HAN_FFS液晶显示模式简化模型的时间常数

现代显示ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｐｌａｙＳｅｐ．，２００７，总第７９期

周璇等：ＨＡＮ－ＦＦＳ液晶显示模式简化模型的时间常数收稿日期：２００７－０６－２１文章编号：１００６－６２６８（２００７）０９－００５５－０４

HAN-FFS液晶显示模式简化模型的时间常数

摘要：研究混合排列向列相－边缘场转换（ＨＡＮ－ＦＦＳ）液晶显示模式。本文通过假设液晶盒内电场为均匀共面场建立简化模型，并做单一弹性常数ｋ１１＝ｋ２２＝ｋ３３＝ｋ近似。根据液晶的连续体理

论及微扰原理得出ＨＡＮ－ＦＦＳ简化模型的上升时间常数和下降时间常数。关键词：液晶显示；ＨＡＮ－ＦＦＳ模式；动力学理论；上升时间常数；下降时间常数中图分类号：ＴＮ１４１文献标识码：Ａ

ＴｈｅＴｉｍｅＣｏｎｓｔａｎｔｏｆＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＨＡＮ－ＦＦＳＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙＭｏｄｅｌ

ＺＨＯＵＸｕａｎ；ＺＨＡＮＧＺｈｉ－ｄｏｎｇ，ＳＵＮＹｕ－ｂａｏ（ＤｅｐａｒｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓｏｆＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４０１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｂｒｉｄａｌｉｇｎｅｄｎｅｍａｔｉｃ－ｆｒｉｎｇｅｄｆｉｅｌｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＨＡＮ－ＦＦＳ）ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｍｏｄｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｗｅｓｅｔｕｐａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅｌｂｙｓｕｐｐｏｓｉｎｇａｕｎｉｆｏｒｍａｎｄｉｎｐｌａｎｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ；ａｎｄｗｅａｓｓｕｍｅｔｈａｔｓｐｌａｙｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｗｉｓｔｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔａｎｔｂｅｎｄｅｌａｓｔｉｃｃｏｎｓｔａｎｔａｒｅａｌｌｅｑｕａｌ，ｉ．ｅ．ｋ１１＝ｋ２２＝ｋ３３＝ｋ．Ｂｙｕｓｉｎｇｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｃｏｎｔｉｎｕｕｍｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ

ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｗｅｏｂｔａｉｎｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｏｎｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔａｎｄｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｏｆｆｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔｆｏｒｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄＨＡＮ－ＦＦＳｍｏｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｄｉｓｐｌａｙ；ＨＡＮ－ＦＦＳｍｏｄｅｌ；ｄｙｎａｍｉｃｔｈｅｏｒｙ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｏｎｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔ；

ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ－ｏｆｆｔｉｍｅｃｏｎｓｔａｎｔ

周璇，张志东，孙玉宝（河北工业大学物理系，天津３００４０１）

１引言

液晶显示器（ＬＣＤ）在最近２０多年来得到了飞速发展，特别是在便携式电子信息产品中得到广泛应

用。为了使液晶显示能够用于大屏幕显示屏并最终代替ＣＲＴ，现在已经有了许多显示模式，如ＴＮ模式、ＩＰＳ模式、ＦＦＳ模式和ＭＶＡ模式等。最近

ＳｅｕｎｇＨｏＨＯＮＧ等提出了一种新的显示模式———

ＨＡＮ－ＦＦＳ模式［１］

。

技术交流

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在混合排列向列型（ＨＡＮ）液晶盒中，液晶分子的取向在一个基板表面是沿面平行排列的，而在另一基板表面是垂面排列的，且在两基板间分子取向连续变化。ＨＡＮ型显示在性能上的最大特征是不存在阈值电压，因而只要外加极低的电压就能产生电光效应。ＨＡＮ型彩色显示与平行型、垂直型ＥＣＢ模式比较，具有制作简单、视角宽、驱动电压低、透光率高、显示颜色随电压变化缓慢、色的控制性好以及分色好等特点。研究表明，ＨＡＮ型显示具有较快的响应速度［２］。对于关态按照ＨＡＮ排列的液晶盒，采取边缘场驱动（ＦＦＳ）方式，即形成ＨＡＮ－ＦＦＳ显示模式［３，４］。由于驱动方式（电极排列方式）不同，ＨＡＮ－ＦＦＳ的时间常数，与普通ＨＡＮ显示模式不同。在液晶物理学中通常引入时间常数来描写液晶状态（指向矢）对外电场（或磁场）的动力学响应。而在液晶器件物理或液晶显示的实际应用中，人们更加关心液晶的光学响应。例如，对于＂透射式常黑显示模式＂开态响应时间通常指加上电场后，光学透

过率达到饱和值的１０％所需要的时间；而关态响应时间通常指去掉电场后，光学透过率下降到饱和值的９０％所需要的时间。最近，Ｈａｉｙｉｎｇ等研究了光学响应时间与指向矢响应的时间常数之间的关系［５］，指

出在垂面排列（ＶＡ）显示模式中，光学响应时间与指向矢响应的时间常数成正比。本文从液晶动力学理论出发，给出ＨＡＮ－ＦＦＳ模式简化模型的时间常数，并进行相关讨论。

２理论研究

２．１ＨＡＮ－ＦＦＳ模式液晶盒内分子结构［１］

如图１所示，在ＨＡＮ－ＦＦＳ模式中，上基板内没有电极，下基板存在像素电极和共用电极。液晶分子以混合排列形式存在，且下基板附近的液晶分子具有很小角度（＜２０左右）的预倾角。下基板上的摩擦方向和下基板偏振片的偏振方向一致，上下基板偏振方向垂直，因此在不加电压时ＬＣＤ呈暗态。图中ａ代表摩擦角。当加电压时，在边缘场作用下，混合排列液晶分子沿场方向发生旋转，从而出现亮态。

２．２ＨＡＮ－ＦＦＳ显示模式的简化模型

图２为ＨＡＮ－ＦＦＳ模式电场示意图和坐标系。电极间距离小于盒的间隙和电极的宽度，加电时整个液晶盒内电力线成抛物线形状，既有电场的水平分量又有垂直分量。

由于在该模式中电场的垂直分量引起液晶的展曲－弯曲形变，相对于扭曲形变，所引起的光电效应为次级效应。为了集中解决该模型的时间常数问题，本文将建立ＨＡＮ－ＦＦＳ模式的简化模型［６］，盒内液晶

分子为混合排列，所加电场是平行于液晶上下基板的均匀场，且做单一弹性常数近似ｋ１１＝ｋ２２＝ｋ３３＝ｋ。

２．３理论计算

液晶分子为混合排列，加入电场后将发生旋转。用θ和φ描述指向矢形变。坐标原点位于液晶盒底层平面内，θ为倾角，φ为方位角。并且θ、φ为ｘ、ｔ的函数，即θ＝θ（ｘ，ｔ），φ＝φ（ｘ，ｔ）。由此得到指

向矢的直角坐标分量为ｈ＝（ｃｏｓθｃｏｓφ，ｃｏｓθｓｉｎφ，

ｓｉｎθ）。图中电场表式为Ｅ＝（０，０，Ｅ），其中Ｅ＝Ｕ／ｌ（Ｕ为外加电压，ｌ为电极宽度）。

图１ＨＡＮ－ＦＦＳ模式在开态和关态时正性液晶的分子结构示意图

图２ＨＡＮ－ＦＦＳ模式内置电极产生电场示意图

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不考虑液晶的引流效应，根据液晶的连续体理论，得到方程：γ１"ｔθ＝ｋ$ｘ２θ＋ｋｓｉｎθｃｏｓθ（(ｘφ）２＋ε０△εＥ２ｓｉｎθｃｏｓθ（１）

γ１ｃｏｓθｓｉｎφ1２φ＝ｋｓｉｎθｃｏｓθ（5ｘφ）２－２ｋｓｉｎθｓｉｎφ9ｘθ;ｘφ（２）

其中，

=ｔθ＝?θAｔ，Bｔφ＝DφFｔ，Gｘθ＝IθKｘ，Lｘφ＝

Nφ

Pｘ

γ１为转动粘滞系数；△ε为介电各向异性，ε０为

真空中的介电常数。使用Ｔａｒｕｍｉ等人求ＴＮ显示模式时间常数的

方法进行处理［７］。考虑θ和φ的变分，即令θ（ｘ，ｔ）＝θｓ（ｘ）＋δθ（ｘ，ｔ）（３）

φ（ｘ，ｔ）＝φｓ（ｘ）＋δφ（ｘ，ｔ）（４）

按照图３所示，在静态和零电场条件下，θ与ｘ无关；φ是ｘ的线性函数（在单一弹性常数近似下成立），即

‘ｘθｓ（ｘ）＝０，bｘφｓ（ｘ）＝

π

２ｄ

保留到δθ（ｘ，ｔ），δφ（ｘ，ｔ）的二次方项，（１）和（２）式化为

γ１jｔδθ＝ｋm２ｘδθ＋ｋｃｏｓ（２θｓ）π２ｄ!"２δθ＋ｋｓｉｎ

２θｓ!"π２ｄvｘδφ＋ε０△εＥ２ｃｏｓ２θｓ

!"

δθ（５）

γ１󰁿ｔδφ＝ｋ󰂂２ｘδφ－２ｋｔａｎθｓπ２ｄ󰂇ｘδθ（６）上式可用数学模型γ１󰂋ｔＸ＝ＭＸ（７）

来表示，其中Ｘ＝（δθ（ｘ，ｔ）δφ（ｘ，ｔ））Ｔ（８）

Ｍ＝Ｍ１１Ｍ１２

Ｍ２１Ｍ２２

!"（９）

当θ＝０时（忽略摩擦角的影响），（５）和（６）式简化为γ１󰂒ｔδθ＝ｋ󰂕２ｘδθ＋ｋπ２ｄ!"２δθ＋ε０△εＥ２δθ（１０）

γ１ ｔδφ＝ｋ£ｘ２δφ（１１）

方程（１０）和（１１）可用本征值表征如下：

ｘ＝∞ｔ＝１#ｅλｉｔｓｉｎπｉｘｄＸｉ（１２）

由于指向矢的变化主要取决于而不是，所以在研究时，我们只需讨论的本征值。将（１２）代入（１０）得到

λｉ＝－１γ１ｄ２ｋπ２ｉ２－ｋπ２!"２$%＋ε０△εＥ２（１３）又因为响应时间主要由λ１决定，λ１＝－１γ１ｄ２ｋπ２－ｋπ２!"２$%＋ε０△εＥ２（１４）

由（１４）式可以得到ＨＡＮ－ＦＦＳ盒的上升时间常数

τｏｎ＝γ１ｄ２γ１ｄ２ε０△εＥ２－３４ｋπ２（１５）

外电场为零时的下降时间常数τｏｆｆ＝γ１ｄ２３４ｋπ２（１６）

下降时间常数不依赖于外场的变化。３结论与讨论

本文研究ＨＡＮ－ＦＦＳ显示模式的动力学响应问题。为了得到对实际研究具有明确指导意义的解析解，采用了简化模型，即将边缘电场简化为共面均匀电场，并做了单一弹性常数近似。我们求得ＨＡＮ－ＦＦＳ模式的响应时间常数。它与弹性常数、转

动粘滞系数、液晶盒厚以及介电常数有关。对于摩擦角不等于零的情形，矩阵（９）中含有θ和φ的耦合项，因此讨论指向矢的形变不能单独考虑θ，很难

得到解析解。

参考文献：［１］ＨｏｎｇＳＨ，ＪｅｏｎｇＹＨ，ＫｉｍＨＹ，ＬＥＥＳＨ．ＮｏｖｅｌＮｅｍａｔｉｃＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｅｖｉｃｅＡｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈＨｙｂｒｉｄＡｌｉｇｎｍｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＦｒｉｎｇｅｄＦｉｅｌｄ［Ｊ］．ＪｐｎＪＡｐｐｌＰｈｙｓ，２００１，４０

（３Ｂ）：２７２－２７４．［２］张志东，梁兆颜，张德贤，黄锡珉．混合排列向列

液晶盒的响应时间常数［Ｊ］．液晶与显示，１９９７，

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