史子謙,喬云霞,貴麗紅,崔 青,陳雪嬌,華瑞茂
(1.石家莊誠(chéng)志永華顯示材料有限公司,河北 石家莊050091;2.河北省平板顯示材料工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊050091)
LCD 顯示器在電子計(jì)算機(jī)、通信機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、電視電話以及航空、航天、軍事應(yīng)用中,均具有很大的優(yōu)勢(shì),居于主導(dǎo)地位。STN-LCD 是僅次于TFT(薄膜晶體管)-LCD的產(chǎn)品,它的市場(chǎng)份額次于TFT-LCD,主要是它的顯示品質(zhì)比不上TFT-LCD。但它制造工藝簡(jiǎn)便,成本僅為TFTLCD 的1/2,這是它的最大優(yōu)勢(shì)。STN-LCD 價(jià)格低,又具有一定的顯示品質(zhì),在攝錄一體化機(jī)、電視電話、汽車導(dǎo)行儀、汽車中控、儀表,小型電視機(jī)、通信機(jī)、游戲機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等應(yīng)用方面占有重要的市場(chǎng)[1]。因此提高STN-LCD 的顯示品質(zhì),在非常成熟的工藝基礎(chǔ)上獲得最佳的生產(chǎn)效率和顯示效果,是非常有意義的。
在液晶顯示器件中,響應(yīng)速度,視角,閾值電壓隨溫度的變化等,都是非常重要的性能參數(shù)。對(duì)液晶顯示器來講,除了顯示器件的設(shè)計(jì)參數(shù)外,顯示器顯示品質(zhì)主要與液晶材料的性質(zhì)有關(guān)。相同的液晶材料參數(shù),不同的液晶材料體系灌注到顯示屏中,體現(xiàn)出來的各項(xiàng)顯示參數(shù)不同。但是對(duì)于相同的液晶材料體系,使用不同的手性劑,對(duì)液晶的各項(xiàng)顯示參數(shù)也有影響。手性劑的特征是分子結(jié)構(gòu)中含有不對(duì)稱手性中心的碳原子(常以C*表示)[2-4],分子本身具有鏡像對(duì)稱性。這類液晶分子因手性中心的存在而形成螺旋結(jié)構(gòu),將這類分子作為摻加劑加入到液晶混合物體系中,調(diào)節(jié)螺距p,從而實(shí)現(xiàn)STN-LCD 模式顯示。不同結(jié)構(gòu)的手性劑,扭曲能力不同,摻加到液晶混合物中對(duì)各項(xiàng)顯示參數(shù)有較大影響。
本工作選用液晶材料KA-26作為母體,母體KA-26的Δn為0.128。
按照式(1)計(jì)算盒厚,盒厚為6.6μm。將不同結(jié)構(gòu)手性劑按1%的濃度添加到母體中,測(cè)量螺距P,按照式(2)[5-6]計(jì)算不同結(jié)構(gòu)手性劑的扭曲能力HTP值。
按照d/p≈φ/360,計(jì)算手性劑摻加到母體中的濃度。將不同結(jié)構(gòu)手性劑的HTP 值,加入到母體中的濃度列于表1。母體液晶材料KA-26,幾種不同結(jié)構(gòu)手性劑均由石家莊誠(chéng)志永華顯示材料有限公司生產(chǎn)。
測(cè)試儀器:讀數(shù)顯微鏡,楔形盒。楔形盒:tanθ=0.018 3。
表1 手性劑HTP值和添加濃度 Tab.1 HTP value of Chiral dopant and added concentration
按照計(jì)算出的手性劑濃度,分別配制母體-手性劑混合物,編號(hào)為A、B、C、D。在50~60 ℃下攪拌溶解,完全溶解后再攪拌1h至體系完全均勻,將上述四個(gè)體系的液晶材料混合物利用毛細(xì)管作用分別灌注到240°扭曲6.6μm 左旋STN實(shí)驗(yàn)盒中,每個(gè)體系灌三片實(shí)驗(yàn)盒。待液晶灌注好后,將實(shí)驗(yàn)盒灌注口的液晶擦拭干凈,然后在實(shí)驗(yàn)盒前后片玻璃上分別貼上偏光軸為60°,30°的偏光片,夾角為30°。實(shí)驗(yàn)盒由信利半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)。流體黏度采用LVDV-II+VISCOMETER 型錐板黏度計(jì)測(cè)試。光電性能,視角等由DMS-501光電綜合測(cè)試儀測(cè)試。
使用LVDV-II+VISCOMETER 型錐板黏度計(jì)測(cè)試A、B、C、D 四個(gè)體系的流體黏度,測(cè)試結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出,不添加手性劑時(shí),母體KA-26流體黏度為18.2mPa·s,添加手性劑后黏度有較大提高。D 體系由于加入CH4 濃度僅為0.07%,所以黏度增大最少,A 體系中CH1加入量最大,為1.83%,黏度增大最多。加入手性摻加劑增加黏度的主要原因是母體由向列項(xiàng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟戠尴?,液晶體系內(nèi)部增加了扭曲力造成的。
表2 不同結(jié)構(gòu)手性劑液晶體系的流體黏度Tab.2 Fluid viscosity of LC system with different structure chiral dopant
使用DMS-501 光電測(cè)試儀在室溫下對(duì)A、B、C、D 四個(gè)體系的實(shí)驗(yàn)盒進(jìn)行測(cè)試,得出了各個(gè)體系的閾值電壓,最佳驅(qū)動(dòng)電壓,響應(yīng)時(shí)間,測(cè)試圖形如圖1所示。圖1是B體系的測(cè)試結(jié)果,1#圖是KA-26+0.82%CH2的靜態(tài)V-T cruve,2#圖是KA-26+0.82%CH2的動(dòng)態(tài)V-T curve,1/64Duty,1/9Bias,頻率64 Hz。3#圖是響應(yīng)時(shí)間,NS-S是非選態(tài)到選態(tài)的下降時(shí)間,指的是透光強(qiáng)度由90%下降到10%所需的時(shí)間;S-NS是選態(tài)到非選態(tài)的上升時(shí)間,指的是透光強(qiáng)度由10%上升到90%所需的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間是上升時(shí)間與下降時(shí)間之和[7]。其余A,C,D 三個(gè)體系均采用下圖測(cè)試條件進(jìn)行平行測(cè)試。
圖1 KA-26+0.82%CH2的DMS-501測(cè)試結(jié)果Fig.1 Result of KA-26+0.82%CH2from DMS-501
A、B、C、D 4 個(gè)樣品在室溫((25±2)℃)下測(cè)試的閾值,響應(yīng)時(shí)間結(jié)果列于表3。
由表3可以看出,雖然四種手性劑扭曲能力大小不同,但可得到相同的STN 閾值。這是因?yàn)榘凑誨/p≈φ/360計(jì)算手性摻加劑的量,摻加到母體KA-26向列相中后,產(chǎn)生的螺距相同。閾值電壓與螺距的關(guān)系見式(3)[8]:
由式(3)可以看出,同一款液晶母體,介電各向異性Δε,k11,k22,k33等彈性常數(shù)都是相同的,使用相同扭曲角的液晶測(cè)試盒,無論使用何種手性劑,只要調(diào)出的超扭曲向列相的螺距相同,所得到的閾值電壓相同。
手性劑結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)時(shí)間是有影響的。由表2 可以看出,加入手性劑后,液晶的流體黏度增大。扭曲能力越小的手性劑,加入量越多,流體黏度越大;扭曲能力大的手性劑,加入量越少,流體黏度越小。響應(yīng)速度和黏度是成反比的,黏度越大的體系,響應(yīng)速度越慢;黏度越小的體系,響應(yīng)速度越快。如表3所示,在室溫時(shí)B 體系響應(yīng)速度比A 體系快到10%左右;C 體系比B體系略快,約1.6%;D 體系比C 體系略快,約1.2%。
使用DMS-501的控溫裝置,測(cè)試4個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)盒從-30~60 ℃下的動(dòng)態(tài)最佳驅(qū)動(dòng)電壓,響應(yīng)時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如圖2和圖3所示。數(shù)據(jù)取3個(gè)實(shí)驗(yàn)盒測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值。
表3 不同結(jié)構(gòu)手性摻加劑對(duì)應(yīng)的閾值電壓和響應(yīng)時(shí)間Tab.3 Optical threshold voltage and response time of different chiral dopant LC system
圖2 不同結(jié)構(gòu)手性摻加劑液晶體系對(duì)應(yīng)于不同溫度下的Vop電壓Fig.2 Vop voltage of different temperature in LC system with different chiral dopant
圖3 不同結(jié)構(gòu)手性摻加劑液晶體系對(duì)應(yīng)于不同溫度下的響應(yīng)時(shí)間Fig.3 Response time of different temperature in LC system with different chiral dopant
由圖2和圖3數(shù)據(jù)可以看出,摻加不同結(jié)構(gòu)的手性劑對(duì)動(dòng)態(tài)最佳驅(qū)動(dòng)電壓有一定影響,但影響不是特別大,對(duì)不同溫度下的響應(yīng)時(shí)間有很大的影響。由于CH1的扭曲能力最小,HTP值僅為4.4 μm-1,所加入KA-26的濃度最大,為1.83%,從60℃到-30 ℃下的Vop電壓變化最大。而CH2與CH3的扭曲能力比較接近,加入到KA-26中的濃度也接近,不同溫度下的v、Vop電壓也極為近似。而CH4扭曲能力最大,高達(dá)108.2μm-1,是CH1的25 倍,是CH3 的10 倍,所 加 入 濃 度 僅 為0.07%,不同溫度下的Vop電壓變化最小。不同結(jié)構(gòu)手性劑對(duì)不同溫度下的響應(yīng)時(shí)間影響比較大,從圖3的數(shù)據(jù)看,60℃時(shí)A、B、C、D四個(gè)體系的響應(yīng)時(shí)間由于溫度高,Δn比較小,導(dǎo)致對(duì)比度非常差,響應(yīng)數(shù)據(jù)測(cè)不出來。隨著溫度降低,響應(yīng)時(shí)間越來越長(zhǎng)。且手性劑的影響也隨著溫度降低增大,在40~0℃溫度區(qū)間,響應(yīng)速度差別不大,0 ℃以下,響應(yīng)速度差距明顯增大。
使用DMS測(cè)試A、B、C、D 四個(gè)體系的視角,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4中4副圖的相同顏色區(qū)域代表對(duì)比度相同。
圖4 不同結(jié)構(gòu)手性添加劑液晶體系的等對(duì)比度視角圖Fig.4 Iso-contrast ratio viewing figure of different structure chiral dopant LC system
由圖4可以看出,B、C 體系的視角比較好,D體系的視角區(qū)域最小。
通過在母體KA-26中添加不同結(jié)構(gòu)手性劑,考察了不同溫度下的動(dòng)態(tài)最佳驅(qū)動(dòng)電壓Vop,不同溫度下的響應(yīng)速度,室溫時(shí)候的等對(duì)比度視角圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,扭曲能力小的手性劑添加量大,會(huì)導(dǎo)致黏度增加,響應(yīng)速度變慢,dV/dT 隨溫度變化率高,且可能會(huì)影響主體液晶的性能變化。扭曲能力大的手性劑添加量小,液晶體系的黏度增加幅度小,響應(yīng)速度比較快,dV/dT 曲線隨溫度變化率小。而且,扭曲能力大的手性添加劑d/p window 比較寬,在高溫時(shí)不易出現(xiàn)疇[9]。從視角上來看,在STN 中添加CH2和CH3效果比較好。所以在工業(yè)上選擇手性劑時(shí)要考慮是用在什么器件上,側(cè)重于哪些顯示特性,綜合考慮各項(xiàng)因素后選擇合適的手性添加劑。
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