不同取向的向列型液晶盒的光電響應(yīng)曲線

王思齊，孟 穎，高文莉，江洪健

（南京大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 南京210046）

1 引 言

液晶作為現(xiàn)代顯示器的基礎(chǔ)材料在現(xiàn)代顯示技術(shù)中占有重要地位，其響應(yīng)時(shí)間短、耗電少、工作電壓低、易于操作等特性使其在光電顯示領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)．液晶顯示器的工作原理為偏振光經(jīng)過液晶分子層后其偏振態(tài)會(huì)發(fā)生改變，液晶分子類似于單光軸晶體具有雙折射特性，其光軸一般認(rèn)為沿著液晶分子的長(zhǎng)軸方向．液晶分子在外電場(chǎng)作用下其長(zhǎng)軸會(huì)重新排列而趨向于沿著電場(chǎng)方向或垂直于電場(chǎng)方向，亦即通過外加電場(chǎng)可控制液晶層的雙折射現(xiàn)象．因此液晶也是一種空間光調(diào)制器［1］．液晶的光強(qiáng)透過率隨電壓的變化曲線是判斷液晶盒優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)．通常討論的液晶盒主要是常用于工業(yè)生產(chǎn)的扭曲向列型（Twisted nematic，TN）液晶盒．本文主要討論液晶盒前后兩面摩擦取向在0°～90°之間的向列型液晶盒的偏振光光強(qiáng)透過率隨電壓的變化特性，并探討其變化特性產(chǎn)生的原因．

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

液晶盒的制作工藝中有鍍膜、取向、灌注液晶、封裝等幾個(gè)步驟，本文中玻璃基片的取向采用摩擦取向，一面的取向與正方形玻璃基片一邊平行，另一面的取向與正方形玻璃一邊分別成0°，30°，45°，60°，90°角，通過改變玻璃基片的摩擦方向來改變液晶分子在液晶盒中的排列取向．

實(shí)驗(yàn)器材：驅(qū)動(dòng)電源、激光器、偏振器、向列型液晶、玻璃基片、液晶旋涂機(jī)、光學(xué)導(dǎo)軌、1／4波片、萬用表、光功率計(jì)、紫外光固機(jī)、離心機(jī)．

測(cè)量光路如圖1所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)光路圖

首先選用前后玻璃基片取向垂直的液晶盒進(jìn)行測(cè)量，以確定在通常情況下液晶的響應(yīng)電壓．調(diào)整起偏器的偏振軸方向，使光功率計(jì)讀數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)起偏器偏振軸方向與液晶盒前表面的取向方向一致，再調(diào)整檢偏器偏振軸，使光功率計(jì)讀數(shù)達(dá)到最大，確保檢偏器偏振軸方向與液晶盒前表面取向方向也一致，將液晶盒接入驅(qū)動(dòng)電源，電壓調(diào)至0 V，逐漸增加電壓至8 V，測(cè)得光電曲線如圖2所示，可以看出液晶分子對(duì)電壓的響應(yīng)約從3 V開始．顯然，在該情況下，液晶盒為常黑型扭曲向列相液晶盒，是工業(yè)中常用的液晶盒，其閾值電壓和關(guān)斷電壓分別為2．8 V與4．4 V．從圖2中可以看出，該液晶盒的性能較好，在0～2．8 V之間透過率始終為0；2．8～4．4 V之間透過率陡然變大，然而4．4 V之后其透過率變化緩慢，與實(shí)驗(yàn)中一般所測(cè)得的透過率變化曲線趨勢(shì)一致．

圖2 普通TN液晶盒光強(qiáng)透過率曲線

若將起偏器旋轉(zhuǎn)45°，保持偏振軸與液晶盒前表面取向方向成45°，且檢偏器偏振軸方向與起偏器平行，所得透過率曲線呈現(xiàn)出不同的情況．將液晶盒接入電壓源，電壓源調(diào)整至28 V輸出，此時(shí)可認(rèn)為液晶分子基本沿電場(chǎng)方向排列，即透過率達(dá)到最大，記下此時(shí)光功率計(jì)的讀數(shù)．從28 V開始緩慢降低電壓至0 V，每隔0．1 V記錄光功率穩(wěn)定時(shí)的讀數(shù)，將所得數(shù)據(jù)除以28 V時(shí)光功率計(jì)數(shù)值，可得到該液晶盒的透過率隨電壓的變化曲線如圖3所示．

圖3 TN液晶盒在45°偏振片下的透過率曲線

從圖3中可以看到在3 V時(shí)液晶的透過率與圖2中變化趨勢(shì)不同，而出現(xiàn)小幅度振蕩．電壓從0 V增加時(shí)，液晶盒的透過率在3 V之前幾乎不變，接近3 V時(shí)先稍增加再減小，隨后出現(xiàn)了陡然增加，透過率迅速增大，5 V之后透過率增大放緩，直至不變．對(duì)液晶分子隨電壓的變化情況作如下分析：在0～3 V液晶盒對(duì)電壓變化基本沒有響應(yīng)，此時(shí)液晶分子仍然沿原取向方向排列，由于電壓過小，液晶分子受到電場(chǎng)的作用較小；在3～5 V的電壓范圍內(nèi)，液晶分子開始對(duì)電壓產(chǎn)生響應(yīng)，這一段的響應(yīng)與圖2中平緩變化不同，呈現(xiàn)出小幅度波動(dòng)，在同樣條件下做了多次均有此波動(dòng)現(xiàn)象．小幅振蕩之后的曲線對(duì)應(yīng)于圖2中透過率在兩閾值電壓之間增大的一段，與正常情況下液晶盒的電光效應(yīng)曲線一致．按照液晶的工作原理，隨著電壓增大，液晶分子沿電場(chǎng)排列的比例增大，出射光中沿原偏振方向投射的光所占比例應(yīng)當(dāng)增大，而不會(huì)出現(xiàn)圖3中所見波動(dòng)．為進(jìn)一步研究這一振蕩情況，對(duì)平行取向的液晶盒進(jìn)行測(cè)量，同樣保證起偏器與檢偏器平行且與液晶盒取向方向成45°，得到如圖4所示情況．

圖4 平行取向液晶盒在45°偏振片下的透過率曲線

從圖4可以看出在3 V附近的透過率振蕩現(xiàn)象明顯加強(qiáng)，且呈現(xiàn)出多次波動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)波峰的數(shù)目增加．由于玻璃基片的取向難以做到完全平行，波峰的個(gè)數(shù)2片并不一致，但振幅隨著電壓的增大而增大的趨勢(shì)是統(tǒng)一的．對(duì)比圖3中垂直取向的圖像，該現(xiàn)象可能與液晶盒的取向方向有關(guān)．猜測(cè)這種相關(guān)性為負(fù)相關(guān)性，即液晶盒前后兩玻璃基片的摩擦取向角度在0°～90°之間越大，則在相應(yīng)電壓附近液晶盒透過率的變化越小．

對(duì)45°取向的液晶盒進(jìn)行驗(yàn)證可得圖5．其透過率在響應(yīng)電壓附近的振蕩振幅正好處于0°取向和90°取向的情況之間，且波峰的個(gè)數(shù)也介于2種情況之間，圖5中第二個(gè)波谷明顯大于第一個(gè)波谷，可見，靠近0 V的波動(dòng)隨著角度的增大呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)．

圖5 45°取向液晶盒在45°偏振片下的透過率曲線

以上討論均是對(duì)每一種情況保證檢偏器偏振軸方向與液晶盒前表面玻璃基片成45°進(jìn)行的，而由于每一液晶盒的前表面取向可能稍有不同，對(duì)每一液晶片進(jìn)行測(cè)量時(shí)，起偏器與檢偏器的偏振軸方向是不同的，為進(jìn)行更精確的驗(yàn)證，取前后偏振器的偏振軸與豎直方向夾角45°，保持同樣的情況進(jìn)行測(cè)量，對(duì)30°和60°取向的液晶片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示．

6 30°與60°取向液晶盒在45°偏振片下的透過率曲線

3 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，對(duì)不同取向的液晶盒其透射率隨電壓變化的曲線均在閾值電壓附近存在振蕩，且這種振蕩隨取向角度變化具有如下規(guī)律：隨著前后2片液晶片取向所成角度的減小，振蕩峰值個(gè)數(shù)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，且振幅逐漸加大，透過率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓也逐漸增大．以下定性地分析這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

對(duì)于向列型液晶，分子在長(zhǎng)軸的方向排列致密，而與之垂直的方向排列稀疏，這種性質(zhì)稱為單軸各向異性，因?yàn)檫@種性質(zhì)的存在，可以將定向排列的向列型液晶等效成單軸晶體．向列型液晶的光軸沿分子長(zhǎng)軸方向，對(duì)不沿光軸射入的光，向列型液晶具有雙折射作用．即折射光將分為2束，一束遵守折射定律，無論入射光束的方位如何，這束光總在入射面內(nèi)，稱為尋常光，用o來表示；另一束則不遵守折射定律，因此稱為非尋常光，用e來表示．

e光和o光在液晶中傳播的折射率可以用折射率橢球來描述［2］，如圖7（a），z軸方向與液晶取向矢方向一致，n⊥＝nx＝ny，n‖＝nz．對(duì)于與光軸成θ角入射的束光，由圖7（b）易知其折射率關(guān)系可以表述為

圖7 折射率橢球

本實(shí)驗(yàn)中觀察到的振蕩具有如下性質(zhì)：光功率的極大值的個(gè)數(shù)m是由液晶分子從初始取向角轉(zhuǎn)到與外場(chǎng)垂直過程中相位角δ的變化與π的比值來確定的，即

式中d為液晶片的厚度．

上述公式在入射光為單色光的情況下適用，本實(shí)驗(yàn)過程采用的是白光，假設(shè)該公式是近似適用的，可以如下考慮：折射率的變化與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，折射率與波長(zhǎng)的比值減弱了這種影響．當(dāng)然，這種近似是粗糙的，卻能夠說明出現(xiàn)振蕩的原因．而且可以推測(cè)，全波段光對(duì)圖像的影響是對(duì)振蕩的削弱作用，這也可以解釋實(shí)驗(yàn)中得到的圖像與文獻(xiàn)中相比振蕩較弱［3－5］．

由上述分析可知，出現(xiàn)振蕩是因?yàn)閚‖與n⊥的變化，n‖和n⊥與no和ne的變化密切相關(guān)，同時(shí)no和ne的變化意味著液晶光軸的變化．因此，對(duì)于不同取向的液晶盒光強(qiáng)透射率隨電壓的變化存在振蕩的現(xiàn)象可以如下解釋：液晶分子的排列隨電壓的增加，其長(zhǎng)軸取向逐步發(fā)生變化，導(dǎo)致液晶盒的等效光軸發(fā)生改變，造成出射光的偏振態(tài)改變，影響了出射光在檢偏器方向的投影大小，故光功率出現(xiàn)振蕩．

更進(jìn)一步研究表明，這種影響存在一定的規(guī)律．取平行取向的向列相液晶，外加電壓從0 V變化到10 V，每隔1 V記錄1次數(shù)據(jù)，每個(gè)電壓下將檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)1周，每隔10°讀出光功率計(jì)的示數(shù)．為保證圖像的明晰度，現(xiàn)選取3，6，9 V所得數(shù)據(jù)在極坐標(biāo)系下將光功率對(duì)檢偏器的角度作圖如圖8所示．

圖8 光強(qiáng)隨檢偏器角度變化

對(duì)出射光的偏振態(tài)研究如下．如圖8所示，所有出射光均存在2個(gè)極大和極小的光強(qiáng)方向，若出射光為橢圓偏振光，則將橢圓偏振光表示為2個(gè)方向的分量可得：

分別將2個(gè)分量投影到與長(zhǎng)軸成α角的方向上，

則該方向上的光強(qiáng)可表示為

其中I長(zhǎng)與I短分別為實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的在每個(gè)電壓下光功率的最大值和最小值，極坐標(biāo)系中利用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的長(zhǎng)短軸數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)軸的傾斜角度，對(duì)I做關(guān)于α的圖像（圖9），與原圖像進(jìn)行對(duì)比．可見，在假設(shè)橢圓偏振光的情況下所得到的各方向光強(qiáng)的分布與實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量得出的結(jié)果是相一致的，亦即出射光為橢圓偏振光的假設(shè)是正確的，同時(shí)如圖8所示，橢圓偏振光的偏振狀態(tài)的確隨著電壓的變化而在不斷改變，其長(zhǎng)短軸方向以及極大、極小光強(qiáng)也在逐漸變化．

圖9 理論上光強(qiáng)隨檢偏器角度變化

而出射光的偏振態(tài)在不斷變化，即光矢量在不斷變化，應(yīng)是由于液晶盒的等效光軸的變化引起的．如果將橢圓偏振光長(zhǎng)軸方向的變化等效為液晶光軸方向的變化，其角度及出射極大光強(qiáng)取值隨電壓的變化如圖10和圖11所示．

圖10 橢圓偏振光長(zhǎng)軸隨電壓變化圖

圖11 橢圓偏振光極大光強(qiáng)隨電壓變化圖

如圖10所示，當(dāng)液晶開始有明顯響應(yīng)時(shí)，透過液晶盒出射的橢圓偏振光長(zhǎng)軸開始快速轉(zhuǎn)動(dòng)，之后其變化變得平緩，橢圓偏振光的變化可等效地看作液晶盒內(nèi)光軸的變動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)引起了投影在檢偏器偏振方向光強(qiáng)的非單調(diào)變化．與之對(duì)比，長(zhǎng)軸方向的光強(qiáng)確實(shí)是在逐漸增強(qiáng)的，且這種遞變規(guī)律符合液晶盒電光響應(yīng)曲線的突變特性．因此，平行取向的液晶片在電壓增大的過程中光軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而在一般的測(cè)量過程中，檢偏器與起偏器均保持不變，故所測(cè)的光強(qiáng)值為某一方向的投影，隨著光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，在這一特定方向的投影會(huì)產(chǎn)生非單調(diào)的變化，故在電光曲線中出現(xiàn)比較大的起伏振蕩，而在接近一般液晶盒的閾值電壓時(shí)，液晶分子在電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)放緩，隨之引起液晶盒的等效光軸變化緩慢，故這一段曲線與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量得到的上升階段曲線基本一致．

實(shí)際上，液晶盒光軸的變化所引起的是出射能量在各個(gè)不同方向的分配產(chǎn)生變化，將出射的偏振光等效表示為兩正交光矢量之和，則出射總光強(qiáng)可以表示為

將I0關(guān)于電壓作圖可得圖12．

圖12 總光強(qiáng)隨電壓變化曲線

從圖12可以看出，總光強(qiáng)幾乎不隨電壓發(fā)生變化，故液晶分子對(duì)于光的吸收在各電壓下基本保持一致，只是出射光在各個(gè)投影方向的光強(qiáng)分布隨著電壓的變化而產(chǎn)生變化．

綜上所述，有如下結(jié)論：向列相液晶盒的電光曲線中出現(xiàn)振蕩的原因在于隨電壓增加，液晶分子的長(zhǎng)軸取向發(fā)生改變，導(dǎo)致通常所選取的液晶盒等效光軸發(fā)生的變化，因此出射的橢圓偏振光的長(zhǎng)軸、短軸方向改變，能量在空間中各角度的分布也發(fā)生變化，而檢偏器的方向一般在測(cè)量過程中是不會(huì)改變的，因而出射光功率呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的非單調(diào)變化．同時(shí)，在增大電壓的過程中，光軸的改變逐漸放緩，因而出現(xiàn)圖像中的振蕩逐漸減小的現(xiàn)象．由圖2～6可以看出，波動(dòng)呈現(xiàn)出隨角度的增大而逐漸減弱的趨勢(shì)，這是由于不同取向的液晶盒對(duì)液晶分子的作用效果不同，隨著液晶盒取向角從0°增加到90°，盒中液晶分子的排列是逐漸趨向于有序的．理論上液晶盒內(nèi)的液晶分子在靠近玻璃基片時(shí)是沿著基片上的摩擦刻痕排列的，中間的液晶分子排列呈現(xiàn)出遞變規(guī)律．而實(shí)際上，液晶盒的取向越靠近90°，盒內(nèi)的液晶分子排列才越靠近理想的狀況．作為對(duì)比，未取向的液晶盒在相同情況下的透過率曲線如圖13所示．可見，未取向的液晶盒透過率與平行時(shí)的情況相似，而與90°取向時(shí)的相差巨大．在其他角度時(shí)，由于盒內(nèi)液晶分子并不完全按照理想情況排列，在電壓增加時(shí)，隨著液晶分子在電場(chǎng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，液晶盒的等效光軸出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況與取向角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系．故才有圖2～6所示的規(guī)律產(chǎn)生．

圖13 未取向液晶盒的透過率曲線

作為驗(yàn)證，測(cè)量液晶片取向角為90°的橢圓偏振光情況，電壓取3 V和28 V時(shí)出射光光強(qiáng)投影隨角度的變化如圖14所示．與圖8對(duì)比，垂直取向液晶盒得到的出射橢圓偏振光其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)的角度較小，故在圖3中僅表現(xiàn)為很小幅度的波動(dòng)，這與前文理論上的解釋的是相一致的．

圖14 垂直取向光強(qiáng)隨檢偏器角度變化

4 結(jié) 論

由實(shí)驗(yàn)中觀察到的平行取向向列型液晶片相應(yīng)電光曲線存在振蕩開始，測(cè)得了60°，45°，30°和平行取向的向列型液晶盒的光強(qiáng)透過率隨電壓變化曲線，發(fā)現(xiàn)這種振蕩隨取向角的減小而數(shù)量增加而且趨于劇烈．通過實(shí)驗(yàn)可以證明，這種起伏振蕩是因液晶分子在外加電場(chǎng)作用下其取向變化導(dǎo)致液晶盒的等效光軸的變化引起的，隨著電壓的增加，液晶盒的等效光軸呈現(xiàn)先迅速轉(zhuǎn)動(dòng)然后趨于平緩的變化趨勢(shì)．在這一過程中，檢偏器的角度始終沒有改變，造成投影在檢偏器透光方向的光強(qiáng)隨著電壓呈現(xiàn)出非單調(diào)的變化．此外，液晶盒等效光軸的變化隨取向角增加而減?。虼耍怪比∠虻南蛄行鸵壕Ш械墓鈴?qiáng)投射率隨電壓的變化情況是最穩(wěn)定的，適宜在工業(yè)生產(chǎn)過程中采用．

［1］ 陳嘉琦，傅曉，蘇為寧，等．向列型液晶盒的光電響應(yīng)特性［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（9）：41－44．

［2］ 黃子強(qiáng)．液晶顯示原理［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008：80－83，26－127．

［3］ 楊桂娟，康冬梅．90°扭曲向列型液晶的電－光開關(guān)特性［J］．內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，21（3）：264－267．

［4］ 王必利，王慧．向列相液晶電光特性研究［J］．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（2）：4－6．

［5］ 王寧，李國(guó)華，云茂金，等．液晶電控雙折射特性的研究［J］．中國(guó)激光，2002，29（12）：1064－1066．