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预倾角对液晶响应时间影响 　　摘要：从理论上分析了预倾角对液晶动力学的影响，推导出一系列可用于描述预倾角非0条件下的液晶响应分析公式。使用垂直取向的液晶盒能够通过实验验证理论分析的正确性，这一发现将预倾角与液晶响应时间定量的联系在一起。对预倾角和液晶响应时间的关系的研究，将加深我们对液晶动力学过程的理解，从而有助于优化液晶的响应时间。 　　关键词：液晶；预倾角；响应时间 　　中图分类号：TN141.9文献标识码：A 　　 　　Pretilt Angle Effects on Liquid Crystal Response Time 　　 　　Xiangyi Nie, Haiqing Xianyu, Ruibo Lu, Thomas X. Wu, Senior Member, IEEE, 　　and Shin-Tson Wu, Fellow, IEEE 　　（College of Optics and Photonics/CREOL, University of Central Florida, Orlando, USA） 　　 　　Abstract: Pretilt angle effect on liquid crystal dynamics is analyzed theoretically. Analytical expressions are derived to describe liquid crystal response time under nonzero pretilt angle conditions. The theoretical analysis is confirmed experimentally using vertically aligned liquid crystal cells. This finding quantitatively correlates pretilt angles with liquid crystal response time. This study improves the understanding of the liquid crystal dynamic process which is helpful for optimizing liquid crystal response time. 　　Keywords：liquid crystal (LC)；pretilt angle; response time 　　 　　1前言 　　 　　液晶(LC)响应时间在显示应用中具有关键性的作用。响应时间过长会导致图像模糊，因此需要避免这种情况。LC响应时间主要受到基板表面处理的影响，对基板进行适当处理之后，向列相液晶的指向矢会沿着某一从优方向取向，这一方向就叫做预倾角[1]。预倾角对于液晶盒的动力学过程具有重要影响[2]，但是迄今为止，还没有相关方面的细致的理论研究。本文中我们推导出了一系列可用于描述LC动力学(包括预倾角效应)的分析公式，此类分析适用于有预倾角的LC设备，诸如具有液晶分子长轴平行于基板取向的透反式显示器[3][4]，以及具有垂直取向的硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS )显示器[5]-[7]。为了验证理论分析，我们制备了一系列具有不同预倾角的垂直取向(vertically aligned, VA)的液晶盒。实验中，我们发现大的预倾角确实在很大程度上影响了液晶响应时间，这些实验结果与我们理论分析的结果一致。 　　 　　2原理 　　 　　图1显示的是夹在两片平行基板中的一层垂直取向的向列相液晶，其中z=-d/2 和 z=+d/2 分别代表底部和顶部基板，z轴垂直于基板平面，而电场E沿着z轴方向。 　　如果不考虑背流(backflow)和惯性效应，描述液晶指向矢的Erickson-Leslie方程可以简化为以下形式[8][9]： 　　 　　 　　 　　在方程 (1) 中，γ1是液晶指向矢的旋转黏滞系数，Κ11和Κ33分别代表展曲和弯曲弹性系数，ε0ΔεE2是电场能量密度，Δε是液晶的介电各向异性，θ是形变角，定义为z轴与液晶指向矢之间的夹角。 　　方程（1）基本上只能是数值可解的，但是，当形变角很小(sinθ～θ)(小角近似)[10]以及Κ33～Κ11(单弹性系数近似)时，Erickson-Leslie方程可以化简为： 　　 　　方程（2）有如下通解： 　　 　　 　　如果垂直取向液晶盒的顶部和底部基板经过相同处理，那么θs就为0。在某一给定的电压下，θm是液晶盒中央处指向矢的最大形变角(θ|Z=0=θm)。如果顶部和底部基板有不同取向条件，那么θs