手性摻雜聚合物穩(wěn)定VA 液晶的光學(xué)性能

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(yīng)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(yù)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(yīng)用于量產(chǎn)，隨后，三星電子、肯特州立大學(xué)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(yù)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(dāng)于加入不同比例的手性劑，對應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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。