2000,5:79-8[4] Van Doorn C Z. Dynamic behavior of twisted nematic liquid-crystal layer in switched fields [J].. AppiPhys.,1975,46(9):3738-3745]張志東,于廣,張德賢.弱錨定邊界條件下混合排列向列液晶顯示的動(dòng)態(tài)響應[].液晶與顯示,1999,14(1)[6] Derfel G, Gajewska B. Transient phenomena in中國煤化工CNMHGetie field []. SPIE,1997.[7] Derfel G, Gajewska B. Dynamics of the field-induced twist deformation in weakly anchoring nematic layers [J]iquid Crystal,1997,22:297-300.液晶與顯示Dynamic Calculations for OCB Cell Liquid-Crystal DisplaySUN Yu-bao, Fan Zhi-xin, ZHANG Zhi-dong( Department of Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)AbstactThe study is based upon the dynamics theory with the liquid-crystals. Concerningof the back-flow effect, the distributions of the direction and the velocity in Ocb cell arecalculated under strong anchoring and weak anchoring conditions, respectively. Thetime dependence of the relative intensity of the transmission light is given. The curvesof the relative intensity of the transmission light are also given for the various pretiltangles. The numerical calculations show that the response rate in OCB cell is faster thanthose in Homogeneous cell and han celKey word OCB cell; responding speedH中國煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介:孫玉寶,(1975-),男,1999年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)應用物理專(zhuān)業(yè)。同年留校,從事液晶物秀丹被是件物理方向的研究和教學(xué)工作