2.3.2 蓝相液晶显示模式

2002年，日本九州大学的H.Kikuchi教授使用聚合物稳定蓝相液晶，成功地获得了温度范围超过60K的稳定蓝相结构，随后多年中，人们致力于增大克尔常数。2008年，三星公司在SID会议上展出了第一台蓝相液晶显示器样机，如图2-34所示，它可实现240Hz的刷新频率和宽视角特性，立刻引发了蓝相液晶显示器的热点研究。2011年，三星公司在SID会议上披露了蓝相液晶显示器的技术细节和性能指数，使用的半椭圆形突起电极结构（如图2-35所示），将驱动电压降低到30V，获得了200:1的对比度和只有0.4V的迟滞效应。2015年，友达公司在SID会议上展出了墙状电极结构的蓝相液晶显示器（如图2-36所示），在墙状突起结构表面制作了透明电极层，与三星公司样机相似，也是需要30V的驱动电压，所以它们的TFT驱动电路需要特殊设计来达到驱动电压的要求。

聚合物稳定蓝相液晶是目前制造大温度范围蓝相液晶的常规方法，适当的聚合物和液晶的含量比，可以将蓝相液晶的存在温度范围扩大到超过60K，如2002年就实现了-10℃～50℃温度范围的聚合物稳定蓝相液晶。由聚合物丝线构成的网络稳定双螺旋结构的蓝相液晶，防止温度和电场作用破坏蓝相液晶的结构，如图2-37所示。蓝相液晶在宏观表现上是光学各向同性介质在电场作用下，液晶分子的排列状态会有相应的变化，呈现为光学各向异性，如图2-38所示。这种由电场诱导的双折射特性，称为克尔效应。双折射率与电场之间的关系表达为

式中，Δn_s和E_s分别为饱和双折射率和饱和电场强度。饱和双折射率为蓝相液晶在外加电场不断增强，同时不破坏蓝相液晶的基本结构的情况下，蓝相液晶系统所能达到的双折射率。饱和电场强度的定义为（λ为光波长，K为克尔常数）。

蓝相液晶显示器的优点为：①蓝相液晶的双螺旋圆柱结构直径为100nm以下，液晶内部有很大的弹性力，因此响应时间为亚毫秒量级，比向列相液晶显示器的响应速度快10倍；②由于蓝相液晶的自组装结构，制造工艺中不需要制作取向层；③由于暗态的光学各向同性和亮态的多畴结构，视角宽而且对称；④当液晶层厚度超过5μm时，透光率与液晶层厚度的关系不再敏感，因此制造过程中对液晶层厚度的要求不用精确。蓝相液晶显示器在制造过程中可以极大地简化制造工艺，更快的响应速度也有利于显示器实现彩色时序显示，提高了3倍的光利用率和分辨率，对降低高分辨率显示器的功耗极其重要。蓝相液晶还在高衍射效率液晶光栅、无偏光片自适应液晶透镜等光子学领域有重要的应用潜力。

蓝相液晶显示器的研究主要针对蓝相液晶显示器中存在的问题来进行，这些问题包括：①较高的驱动电压；②明显的迟滞效应；③相对低的光利用率。其中，降低驱动电压是实际应用中首要解决的问题，为了适应现有TFT技术，驱动电压要求低于10V，峰值电场强度要小于式（2-29）中的E_s，从而使蓝相液晶中的晶格畸变可忽略，迟滞效应可忽略。在展示的三星公司和友达公司的样机中，假设蓝相液晶显示器中电场作用深度为d_E，电极间隙为L，蓝相液晶的克尔常数为K，则蓝相液晶显示器的光学驱动电压（对应最高透光率）为

由式（2-30）可以得到，当L=10μm、d_E=5μm时，得到驱动电压为10V所需要的克尔常数为100nm/V2。这对现在所用的蓝相液晶来说，是个不小的挑战。蓝相液晶的克尔常数与液晶材料参数之间的关系为

式中，k、Δn、Δε分别为液晶的平均弹性常数、固有双折射率和介电各向异性；λ为光波长；P为液晶的螺距。对于蓝相液晶显示器，要求布拉格反射在紫外光范围，则要求螺距要小于250nm。为了增大克尔常数，要求液晶具有高双折射率和大介电各向异性，这两个参数的要求使液晶分子的长度增加，旋转黏滞系数增大。大介电各向异性会增大像素的电容，增加像素充电时间（降低帧频）。另外，大介电各向异性的液晶材料具有低德拜弛豫频率，也会限制工作频率。

聚合物稳定蓝相液晶的响应时间与液晶材料参数之间的关系为

由式（2-32）可知，旋转黏滞系数和螺距的增大都将使响应速度变慢。因此，在选择大介电各向异性液晶材料的时候，需要考虑旋转黏滞系数的变化，在增大螺距增大克尔常数的同时，也需要考虑对响应速度的影响。所有的参数需要综合考虑，以满足蓝相液晶显示器的驱动电压和响应速度的要求。

现在，蓝相液晶材料的克尔常数已经达到20～40nm/V2，但距离要求还有一些差距。因此，在液晶显示器件结构上做了很多种设计，如使用窄间距电极可以有效降低驱动电压，但电极间距/电极宽度直接影响了显示器的透光率。使用垂面电场驱动的蓝相液晶显示器，如图2-39所示，驱动电压可以降低到10V以下，同时透光率可以达到最高，但结构需要复杂的光学转换部分，很难在实际生产中得到应用。

在蓝相液晶显示器中，除了存在高驱动电压和迟滞效应，还存在液晶材料的克尔常数与光波长、与温度、与驱动电压的频率的问题。随着光波长的增大，克尔常数在减小，需要对显示器中不同颜色显示的像素进行不同参数的设计，来消除电光特性曲线的不一致；随着温度的变化，克尔常数也有较大的变化；由于大介电各向异性液晶材料的介电各向异性对频率敏感，随着频率的升高，克尔常数显著减小。克尔常数随光波长的变化，是来自于双折射率与光波长的关系；另外两个变化是来自于液晶的介电各向异性与频率和温度的关系，使用较小介电各向异性和高清亮点的液晶，可以有效减小这种变化，但同时克尔常数的数值又会减小，因此需要平衡考虑克尔常数和频率依赖性。

虽然蓝相液晶显示器具有亚毫秒量级的响应时间、宽视角特性和简单的制造工艺，但其在高驱动电压、迟滞效应、温度和频率效应方面，不能够全面解决，从而导致蓝相液晶显示器在展出了几次样机，持续了5～7年的研究热点之后，逐渐退出了人们的视野。

随着平板显示器的发展，各种主动发光显示方式的提出，响应速度已经不是它们的问题。相比于液晶显示器，各种主动发光显示方式更关注于寿命、发光效率和色彩等方面。而现在依然是平板显示器主流的液晶显示器在不断吸收新技术，如引入量子点背光和mini-LED背光提高显示特性的色域，在保持长寿命和稳定显示的基础上，追求快速响应依然是其主要的任务之一。只不过，人们在探索更快速响应速度的道路上投入了二十多年的时间，虽然也得到了一些具有更快响应速度的新型显示模式，如含有横向电场的垂面取向液晶显示模式、图形化电极驱动共面转换液晶显示模式等，但都因为有难以克服的透光率低的缺点而得不到实际应用，在目前常用的几种液晶显示模式基础上，只能等待新材料的出现才能实现。