硅基液晶與動力學響應(yīng)特性

1、硅基液晶（LCOS與動力學響應(yīng)特性Liquid Crystal on Silicon (LCOS) and Dynamic Response CharacterizationFAN Wei1, JIANGLi2 , ZHAO Jing2,DONG Xu-huai1, ZHANG Zhi-dong2, DAI Yong-ping1,3(1. Shenzhen Live Digital Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518040, China;2. School of Sciences, Hebei University of Technolog

2、y, Tianjin 300401, China; 3. Institute of Photo-Electronics Tin Film Devices and Technology, Nankai University, Tianjin 300071, China): Time- dependent reflectance of the 90 MTNcell used in liquid crystal on silicon(LCOS) is given experimentally. Rise time and decay time for optical response are int

3、roduced. Numerical calculations are made for the 60MTN cell, based upon the dynamics of liquid crystals and the method of Jones matrix. It is demonstrated that rise time decreases with the increasing of the voltage and decay time is independent on the initial voltage. It is pointed that the differen

4、ce between the optical response time and the director reorientation time.Keywords: LCOS; MTN cell; reflectance; dynamics of liquid crystals; optical response time引言硅基液晶是LCD與CMO集成電路有機結(jié)合的顯示技術(shù)，其 結(jié)構(gòu)是在硅片上利用半導(dǎo)體技術(shù)蝕刻驅(qū)動面板 , 研磨并鍍鋁作為 反射鏡,形成CMO基板,再與ITO玻璃貼合并注入液晶1。因 此丄COS采用反射顯示模式。事實上，反射液晶顯示模式研究的 最大驅(qū)動源之一也就是 LCOS在L

5、COS的主要應(yīng)用中，包括顯示 應(yīng)用的直視方式和投影方式 2 以及非顯示應(yīng)用的光學比較器、 光學鑷子和光通訊開關(guān)等 3, 對外加電壓信號的響應(yīng)速度均是 關(guān)鍵技術(shù)問題。從液晶材料的角度講 , 提高液晶顯示器的響應(yīng)速 度,主要是減小粘彈性系數(shù)(y 1/Keff)4。本文從反射液晶顯示 模式的角度闡述LCOS勺動力學響應(yīng)特性。1 研究基礎(chǔ)建立直角坐標系(x,y,z),讓xy平面平行于基板表面。設(shè)指 向矢與xy平面的夾角為6 ,在xy平面上的投影與x軸的夾角為 ,則指向矢可以表示為:=(cos 6 cos ,cos 6 sin ,sin 6 )(1)其中 6 和 均為坐標 z 和時間 t 的函數(shù)。依據(jù)液

6、晶動力 學理論,我們可以得到在一定電壓作用下 ,指向矢分布和盒中電 勢所滿足的方程 :Y 仁(K11cos2 6 +K33sin2 6 )+(K33-K11)sin 6 cos 6 +(2K22cos26 -K33cos2 6 ) sin 6 cos 6 +() e 0A e sin 6 cos 6 (2)Y 1cos 6 =(K22cos2 6 +K33sin2 6 )cos 6 +2sin 6 (K33cos2 6 -2K 22cos2 6 )(3)(e / sin2 6 + e 丄 cos2 6 )+2 A e sin 6 cos 6 =0(4)在上面的表示式中 , Y 1為液晶的轉(zhuǎn)動粘

7、滯系數(shù) ,并且忽略 了引流效應(yīng)5；K11、K22和K33為液晶的彈性常數(shù)；e /和e丄 為液晶的介電常數(shù)。使用差分迭代方法 ,可以得到 t 時刻下液晶 盒中的指向矢分布，即6 (z,t)和 (z,t)。在一定電壓作用下 ,有了 t 時刻的指向矢分布 6(z,t) 和 (z,t), 可以計算液晶層的 Jones 矩陣。在垂直入射條件下 , 第 n個液晶子層的Jones矩陣為6:Jn=expi(neeff+ no)ndncos n-sin nsin ncos nxx cos nsin n-sin n cos n(5)其中dn為第n個子層的厚度；neeff=(6)整個液晶層的 Jones 矩陣為 :

8、MLC=JNJN1J2J1(7)將偏振片與前摩擦方向之間的夾角記為a ,反射率為2:R(t)=(cos a sin a )MTLCMLCcoa sin a (8)2 時間響應(yīng)曲線2.1 實驗曲線對于90 MTN勺實驗測試反射率時間響應(yīng)曲線如圖 1所示。 實驗中工作電壓為5V。結(jié)合描寫平衡態(tài)的電光特性曲線 7,可 以給出上升時間和下降時間分別為 T on=1.5(ms)和t off=4.1(ms)。2.2 60 MTN理論曲線理論研究以60 MTN為例進行。液晶盒厚選擇 d=5y m,與 之匹配2,取 n?d=0.344卩m;偏振片與前摩擦方向之間的夾角 為a =30。向列相液晶的力學參數(shù)取如下

9、典型數(shù)值，即彈性常數(shù) K11=15.8X 10- 12N,K22=6.0X 10- 12N,K33=17.9X 10- 12N;轉(zhuǎn) 動粘滯系數(shù)y仁0.0783Pa?s;相對介電參數(shù)取e / =11.0, e丄=5.0。計算中取波長 入=550nm當t x時,動 力學方程(2)和(3)左邊為零,退化為平衡態(tài)方程 7 。這時可以給 出電光特性曲線 , 結(jié)果如圖 2所示。對于一定工作電壓 U(U大于閾值電壓),在電壓開態(tài)，作出 反射率的時間響應(yīng)曲線如圖 3所示。顯然,反射率將是時間 t 的 函數(shù)，即R(t;U);而電光特性曲線為時間很長時的結(jié)果，即 R(U)=R(t s ;U)。取兩個特殊時間,R(

10、T90;U)=R(U) X 90唏口 R=(T10;U)=R(U) X 10%上升時間定義為t on=T10-T90。由圖 3可知,上升時間依賴于工作電壓U。同樣,對于電壓關(guān)態(tài)，可以作出反射率的時間響應(yīng)曲線如圖 4所示,下降時間定義為T off=T90-T10 。由圖 4 可知, 對于電壓關(guān)態(tài)的時間響應(yīng) ,T10 和T90分別依賴于電壓U,但由它們的差值給出的下降時間t off基本上不依賴于電壓 U。2.3 電壓逐級變化下的時間響應(yīng)曲線 研究中我們需要電壓逐級變化下的反射率時間響應(yīng)曲線。首先在液晶開關(guān)上加一個低電壓 , 例如 3V, 達到平衡后 , 電壓再增 加到3.5V,測量時間響應(yīng)。對于

11、LCOS反射式,3V反射率相對 高,3.5V反射率相對低，因此可以用3V的反射率進行歸一化處理 即 RN(t)=R(t,Ui+1)/R(Ui) 。由此得到的逐級增加電壓下 , 歸一 化反射率對時間的響應(yīng)曲線如圖 5 所示。同理 , 可以先在液晶開 關(guān)上加一個高電壓 , 例如 4V, 達到平衡后 , 電壓再減小到 3.5V, 測 量時間響應(yīng)。 3.5V 反射率相對高 ,4V 反射率相對低 , 因此可以用 3.5V 的反射率進行歸一化處理。由此得到的逐級減小電壓下 , 歸 一化反射率對時間的響應(yīng)曲線如圖 6 所示。3 結(jié)論響應(yīng)速度是LCOS應(yīng)用中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。由于LCOS使用縱向驅(qū)動 (vertical switching) 方式 , 通過分析液晶指向矢對 外加電場的響應(yīng) , 可以寫出時間常數(shù) 8:t d=(9)T Y =(10)其中 Uth 為閾值電壓