丁文全， 王力娜， 楊亞非， 王盼盼， 周振婷， 李榮榮

（江蘇和成顯示科技有限公司，江蘇 南京 210014）

1 引 言

聚合物及可聚合液晶單體在液晶相關(guān)領(lǐng)域中被廣泛研究和應用［1-3］。聚合物穩(wěn)定垂直取向（Polymer Stability Vertical alignment，PSVA）［4-5］技術(shù)通過在液晶材料中加入少量的可聚合單體，經(jīng)紫外光固化在面板內(nèi)表面生成聚合物層，產(chǎn)生預傾角，是一種非接觸式的配向方式。PSVA 最早由富士通公司報道［3］，由默克公司與友達光電聯(lián)合開發(fā)，應用于量產(chǎn)，隨后，三星電子、肯特州立大學等諸多機構(gòu)對PSVA 的工藝條件開展了廣泛研究［6-7］。與其他顯示模式［8-9］相比，PSVA 液晶顯示器具有高對比度、高透過率、響應速度快、產(chǎn)率高及制程引入污染少等優(yōu)點［10-12］，在各種顯示需求中被廣泛應用。

透過率是顯示器件的重要參數(shù)。但隨著顯示器朝著更高分辨率的方向發(fā)展，液晶顯示器的像素密度被設(shè)計得越來越高，開口率下降，影響面板的整體透過率，因此液晶顯示器對透過率的提升有了更迫切的需求。研究者們對如何提升各類液晶顯示器的透過率展開了廣泛研究［13-14］，關(guān)于PSVA 顯示器的性能研究也屢見報道［15-16］，其中包含手性摻雜對PSVA 模式顯示的影響，提出了手性摻雜聚合物穩(wěn)定垂直取向（Chiral Polymer Stability Vertical Alignment， C-PSVA）液晶顯示模式［17］。

PSVA 顯示模式通過“魚骨”電極設(shè)計［4-5］實現(xiàn)多疇配向，同一個像素內(nèi)可形成不同的配向方向。在不同區(qū)域交界處，由于其左右兩側(cè)液晶分子指向不同，液晶分子排列處于“向錯”狀態(tài)，使該處液晶的折射率無法得到有效利用，形成透過率很低的“黑線”，降低了PSVA 顯示模式的透過率。為提升PSVA 顯示模式的透過率，不同配向區(qū)域交界處的“黑線”是本文研究的重點。提升交界處的透過率，將有效改善PSVA 顯示模式開口率低的問題，提升整體透過率。C-PSVA 顯示模式在液晶中加入手性劑，液晶加電后形成螺旋排列，能夠顯著改善交界處的相錯問題。本文從模擬出發(fā)，驗證了C-PSVA 顯示模式的影響因素，得到了該顯示模式需要的最佳液晶參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果制作C-PSVA 液晶顯示樣品，對該顯示模式的實際顯示效果進行了驗證。

2 模型建立與實驗條件

本文中模擬及測試所使用的液晶（江蘇和成顯示科技有限公司，HCCH）參數(shù)如表1 所示，如無特別說明，文中所列液晶折射率參數(shù)均為589 nm光源下的測試結(jié)果。液晶中所加入的可聚合單體為T1567（HCCH），具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，可聚合單體在液晶中的添加比例為0.3%。所摻雜的手性劑均為T1619（HCCH），具體結(jié)構(gòu)式如圖2 所示。

圖1 T1567 可聚合單體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of polymer monomer T1567

圖2 T1619 手性劑結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of chiral monomer T1619

表1 液晶參數(shù)Tab.1 Liquid crystal parameters

2.1 模型建立——單疇手性摻雜模型

為確認手性劑的加入對液晶排列產(chǎn)生的影響，使用LCD Master 1D 模擬軟件（Shintech）建立單一配向模型，對加入手性劑后的液晶排列的變化進行驗證。具體模型設(shè)置參數(shù)如表2 所示。該模型可以模擬手性摻雜對液晶排列的影響，以及偏光片角度設(shè)計對光學的影響。

表2 C-PSVA 顯示模式1D 模型參數(shù)Tab.2 1D model parameters of C-PSVA

2.2 模型建立——多疇相錯模型

PSVA 顯示模式相鄰兩個區(qū)域液晶的配向方向相差90°。使用LCD Master 2D 液晶模擬軟件（Shintech）建立模型，模型示意圖如圖3 所示。對該模型左右區(qū)域進行不同的參數(shù)設(shè)定，分別設(shè)定配向角度為45°和135°，扭曲角都為 0°，預傾角都為88°，螺距、盒厚和液晶折射率皆為變量。

圖3 PSVA LCD Master 2D 模型示意圖Fig.3 PSVA model of LCD Master 2D

該模型可以得到液晶盒透過率隨液晶排列狀態(tài)的變化，得到C-PSVA 顯示模式的光電特征曲線及透過率隨位置的分布曲線，可以直觀了解透過率改善效果。

2.3 實際效果驗證

根據(jù)模擬得到的結(jié)果，分別按照C-PSVA 和PSVA 顯示模式對應的最佳延遲量和手性劑摻雜比例設(shè)計配方，制備液晶。利用毛細作用力將液晶注入到盒厚為3.2 μm 的測試盒中。測試盒像素為四疇結(jié)構(gòu)，其中一側(cè)電極設(shè)計如圖4 所示，另一側(cè)為整面電極。加電后，液晶分子會向不同方向傾倒。對裝好液晶的測試盒進行配向處理，具體步驟為：

圖4 PSVA 多疇電極結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of PSVA multi-domain

（1）使用0～15 V 的步進方波電壓（60 Hz）對液晶盒加電，最終保持15 V，使液晶分子緩慢傾倒；

（2）使用照度為5.5 mW/cm2（波長313 nm）的紫外光對液晶盒進行80 s 的照射，使得可聚合單體在液晶盒內(nèi)表面固化，形成預傾角；

（3）撤掉電壓，使用照度為0.25 mW/cm2的紫外光（波長313 nm）對液晶盒進行90 min 的照射處理，反應掉剩余的可聚合單體，完成配向。

對配向完成的液晶盒進行實際效果驗證：對測試盒施加10 V、60 Hz 方波電壓，在偏光顯微鏡（LEICA DM2700M）下觀察，確認多疇交界處“黑線”位置的透過率改善效果。使用OPTIPROmicro 位相差測定設(shè)備（Shintech）的光電功能測試液晶盒的V-T曲線，對比確認C-PSVA 顯示模式對透過率的實際提升效果，測試條件為：電壓范圍0～9 V，電壓步徑0.1 V，測試波形方波，頻率60 Hz，測試鏡頭直徑150 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 手性劑比例對液晶排列的影響

采用單疇手性摻雜模型，將液晶HAV653341的螺距分別設(shè)置為1 倍、2 倍、4 倍的盒厚，相當于加入不同比例的手性劑，對應的扭曲角度分別是360°、180°和90°。模擬結(jié)果顯示，未加電時，在3 種手性劑比例下，液晶均可以按照正常的VA 模式進行排列，不會發(fā)生扭曲。加電后，液晶分子發(fā)生扭曲，并且扭曲的角度與螺距值所對應的角度基本一致，如圖5 所示。

圖5 手性劑對液晶排列的影響Fig.5 Effect of chiral monomer on LC alignment

3.2 偏光片角度對液晶透過率的影響

采用單疇手性摻雜模型，將液晶HAV653341的螺距值設(shè)置為4 倍的盒厚，模擬不同偏光片角度下液晶盒的光電曲線，模擬結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，偏光片角度為45°～135°時液晶盒的透過率遠高于偏光片角度為0°～90°時的透過率，傳統(tǒng)PSVA 顯示模式0°～90°的偏光片組合并不適用于液晶中有手性摻雜的情況。C-PSVA顯示模式中液晶存在扭曲，類似于TN 顯示模式，所搭配的偏光片角度需進行相應的調(diào)整。

圖6 偏光片角度對透過率的影響Fig.6 Influence of polarizer angle on transmittance

3.3 手性劑比例對液晶透過率的影響

使用圖3 中建立的LCD Master 2D 模型對C-PSVA 顯示模式的透過率情況進行模擬，具體模型設(shè)置條件如表3 所示，將液晶盒的盒厚設(shè)定為3.4 μm。對表1 所示的兩款液晶進行模擬。分別模擬了加入不同比例的手性劑，使液晶的螺距值為3 倍、4 倍、8 倍的盒厚，以及不加入手性劑時，液晶盒的透過率隨電壓變化的情況及液晶盒不同位置對應的透過率分布情況，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 手性劑比例對C-PSVA 透過率的影響Fig.7 Effect of chiral monomer ratio on the transmittance of C-PSVA

由圖7（a）、圖7（c）可以看出，隨著手性劑的加入，兩款液晶盒整體的透過率都有所提升，并且在螺距值為4 倍的盒厚時，透過率達到最大值。由圖7（b）、圖7（d）可以看出，同一電壓下，液晶盒不同位置的透過率會隨著手性劑的加入發(fā)生變化，尤其是兩個不同配向區(qū)域的交界位置。未加入手性劑時，該處的透過率基本為0，隨著手性劑的加入，該處透過率提升，并且在螺距值為4 倍的盒厚時，透過率提升最明顯。另外，將兩款液晶的透過率提升情況進行對比，發(fā)現(xiàn)HAV674641在加入手性劑后對透過率的提升更加明顯，說明C-PSVA 顯示模式對透過率的改善效果和液晶的折射率有關(guān)。

進一步分析加電后C-PSVA 顯示模式的液晶排列情況，如圖8 所示。未加入手性劑時，由于兩個相鄰區(qū)域的配向方向不同，外電場作用下，不同配向方向區(qū)域的液晶向不同方向倒下，交界處的液晶產(chǎn)生相錯，折射率不能有效利用。由于下偏光片相互正交，所以加電后該區(qū)域的透過率很低。隨著手性劑的加入，液晶在電場作用下倒下時，不同位置的液晶都呈現(xiàn)螺旋狀排列，產(chǎn)生旋光效應，所以兩個區(qū)域交界處的透過率會有大幅提升。而兩個配向區(qū)域部分，因液晶的排列方式較傳統(tǒng)PSVA 顯示模式有所改變，影響了光的傳播，所以此處的透過率也發(fā)生了變化。

圖8 手性劑的加入對液晶排列的影響Fig.8 Effect of chiral monomer on the LC direction

3.4 延遲量對透過率的影響

通過3.3 節(jié)的模擬發(fā)現(xiàn)，在液晶中摻雜手性劑后，不同折射率的液晶透過率提升程度有差異。因此對C-PSVA 顯示模式的最佳延遲量進行驗證。

3.4.1 固定折射率，改變盒厚

我們選用表1 所示的液晶HAV674641 對不同盒厚的C-PSVA 顯示模式進行模擬，得到透過率曲線如圖9 所示。傳統(tǒng)PSVA 顯示模式的最佳延遲量約為340 nm，模擬所選用的2.6 μm 盒厚搭配液晶HAV674641，對應傳統(tǒng)PSVA 顯示模式的最佳延遲量。從模擬結(jié)果可以看出，C-PSVA 顯示模式在盒厚為2.6 μm 時，透過率遠低于盒厚為3.0 μm 和3.4 μm 時的透過率，說明C-PSVA顯示模式的透過率改善效果除了與折射率有關(guān)外，還與液晶盒的盒厚有關(guān)，即C-PSVA 顯示模式的最佳延遲量與傳統(tǒng)PSVA 顯示模式最佳延遲量不同。具體C-PSVA 顯示模式對應的最佳延遲量，通過固定盒厚、改變折射率的方式進一步驗證。

圖9 盒厚對C-PSVA 顯示模式透過率的影響Fig.9 Effect of cell gap on the C-PSVA transmittance

3.4.2 固定盒厚，改變折射率

固定液晶盒的盒厚為3.4 μm，設(shè)置液晶的螺距值為13.6 μm，即螺距值為4 倍的盒厚。將液晶的折射率設(shè)置為變量，其余液晶參數(shù)同表1 液晶HAV674641，模擬不同延遲量條件下液晶盒的透過率隨電壓變化的情況，模擬得到的結(jié)果如圖10 所示。由模擬結(jié)果可以看出，當液晶Δn在0.13～0.14 之間時，透過率達到了最大值。

圖10 3.4 μm 盒厚折射率對V-T 曲線的影響Fig.10 Effect of refractive index on V-T curves at 3.4 μm gap

進一步固定液晶盒的盒厚為3.0 μm，設(shè)置液晶的螺距值為12 μm，即螺距值為4 倍的盒厚。將液晶的折射率設(shè)置為變量，其余液晶參數(shù)同表1液晶HAV674641，模擬不同延遲量條件下，液晶盒的透過率隨電壓變化的情況，模擬得到的結(jié)果如圖11 所示。由模擬結(jié)果可以看出，當液晶Δn在0.15～0.16 之間時，透過率達到了最大值。固定螺距值為4 倍的盒厚，在不同的延遲量條件下，液晶盒的透過率不同，C-PSVA 模式的最佳延遲量約為460 nm。

圖11 3.0 μm 盒厚折射率對V-T 曲線的影響Fig.11 Effect of refractive index on V-T curves at 3.0 μm gap

3.5 實測結(jié)果

根據(jù)以上模擬結(jié)果，使用3.2 μm 的測試盒對PSVA 和C-PSVA 兩種顯示模式的實際效果進行對比。其中PSVA 顯示模式的最佳延遲量約為340 nm，選用Δn為0.109 的HAV635496 進行實驗；C-PSVA 的最佳延遲量約為460 nm，配制Δn為0.145 的PV016-001 進行實驗。兩種液晶的具體參數(shù)如表1 所示。在液晶中加入不同比例的手性劑，如表4 所示，其中HAV635496 中未添加手性劑，PV016-001 添加手性劑后的液晶螺距符合C-PSVA 顯示模式的最佳螺距值。

表4 PSVA 和C-PSVA 液晶手性劑含量Tab.4 Chiral monomer ratio of PSVA and C-PSVA LC

將配制好的2 款液晶分別裝入盒厚為3.2 μm的魚骨盒中，進行加電UV 配向，制備好測試樣品。

3.5.1 顯微鏡觀察

將兩款液晶盒依次放到偏光顯微鏡下進行觀察，如圖12 所示?？梢钥闯觯珻-PSVA 顯示模式的透過率較PSVA 顯示模式有所提升，尤其是多疇交界位置，亮度提升明顯，C-PSVA 顯示模式可以很好地改善不同配向方向交界區(qū)域的黑線問題，實測結(jié)果與模擬結(jié)果一致。

圖12 液晶盒顯微觀察結(jié)果Fig.12 Microscopic observation results of the cell

3.5.2 光電曲線測試

使用光電測試設(shè)備對兩款液晶盒進行V-T測試，測試結(jié)果如圖13 所示。由測試結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)PSVA 顯示模式對比，C-PSVA 顯示模式的透過率約有13%的提升。

圖13 C-PSVA 與PSVA 樣品V-T 曲線對比Fig.13 V-T curves of C-PSVA and PSVA cells

4 結(jié) 論

為提升PSVA 顯示器件的透過率，本文研究了一種新的顯示模式C-PSVA，建立合適的模型通過模擬軟件對C-PSVA 的顯示效果進行驗證，并對其顯示原理進行分析說明。研究了偏光片角度、延遲量和手性劑含量對顯示效果的影響，得到了該顯示模式的最佳延遲量約為460 nm，最佳手性劑含量對應的螺距值為4 倍的盒厚。根據(jù)模擬結(jié)果配制液晶，裝入魚骨盒中對C-PSVA 的實際顯示效果進行驗證。實驗結(jié)果表明，C-PSVA與傳統(tǒng)的PSVA 顯示模式相比，透過率可以提升約13%，不同配向方向交界位置的透過率改善明顯，整體亮度均勻。