鐵電液晶光電模式及其應用

郭 琦，杜蕓夢，趙慧潔，CHIGRINOV V G，郭海成

(1. 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；2. 香港科技大學 先進顯示與光電子技術國家重點實驗室,香港 999077)

1 引 言

低功耗、高分辨率、高對比度、快響應等特性一直是新一代顯示器件所不斷追求的目標[1-4]。相較于競爭技術，如OLED、microLED、DLP等，液晶顯示技術在響應速度方面仍有待大幅提高[5-6]。在顯示領域，快響應可有效減弱或消除運動模糊、提高器件的低溫特性，以及實現場序彩色方案。場序全彩合成方案，利用人眼的視覺暫留特性，將時間順序上的RGB子幀合成全彩圖像，可提高空間分辨率3倍以上、提高能量利用率3倍及拓寬色域等，需要液晶的響應時間在亞毫秒量級[3]。快響應液晶在光子學器件領域同樣有著廣泛需求，尤其對相位調制深度有較嚴格要求的器件，無法通過降低液晶層厚來滿足響應時間的需求，如相位延遲器[7]、液晶透鏡[8]、波前矯正器[9]等。因此，近年來有許多致力于提高液晶響應時間的工作見諸發表，如聚合物穩定藍相液晶[10-12]，膽甾相的撓曲電效應[4,13-14]等。鐵電液晶由于具有手性特性的液晶分子構成的近晶C相，具有優異的電光特性，可同時滿足快響應、低功耗、高透過率、高對比度等需求。

鐵電液晶，在20世紀80年代因Clark和Lagerwall提出的表面穩定型(surface stabilized ferroelectric liquid crystal，SSFLC)光電模式而被熟知[15]，之后又因其微秒級響應和雙穩態等優異特性而被廣泛研究[16-17]。然而，對取向條件的敏感依賴性導致其大規模應用受限。鐵電液晶的有效取向與向列相液晶不同，除了分子指向矢的取向之外，還需考慮近晶層的排列。近年來，隨著取向技術的長足進步，尤其是光控取向技術的成熟，一方面非接觸式曝光工藝有效避免了缺陷產生，另一方面利用曝光劑量可實現錨定能的調控，使得大面積、高取向質量的鐵電液晶獲得越來越多的關注，許多具有優異光電特性的鐵電液晶器件陸續涌現[18-20]。

本文對近年來鐵電液晶的研究進展進行綜述，主要包含3種光電模式，表面穩定型、螺旋形變型(deformed helix ferroelectric，DHF)、電致解旋型(electrically suppressed helix，ESH)，對它們的工作原理進行分析，并針對它們特有的電光特性給出具體應用案例，如雙穩/多穩響應、連續灰階調制、高對比度相位/振幅開關、快響應衍射元件等。

2 鐵電液晶光電模式及其工作原理

2.1 表面穩定型鐵電液晶光電模式

1980年，Clark和Lagerwall[15]提出了一種具有雙穩態特性的鐵電液晶結構，稱為表面穩定型鐵電液晶(SSFLC)模式，如圖1所示，由于表面錨定的限制，驅動電壓撤掉時，液晶分子指向矢仍維持原狀；僅當驅動電壓極性改變并超過閾值的條件下，表面穩定型鐵電液晶在雙穩態之間進行切換。表面穩定型鐵電液晶結構中，鐵電液晶近晶層垂直于基板排列，表面取向層的強錨定使得鐵電螺旋完全展開，可等效為具有單軸晶體特性的相位板，光軸方向由最后加載的驅動電壓極性決定。在雙穩態之間電控切換時，由發極化矢量PS和電場矢量E之間的相互作用而產生扭矩，驅動鐵電液晶分子指向矢從一個穩態到另一穩態。表面穩定型光電模式存在的一個必要條件是d?P0, 其中d是液晶盒厚，P0是螺距，以滿足鐵電液晶螺旋被表面錨定完全展開的條件。

在表面穩定模式下，響應時間正比于材料粘滯系數，即τγ，其中γ為鐵電液晶旋轉粘滯系數；反比于電場及材料自發極化τ1/PSE，PS為自發極化矢量，E為所施加的電場[15-16]：

(1)

扭曲向列相(Twist Nematic,TN)的響應時間為：

(2)

(3)

其中:K是向列相液晶彈性模量，γ1是粘滯系數，d是層厚度。由公式(1)～(3)可見：鐵電液晶的響應時間通常在幾十到百微秒量級，比向列相液晶的上升時間τr與下降時間τd快至少兩個數量級。

表面穩定模式鐵電液晶的雙穩態特性具有許多應用，如電子書、智能穿戴設備等。然而，雙穩態響應使其無法利用電壓幅度實現灰階調制，只能采用脈寬調制等手段實現灰階[15-17]。同時，表面穩定型鐵電液晶對于取向層的錨定能要求較高，無缺陷取向是表面穩定鐵電液晶器件普遍面臨的難題。

2.2 螺旋形變型光電模式

螺旋形變型(DHF)電光模式的基本結構如圖2所示，近晶層垂直于基板排布，鐵電液晶螺旋結構在外加電場條件下發生“形變”，即分子指向矢分布隨電場改變，從而導致有效折射率的改變。螺旋形變型電光模式存在的一個必要條件是，液晶盒厚要遠大于螺距d?P0[21-24]。

圖2 DHF模式基本結構Fig.2 Geometry of deformed helix ferroelectric (DHF) LC cell

將螺旋型變型液晶盒置于正交的起偏和檢偏之間，使取向方向，即螺旋結構軸向與起偏方向呈一定角度β，此時正入射到樣品的光束受鐵電液晶調制，呈現透過率隨電壓幅度的連續灰階變化[25-27]：

(4)

此種連續灰階變化，由兩種因素導致，一是外加電場作用下，鐵電液晶分子指向矢分布改變，導致螺旋結構光軸相對于取向方向發生偏離；二是有效雙折射率的改變。使用方位角φ(z)來描述鐵電液晶分子指向矢沿近晶層法線方向的分布。螺旋軸偏離角α與有效雙折射率Δneff=neff(z)-n均可由指向矢分布計算得出：

α=arctan(tanθcosφ(z))，

(5)

(6)

此種連續灰階調制發生在鐵電液晶螺旋展開的過程中。

(7)

其中:EU為電致消旋電場，K22為鐵電液晶彈性系數，q0=2π/P0為螺旋波矢量，PS為自發極化矢量。

在小電場E/EU?1近似下，特征響應時間τ與鐵電液晶的自發極化矢量PS和電場強度E無關，而是僅由材料的旋轉粘滯系數γ和螺距P0決定：

(8)

上式僅在螺旋形變型鐵電液晶模式中(E?EU)成立，如果外加電場E接近電致消旋電場EU，則鐵電液晶螺距P會急劇增加，并且響應時間τE(0<δ<1)[21-22]。

2.3 電致解旋型光電模式

2011年提出的電致解旋型(ESH)鐵電液晶光電模式具有高對比度和快響應等特性[28-29]，使其在新型顯示器件及光子學器件領域有著廣泛應用前景。鐵電液晶螺旋結構在電場作用下完全解旋之前，可使其為處于螺旋形變型工作模式。當電壓高于消旋電壓時，如圖3右側所示，鐵電液晶完全消旋，響應時間呈現與電壓幅度成反比的規律，這種規律與表面穩定型類似，區別在于螺旋解旋機制不同。

圖3 ESH模式織構及響應時間隨電壓變化規律Fig.3 Dependence of switching on time of ESH cell. Inset: the FLC layer textures between crossed polarizers.

表面穩定模式和電致解旋模式在初始條件上存在差異，表面穩定型鐵電液晶盒的螺旋結構受表面錨定作用而展開，而電致解旋鐵電液晶在無外加電場時螺旋結構存在或部分存在，這是電致解旋模式具有高對比度的重要原因。當驅動電壓V高于螺旋解旋的臨界電壓VC時，鐵電液晶分子指向矢均勻分布。電致解旋型鐵電液晶在驅動電壓僅為±1.5 V時，對比度高達12 000∶1[29]。

實現高質量取向的標準之一是滿足螺旋彈性勢能相當但不小于取向層的錨定能:

(9)

式中：WQ0為錨定能系數，對應圖3中樣品的測量值為WQ0=4×10-4J/m2。

3 鐵電液晶的電光效應及應用

3.1 雙穩及多穩態效應

表面穩定型結構呈現雙穩態特性，即通過施加高于閾值電場的驅動，實現兩個穩態之間的相互切換。閾值電場由取向層錨定能和鐵電液晶材料特性決定，EthWd/K1/2，其中K是平均彈性模量，Wd是錨定系數[17]。因此，隨著錨定能的增加，所需驅動電場增加，且由于扭矩正比于PSE，因此雙穩態閾值電場與鐵電液晶自發極化矢量PS的值成反比。

具有雙穩態性的表面穩定型結構可通過時間上或空間上的平均來實現灰階[15-17]。當鐵電液晶的自發極化PS足夠高時，可基于鐵電疇特性實現多穩態，為被動尋址器件提供灰階響應[30]。在螺旋完全展開的書架式結構中(圖1)，任意可變的光學灰度可由鐵電疇的密度調控實現，如圖4所示[31]。當消旋的鐵電液晶樣品在電壓脈沖驅動下，且脈沖寬度小于切換時間時，鐵電疇的密度可由電壓脈沖寬度控制，產生具有穩態的任意值灰階，如圖4所示。

在兩正交的偏振片下，由鐵電疇導致的準周期結構具有穩態特性，即在驅動電壓脈沖撤掉或短路時仍能保持不變。疇界沿近晶層界面切線方向，這也驗證了書架結構有且僅有兩種可能的鐵電液晶分子指向矢方向。在光束尺寸遠大于液晶盒厚時，空間平均透過率能夠實現連續灰階調制。連續灰階不僅可通過電壓脈沖寬度實現，也可通過電壓脈沖的幅值實現，如圖4所示。

圖4 鐵電液晶多穩態效應[31]Fig.4 Multi-stable state of FLC with continuous variation grayscale between crossed polarizers[31]

鐵電液晶的多穩態響應，通常需要滿足兩個條件：首先，鐵電液晶材料的自發極化值足夠高，例如PS>50 nC/cm2；同時，兩個取向狀態之間的切換閾值能量較小，這通常出現在反鐵電材料中[15-17]。

鐵電液晶器件存在著反式雙穩態效應[32]，如圖5所示。圖5(a)和(b)展示了傳統雙穩態和反式雙穩態的響應波形。與傳統雙穩態不同，反式雙穩態效應表現出對驅動脈沖的下降沿進行響應。取向層的錨定能和介電性能對于反式穩態效應的存在至關重要[32]。反式雙穩態效應的潛在應用包括低能耗器件，例如電子紙等。此外，傳統和反式雙穩態的定量區分有助于消除顯示器件中的不完整刷新或鬼像現象。

圖5 傳統(a)和反式(b)雙穩態效應，及其頻率依賴特性；(c)具有連續灰階的鐵電液晶多穩態效應[32]。Fig.5 Electro-optical response of (a) traditional bistable and (b) reverse bistable FLC； (c) Frequency characteristics of the hysteresis loop width[32].

實驗證明，退極化場是產生反式雙穩態的原因。考慮對稱邊界條件下，驅動電壓V0實際施加在鐵電液晶層的電場幅值EFLC為[32]：

(10)

其中:d是鐵電液晶盒厚度，ε是鐵電液晶介電常數，PS是自發極化矢量，d′和ε′分別是取向層的厚度和介電常數。

退極化場為：

(11)

如圖5(c)所示，由于自發極化矢量PS以及介電常數ε和ε′等具有頻率依賴特性，因此僅在低頻驅動條件下才能觀察到反式雙穩態效應。

3.2 連續灰階調制

在取向方向平行于起偏方向的情況下(β= 0°)，螺旋形變型鐵電液晶與向列相液晶類似，僅對驅動電壓的幅度響應，而對驅動電壓的極性不敏感[26]，如圖6所示。當同時滿足α(z)=45°和Δn(z)d=λ/2條件時，在正交的起偏與檢偏之間，螺旋形變型鐵電液晶可實現透過率在0與100%的電控調制，如公式(4)所示。對于鐵電液晶材料而言，要求最佳的近晶層傾角為θ=45°。

圖6 DHF光電響應。(a)透射率波形響應；(b)透射率隨電壓變化曲線。Fig.6 Electrooptic response of DHF. (a) Waveforms of transmittance and driving signal； (b) Transmittance versus voltage curve.

螺旋形變型鐵電液晶在較寬的頻率范圍內，呈現高亮暗態對比度的V形光電響應[33-34]，如圖6所示。此種光電響應與向列相液晶類似，但比向列相液晶的響應速度快兩個數量級以上，如開啟時間τon≈80 μs和關閉時間τoff≈60 μs。螺旋形變型鐵電液晶的連續灰階調制使其在平板顯示領域有著廣泛應用，如場序彩色顯示器件中的RGB三原色獨立灰階調控，圖7給出一種基于螺旋形變型鐵電液晶的場序彩色器件驅動方式。

圖7 基于DHF的場序彩色顯示驅動方案Fig.7 Driving scheme of DHF for FSC color display

基于螺旋形變型鐵電液晶的場序彩色顯示，通過把時序的紅、綠、藍三色圖像信息合成實現全彩圖像[35]，不需要彩色濾光片，因此具有高透過率和空間分辨率。場序彩色顯示在幀頻為240 Hz的情況下，每種顏色的灰階響應需在1 ms以內。在這種情況下，使用電壓信號的幅度調制，可以針對每種顏色獨立地連續調節透過率，如圖7所示。

3.3 高對比度相位/振幅開關

電致解旋型鐵電液晶模式的高對比度二值響應特性，使其在幅度、相位和偏振的快速調制方面具有優勢。例如，放置在偏振片和四分之一波片之間的電致解旋型鐵電液晶盒可實現正交圓偏振態之間的快速切換，如圖8所示[36]，將其放置在無源偏振光柵之前，能實現快速光束轉向。在10 V以內的電壓下，光束轉向的開關時間小于100 μs。

圖8 基于ESH的偏振開關及其在光束偏轉中的應用[36]。(a)光路圖；(b)(c)外加電場下鐵電液晶織構；(d)偏振光柵織構[36] 。Fig.8 ESH polarization shutter in a beam steering set up[36].(a) ESH polarization shutter in a beam steering set up；(b) and (c) FLC textures (right) recorded by polarized microscope with polarizer and analyzer illustrated (left); (d) Texture of PG[36].

采用脈寬調制法，可利用電致解旋型鐵電液晶作為振幅開關，產生灰階[35]。如圖9所示，可以通過改變液晶盒的亮態時間生成灰階，進而實現場序彩色顯示。可顯示的顏色數量取決于液晶開關的響應時間。考慮到電致解旋型鐵電液晶盒在5 V電壓驅動下響應時間低于50 μs，可獲得較大的色域以及較寬視角。

圖9 基于ESH的場序彩色顯示驅動方案[35]Fig.9 Driving scheme of ESH for FSC color display[35]

3.4 快響應衍射光學元件

基于液晶的衍射光學元件近來已有大量文獻記載[37-44]。主要可分為3個基本類別：(1)基于液晶材料本身周期性結構的衍射光學元件，例如膽甾相等[37]；(2)基于非均勻電場的衍射光學元件，例如圖案化電極液晶光柵[38]；(3)基于初始取向的液晶衍射光學元件[38]。

利用光控取向對鐵電液晶螺旋軸進行圖案化取向是實現鐵電液晶顏色光學元件的有效方法[41-43]。采用單掩模的兩步曝光法，可制備一維、二維鐵電液晶光柵[41]。在此過程中，可以根據應用情況對相鄰兩區域的取向方向進行任意設計。圖10展示了制備流程以及周期為50 μm的一維和二維電致解旋型鐵電液晶光柵的正交取向區域的微觀織構。

圖10 (a)ESH光柵衍射分布;(b)制備流程;(c)一維和二維鐵電液晶光柵的微觀織構[41]。Fig.10 Intensity profile of the diffraction of ESH cell; (b) Fabrication procedure of ESH gratings;(c) and (d) Textures of 1D and 2D grating[41].

動態響應是評估液晶衍射光學元件的十分重要的參數。通過使用均勻涂覆在基底上的ITO電極，光柵各衍射級的響應時間類似于均勻取向電致解旋型鐵電液晶盒。當施加在液晶盒的電場達到6.6 V/μm時，切換時間約為20 μs。并且可通過提高驅動電壓來進一步壓縮響應時間[42,45]。ESH模式具有切換速度快，對比度高和效率高的優點，可用于各種衍射元件，例如達曼光柵、菲涅耳波片等。基于鐵電液晶的菲涅爾透鏡如圖11所示，相鄰區域的取向方向夾角為45°，圖11給出了在偏光顯微鏡下相鄰區域的織構和衍射/非衍射狀態的圖案[46-47]。利用光取向技術，電致解旋型鐵電液晶可實現空間分辨率在亞微米量級的圖案化取向[48]，結合其高對比度及快響應等特性，為各種衍射元件的設計和制造提供了高度的靈活性。

圖11 基于ESH的菲涅爾透鏡。(a)(b)偏光顯微鏡下織構；(c)(d)衍射態和關態的衍射圖樣[46]。Fig.11 Fresnel lens based on ESH FLC. (a,b) Illustrate the textures of the ESH Fresnel lens under polarized microscope; (c,d) Photographs of the diffractive and non-diffractive states[46].

4 結 論

本文對近年來鐵電液晶的研究進展進行綜述，主要包含3種光電模式，表面穩定型、螺旋形變型、電致解旋型，對它們的工作原理進行分析，并針對它們特有的電光特性給出具體應用案例，如雙穩/多穩響應、連續灰階調制、高對比度相位/振幅開關、快響應衍射元件等。光控取向技術的發展為鐵電液晶器件的設計及實現提供基礎，基于此近年來具有快響應、高對比度、低能耗、寬視角等優異特性的鐵電液晶器件被廣泛關注，同時展現了在顯示及光子學領域的廣闊應用前景。