范應(yīng)娟，張麥麗，袁桃利

(陜西科技大學(xué)　電氣與信息工程學(xué)院，西安　710021)

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電場對液晶盒顯示顏色影響的實(shí)驗(yàn)研究

范應(yīng)娟，張麥麗，袁桃利

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

摘要該文研究了電場作用下扭曲向列相液晶盒顏色變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)起偏器與檢偏器兩偏光片呈35°時，液晶盒在無電場的情況下，偏光干涉色基色呈淺紅色；當(dāng)電壓達(dá)到1.8 V以上時，液晶盒依次呈現(xiàn)綠、藍(lán)、紅等顏色，當(dāng)電壓達(dá)到飽和電壓3.1 V時，又呈現(xiàn)無色。該文利用偏光干涉原理對產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞電場；顏色變化；偏光干涉；液晶盒

液晶顯示器已經(jīng)深入到人們工作和生活的各個領(lǐng)域，例如筆記本電腦、家用電視、手機(jī)以及各種電器的顯示屏基本上都采用液晶顯示。它在外觀上越來越注重輕、薄、短、??；功能上具有高分辨率、低耗電、寬視角以及高質(zhì)量的顏色顯示等特點(diǎn)[1-4]。液晶顯示器的顏色顯示質(zhì)量也越來越高，它之所以能顯示豐富多彩的顏色，是因?yàn)椴捎昧瞬噬珵V色膜[5-7]。彩色濾色膜是液晶顯示器實(shí)現(xiàn)彩色顯示的關(guān)鍵部件[8-9]。用于LCD的彩色濾色膜一般是有機(jī)染色膜[10]，其主體由制作在液晶盒前基板上的紅、綠、藍(lán)三基色點(diǎn)陣濾色膜組成，其間鑲嵌有黑色矩陣。在三基色點(diǎn)陣上涂有保護(hù)層，并制作上LCD電極之一的ITO層[11]。然而使用彩色濾色膜有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時，也有缺點(diǎn)。在制造彩色濾色膜時，不僅排出的廢水和廢物等對環(huán)境有污染[12-13]，而且制造成本較高。

本文基于液晶盒的雙折射特征及偏光干涉原理實(shí)現(xiàn)了液晶盒的紅、綠、藍(lán)顯示，解決了以上引入彩色濾色膜所產(chǎn)生的問題，為制造新型的液晶顯示器提供了一種新思路。

1實(shí)驗(yàn)

1.1液晶盒的制備

先使用超聲清洗機(jī)清洗玻璃基片，去除玻璃基片上的雜質(zhì)和污物，然后用鑷子取出放在表面皿里，將表面皿置于烘箱中烘烤10 min，溫度設(shè)定為50 ℃，讓玻璃基片上的酒精完全揮發(fā)掉。然后用萬用表測出兩片玻璃基片中鍍有ITO透明電極的一面，并將鍍有透明電極的一面浸涂上取向劑，并用液晶基片懸涂機(jī)懸涂120 s，使取向劑均勻地附著在玻璃基片表面。在懸涂過程中，時間過短，膜不夠平整；時間過長，膜的厚度又達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，此轉(zhuǎn)速能使膜均勻性達(dá)到一個最佳值，太過或太欠都不能使膜旋涂均勻。然后在烘箱里烘干預(yù)熱30 min，溫度設(shè)定為80 ℃，如此設(shè)置時間和溫度使膜的附著程度達(dá)到一個最佳狀態(tài)；然后再烘烤2 h，溫度為200 ℃。此時，若溫度太高，膜柔軟程度不夠，摩擦取向的時候不容易形成溝槽，溫度太低達(dá)不到固化的效果。待烘烤完畢，取出，將涂取向劑的一面朝上放在液晶配向摩擦機(jī)的平臺上，摩擦一次，轉(zhuǎn)速設(shè)為2 500 r/min，如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速與這個值相比太低，摩擦的力道不夠；如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速與這個值相比太高，會使摩擦的力道過頭，會讓最終制作的液晶盒不夠理想。然后用小香水瓶子制作的噴壺將間隔子和酒精的混合液噴灑于兩個玻璃基片懸涂有取向劑的一面，在烘箱中烘考10 min，溫度設(shè)定為50 ℃，再將兩個玻璃基板有電極的一面相向正交重疊在一起，最后在臺式液晶盒光固機(jī)上先用膠封住相對的兩邊，然后灌注液晶，最后封住灌晶口，至此，液晶盒制備完成。所用設(shè)備均為向成都世紀(jì)中科儀器有限公司所購買。

1.2制作液晶盒的設(shè)備

所用設(shè)備為：液晶配向摩擦機(jī)，型號為ZKY-LCDZBX-MC；臺式液晶盒光固機(jī)，型號為ZKY-LCDZBX-GG；液晶基片旋涂機(jī)，型號為ZKY-LCDZBX-XT； USB透射式偏光顯微鏡，型號為ZKY-LCDZBX-XW；立式電熱恒溫箱，型號為ZKY-LCDZBX-HW；均購于成都世紀(jì)中科儀器有限公司。示波器型號為MOS-620FG，購于深圳市麥創(chuàng)電子科技有限公司。DDS函數(shù)信號發(fā)生器，型號為TFG2030，購于石家莊數(shù)英電子科技有限公司。數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器，型號為GFC-8131，購于固緯電子(蘇州)有限公司。超聲清洗機(jī)，型號為LT-05B，購于惠州市龍標(biāo)電器有限公司。

讓DDS函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生50 Hz的方波，示波器顯示波形，數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器顯示頻率。觀察不同電壓下液晶盒的顏色變化。

2結(jié)果與討論

圖1為液晶盒在0 V時，起偏片和檢偏片呈35°情況下的偏光干涉圖片。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，液晶盒左上角、右上角、正下方的某些區(qū)域呈淺淺的藍(lán)色，其他區(qū)域則呈現(xiàn)淺紅色，說明液晶盒厚度出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象；圖1 中發(fā)亮的點(diǎn)是間隔子出現(xiàn)的區(qū)域，該點(diǎn)不呈現(xiàn)任何顏色，說明未發(fā)生偏光干涉現(xiàn)象。從圖中還可以看出，間隔子噴得比較均勻。

液晶盒呈現(xiàn)干涉色的原因分析如下：設(shè)上玻璃基板和下玻璃基板錨定的液晶分子長軸的指向方向分別為N1和N2，兩者互相垂直，起偏片和檢偏片的透光方向分別為M1和M2。如圖2所示，在沒有外加電壓的情形下，自光源發(fā)出的自然光通過起偏片后只留下平行于起偏片透光軸方向的線偏振光，當(dāng)線偏振光與第一塊玻璃基板上的液晶分子長軸方向有一定夾角β時，就會發(fā)生偏光干涉，此時，偏振光分為e光和o光，到達(dá)輸出面時，其e光和o光旋轉(zhuǎn)了90°，變成了e′光和o′光，此時液晶分子的指向矢與檢偏片透光軸方向夾角為γ。設(shè)液晶盒非常光和尋常光的折射率差為Δn、液晶盒的厚度為d。光通過液晶盒產(chǎn)生的非常光和尋常光之間的光程差R以及相位差δ可分別表示為：

圖1　0 V時的顯示顏色

圖2　0V時偏光干涉原理圖

R=Δnd

(1)

δ=2πR/λ=2πΔnd/λ

(2)

垂直入射則液晶盒的光的透射強(qiáng)度表示為[14]：

(3)

當(dāng)兩塊偏振片平行時，且液晶盒的第一塊玻璃基板錨定的液晶分子指向矢與起偏片不平行，會發(fā)生偏光干涉，則透射光強(qiáng)為：

(4)

當(dāng)兩塊偏振片互相垂直，且液晶盒的第一塊玻璃基板錨定的液晶分子的指向矢與起偏片透光軸不平行，會發(fā)生偏光干涉，則透射光強(qiáng)為:

(5)

因此當(dāng)液晶盒的第一塊玻璃基板錨定的液晶分子長軸與起偏片透光軸有一定夾角時，且起偏片與檢偏片的透光軸呈35°，白光做光源，液晶盒在電壓為0 V時，呈現(xiàn)的干涉基色為淺紅色。

給液晶盒不斷施加電壓，當(dāng)電壓達(dá)到閾值電壓1.8 V左右時，液晶盒開始變顏色。從圖3可看出，當(dāng)對液晶盒所施電壓達(dá)到2.0 V時，呈現(xiàn)綠色。此時，干涉相長的光是綠色，其他顏色的可見光，其中有一種波長的光是干涉相消，其余波長的光介于兩者之間，合成后的復(fù)色光顯示為綠色。

圖3　2.0V時的顯示顏色

本論文采用的是液晶分子長軸與玻璃基板平行取向的液晶盒，介電各向異性為正的向列相液晶。這種結(jié)構(gòu)的液晶盒的閾值電壓Uth表示為：

(6)

(7)

式中，展曲、扭曲、彎曲彈性常數(shù)分別用K11、K22、K33表示，Δε表示各項(xiàng)介電異性，ε0表示真空介電常數(shù)。如果將大于閾值電壓Uth的電壓U施加于液晶盒，則液晶分子指向矢傾角φ會發(fā)生變化；如果所加電壓達(dá)到飽和電壓Us，則液晶分子指向矢將完全趨于沿電場方向排列。

垂直入射光通過液晶盒時產(chǎn)生的非常光和尋常光的相位差：

(8)

因施加電壓產(chǎn)生的位相差的變化為：

(9)

不同的電壓，會使液晶分子與表面的傾角不同，當(dāng)光線垂直入射時，光線就會斜向入射液晶分子，可分成尋常光和非常光兩道光，便會產(chǎn)生兩道折射光線。因此當(dāng)光線經(jīng)過上下兩片玻璃的液晶后，光線就會產(chǎn)生相位延遲的現(xiàn)象，最后經(jīng)過檢偏片，會產(chǎn)生偏振光干涉，會產(chǎn)生不同顏色的光。當(dāng)電壓未達(dá)到閾值電壓時，液晶分子平行于表面，液晶分子與表面傾角變化不大，顏色變化不明顯，當(dāng)電壓增大到一定程度，開始明顯的顏色變化。當(dāng)電壓達(dá)到飽和值時，液晶分子與表面完全垂直，液晶分子與表面的傾角不再變化。

圖4為液晶盒電壓在2.3 V時的偏光干涉圖片。由于此時2.3 V的電壓產(chǎn)生液晶盒中央的液晶分子指向矢傾角為φm，由式(9)得到相應(yīng)波長λ對應(yīng)的相位差δ，然后由式(3)得出對應(yīng)波長λ的光強(qiáng)I，因該波長在2.3 V的電壓下干涉相長，除了干涉相消的波長，其他波長的光強(qiáng)介于0～I(xiàn)之間。因此，從圖4可以看出，隨著所施加電壓的增加，此時干涉相長的是藍(lán)色，液晶盒所顯示的藍(lán)色，也是沒有干涉相消的其他顏色所復(fù)合而成的復(fù)色光。

圖4　2.3 V時的顯示顏色

圖5為液晶盒電壓在2.4 V時的偏光干涉圖片。和圖4的原理一樣，從圖5可以看出，此時干涉相長的光偏紅色，液晶盒所顯示的紅色是多種顏色的復(fù)合色。

圖5　2.4 V時的顯示顏色

在施加的電壓達(dá)到一定數(shù)值的情況下，在靜電場的作用下，除了玻璃基片附近的液晶分子被玻璃基片上的取向?qū)佣ㄏ蛲?，則其他液晶分子趨于平行于電場方向排列，于是成了均勻結(jié)構(gòu)，而原來的扭曲結(jié)構(gòu)會被破壞。從而經(jīng)過起偏片透射出來的偏振光在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達(dá)下玻璃基板，這時光不發(fā)生雙折射。因此如圖6所示，此時液晶盒呈現(xiàn)無色。本實(shí)驗(yàn)制作的液晶盒的飽和電壓在3.1 V附近。

圖6　3.1 V時的顯示顏色

4結(jié)束語

制備了90°扭曲向列相液晶盒，并給液晶盒施加不同的電壓，在偏光顯微鏡下觀察了液晶盒隨所施加的電壓的變化而產(chǎn)生的各種顏色的變化。其中，分析了液晶盒顏色變化的原因，即電場致雙折射的原理。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期:2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61076066)。

作者簡介：范應(yīng)娟(1978-)，女，碩士，講師，主要從事液晶顯示與半導(dǎo)體照明研究。

中圖分類號TN141.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.060

Influence and Study of Electric Field on the Displaying Color Change Relation of Liquid Crystal Cell

FAN Yingjuan，ZHANG Maili，YUAN Taoli

(College of Electric and Communication Engineering，Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021，China)

AbstractIn this paper, the law that the color of the twisted nematic liquid crystal cell changes with the voltage is studied.It is found that when the polarizer and analyzer is at a 35 degree angle and the liquid crystal cell is in the case of no electric field，the polarized light interference color presents the light red.After the voltage reaches 1.8V the liquid crystal presents green，blue and red et al in turn，and when the voltage reaches saturation voltage 3.1V the liquid crystal cell would present no color.The reason of the phenomenon is analyzed by using the principle of polarization interference.

Key wordselectric field;color change;polarization interference;liquid crystal cell