《铁电液晶功能器件电路模型的应用研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁电液晶功能器件电路模型的应用研究（123页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西南交通大学 博士学位论文 铁电液晶功能器件电路模型的应用研究 姓名：王梦遥 申请学位级别：博士 专业：信号与信息处理 指导教师：潘炜 20080401 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 铁电液晶( F e r r o e l e c t r i cL i q u i dC r y s t a l ：F L C ) 具有高响应速度、高对 比度、高分辨率和大容量信息显示等特点，在显示、光互联和光信息处理 等领域均具备良好的应用前景。因此，关于F L C 器件各种光电效应的预 测和优化，以及对其驱动电路和电压波形设计的研究具有重要的理论意义 和应用价值。 区别于通常采用的数值模型方法，
2、本文提出采用等效电路模型方法预 测和优化F L C 的各种非线性光电效应。依据其物理模型，建立了眦的 等效电路模型。该模型体现了极化反转电流、铁电扭矩与介电扭矩间的竞 争以及定向层的表面锚定作用等物理机制，能够有效地对F L C 的电光开 关效应、记忆特性、介电各向异性下的光电效应等进行模拟。随后通过对 模型的拓展，提出了体现阻抗匹配效应的F L C 等效电路模型，并将其应 用于目前受广泛关注的v 字型光电效应的研究中。最后进一步拓展等效 电路模型，根据光寻址空间光调制器( O p t i c a l l yA d d r e s s e dS p a t i a lL i g h t M o
3、 d u l a t o r ：O A S L M ) 的一种典型结构建立了F L C O A S L M 的等效电路模 型。利用文中提出的等效电路模型，针对J O E R S - A L V E Y 寻址方式中的 f 一模式与交流稳态技术、优化迟滞反转频率和F L C - O A S L M 的灰度 响应特性等，对系统的驱动电路和驱动电压波形进行了设计。 本文的主要研究内容是：针对F L C 的基本光电效应，模拟分析了 记忆特性、典型参数对响应速度的调制作用以及介电各向异性下的光电效 应等，并就J O E R S - A L V E Y 寻址方式的f 一模式及交流稳态技术设计了驱 动电压波形
4、。针对F L C 的V 字型光电效应，就V 字型效应是否伴随 第1 I 页西南交通大学博士研究生学位论文 着输出光强电光迟滞方向的反转且仅能在某一特定频率( 记为迟滞反转频 率) 下观察到，输出光强作为液晶层压降的函数时是否始终存在电光迟滞 现象，以及典型参数对迟滞反转频率的调制作用给出了模拟结果和分析， 并以优化迟滞反转频率为目的设计了驱动电路。针对F L C O A S L M 的 光电效应，给出了控制信号对响应速度的调制作用、擦除光的功能以及灰 度响应特性等的模拟结果和分析，并以优化灰度响应特性为目的设计了驱 动电压波形。 研究结果表明：F L C 具有良好的记忆特性；响应速度随转动粘滞
5、 系数、接触面积和液晶层厚度的提高而减慢，但随自发极化强度的提高而 加快；在正、负性介电各向异性情况下，响应都将随着电压幅度的增加而 截止；采用设计的驱动电压波形，实现了f 一。模式的操作及交流稳态技 术提高输出光对比度和完成开关响应状态的功能。 V 字型光电效应伴随着输出光强电光迟滞方向的反转且仅能在迟 滞反转频率下观察到；输出光强作为液晶层压降的函数时始终存在电光迟 滞现象：迟滞反转频率与液晶层电导的平方根呈准线性关系，随三角波驱 动电压峰值的增加而提高，随自发极化强度的变化存在最大值，且在人字 纹层结构下迟滞反转频率随液晶层电导、三角波峰值和自发极化强度的变 化趋势与在书架式层结构下相同
6、，但频率值更高；采用针对优化迟滞反转 频率设计的驱动电路后该频率值较未接入驱动电路时提高了三个量级。 F L C O A S L M 的响应速度随写入光强度和驱动电压幅度的增加而 提高，随擦除光强度和电压频率的增加而减慢；擦除光具有擦除旧信息、 抑制非期望输出光强和调节响应速度的功能；在本文参数条件下，采用与 5 0 j 1 旧 受0 5 7 r 、 弓| 簿 0 ) 九九广 0123456 时间m s 图3 - 1 双极性脉冲幅度取2 0 V 、4 0 V 和5 0 V 时输出光强的瞬态响应 F i g u r e3 - 1 T r a n s i e n tr e s p o n s e
7、so fo u t p u tl i g h ti n t e n s i t yi n d u c e db yb i p o l a r p u l s e sw i t hd i f f e r e n ta m p l i t u d e so f2 0 V4 0 Va n d5 0 V 西南交通大学博士研究生学位论文第3 1 页 、 Z j m 矮 果 丑 簿 时间m s 图3 2 双极性脉冲脉宽取2 0 z s 、5 0 z s 和1 0 0 z s 时输出光强的瞬态响应 F i g u r e3 - 2 T r a n s i e n tr e s p o n s e so fo
8、 u t p u tl i g h ti n t e n s i t yi n d u c e db yb i p o l a r p u l s e sw i t hd i f f e r e n t d u r a t i o n so f2 0J c l s ，5 0 比s ，a n d1 0 0 z s 3 2 典型参数对响应速度的调制作用 图3 3 和3 4 以自发极化强度最和转动粘滞系数y 为参变量，模拟了 材料参数对F L C 响应速度的调制作用。记输出光强从零上升到9 0 的时 间为晌应时1 8 t o 。如图所示，t o 由只取1 5 n C c r n 2 时1 8 5 z
9、 s 减少为乓取 2 5 n C c m 2 时的1 2 1 p s ，而，由5 5 m P a S 增加到7 5 m P a S ，t o 却增加了 5 5J l s 。模拟结果反映出F L C 的响应速度随只( y ) 的提高而加快( 减慢) ， 这与式( 2 4 3 ) 的解析结果一致。 图3 5 和3 6 则以接触面积S 和液晶盒厚度d 为参变量，模拟了结构 参数对响应速度的调制作用。如图所示，虽然响应速度随S 及d 的增加而 减慢，但对液晶盒厚度的变化更加敏感，这是由于液晶盒厚度的增加直接 导致液晶盒上的电场E V d 下降的缘故。 第3 2 页西南交通大学博士研究生学位论文 2 0
10、 1 0 。0 1 0 - 2 0 1 0 5 0 ? IJ 一一一一4 - 一一一o 一一 z 一桫n C = P s ：1 5 n C c m I 0 40 50 60 7 时间m s 图3 3P s 取1 5 n C c m 2 、2 0 n C c m 2 和2 5 n C c m 2 时输出光强的瞬态响应 F i g u r e3 - 3 T r a n s i e n tr e s p o n s e so fo u t p u tl i g h ti n t e n s i t yw i t hd i f f e r e n tP so f 1 5 n C c m 2 ，2 0
11、n C c m 2 ，a n d2 5 n C c m 2 、Z 1 0 0 1 0 - 2 0 1 0 5 0 0 40 50 6 0 7 时间m S 图3 - 4 ，取5 5 m P a S 、6 0 m P a S 和6 5 m P a S 时输出光强的瞬态响应 F i g u r e3 - 4 T r a n s i e n tr e s p o n s e so f o u t p u tl i g h ti n t e n s i t yw i t hd i f f e r e n t7 ，o f 5 5 m P a S ，6 0 m P a - S ，a n d6 5 m P a
12、 S n矗、慧泉弭簿 nB、蕊果丑簿 西南交通大学博士研究生学位论文第3 3 页 2 0 10 Z0 - 1 0 - 2 0 1 0 5 0 f ： h 一- - I J ，J 一一一一一一一一一一一二一；S=一15cmS=lOcmI S5 c m 2 ：t 么矽尹一 一j 一一一j 一 ：1 ： 0 5 0 5 50 60 6 5 时间m s 图3 - 5 接触面积S 取5 c m 2 、l O c m 2 和1 5 锄2 时输出光强的瞬态响应? F i g u r e3 5 T r a n s i e n tr e s p o n s e so fo u t p u tl i g h ti
13、 n t e n s i t yw i t hd i f f e r e n ta r e aS o f5 c m 2 ，l O c m 2 ，a n d1 5 c m 2 、 Z 1 0 0 - 1 0 - 2 0 1 0 5 0 一 - 一 一 一 一J 一一一一 一 一一毋，二钟r_一m二一 q ，、 、 0 40 50 60 7 时间m s 图3 石液晶层厚度d 取1 J m 、1 5 , m 和2 p m 时输出光强的瞬态响应 F i g u r e3 - 6 T r a n s i e n tr e s p o n s e so fo u t p u tl i g h ti n t
14、 e n s i t yw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s so fl i q u i dc r y s t a ll a y e rdo f1 t m ，1 5 比m ，a n d2 , m In、爱米丑簿 n击、疆米丑簿 第3 4 页西南交通大学博士研究生学位论文 3 3 介电各向异性情况下的光电效应 为研究介电各向异性情况下F L C 的光电效应，首先定义参数o r 反映 动力学方程式( 2 4 0 ) 中介电扭矩与铁电扭矩间的相互关系。由式( 2 1 4 ) 和( 2 - 2 8 ) ，若6 = 0 。，口可写为 口。掣( A es i n
15、 2 0 - O e ) ( 3 - 1 ) 其中a 0 代表正性介电各向异性的 情况。由式( 3 - 1 ) ，口与吲成正比。将式( 3 1 ) 代入式( 2 - 4 0 ) ，若忽略 表面锚定扭矩，式( 2 4 0 ) 可简写为 上一生，l + a c o s 驴 ( 3 2 ) P s E s i n d t 式( 3 2 ) 反映出，若口 0 ，介电扭矩在驴 9 0 。后与铁电扭矩符号相反；反之若口 0 ) 及负性介电各向异性( 口 0 的情况，取单轴各向 异性参数童= 0 7 7 ，介电二轴参数a 一0 ；对于口 9 0 。后，介电扭矩与铁电扭矩之间存在竞争，且介电扭 矩对铁电扭矩的
16、阻碍随蚓的提高而增强，因此当电压幅度足够大后，上 升时间反而随电压幅度的提高而增加。 驱动电压幅度V 图3 1 0口 0 时上升时间和下降时间与驱动电压幅度的关系 F i g u r e3 1 0 R i s et i m ea n dd e l a yt i m eV s a m p l i t u d e o fd r i v i n gv o l t a g e ，f o r 口 0 3 3 2 负性介电各向异性 图3 1 1 给出了a 取0 5 、0 9 、1 和1 2 时F L C 输出光强的瞬态响应 曲线。如图所示，响应的延迟时间随着川的提高而明显增加，曲线沿坐 第3 8 页西南交通大学博士
