光学补偿弯曲排列技术的优点与应用方向

引言

optically compensated Birefringence:光学补偿弯曲排列。是一种用于液晶显示的新技术，该技术的应用大大的提高了液晶显示器的响应时间。OCB最大的优点当推其超快的响应速度，非常适合用于显示动态图像。OCB第二个令其它技术无法追赶的优点在于鲜艳的显示效果，独特的结构让液晶分子拥有光补偿双折射的特质，让它可以达到传统TFT-LCD三倍以上的高色纯度，输出丰富艳丽的色彩，这是当前各类LCD显示技术无法比拟的。

近年来，由于3D 电视的大量推广带动了快门式眼镜的需求大量增加，因快门式眼镜对液晶响应速度的要求很高，而且具有越来越高的趋势，现在已基本达到了2ms 以内的要求，对于TN/STN 产品，降低盒厚是改善响应时间的有效方法，但随之带来的是工艺难度的提高和成本的增加。OCB 基于其原理在快速响应上的优势将会凸显出来，所以很多LCD 厂家都进行了广泛深入的研究。本文基于OCB 原理，探讨和研究OCB 器件原理、制作以及其在响应时间上的优势，并通过实际制作得到了较好的实验效果。

1 理论基础研究

OCB 模式称为光学补偿弯曲模式，是一种比较新的液晶显示原理，基本原理是液晶分子沿面呈反平行的方向排列，中间分子始终处于与基板垂直的状态，看上去很像两层TN 型液晶模式相叠。不加电场时，液晶的取向矢弯曲排列；当加电场时，液晶分子在电场的作用下，中间分子的转向推动整个液晶分子沿电场方向以近乎垂直于基板的方式排列，如图1 所示，因为液晶分子的排列呈中轴对称排列，很像字母π，因此又称为π模式。

与TN 和STN 等扭曲液晶材料不同，OCB 工作的模式是在外电场的控制下由弯曲排列状态到几乎垂直于基板的状态之间变换，由液晶分子弯曲排列的特性可知，OCB 液晶分子只在一个平面内转动，因此液晶分子转动所需的能量相对较少，这就给提高液晶的响应时间提供了可能。我们知道，由于OCB 的π 盒对称结构，使其具有很多优点，本文重点讨论与响应时间有关的原理和参数，初始状态的液晶分子并不是呈弯曲模式排列的，而是处于展曲的状态，如图2 所示。

当施加电场时，中间的液晶分子呈垂直于基板排列，液晶分子呈弯曲状态，一旦停止施加电场，液晶分子将呈展曲状态，当加载合适的电场时，液晶分子将保持弯曲状态，OCB 的这种弯曲状态到展曲状态是由弹性势能引起的。OCB 有快速反应主要是两个方面，一个是液晶分子在电场的作用下可以避免引起背流效应，另一个是在弯曲排列状态下由于电场的加入，引起基板附近液晶分子的排列高度变形。

对于OCB 模式而言，由于液晶分子的特殊排列，上下层液晶的指向矢在电场作用下的偏转方向一致，因此在调整液晶分子的取向时避免了背流效应，大大加快了液晶的响应速度，如图2 所示。而在实际应用中，为了提高液晶的响应速度，通常是提高PI 取向层的预倾角，使得液晶分子的预倾角越大，响应时间也就越快。

下面我们讨论一下液晶材料的光学各向异性参数、介电常数和弹性参数等对响应时间的影响。由于OCB 在结构上的特性，其加载电压的开关特性由下式表示：

由以上各式可得：

由以上分析可见，假设η1 /γ1、η2 /γ1、η12/γ1及K3/K1 恒定，那么由式（3）可以得到：

然后在忽略材料弹性常数和粘滞系数的改变会引起△n 增加的条件下，d 采用1/△n 代替，那么可以得到：

由以上分析可以看出，OCB 关闭响应时间τoff同粘滞系数γ1 成正比，与液晶的展曲弹性模量K1、弯曲弹性模量K3 成反比。

OCB 显示的开启时间和关闭响应时间分别用公式表示：

所以由以上公式表明，OCB 的液晶开启时间和材料的粘滞系数、阈值电场强度Ec 和驱动电场强度E 的大小有关。粘滞系数越大，LC 响应时间就越大；驱动电压越大，阈值电压越小，LC 开启时间越小；同样，阈值电压愈大，粘滞系数越小，所要的关闭时间就越快。

2 实验参数设计

由于OCB π 盒的原理，其液晶盒是可以按照理论进行制作的，难度在于PI 层材料选择和取向盒制作，我们选择一款反射的中小型仪器仪表显示产品作为研究对象。从制作工序上讨论，光刻工艺和材料同TN 的产品没有差别，用同样的制作工艺即可；取向层的材料选择和工艺要求比较高，因其要求的预倾角达到6～8°且要求均匀，我们选择了国外的一种高预倾角的PI。

目前我公司在膜厚控制上已经达到了200±25埃的水平，满足了以往光阀和双稳态产品的要求。在硬件设施上，采用了国际上一流的印刷设备，并且积累了厚度制作的大量经验；对于摩擦关键点的解决，我公司的设备为LCD 行业的顶尖设备，其摩擦辊在2,000RPM 情况的跳动<0.5μm，所以获取了符合要求的预倾角；为了体现出OCB 的快速响应特点，本项目没有选择较小的盒厚，本项目制作5μm 的盒厚作为研究的对象，当然操作以上工艺时，相应的环境控制是必要的。

3 结果与讨论

通过以上的设计和工艺我们制作了一个OCB的样品，并进行了关于响应时间的测试，所选用的设备为DMS- 501，测试的结果如图3 所示，测试条件是电压为5V的静态测试。

同样，用相同的条件测试了一TN 产品（5μm盒厚），如图4 所示。

从以上两图数据得到了响应时间大致在27ms ，比同样条件的TN 产品要快1 倍以上，从上图可以看出，OCB 产品在响应时间上的优势还是比较明显的，因此，后续在工艺上进行优化处理是有可能在一部分产品上得到应用的。

4 结论

当前OCB 在国外大学和研究所已经成为了研究前沿和热点，但在国内的研究还不是很多，本文通过对OCB 响应时间的理论探讨，并结合实际制作，证明OCB 在响应时间上的优势还是比较明显的，如果进一步对该工艺和项目进行完善，应用范围还是比较广阔的，比如3D、场序等产品，应用前景还是不错的。