OCB液晶显示的动力学计算

第16卷第1期液晶与显示2001年3月Chinese Journal of Liquid Crystals and DisplMar,2001文章编号:1007-2780(2001)01-OCB液晶显示的动力学计算孙玉宝,范志新,张志东(河北工业大学物理系,天津300130)晶动力学理论为基础,考虑引流效应后,计算在强锚定和弱锚定边界条件下的OCB型盒中的指向矢分布和流动速度分布,给岀透射光相对强度随时间变化有预倾角情况下的透射光相对强度。计算结果表明,OCB盒较平行排列盒和HAN盒具有更快的响应速度关键词:OCB盒;响应速度;透过率中图分类号:O753.2文献标识码:A引言如何提高液晶显示的响应速度,一直是LCD技术的重要课题。在提高LCD响应速度的研究中,铁电液晶显示、反铁电液晶显示和混合排列向列相液晶显示(HANLCD),已得到人们的充分认识。最近日本东北大学内田教授提出了 opticallycompensated bend(OCB)显示模式,它拥有很快的响应速度23。OCB是一种新颖的显示方式,在它的两个基板处,液晶分子排列方向相反,并且有定的预倾角,而在中间层,液晶分子呈垂直状态,且在两极板间分子排列连续变化(见图1)。本文考虑了引流效应,研究OCB-LCD的指向矢分布和流速分布,并给出了此种液晶盒的光透过率随时间的变化曲线,从数值计算上给出OCB盒具有高速响应的证明2指向矢的运动方程和光透过率方程OCB液晶盒的示意图如图1所示,作为比较,图中同时给出平行排列盒的结构。液晶盒厚为d,用角度θ描写指向矢的方向流动方向中国煤化工图1电控双折射盒示意图和指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;修订日期:2000-10-29基金项目士基金资助项目第1期孙玉宝,等:OCB液晶显示的动力学计算s6(z, t),n,=0, n,= sinb(e, t)(1)在上式中,θ一般为坐标z和时间t的函数由向列相液晶的动力学理论,指向矢满足的运动方程和液晶盒內的流动方程φ为(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分别为展曲和弯曲弹性常数;△e=-E为介电各向异性;an(m=1,23,4,5,6)为粘滞系数;%1=α3-α2为转动粘滞系数;c为积分常数,强锚定时为零,弱锚定时为不定常数(随时间变化);D,为电位移矢量的z分量,它与基板间所加电压之间的关系为DU=J(c1+△sin)d弱锚定边界条件下,边界条件为[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为锚定能强度系数;γ为表面粘滞系数,取值为2.3×10-8Ns/m16·7。用λ表示锚定强度的参数,则有(5)在强锚定边界条件下,平衡态方程仍然由(2)给出,为了得到OCB型盒,在两个基板表面的预倾角必须相反。假设此预倾角为。则边界条件具体写为0()=0,6(d)以上各式决定了指向矢的取向方向。对于起偏片和检偏片正交放置的情况,利用下式计算垂直入射光通过液晶盒后的透过光强1(t)= En sin[πR()/其中E2是入射光通过起偏片后的强度;中国煤化工夜晶盒时产生o光和e光的延迟量CNMHGnn,d2R(8)(n2cos20+ nesin20n和n分落和e光在液品中的折射率。液晶与显示3数值结果实验上对液晶盒基板反平行摩擦实现OCB显示,数值计算中反映为盒中央(ε=d/2)处倾角为π/2,并可用边界条件0(0)=0,0(d)=π来实现,因此取。=0计算并不是一般性。在计算中,我们以平行盒的阈值电压U=π(k1/E0△e)≈0.87作为标度,并取电压为U′U=6.0。取盒厚为10μm,其它参数如表1所列,分别得到强锚定和弱锚定边界条件下(锚定强度参数λ=0.1)的指向矢分布、流速分布和相应的光透过率。图2、图3分别为强锚定和弱锚定边界条件下的盒內液晶指向矢分布。图4、图5为加电压2.5:=00,0.5,2,5,10,20.,30,50,100r=0.0,0.5、L2,3,4,5,10图2强锚定边界条件下,不同时间下OCB型盒中的指向矢分布(a)接通电压,(b)断开电压。时间沿箭头方向顺延,单位: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计算中用到的液晶材料参数Table 1 Material parameter of the liquid-crystal in the computation [4参数参数1.2×10-3N·m·s中国煤化工·m·sCNMHG和断开电压时,液晶盒内的液晶流速分布。由图可见:OCB盒上下基板处的液晶流动的方向与盒內部的流动方向是相同的。OCB盒中的这种液晶流动特性会加速盒內液晶分子的排列稳定,于是呈现快速响应的特性,并且强锚定条件下的响应速度要好于弱锚定(见光透过暂变化图6)。在图7中,我们利用文献[2]中的数据,令U=6.0V,盒第1期孙玉宝,等:OCB液晶显示的动力学计算厚为6μm,其它数据与前面相同,计算了强锚定边界条件下,不同预倾角的光透过率随时间的变化,可以看到:在预倾角增大时,上升响应时间减小,最大透过率增大;下降响应时间变化不大,光透过率下降后反弹减小。从响应时间上与文献[2]中所描述的响应速度完全相符(b)t=0.0,0.5,2,5,10,20.30,500图3弱锚定边界条件下,不同时间下OCB型盒中的指向矢分布(a)接通电压,(b)断开电压。时间沿箭头方向顺延,单位: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凵中国煤化工图4强锚定边界条件下CNMHG分布(a)接通电压,(b)断开电压。时间以子母顺序或沿前头万同顺延,单位: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万数据time is along the order of the alphabet or the direction of the arrow, unit: ms液晶与显示但20.L0.5,1,2315225.305t=0.020.1.0.5.1,23,4.5,10.15(n图5弱锚定边界条件下,不同时间下OCB型盒中的流速分布(a)接通电压,(b)断开电压。时间以字母顺序或沿箭头方向顺延,单位;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图6OCB型盒中透射光相对强度随时间变化(a)强锚定边界条件下,(b)弱锚定边界条件下。rise为接通电压,down为断开电压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中国煤化工agCNMHG第1期孙玉宝,等:OCB液晶显示的动力学计算316=1.0.5.0.10.0.15.0,20.00.252.02.53.0图7强锚定边界条件下,透射光相对强度隨时间和预倾角变化(a)接通电压,(b)断开电压。此时盒厚为6m。图中单位: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结论OCB型盒具有很快的响应速度,在图7所要求的条件下,其上升速度和下降速度之和t+lo<6ms,完全达到视频要求,在一定的技术支持下,可以实现视频彩色的快速响应。另外,这种显示模式还具有宽视角的特性。如果这种显示模式应用到实际生产中,将大大降低彩色液晶显示屏的成本。参考文献:1]小林骏介.液晶显示技术的进展历程[J].现代显示,1997,2:6-10[2]新颖的彩色液晶显示[J.国际光电与显示,200,5:39-41[3]贾正根,LCD的高速化[J.国际光电与显示,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]张志东,于广,张德贤.弱锚定边界条件下混合排列向列液晶显示的动态响应[].液晶与显示,1999,14(1)[6] Derfel G, Gajewska B. Transient phenomena in中国煤化工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.液晶与显示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中国煤化工CNMHG作者简介:孙玉宝,(1975-),男,1999年毕业于河北工业大学应用物理专业。同年留校,从事液晶物秀丹被是件物理方向的研究和教学工作