彩色顺序制液晶显示器的快速液晶开关

摘要：本文中，研究制成了含有液晶材料异硫氰酸根二苯乙炔和异硫氰酸根三联苯的较高双折射(0.3<△n<0.4)和相对低粘性的液晶混合物。制作了用于顺序制彩色液晶显示器的扭曲相列式液晶薄盒(TN)，盒厚为1.6μm，研究证明了其响应时间为1ms。

关键词：彩色顺序制显示器；高双折射液晶；响应时间

中图分类号：TN141.9 文献标识码：A

Fast Switching Liquid Crystals for Color-Sequential LCD

Sebastian Gauza, Xinyu Zhu, Wiktor Piecek, Roman Dabrowski,

and Shin-Tson Wu, Fellow, IEEE

（College of Optics and Photonics, University of Central Florida (UCF), Orlando, USA）

Abstract: High birefringence (0.3<△n<0.4) and relatively low-viscosity liquid crystal mixtures containing isothiocyanato tolane and isothiocyanato terphenyl liquid crystals are developed. A twisted-nematic (TN) 1.6μm thin cell for color-sequential liquid crystal display with 1ms response time is demonstrated.

Keywords: Color sequential display; high-birefringence liquid crystals;response time.

1介绍

高双折射（△n）液晶由于可以通过减小盒厚（d）来改善响应时间而倍受关注[1－3]。在一个90°的扭曲向列式液晶盒中，由Gooch-Tarry 第一极小条件得出下面的方程：

快速响应时间对使用背光闪烁[2]的彩色顺序制液晶显示器（LCD）或者三基色(RGB)发光二极管（LED）来说非常重要[3], [4]。在以RGB发光二极管为背光源的彩色顺序制LCD中，可以避免颜料彩色滤光片的使用，这样就可以降低LCD的成本，并且可以将分辨率提高两倍。但是，为了避免分色，液晶灰阶(gray to gray)响应时间应该保持在5ms以内。商业上可利用的高△nTFT门液晶混合物的△n约为0.2。在此条件下，为了满足Gooch-Tarry第一极小条件，必须要求盒厚在2.5μm左右[5]。这样，响应时间就会超过5ms。因此，目前紧迫的需求就是研制高△n和低粘性的液晶混合物，从而将盒厚控制在2μm以下。本研究的目的是形成一个高△n的向列相混和物，通过使用厚度小于2μm的液晶盒来满足Gooch-Tarry的极小条件。

高熔点、增强的粘性、较差的紫外稳定性是液晶材料△n高的主要原因。研究发现，一些异硫氰酸根（ＮＣＳ）二苯乙炔和异硫氰酸根三联苯表现出较高的△n、适度的旋转粘性和大的介电各向异性，图1是两种材料的吸收光谱。图2是典型的三基色LED背光源的发射光谱，图中，发光光谱没有紫外光部分，这样，就可以解决紫外光诱导高△n的材料而产生的光稳定性问题。 在文献[7]和[8]中对一些液晶材料的光和热稳定性进行了详细研究。

范围在0.30～0.40的△n可以产生1.2～1.6μm范围的盒厚，达到低于2ms的响应时间，从而实现没有分色的彩色顺序制LCD。尽管到目前为止，如此薄的TN盒很难用于制作大尺寸的平板，但它可以制作小尺寸LCD，如手机和掌上电脑。90°的扭曲向列式盒由于制作简单、成本低和有效的白光调制而被选用，这种器件观念可以扩展到对基于扭曲向列相的笔记本电脑的研究 ，从而使视角不再成为主要问题。

2实验技术

使用厚度为1.6μm的扭曲向列相盒进行电光测量，ITO电极涂在玻璃基板的内侧，其上面覆盖一层薄的聚酰亚胺，并烘干。通过摩擦使其形成90°的扭曲向列式盒，预倾角为2°。电光测量的光源采用波长为633nm的线性极化He-Ne激光器。扭曲向列式盒的温度由Linkam加热制冷系统稳定和控制(LTS 350，温度程序THMS)。电光响应时间通过测量透射率在10～90%之间的变化得到。纯的液晶化合物的吸收光谱在己烷溶液中由分光光度计测量。

3实验结果

二苯乙炔和三联苯表现出高△n、低粘性以及良好的化学、光和热学稳定性．尽管具备这些优势，烷基和烷氧基的介晶性能仍然受限[9]，在异硫氰酸中也是如此[6]。与氰基类物质相比，连接二苯乙炔和三联苯的刚性核和NCS端基可以产生高的双折射和大的介电各向异性，且保持了相对低的粘性。尽管大多数NCS混合物都是碟状液晶分子而不适合向列相混合，但异硫氰酸根二苯乙炔和异硫氰酸根三联苯仍然表现出高的双折射效应。侧链取代对抑制碟状相非常关键，同时也降低了熔化温度[10]，[11]，而低熔化温度对于显示应用是非常重要的。

用于形成高双折射液晶混合物的二苯乙炔（结构1）和三联苯（结构2）如图3和图4，R是包含了5个碳的烷基链，n=0，1。X1和X2是侧链取代的氟或者氢，不同的同分异构体具有不同的特性[6-11]。我们制作了几种在可见光区域内双折射率△n范围在0.3～0.4之间的共熔混合物。

在此我们用△n=0.37的混合物（记为LC-1）进行实验研究。表1列出了它的物理特性。图5是在波

长为633nm、温度分别为25℃、35℃、45℃、50℃下测量1.6μmTN盒得到的电压-透过率曲线。起始电压约为1Vrms，暗态电压约为2.5Vrms。较低的工作电压是由LC-1混合物相对大的△ε产生的。由于温度增加，起始电压和暗态电压都会有轻微下降。

图6为1.6μmTN盒在25℃、35℃、45℃、50℃下的响应时间。为了减少上升时间，一个过驱动电压被应用，这种过驱动的方法可以在不同的灰度下减小上升时间，从而被广泛应用。

表2总结了不同温度下的上升和延迟时间，快速的上升时间是由过驱动电压所引起，但是延迟时间不依赖于过驱动电压。1.6μmTN盒在25℃时的延迟时间是1.71ms。随着温度的增加，上升时间和延迟时间都会下降。

在LCD电视中，采用的起偏器会吸收很大部分的背景光，被吸收的光转换成热量，增加了平板的温度，因此LCD平板温度达到40℃是十分常见的。在这个温度下，总的响应时间大约为1ms，如表2所示。

4结论

本研究成功合成了高双折射、低粘性、宽向列相范围的LC混合物。使用1.6μmTN液晶盒，获得了小于2ms的响应时间。这种材料可以用于使用RGB发光二极管背光源的彩色顺序制LCD中。尽管制作如此薄的盒厚仍然存在技术难度，但是其仍可应用于小尺寸LCD平板，如手机、掌上电脑等。对于小型平板，盒厚的均匀性容易控制。

注：此项研究由W911NF04C0048合同下的国防高级研究计划局BOSS工程和CBP.EAP.CLG 981323.联合基金下的NATO安全科学机构支持。

参考文献：

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[8]S. Gauza, C. H. Wen, B. Wu, and S. T. Wu, "Fast-response nematic liquid crystal mixtures," J. SID, vol. 14, pp. 241-246, Mar. 2006.

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[10]S. Gauza, S. T. Wu, A. Spaldo, and R. Dabrowski, "High performance room temperature nematic liquid crystals based on laterally ｆｌuorinated isothiocyanato-tolanes," J. Display Technol., vol. 2, no. 3, pp. 247-253, Sep. 2006.

[11]S. Gauza, H. Wang, C. H. Wen, S. T. Wu, A. Seed, and R. Dabrowski,"High birefringence isothiocyanato tolane liquid crystals," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 42, pt. I, pp. 3463-3466, Jun. 2003.

[12]S. T. Wu and C. S. Wu, "High speed liquid crystal modulators using transient nematic effect," J. Appl. Phys., vol. 86, pp. 527-532, Jan. 1989.

[13]S. T. Wu, "Nematic modulators with response time less than 100 μs at room temperature," Appl. Phys. Lett., vol. 57, pp. 986-988, Sep. 1990.

[14]H. Nakamura and K. Sekiya, "Overdrive method for reducing response times," in SID Tech. Dig., May 2001, vol. 32, pp. 1256-1259.

（北京交通大学王斌

译自JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, VOL. 3, NO. 3, Sep 2007）

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”