不同手性劑對(duì)超扭曲向列相液晶的影響

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）

1 引 言

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。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料

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

2.2 樣品制備與測(cè)試方法

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。

3 結(jié)果與討論

3.1 手性劑對(duì)閾值電壓和響應(yīng)速度的影響

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%。

3.2 手性劑對(duì)電壓與響應(yīng)時(shí)間的影響

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。

3.3 結(jié)構(gòu)手性劑對(duì)視角的影響

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。

4 結(jié) 論

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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