Ag納米線摻雜的液晶顯示器件的電－光特性

趙東宇，鄧思妍，康建新，王 茜，許麗紅，郭 林，楊 槐

（1.北京航空航天大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，北京 100191；2.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871）

1 引 言

液晶由于其兼有液體和晶體的性質(zhì)，在很多領(lǐng)域，例如各種光子器件［1］以及高精密度的可調(diào)制器件［2］（可調(diào)焦透鏡、相位調(diào)制器、調(diào)光窗等）中都展示出了重要的應(yīng)用前景。在液晶的各類應(yīng)用中，顯示領(lǐng)域的應(yīng)用一直占有最重要的地位。自從向列相液晶的光電特性應(yīng)用于平板顯示領(lǐng)域以來(lái)，人們一直致力于得到更低能量消耗和更快響應(yīng)的顯示性能，為了提升這些性能，采取了減小厚度等物理方法或開(kāi)發(fā)具有更低粘滯度的液晶材料等化學(xué)方法［3］，但這同時(shí)也對(duì)制造工藝及成本提出了更嚴(yán)苛的要求。近年來(lái)，由于納米技術(shù)的出現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)用摻雜納米粒子方法可以有效改善向列相液晶的電光特性（降低閾值電壓、提高響應(yīng)時(shí)間等）［4］。2005年，I.Dierking等人［5］發(fā)現(xiàn)在液晶材料里摻雜碳納米管能夠降低體系黏度和提高介電各向異性，因此能有效降低開(kāi)啟電壓。Kent州立大學(xué)J.West課題組［6－9］從這一角度出發(fā)，將具有很強(qiáng)介電各向異性的鐵電性納米材料Sn2P2S6摻入液晶，發(fā)現(xiàn)對(duì)液晶的電光性能有顯著的改善，這一靈感來(lái)源于液晶材料的各向異性是其能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能的主要性質(zhì)之一。2002年，Yukihide Shiraishi課題組［10］向向列相液晶中摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的鈀納米粒子后發(fā)現(xiàn)了一種新奇的頻率調(diào)制現(xiàn)象（Frequency Modulation），并根據(jù)這一特性提出了不同于傳統(tǒng)電壓調(diào)制的頻率調(diào)制驅(qū)動(dòng)。

本課題旨在研究摻雜不同濃度Ag納米線的扭曲向列相液晶（TN）在外電場(chǎng)作用下的電－光特性。將Ag納米線摻雜在液晶中制備了TN顯示模式液晶盒，采用液晶綜合參數(shù)測(cè)試儀研究了Ag納米線對(duì)TN顯示模式液晶盒的驅(qū)動(dòng)電壓、響應(yīng)時(shí)間以及頻率調(diào)制的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在交流電場(chǎng)作用下，液晶的閾值電壓隨著摻雜濃度的增加而減小，這說(shuō)明摻雜Ag納米線的確能夠改善液晶的電光性能。值得驚喜的是，頻率的改變對(duì)扭曲向列相液晶閾值電壓的改變影響顯著，隨著頻率的增加，閾值電壓先減小后增大，且減小迅速但增長(zhǎng)緩慢。

本文主要研究摻雜金屬納米顆粒對(duì)液晶電光特性的影響，以期能降低液晶的驅(qū)動(dòng)電壓和響應(yīng)時(shí)間。這一研究對(duì)于提高液晶作為顯示器核心材料的壽命和性能具有重要的探索意義。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用Ag納米線為本實(shí)驗(yàn)室合成，直徑約為50nm，掃描電鏡結(jié)果如圖1所示。液晶材料為向列相液晶5CB（TNI＝35℃）（石家莊永生華清公司）。實(shí)驗(yàn)采用LCT－5016C型液晶參數(shù)綜合測(cè)試儀測(cè)定液晶的電光性能（長(zhǎng)春聯(lián)城儀器有限公司）。采用 Hitachi S－4800型高分辨掃描電子顯微鏡（SEM）觀察Ag納米線的形貌，尺寸和均勻性。以聚乙烯醇（PVA）配制取向?qū)尤芤?，其它?shí)驗(yàn)試劑均為分析純，使用前未經(jīng)進(jìn)一步處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用銀納米線的SEM圖Fig.1 SEM image of some Ag nanowires used in the experiment

2.2 Ag納米線－液晶復(fù)合體系的制備

將1mg Ag納米顆粒加入到2mL無(wú)水乙醇中，得到濃度為0.5mg·mL－1的混合溶液，超聲震蕩0.5h，使其在無(wú)水乙醇中分散均勻。分別將10μL、20μL、100μL、200μL、400μL的上述乙醇溶液加入到0.1g液晶中，常溫下放置72h，除去復(fù)合體系中的乙醇，獲得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的銀納米顆粒－液晶復(fù)合材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.005%、0.01%、0.05%、0.1%、0.2%。

2.3 TN液晶顯示模式液晶盒的制備

首先對(duì)基板進(jìn)行取向處理。將ITO玻璃片上的導(dǎo)電面朝上放在KW－4A型臺(tái)式勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，用滴管將質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5% 的PVA溶液滴在玻璃片的導(dǎo)電面上，以400r·min－1的速度初轉(zhuǎn)9s，再以3 000r·min－1旋轉(zhuǎn)30s，85℃下烘干30min，使取向?qū)訌氐赘稍锕袒?。用絨布對(duì)涂覆有PVA取向?qū)拥囊幻孢M(jìn)行定向摩擦，即獲得經(jīng)過(guò)取向處理的ITO基板。

液晶池由兩片經(jīng)過(guò)表面取向處理的ITO玻璃導(dǎo)電面相對(duì)上下交叉搭在一起，中間鋪兩片間隔墊（厚度約為15μm）控制液晶層厚度，然后用膠封邊框，留出液晶灌注口。把摻雜有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的液晶混合溶液涂在液晶盒的灌注口處，由于毛細(xì)作用，液晶將由此處被吸入液晶盒。最后封住灌注口，完成液晶池的制作。

2.4 液晶電－光性能的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用LCT－5016C型液晶綜合參數(shù)測(cè)試儀測(cè)試TN液晶顯示模式液晶池的電－光性能，包括Ag納米線－向列相液晶復(fù)合體系的閾值電壓，響應(yīng)時(shí)間以及頻率調(diào)制特性，本實(shí)驗(yàn)采用的響應(yīng)時(shí)間的定義為：

T＝Ton＋Toff，其中：Ton為開(kāi)啟時(shí)間，Toff為斷開(kāi)時(shí)間。

3 結(jié)果與討論

3.1 Ag納米線對(duì)TN模式液晶閾值電壓的影響

本實(shí)驗(yàn)摻雜的納米顆粒為Ag納米線，采用向列相液晶材料5CB為母體。在探討Ag納米線的摻雜對(duì)液晶電光性能的影響之前，首先制備5CB的TN液晶顯示模式液晶盒，在頻率為100 Hz下測(cè)量其電光性能。測(cè)得結(jié)果如下：5CB的閾值電壓為1.097V，響應(yīng)時(shí)間為16.5ms。而在摻雜了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ag納米線之后，復(fù)合體系電光性能測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖3為摻雜Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶盒的閾值電壓隨Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線。

從圖2和圖3中可以看出，隨著銀納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，閾值電壓逐漸減小。在銀納米線濃度較低時(shí)，閾值電壓下降較快，隨著銀納米線濃度的增大，閾值電壓逐漸趨于平穩(wěn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)比不摻雜銀納米線的純TN液晶顯示模式液晶盒，摻雜極少量Ag納米線便能使閾值電壓明顯下降。在銀納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，閾值電壓下降最多，此時(shí)閾值電壓下降約14%，對(duì)液晶電－光性能的改善效果明顯。

圖2 摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的TN顯示模式液晶池電壓－透過(guò)率曲線Fig.2 V－T curves for pure and Ag nanowires doped 5CB LC cells dependent on the concentration of Ag nanowires

圖3 摻雜Ag納米線的TN顯示模式液晶池的閾值電壓隨Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.3 Threshold voltage curve for pure and Ag nanowires doped 5CB LC cells

3.2 Ag納米線對(duì)TN模式液晶頻率調(diào)制特性的影響

我們用上述材料中Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的樣品進(jìn)行了液晶頻率調(diào)制特性的研究。圖4為摻雜的Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)不同頻率下TN液晶顯示模式液晶盒的透過(guò)率隨電壓的變化曲線。圖5為摻雜Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶盒的閾值電壓隨頻率的變化曲線。

從圖4和圖5中可以看出，摻雜了銀納米線之后，頻率的改變對(duì)液晶閾值電壓影響顯著，在低頻率下更為明顯。隨著頻率增大，閾值電壓迅速減小，但當(dāng)頻率繼續(xù)增大，減小趨勢(shì)變緩直至最后趨于飽和。在實(shí)驗(yàn)變量改變的條件下（10Hz～1 000Hz），閾值電壓改變了0.65V。

圖4 不同頻率下?lián)紸g納米線的TN液晶顯示模式液晶池電壓－透過(guò)率曲線Fig.4 V－T curves for Ag nanowires doped 5CB LC cells dependent on the frequency

表1為摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Ag納米線的TN液晶盒的響應(yīng)時(shí)間。在沒(méi)有摻雜Ag納米線時(shí)，5CB的響應(yīng)時(shí)間是16.5ms。從表1可以看出，響應(yīng)時(shí)間與5CB相比普遍增大。摻雜濃度為0.01%時(shí)，響應(yīng)時(shí)間有所減小，其它摻雜濃度TN模式液晶盒的響應(yīng)時(shí)間均比5CB大。響應(yīng)時(shí)間與摻雜濃度之間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。

表1 摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ag納米線的TN液晶顯示模式液晶池的響應(yīng)時(shí)間Tab.1 Response time for Ag nanowires doped 5CB LC cells

4 結(jié) 論

通過(guò)在向列相液晶中摻雜Ag納米線，研究液晶－Ag納米線復(fù)合體系的電－光性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ag納米線的加入能夠有效降低TN液晶模式液晶池的閾值電壓，但液晶響應(yīng)時(shí)間有一定增加。液晶5CB的閾值電壓與摻雜Ag納米線的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在明顯的變化規(guī)律，隨著摻雜Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，5CB的閾值電壓逐漸減小，閾值電壓最大降幅可達(dá)14%。響應(yīng)時(shí)間與Ag納米線質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。另外摻雜Ag納米線以后的TN液晶模式液晶池的閾值電壓受頻率影響明顯，隨著頻率的增大閾值電壓降低，直至趨于飽和。

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