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摘 要：为了减少运动模糊、控制场序色彩、改善低温工作性能以及在一些立体显示器中的用途,液晶的快速响应显得极其必要.本文综述了向列型液晶显示器响应时间的一些重要影响因素.

关 键 词：显示器；快速响应；液晶效应

中图分类号：TN141.9文献标识码：B

Fast-SwitchingLiquid-CrystalEffectsforDisplays

PhilipBos

（LiquidCrystalInstitute,KentStateUniversity,USA）

Abstract:Afastliquid-crystalresponsetimeisneededinordertoreducemotionblur,toallowfield-sequentialcolor,toimprovelow-temperatureoperation,andforuseinsomestereoscopicdisplays.AreviewofthefactorsthatcontroltheresponsetimeinnematicLCDsfollows.

Keywords:display；fast-switching；liquid-crystaleffect

应用液晶快速响应机理不但可以降低显示器中运动模糊的影响,还可以用来改善场序色彩（field-sequentialcolor）或数字灰度级（digitalgrayscale）.本文综述了影响向列型液晶显示器响应速度的主要因素,特别是扭曲向列型（twisted-nematic,TN）、电控双折射型（electricallycontrolledbirefringence,ECB）和垂直取向型（verticallyalignment,VA）液晶显示器,以及共面开关（in-plane-switching,IPS）模式.本文重点介绍控制这些显示器响应速度的基本问题,以及更快显示模式的情况,例如π-盒以及非向列型液晶显示器.

液晶显示器的光学开关时间与液晶材料的动力学特性和液晶显示模式的光学性质有关.

若考虑到材料动力学,取向场（directorfield）的变化尤其引人注意.指向矢（localdirector）定义为：在纳米尺度范围内,指向矢的方向为分子长轴（受热运动的影响较大）的平均指向方向.取向场是宏观描述液晶盒取向方向的量.图1表示了在加电和不加电的情况下,显示器中均匀取向像素的取向场.

取向场动力学主要受液晶材料三个因素的影响：与平衡指向场形变相关的弹性能、材料粘度和介电性能.这些材料的因素主要受所用材料的液晶相态的影响.

大多数商业显示器使用向列相液晶（分子取向有序、平移无序）.与这些因素相关的扭矩如式1所示,使用极角变化率描述指向矢.这里进行了简化假设：取向场的变化只发生于垂直于液晶盒基板的方向上（通常像素尺寸约为100μm,盒厚约为4μm）；弹性扭矩和粘度设为常数；△θ的值小于θ的平均值.

其中,z为盒厚；θ为指向矢与z轴的夹角；△θ为△t时间内θ的变化量；γ为旋转粘度；K为平均弹性常数；△ε为液晶材料的介电各向异性.

施加电压后取向场松弛快慢的主要决定因素是：取向场扭曲程度（dθ／dz的大小）、材料的弹性常数及粘度.如图1所示,施加电场时,基板附近的指向场扭曲大.去掉电场,就松弛到未加电压时的状态.

外加电场的方向和强度（代入公式1）以及液晶盒表层取向场的边界条件均由含液晶材料的液晶盒决定.如图1所示,液晶盒基板上的取向层决定了指向场的边界条件,液晶盒上下基板的电极决定了电场方向沿盒法线方向.

根据公式1,同时考虑盒厚的影响,弹性扭矩随d2变化,因此盒厚对移除电压后的松弛影响很大.因此,常用公式2计算液晶显示器的松弛时间,来近似表示指向场的自由松弛.

但是光学响应时间更复杂.光学响应既与指向场的变化有关,还与应用的特殊光学效应有关.图1所示的液晶盒具有可调的双折射效应,通过正交偏振片（与液晶盒摩擦方向成45°角的方向排列）的光透过率由sin(π△n'd/λ)来表示,其中△n'd取决于用n(z)等于nn/nsin(θ)＋ncos(θ)和△n(z)等于n(z)-n计算的△nd的平均值.液晶盒如果无外加电压时,△n'd由盒厚和液晶材料双折射率的乘积决定,等于△nd/λ.

如上所述,当施加电压时,指向矢重新取向,引起△n'减小.在一定高的电压范围内,△n'd/λ值和透过率均为0.对于这种显示器,光学响应时间与从接近零透射的状态转变到接近于最大透射的状态所需时间相关.最薄的盒需要满足△nd/λ＝0.5.需要注意的是,如果盒厚较大并且指向矢响应转变按公式(2)进行,全光学响应并不要求所有指向矢都响应.例如,当使用同样的液晶材料时,比较两个液晶盒,其中一个盒厚满足△nd/λ等于0.63,而另一个的盒厚是第一个的3.16倍,即△nd/λ等于2,这就意味着较薄的盒的指向场松弛率仅为较厚盒的十分之一.但是需要注意,对于较厚的盒,指向场只需要松弛到△n'd/λ平衡值的25%,就能实现最大透过率；而对于较薄的盒,则需要松弛达到平衡值的80%才能实现.因此,较薄的液晶盒需要全面松弛到接近零场的平衡状态,但较厚的盒的指向矢只需要改变一个较小的角度就能实现光学开关的作用.

图2表示了两种不同厚度的双折射率可调的液晶盒的指向响应与光学响应.较厚液晶盒的光学响应稍慢,尽管其指向效应预期系数为10.

在实际液晶盒中,需要考虑液晶的流动性（下文将会讨论）,盒厚相当大时,实际响应速度比盒厚非常薄的更快.该效应最初是Kobayashi在研究快速响应显示器时提出的[1].该效应后来被称为"表面模式（surfacemode）".同时Kobayashi也指出了该方法的缺点――视角小.

虽然可调双折射光学效应的例子证实了取向响应和光学响应的非线性关系,但其他效应的影响关系又与此不同.以宾主型液晶显示盒为例,要实现全面的光学响应就要求达到完全的取向垂直（因此相对较慢）.

从上文可以明显看出,液晶材料保持不变而减小液晶盒厚度时,如公式(2)所示,由于显示器的光学厚度减小,响应时间并不会缩短；而如果减小液晶盒厚度同时保持光学厚度不变,会有产生显著效果.例如,具有相同光学厚度的显示器,结合公式(2)和公式△nd等于C(常数),可以计算出材料参数比γ/K△n2,它与松弛时间成正比.Wu[2]近期发表了一篇采用大双折射率材料制备薄型、快速的显示器的文章.Kumar[3]提出了一种制备超薄液晶盒的方法.

可以采用多层盒作为单层薄液晶盒的替代品.因为显示器的弛豫速度与盒厚的平方成正比,将厚盒一分为二,则会使显示器响应速度加快三倍.同时,也有可能设计出一种显示器,其响应时间仅受外场转变时间控制,可实