CN107589149B - 一种液晶扭曲弹性常数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液晶扭曲弹性常数的测量方法,该方法使用的液晶空盒有PAN液晶空盒、VAN液晶空盒、TN液晶空盒和IPS液晶空盒;所述的测量方法用于测量正性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒;用于测量负性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和IPS液晶空盒;利用C‑U法测量液晶盒不同电压下对应的电容,考虑聚酰亚胺(PI)取向层对液晶盒电容的影响,可精确得到待测向列相液晶材料的平行介电常数ε//、垂直介电常数ε⊥、展曲弹性常数k11、弯曲弹性常数k33和扭曲弹性常数k22。
Description
技术领域:
本发明设计的是一种液晶扭曲弹性常数的测量方法,能够测量各种正性和负性向列相液晶的弹性常数,适合各相关高校或企业测量液晶扭曲弹性常数。
背景技术:
弹性常数是液晶材料的重要物理参量之一,直接影响液晶显示器件的响应时间、占空比、阈值电压等重要的电光效应参数。对于向列相液晶,液晶分子指向矢的排列有展曲、扭曲和弯曲三种独立的形变,分别对应展曲弹性常数k11、扭曲弹性常数k22和弯曲弹性常数k33。对于k11和k33目前已经有数值模拟和拟合等较为简单的方法进行测量。而k22的测量已有外加磁场、向错、光散射、导模、电学等方法,但是都难以做到精确测量。
在已有的液晶扭曲弹性常数的测定方法中,有通过对液晶盒同时施加电场和磁场来引起扭曲变形,通过测定阈值电压,运用已知液晶材料的其它参数,计算出k22的值。这种方法需要外加约1T均匀磁场,并且已知液晶材料磁化率,同时实验还需要特殊的操作设备,一次实验时间长达几个小时,实验测得的误差为15%。还有利用扭曲向列相液晶的弗雷德里克兹(Fréedericksz)转变,随施加在扭曲向列相液晶盒基板电极电压的增加,液晶分子取向逐渐转变,导致阈值电压的出现,通过阈值电压和弹性常数的关系式并运用已知液晶材料的其它参数计算出k22的值。然而在测量中需要外加手性掺杂剂,而掺杂剂的添加又将导致液晶分子取向发生变化,影响测量精度。此外,还有楔形液晶盒技术,将掺杂手性剂的液晶材料填充在楔形液晶盒中,液晶分子排列会出现区分平行排列与扭曲排列的向错线,此处液晶盒厚度d与手性剂掺杂引起的扭曲螺距P的比值为0.25,因此向错线附近的阈值电压可用来测定k22的值。尽管比前面的方法简单,但是向错线会随着电压移动,使得阈值电压存在不确定性,仍然限制了测定k22的精度。上述方法均未考虑液晶盒上下基板表面取向层对测量结果的影响,它将导致实际施加在液晶层的电压不同于外加测量电压,同样会影响液晶层的电容值。
发明内容:
本发明使用平行排列向列相(PAN)液晶盒、垂直排列向列相(VAN)液晶盒、扭曲排列向列相(TN)液晶盒和共面转换型(IPS)液晶盒,利用C-U法测量液晶盒不同电压下对应的电容,考虑聚酰亚胺(PI)取向层对液晶盒电容的影响,可精确得到待测向列相液晶材料的平行介电常数ε//、垂直介电常数ε⊥、展曲弹性常数k11、弯曲弹性常数k33和扭曲弹性常数k22。此法在测量正性(介电各向异性大于零)或负性(介电各向异性小于零)液晶弹性常数时均可使用,其中测定正性液晶时使用PAN、VAN和TN液晶盒,测定负性液晶时使用PAN、VAN和IPS液晶盒。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案为:提供一种液晶扭曲弹性常数的测量方法,该方法使用的液晶空盒有PAN液晶空盒、VAN液晶空盒、TN液晶空盒和IPS液晶空盒;
所述的测量方法用于测量正性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒;用于测量负性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和IPS液晶空盒;
具体步骤是:
第一步、建立液晶盒电容模型:
所述液晶盒电容模型从上至下包括第一玻璃基板、第一ITO电极层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二ITO电极层和第二玻璃基板,第一取向层和第二取向层宽度相同;PAN液晶盒、VAN液晶盒、TN液晶盒和IPS液晶盒均满足液晶盒电容模型;所述的PAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应玻璃基板的夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的VAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为竖直方向,与相应玻璃基板的夹角均为88~89°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的TN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应的玻璃基板夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向垂直;
所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层的平面内包括两个共面电极,且两个共面电极相互不连接;第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向或水平方向,竖直方向时与玻璃基板夹角88~89°,水平方向时与第二取向层对第二取向层附近液晶分子指向矢的取向平行,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角为30-60°;
第二步、判断液晶材料性质,若为正性液晶材料进入第三步,若为负性液晶材料进入第四步;
第三步、测量正性液晶扭曲弹性常数:
3-1、将正性液晶材料分别灌入到PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒中;然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测PAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容,得到PAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定PAN液晶盒中液晶层的阈值电压,
其中,C为液晶盒总电容,CLC为液晶层电容,C1为第一取向层电容,C2为第二取向层电容;
测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,由VAN液晶盒中液晶层在高电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN及PAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;
式中,S为电极面积,ε0为真空介电常数,LLC为液晶层的厚度,θPAN和θVAN分别为第一取向层和第二取向层在PAN液晶盒和VAN液晶盒中对各自取向层附近液晶分子指向矢取向与相应玻璃基板间的夹角;
所述展曲弹性常数k11的测量步骤是:根据PAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(10)计算展曲弹性常数k11的值,
其中,Δε=ε//-ε⊥,ε0为真空介电常数;
3-2、根据步骤3-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11,利用TechWiz LCD软件模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线与实测PAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到弯曲弹性常数k33的值;
3-3、测定TN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测TN液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤3-1和步骤3-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟TN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟TN液晶盒的C-U特性曲线与实测TN液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值;
第四步、测量负性液晶扭曲弹性常数:
4-1、将负性液晶材料分别灌入VAN液晶盒、PAN液晶盒和IPS液晶盒,然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容;测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测VAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,得到VAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定VAN液晶盒中液晶层的阈值电压;由PAN液晶盒中液晶层在高电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN及由VAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;
所述弯曲弹性常数k33的测量步骤是:根据VAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(12)计算弯曲弹性常数k33的值;
4-2、根据步骤4-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线与实测VAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到展曲弹性常数k11的值;
4-3、测定IPS液晶盒的液晶盒总电容,得到实测IPS液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤4-1和步骤4-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线,将模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线与实测IPS液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明是在精确测量向列相液晶平行介电常数ε//、垂直介电常数ε⊥、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33的基础上可以精确测量不同正性和负性向列相液晶的扭曲弹性常数,实验操作简单,不需要施加大磁场,也不需要添加手性剂,只需利用精密LCR表并精确控制温度测量平面液晶盒(无需楔形液晶盒)的电容,然后通过液晶盒电容模型处理得到液晶层的电容,由此得到ε//、ε⊥和k11或k33,最后通过实验测量与理论模拟的C-U曲线拟合得到k33或k11和k22。
当测量正性液晶材料时,首先测量PAN、VAN和TN液晶盒在外加频率为1KHz电压0.2~20V的电容,得到C-U特性曲线,然后根据低电压下PAN液晶盒总电容得到其液晶层电容,不考虑液晶分子倾角时,直接由此得到ε⊥的数值,根据VAN液晶盒总电容得到其液晶层电容,由此直接得到ε//的数值;若考虑液晶分子倾角,则按照式(7)得到ε//和ε⊥的数值;紧接着由PAN液晶盒液晶层的阈值电压得到液晶材料k11的数值,通过PAN液晶盒TechWizLCD软件模拟与实验测量C-U特性曲线比较得到k33的值,最后通过TN液晶盒TechWiz LCD软件模拟与实验测量C-U特性曲线比较得到k22的值;当测量负性性液晶时,首先测量PAN、VAN和IPS液晶盒在外加频率为1KHz电压0.2~20V的电容,得到C-U特性曲线,然后根据低电压下VAN液晶盒总电容得到其液晶层电容,不考虑液晶分子倾角时,直接由此得到ε//的数值,根据PAN液晶盒总电容得到其液晶层电容,由此直接得到ε⊥的数值;若考虑液晶分子倾角,则按照式(7)得到ε//和ε⊥的数值;紧接着由VAN液晶盒液晶层的阈值电压得到液晶材料k33的数值,通过VAN液晶盒TechWiz LCD软件模拟与实验测量C-U特性曲线比较得到k11的值,最后通过IPS液晶盒TechWiz LCD软件模拟与实验测量C-U特性曲线比较得到k22的值。
同一类型的液晶空盒采用设计相同的液晶空盒结构和相同的液晶空盒参数,无需重复测量液晶空盒参数,利于比较不同向列相液晶材料之间扭曲弹性常数的相对差别,减少由于液晶盒不同引起的测量误差。同时采用液晶盒电容模型,从理论上消除了PI层的影响,提高了液晶材料参数的测量精度,包括液晶扭曲弹性常数。相较于其他测量液晶扭曲弹性常数的方法,测量精度提高80%以上,接近真实值。
本申请采用液晶盒电容模型,即考虑PI取向层对液晶盒电容的影响,将液晶盒总电容与液晶层电容区分开,可以精确得到如上所述的与液晶(正性或负性)扭曲弹性常数相关的材料参数,从而得到液晶的扭曲弹性常数。利用多种液晶空盒结构,设计更为具体的液晶盒参数,获得测量液晶扭曲弹性的实验数据后方便进行处理数据,统一测量标准,提高测量效率。
附图说明:
图1本发明实施例中PAN液晶盒的结构示意图;
图2本发明实施例中VAN液晶盒的结构示意图;
图3本发明实施例中TN液晶盒的结构示意图;
图4(a)本发明实施例中PAN液晶空盒中第一ITO电极层2与第一玻璃基板1的俯视结构示意图;
图4(b)本发明实施例中PAN液晶空盒中第二ITO电极层6与第二玻璃基板7的俯视结构示意图;
图5本发明实施例中PAN液晶空盒的俯视结构示意图;
图6本发明实施例中IPS液晶盒的结构示意图;
图7本发明实施例中IPS液晶空盒的两个电极层的结构示意图;
图8PAN液晶盒和PAN液晶层的C-U特性曲线(E7);
图9VAN液晶盒和VAN液晶层的C-U特性曲线(E7);
图10PAN液晶盒模拟电容与实测电容约化后的C-U特性曲线比较(E7);
图11TN液晶盒模拟电容与实测电容归一化后的C-U特性曲线比较(E7);
图12VAN液晶盒和VAN液晶层的C-U特性曲线(81H82300-100);
图13PAN液晶盒和PAN液晶层的C-U特性曲线(81H82300-100);
图14VAN液晶盒模拟电容与实测VAN液晶盒电容约化后的C-U特性曲线比较(81H82300-100);
图15IPS液晶盒模拟电容与实测IPS液晶盒电容归一化后的C-U特性曲线比较(81H82300-100);
图16液晶盒电容模型。
图中,1第一玻璃基板、2第一ITO电极层、3第一取向层、4液晶层、5第二取向层、6第二ITO电极层、7第二玻璃基板、8封框胶、9~10金属夹、61~62共面电极。
具体实施方式:
下面结合实施例及附图进一步解释本发明,但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明液晶扭曲弹性常数的测量方法(简称方法),该方法使用的液晶空盒有PAN液晶空盒、VAN液晶空盒、TN液晶空盒和IPS液晶空盒;
所述的测量方法用于测量正性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒;用于测量负性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和IPS液晶空盒;
具体步骤是:
第一步、建立液晶盒电容模型:
所述液晶盒电容模型从上至下包括第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7,第一取向层3和第二取向层宽度相同;PAN液晶盒、VAN液晶盒、TN液晶盒和IPS液晶盒均满足液晶盒电容模型;所述的PAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应玻璃基板的夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的VAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为竖直方向,与相应玻璃基板的夹角均为88~89°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的TN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应的玻璃基板夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向垂直;
所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层的平面内包括两个共面电极,且两个共面电极相互不连接;第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向或水平方向,竖直方向时与玻璃基板夹角88~89°,水平方向时与第二取向层对第二取向层附近液晶分子指向矢的取向平行,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角为30-60°;
第二步、判断液晶材料性质,若为正性液晶材料进入第三步,若为负性液晶材料进入第四步;
第三步、测量正性液晶扭曲弹性常数:
3-1、将正性液晶材料分别灌入到PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒中;然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测PAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容,得到PAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定PAN液晶盒中液晶层的阈值电压,
其中,C为液晶盒总电容,CLC为液晶层电容,C1为第一取向层电容,C2为第二取向层电容;
测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,由VAN液晶盒中液晶层在高电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN,由PAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN,考虑第一取向层和第二取向层对各自附近液晶分子的取向作用,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;所述高电压为不小于10V的电压;
式中,S为电极面积,ε0为真空介电常数,LLC为液晶层的厚度,θPAN和θVAN分别为第一取向层和第二取向层在PAN液晶盒和VAN液晶盒中对各自取向层附近液晶分子指向矢取向与相应玻璃基板间的夹角;
所述展曲弹性常数k11的测量步骤是:根据PAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(10)计算展曲弹性常数k11的值,
其中,Δε=ε//-ε⊥,ε0为真空介电常数;
3-2、根据步骤3-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11,利用TechWiz LCD软件模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线与实测PAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到弯曲弹性常数k33的值;
3-3、测定TN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测TN液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤3-1和步骤3-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟TN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟TN液晶盒的C-U特性曲线与实测TN液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值。
第四步、测量负性液晶扭曲弹性常数:
4-1、将负性液晶材料分别灌入VAN液晶盒、PAN液晶盒和IPS液晶盒,然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容;测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测VAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,得到VAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定VAN液晶盒中液晶层的阈值电压;由PAN液晶盒中液晶层在高电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN及由VAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;所述高电压为不小于10V的电压;
所述弯曲弹性常数k33的测量步骤是:根据VAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(12)计算弯曲弹性常数k33的值;
4-2、根据步骤4-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线与实测VAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到展曲弹性常数k11的值;
4-3、测定IPS液晶盒的液晶盒总电容,得到实测IPS液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤4-1和步骤4-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线,将模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线与实测IPS液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值。
上述液晶扭曲弹性常数的测量方法中,所述的PAN、VAN和TN液晶空盒结构完全相同,第一玻璃基板和第一ITO电极层右侧凸出第一取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹9,作为负电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;同样,第二ITO电极层和第二玻璃基板左侧凸出第二取向层边缘2~5mm,其凸出部分夹有金属夹10,作为正电极引脚;
所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层和第二玻璃基板的左侧凸出第二取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹,作为正电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;第二ITO电极层和第二玻璃基板的右侧凸出第二取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹,作为负电极引脚。
所述IPS液晶空盒的第二ITO电极层6包括两个形状相同的共面电极(61和62),氧化铟锡材料通过磁控溅射到第二玻璃基板7后刻蚀形成;两个共面电极(61和62)呈梳状电极,两个梳状电极中的条状电极相互交叉但不连接,从左到右依次编号为a1~an,其中条状电极编号为偶数(a2、a4、a6、…、an)属于左边的共面电极61,编号为奇数(a1、a3、a5、……、an-1)属于右边的共面电极62,条状电极的宽度为12μm,相邻两个条状电极的间隔为15μm;n为偶数且可自定义。
上述液晶扭曲弹性常数的测量方法中,所述的第一取向层和第二取向层的材质均为聚酰亚胺(PI)材料,厚度为20~100nm。
上述液晶扭曲弹性常数的测量方法中,所述第一玻璃基板和第二玻璃基板的厚度均为0.2~1.1mm。
两个取向层的两端设置有混有玻璃纤维的封框胶8,玻璃纤维的直径为4~20μm,所述的封框胶为环氧树脂。
本发明中所述阈值电压是指通过相应的C-U曲线确定,电容相对变化10%所对应的电压值。
图1所述实施例表明,本发明方法所采用的PAN液晶盒的结构从上到下依次为:第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7;两个取向层的宽度相同,两个取向层两端设置有混有玻璃纤维的封框胶8;第一玻璃基板1和第一ITO电极层2右侧凸出第一取向层3边缘3mm,凸出部分夹有金属夹9,作为负电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;同样,第二ITO电极层6和第二玻璃基板7左侧凸出第二取向层5边缘3mm,其凸出部分夹有金属夹10,作为正电极引脚。
所述的混有玻璃纤维的封框胶8可以使液晶盒盒厚均匀,并防止盒内液晶流出盒外,玻璃纤维直径为4μm,封框胶材质为环氧树脂。两个玻璃基板的厚度为1.1mm。
两个取向层的材质均为聚酰亚胺(PI),第一取向层3和第二取向层5厚度均为50nm,两个取向层的介电常数均为3.1,第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向也为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°。且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行。
图2所示实施例表明,本发明方法所采用的VAN液晶盒的结构与PVN盒结构相同,从上到下依次为:第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7;两个取向层的宽度相同,两个取向层两端均设置有混有玻璃纤维的封框胶8;第一玻璃基板1和第一ITO电极层2右侧凸出第一取向层3边缘3mm,凸出部分夹有金属夹9,作为负电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;同样,第二ITO电极层6和第二玻璃基板7左侧凸出第二取向层5边缘3mm,其凸出部分也夹有金属夹10,作为正电极引脚。
所述的两个取向层的材质均为聚酰亚胺(PI),第一取向层3和第二取向层5厚度均为15nm,两个取向层的介电常数均为3.1,第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向,与玻璃基板夹角88~89°,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向也为竖直方向,与玻璃基板夹角88~89°。且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行。
图3所示实施例表明,本发明方法中所述的TN液晶盒结构与PAN液晶盒结构整体相同,从上到下依次为:第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7;两个取向层的宽度相同,两个取向层两端均设置有混有玻璃纤维的封框胶8;第一玻璃基板1和第一ITO电极层2右侧凸出第一取向层3边缘3mm,凸出部分夹有金属夹9,作为负电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;同样,第二ITO电极层6和第二玻璃基板7左侧凸出第二取向层5边缘3mm,其凸出部分也夹有金属夹10,作为正电极引脚。
所述的两个取向层的材质均为聚酰亚胺(PI),第一取向层3厚度为70nm,第二取向层5厚度为70nm,两个取向层的介电常数为3.1,第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向也为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°。且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向垂直。
图4(a)和图4(b)分别为本发明中PAN液晶盒上的两个ITO电极层6与两个玻璃基板的结构示意图,液晶空盒是由上下两块ITO导电玻璃封装构成,两个图中ITO电极层上电极的形状均为圆形电极,两个圆形电极大小形状相同,氧化铟锡材料通过磁控溅射到第一玻璃基板1和第二玻璃基板3后刻蚀形成,圆形电极的直径为1.0cm。
图5为本发明中PAN液晶空盒的俯视结构示意图,该图为图4(a)和图4(b)两个图相互交叠后的效果,从右到左依次为:第一ITO电极层2、第一ITO电极层和第二ITO电极层重合区域A、第二ITO电极层6;其中,重合区域A中的第一ITO电极层2和第二ITO电极层6的两个电极相互不连接,在空间上形成上下对称的电场。在VAN液晶盒和TN液晶空盒中电极结构与PAN液晶盒中电极结构相同。
图6所示实施例为本发明方法中IPS液晶盒的结构示意图,从上到下依次为:第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7;两个取向层的宽度相同,两个取向层两端均设置有混有玻璃纤维的封框胶5;第二玻璃基板7和第二ITO电极层6左侧凸出第二取向层5边缘3mm,凸出部分夹有金属夹10,作为正电极引脚,方便对液晶盒施加驱动电压信号;同样,第二玻璃基板7和第二ITO电极6右侧凸出第二取向层5边缘3mm,凸出部分夹有金属夹9,作为负电极引脚。
所述的两个取向层的材质均为聚酰亚胺(PI),第一取向层3厚度为15nm,第二取向层5厚度为50nm,两个取向层的介电常数均为3.1,第一取向层对取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向,与玻璃基板夹角88~89°;第二取向层对取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角45°。
图7所示实施例表明,本发明方法中IPS液晶空盒包括两个电极层:第一ITO电极层2和第二ITO电极层6;第一ITO电极层利用氧化铟锡材料通过磁控溅射到第一玻璃基板上形成;第二ITO电极层6包括两个形状相同的两个共面电极(61和62),氧化铟锡材料通过磁控溅射到第二玻璃基板7后刻蚀形成;两个共面电极(61和62)呈梳状电极,两个梳状电极中的条状电极相互交叉但不连接,按照图7从左到右依次编号为a1~an,其中条状电极编号为偶数(a2、a4、a6、…、an)属于左边的共面电极61,编号为奇数(a1、a3、a5、……、an-1)属于右边的共面电极62,条状电极的宽度为12μm,相邻两个条状电极的间隔为15μm;n为偶数且可自定义。
以下结合附图对本发明的实施进一步描述:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1(正性液晶):
当测量正性液晶时(以液晶E7为例),将液晶E7通过毛细作用灌入PAN、VAN和TN液晶空盒中。利用精密LCR表(Keysight E4980A)测量环境温度为20℃时PAN、VAN和TN液晶盒在外加电压0.2~20V,频率1KHz下的C-U特性曲线。如图8所示,低电压下,PAN液晶盒总电容C=0.869nf,得到PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN=0.906nf。如图9所示,VAN液晶盒总电容C=3.196nf,得到VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN=3.34nf。进而得到液晶垂直介电常数ε⊥=5.015和平行介电常数ε//=18.509。再由图8得到PAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth-PAN=0.959V,进而得到液晶材料展曲弹性常数k11=11.128×10-12N。本实施例考虑了液晶分子倾角,PAN液晶盒第一玻璃基板和第二玻璃基板表面处液晶分子的倾角均为1°,VAN液晶盒第一玻璃基板和第二玻璃基板表面处液晶分子的倾角均为89°,介电常数ε⊥和ε//的数值是通过式(7)计算得到的。
利用TechWiz LCD模拟软件设计液晶盒结构,结构同实际使用PAN液晶盒结构相同,设定已知的垂直介电常数ε⊥、水平介电常数ε//、展曲弹性常数k11后通过改变弯曲弹性常数k33的值,模拟出不同的PAN液晶盒C-U特性曲线,将模拟曲线和实测PAN液晶盒C-U特性曲线都归一化后比较,当两条曲线重合时,如图10,得到弯曲弹性常数k33=17.143×10-12N。
利用TechWiz LCD模拟软件设计液晶盒结构,结构同实际使用TN液晶盒结构相同,设定已知的垂直介电常数ε⊥、水平介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33后,通过改变扭曲弹性常数的值,模拟出不同的TN液晶盒C-U特性曲线,将模拟曲线和实际测量的TN液晶盒C-U特性曲线都归一化后比较,当两条曲线重合时,如图11,得到扭曲弹性常数k22=(7.30±0.05)×10-12N。
实施例2(负性液晶):
当测量负性液晶时(以液晶81H82300-100为例),将液晶81H82300-100通过毛细作用灌入VAN,PAN和IPS液晶空盒中,IPS液晶空盒中液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角为45°,所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层的平面内包括两个共面电极,且两个共面电极相互不连接;第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向,竖直方向时与第一玻璃基板夹角89°;第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与第二玻璃基板夹角1°。利用精密LCR表测量环境温度为20℃时VAN,PAN和IPS液晶盒在外加电压0.2~20V,频率1KHz下的C-U特性曲线。如图12所示,低电压下,VAN液晶盒总电容C=0.624nf,得到VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN=0.629nf。如图13所示,PAN液晶盒总电容C=0.917nf,得到PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN=0.958nf。进而得到液晶材料的垂直介电常数ε⊥=5.307和平行介电常数ε//=3.422。再由图12得到VAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth-VAN=3.081V,进而得到液晶材料弯曲弹性常数k33=16.05×10-12N。本实施例考虑考虑了液晶分子倾角,PAN液晶盒第一玻璃基板和第二玻璃基板表面处液晶分子的倾角均为1°,VAN液晶盒第一玻璃基板和第二玻璃基板表面处液晶分子的倾角均为89°,介电常数ε⊥和ε//的数值是通过式(7)计算得到的。
利用TechWiz LCD模拟软件设计液晶盒结构,结构同实际使用VAN液晶盒结构相同,设定已知的垂直介电常数ε⊥、水平介电常数ε//和弯曲弹性常数k33后通过改变展曲弹性常数k11的值,模拟出不同的VAN液晶盒C-U特性曲线,将模拟曲线和实际测量的VAN液晶盒C-U特性曲线都归一化后比较,当两条曲线重合时,如图14,得到展曲弹性常数k11=15.415×10-12N。
利用TechWiz LCD模拟软件设计液晶盒结构,结构同实际使用IPS液晶盒结构相同,设定已知的垂直介电常数ε⊥、水平介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33后,通过改变扭曲弹性常数的值,模拟出不同的IPS液晶盒C-U特性曲线,将模拟曲线和实际测量的IPS液晶盒C-U特性曲线都归一化后比较,当两条曲线重合时,如图15,得到扭曲弹性常数k22=(5.90±0.05)×10-12N。
为了进一步解释实施例中相关数据的具体处理方式,以下对相关处理方式进一步说明:
图16为本发明所述的液晶盒电容模型的结构示意图,从上到下依次为:第一玻璃基板1、第一ITO电极层2、第一取向层3、液晶层4、第二取向层5、第二ITO电极层6和第二玻璃基板7。
设液晶盒总电容为C,第一取向层3电容为C1,第二取向层5电容为C2,液晶层4电容为CLC,第一取向层3和第二取向层5同液晶层4电容串联在一起构成液晶盒总电容,有如下关系
液晶盒总外加电压为U时,施加在第一取向层3两端的电压为U1,液晶层4两端的电压为ULC,第二取向层5两端的电压为U2,满足U=U1+ULC+U2。由电容定义C=Q/U知电荷总量Q=CU。三个电容器两端电量相等,因此,液晶层两端电压
由式(2)-(3)可以得到液晶层的电容和对应的电压。
平行板电容器的电容为
其中S为电极面积,ε0为真空介电常数,ε为介质的相对介电常数,L为两电极间距。因此,第一取向层3,第二取向层5的电容分别为
其中ε1和L1分别为第一取向层3的相对介电常数和厚度,ε2和L2分别为第二取向层5的相对介电常数和厚度。
PAN液晶盒中液晶分子在外加电压较低或低于阈值电压时平行于基板表面排列(正性液晶,如果是负性液晶,在此种情况下液晶分子平行于基板表面的情况要比在VAN液晶盒外加高电压下出现的液晶分子平行基板表面排列情况要好,可以获得更准确的负性液晶垂直介电常数),此时对应的液晶电容为CLC-PAN,对应的液晶垂直介电常数为ε⊥。
VAN液晶盒中液晶分子在外加电压较低或低于阈值电压时垂直于基板表面排列(负性液晶,如果是正性液晶,在此种情况下液晶分子垂直于基板表面的情况要比在PAN液晶盒外加高电压下出现的液晶分子垂直基板表面排列情况要好,可以获得更准确的正性液晶平行介电常数),此时对应的液晶电容为CLC-VAN,对应的液晶平行介电常数为ε//。
考虑PI取向层对取向层附近液晶分子的取向作用,可以得到如下方程组
其中LLC为液晶层4的厚度,θPAN和θVAN分别为第一取向层3和第二取向层5在PAN和VAN液晶盒中对各自取向层附近液晶分子指向矢取向与玻璃基板间的夹角。
液晶材料的介电各向异性
Δε=ε//-ε⊥ (8)
对于正性液晶,由电场下的Fréedericksz转变理论知PAN液晶盒液晶层的阈值电压
进而得到展曲弹性常数
而对于负性液晶,由电场下的Fréedericksz转变理论知VAN液晶盒液晶层的阈值电压
进而得到弯曲弹性常数
根据以上具体理论分析解释可以方便快速地处理测量结果。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (8)
1.一种液晶扭曲弹性常数的测量方法,该方法使用的液晶空盒有PAN液晶空盒、VAN液晶空盒、TN液晶空盒和IPS液晶空盒;
所述的测量方法用于测量正性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒;用于测量负性液晶材料时,使用PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和IPS液晶空盒;
具体步骤是:
第一步、建立液晶盒电容模型:
所述液晶盒电容模型从上至下包括第一玻璃基板、第一ITO电极层、第一取向层、液晶层、第二取向层、第二ITO电极层和第二玻璃基板,第一取向层和第二取向层宽度相同;PAN液晶盒、VAN液晶盒、TN液晶盒和IPS液晶盒均满足液晶盒电容模型;所述的PAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应玻璃基板的夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的VAN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为竖直方向,与相应玻璃基板的夹角均为88~89°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向平行;
所述的TN液晶空盒中第一取向层和第二取向层对各自附近的液晶分子指向矢的取向均为水平方向,与相应的玻璃基板夹角均为1~2°,且第一取向层和第二取向层之间对各自取向层附近液晶分子指向矢的取向垂直;
所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层的平面内包括两个共面电极,且两个共面电极相互不连接;第一取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为竖直方向或水平方向,竖直方向时与玻璃基板夹角88~89°,水平方向时与第二取向层对第二取向层附近液晶分子指向矢的取向平行,第二取向层对该取向层附近液晶分子指向矢的取向为水平方向,与玻璃基板夹角1~2°,液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角为30-60°;
第二步、判断液晶材料性质,若为正性液晶材料进入第三步,若为负性液晶材料进入第四步;
第三步、测量正性液晶扭曲弹性常数:
3-1、将正性液晶材料分别灌入到PAN液晶空盒、VAN液晶空盒和TN液晶空盒中;然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测PAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容,得到PAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定PAN液晶盒中液晶层的阈值电压,
其中,C为液晶盒总电容,CLC为液晶层电容,C1为第一取向层电容,C2为第二取向层电容;
测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,由VAN液晶盒中液晶层在高电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN及PAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;
式中,S为电极面积,ε0为真空介电常数,LLC为液晶层的厚度,θPAN和θVAN分别为第一取向层和第二取向层在PAN液晶盒和VAN液晶盒中对各自取向层附近液晶分子指向矢取向与相应玻璃基板间的夹角;
所述展曲弹性常数k11的测量步骤是:根据PAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(10)计算展曲弹性常数k11的值,
其中,公式(10)中Uth为PAN液晶盒液晶层的阈值电压,Δε=ε//-ε⊥,ε0为真空介电常数;
3-2、根据步骤3-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和展曲弹性常数k11,利用TechWiz LCD软件模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟PAN液晶盒的C-U特性曲线与实测PAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到弯曲弹性常数k33的值;
3-3、测定TN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测TN液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤3-1和步骤3-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟TN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟TN液晶盒的C-U特性曲线与实测TN液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值;
第四步、测量负性液晶扭曲弹性常数:
4-1、将负性液晶材料分别灌入VAN液晶盒、PAN液晶盒和IPS液晶盒,然后分别测量出垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33;
所述垂直介电常数ε⊥和平行介电常数ε//的测量步骤是:测定PAN液晶盒的液晶盒总电容,然后根据式(2)得到PAN液晶盒中液晶层电容;测定VAN液晶盒的液晶盒总电容,得到实测VAN液晶盒的C-U特性曲线,然后根据式(2)得到VAN液晶盒中液晶层电容,得到VAN液晶盒液晶层的C-U特性曲线,进而确定VAN液晶盒中液晶层的阈值电压;由PAN液晶盒中液晶层在高电压下的PAN液晶盒液晶层电容CLC-PAN及由VAN液晶盒中液晶层在低于阈值电压下的VAN液晶盒液晶层电容CLC-VAN,按照式(7)求得液晶平行于指向矢方向的平行介电常数ε//和液晶垂直于指向矢方向的垂直介电常数ε⊥;
所述弯曲弹性常数k33的测量步骤是:根据VAN液晶盒液晶层的阈值电压Uth及平行介电常数ε//和垂直介电常数ε⊥的差值,根据式(12)计算弯曲弹性常数k33的值;
其中,公式(12)中Uth为VAN液晶盒液晶层的阈值电压,Δε=ε//-ε⊥,ε0为真空介电常数;
4-2、根据步骤4-1得到的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线,将模拟VAN液晶盒的C-U特性曲线与实测VAN液晶盒的C-U特性曲线比较得到展曲弹性常数k11的值;
4-3、测定IPS液晶盒的液晶盒总电容,得到实测IPS液晶盒的C-U特性曲线;然后根据步骤4-1和步骤4-2所得的垂直介电常数ε⊥、平行介电常数ε//、展曲弹性常数k11和弯曲弹性常数k33,利用TechWiz LCD软件模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线,将模拟IPS液晶盒的C-U特性曲线与实测IPS液晶盒的C-U特性曲线比较得到扭曲弹性常数k22的值。
2.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述的PAN、VAN和TN液晶空盒结构完全相同,第一玻璃基板和第一ITO电极层右侧凸出第一取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹(9),作为负电极引脚;第二ITO电极层和第二玻璃基板左侧凸出第二取向层边缘2~5mm,其凸出部分夹有金属夹(10),作为正电极引脚;
所述的IPS液晶空盒中第二ITO电极层和第二玻璃基板的左侧凸出第二取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹(10),作为正电极引脚;第二ITO电极层和第二玻璃基板的右侧凸出第二取向层边缘2~5mm,凸出部分夹有金属夹(9),作为负电极引脚。
3.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述IPS液晶空盒的第二ITO电极层包括两个形状相同的共面电极;两个共面电极呈梳状电极,两个梳状电极中的条状电极相互交叉但不连接,从左到右依次编号为a1~an,其中条状电极编号为偶数属于左边的共面电极,编号为奇数属于右边的共面电极,n为偶数。
4.根据权利要求3所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述条状电极的宽度为12μm,相邻两个条状电极的间隔为15μm。
5.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述的IPS液晶空盒中液晶分子指向矢在玻璃基板上的投影与IPS电极周期方向夹角为45°;
6.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述高电压为不小于10V的电压。
7.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述的第一取向层和第二取向层的材质均为聚酰亚胺材料,厚度为20~100nm;两个取向层的两端设置有混有玻璃纤维的封框胶,玻璃纤维的直径为4~20μm,所述的封框胶为环氧树脂。
8.根据权利要求1所述的液晶扭曲弹性常数的测量方法,其特征在于所述第一玻璃基板和第二玻璃基板的厚度均为0.2~1.1mm。
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