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抽象
我们提出了一种具有三端电极结构的胆甾液晶器件，可以在动态和双稳态模式下工作。通过施加面内电场可以实现平面和面内场感应状态之间的快速切换（小于 5 ms），而通过施加垂直电场可以实现平面和焦点圆锥状态之间的常规双稳态切换。
©2012 美国光学学会
1. 引言
到目前为止，胆甾液晶 （ChLC） 器件因其双稳态和反射特性而被用于各种光学开关应用，例如反射式显示器件和光闸 [1–18]。ChLC 有两种稳定状态，即平面和局灶圆锥，以及一种瞬时顺向状态。布拉格反射由于其手性和周期性结构而以平面状态表现出来，而由于 ChLC 结构域的随机分布，入射光在焦点圆锥状态下被散射。由于 ChLC 器件具有双稳态特性，因此适合以较小的功率显示静态图像。
目前，显示设备对显示高质量运动图片的能力要求越来越高。因此，传统的 ChLC 设备必须使用瞬态顺势状态来显示运动图片，方法是使用平面和顺势状态可以分别用作亮态和暗态的模式。然而，尽管在施加电压时从平面状态切换到顺势状态会迅速发生，但在去除施加的电压后，从顺势状态到平面状态的松弛大约需要 300 毫秒，这对于流畅的视频来说太慢了 [6， 15， 17]。最近，使用面内切换在短间距 ChLC 器件中实现了快速响应时间 [10， 14]。然而，该设备不能利用 ChLC 的优点，例如它们的双稳态和反射特性。此外，由于节距短，工作电压非常高。此外，该设备仅限于透射式显示器;因此，如果要将交叉偏振片等光学元件用作显示设备，则需要它们。
在本文中，我们提出了一种具有三端电极结构的 ChLC 设备，该设备可以在双稳态和动态模式下运行。双稳态模式使用平面和焦点圆锥状态之间的垂直电场切换。此外，在平面和面内场感应状态之间采用面内切换，而不是传统的平面和同向状态之间的慢速切换，以实现动态模式下的快速响应。因此，我们可以实现能够利用 ChLC 双稳态特性的快速切换 ChLC 设备。我们认为，所提出的器件适用于各种新兴的需要同时工作在双稳态和动态模式的光开关器件。
2. 双模开关的工作原理
所提出的 ChLC 装置的双稳态运行原理如图 1 所示。我们可以通过施加垂直电场来实现双稳态模式作。在平面状态下，ChLC 通过布拉格反射选择性地反射绿色波长。通过施加垂直电场，平面状态可以切换到焦点圆锥状态，从而散射入射光。两种状态在零电压下都是稳定的。平面状态或焦点圆锥状态都可以切换到顺向状态，这是一种在施加电场时保持的瞬态状态。当施加的电压降低或消除时，同向状态返回到平面状态或焦点圆锥状态。因此，可以在低功耗下实现双稳态运行。
然而，由于从顺势状态到平面状态的弛豫需要很长时间（大约 300 ms）[17,18]，因此仅使用平面和顺向状态之间的垂直电场切换很难实现动态模式。 所提出的 ChLC 器件的动态模式作也如图 1 所示。通过在图案化电极和公共电极之间施加电场，平面状态切换到面内场感应状态 [10， 14]，从而产生透明性，由于没有布拉格反射而没有反射。因此，面内场诱导状态可以替代焦点圆锥状态或顺向状态。一旦施加的电压被移除，ChLC 就会恢复到初始平面状态。在这里，由于每个半周期的纹理强烈变形，可以实现快速的介电响应 [10， 14]。
3. 三端电极结构与实验
允许施加面内和垂直电场的三端电极结构如图 2 所示。顶部衬底包括一个没有任何图案的电极，用于垂直电场切换，而底部衬底包括用于面内切换的图案化电极;利用这种结构，可以实现三端电极结构[19–21]。底部衬底具有与边缘场切换 （FFS） 模式中使用的电极结构相同的电极结构。在相同的面内驱动电压下，具有浮动顶部电极的三端器件中的电场分布与双端器件中的电场分布几乎相同 [20]。
为了确认所提出的 ChLC 设备的电光特性，我们制造了一个具有图 2 所示的三端电极结构的 ChLC 设备。图案化电极的宽度和它们之间的间隙分别为 4 μm 和 6 μm。顶部和底部铟锡氧化物玻璃基板旋涂均匀的聚酰亚胺对准层（AL16301K，JSR Micro Korea），然后进行烘烤工艺以聚酰亚胺化聚酰亚胺。然后组装衬底，使用硅胶垫片保持 4 μm 的细胞间隙。将正离子液晶（MLC-6650，Δn = 0.1498，Δε = 52.6，Merck）与手性材料（S811，Merck）混合以产生 ChLC。选择混合比例以反射绿光。将混合物注入空的三端子电极装置中。
4. 结果和讨论
使用分光光度计 （MCPD-2000） 测量的制造的 ChLC 设备的反射光谱如图 3 所示。绿光在平面状态下反射，在平面状态下，反射率在 530 到 570 nm 之间的波长处最高。当施加的面内磁场较低时，螺旋扭曲仅在靠近底部衬底且电场强度最高的区域发生扭曲。它导致布拉格反射减少。随着施加的面内场的增加，螺旋扭曲扭曲的区域向顶部基底加宽，从而进一步减少布拉格反射。当通过施加高压在所有区域强烈扭曲螺旋扭曲时，可以完全消除布拉格反射。因此，当施加的电压高于 50 V 时，所提出的 ChLC 器件的面内场诱导状态在整个可见波长范围内没有显示反射。
在双稳态模式下运行的制造的 ChLC 器件的测得电压-反射曲线如图 4（a） 所示。在顶部和底部公共电极之间施加垂直电场。图案化电极和底部公共电极保持相同的电压水平。在去除施加的电压脉冲后测量反射率，该脉冲的固定宽度为 40 ms。在施加的电压小于 18 V 时，初始平面状态保持不变。当施加的电压增加到 20 V 时，由于存在聚焦圆锥域，该器件开始散射入射光，因此反射率降低。当施加 30 V 至 36 V 之间的电压时，焦点圆锥域在 ChLC 器件中占主导地位，因此表现出最低的反射率值。ChLC 装置在高于 40 V 的外加电压下切换到顺向状态;当施加的脉冲不再存在时，它开始松弛回到平面状态。通过垂直场切换获得的结果与报道的常规 ChLC 设备的结果几乎相同 [17， 18]。
图 4（b） 显示了在动态模式下运行的制造的 ChLC 器件的测量电压-反射率曲线，其中反射率是在图案化电极和公共电极之间施加电压时测量的。随着施加电压的增加，反射率降低。当我们施加高于 40 V 的电压时，布拉格反射很小。
插图显示了制造的 ChLC 设备在平面、焦点圆锥和面内场诱导状态下放置在一张印刷文本“PNU”的白纸上时的图像。为了进行比较，右侧还显示了带有打印文本“PNU”的原始白纸。由于平面状态下的布拉格反射和焦点圆锥状态下的光散射，因此在这两种状态下都看不到文本“PNU”。然而，在面内场诱导状态下，由于设备的透明度和缺乏反射，我们可以识别打印的文本。
为了确认所提出的 ChLC 设备的快速切换特性，我们测量了每种状态之间的转换时间。开启时间定义为反射率从最大值的 10% 增加到 90% 的瞬态时间，反之亦然。通过施加 45 V 的垂直电压，可以将平面状态切换到顺向状态。此转换的导通时间小于 2 ms，如图 5（a） 所示。移除外加电压后，器件大约需要 195 ms 才能弛豫到完美的平面状态。因此，很难以足够的速度在平面和顺势状态之间切换以允许设备显示运动图片。该结果与在传统 ChLC 设备上通过垂直电场切换获得的结果几乎相同。
Fig. 5 Temporal switching behavior of the proposed ChLC device for (a) vertical switching between the planar and homeotropic states and (b) in-plane switching between the planar and in-plane-field-induced states.
The planar state can be switched to the in-plane-field-induced state by applying an in-plane electric field. A fast turn-on time of less than 2 ms was achieved at an applied voltage of 45 V, as shown in Fig. 5(b). When the applied electric field was removed, the in-plane-field- induced state reverted to the planar state; a fast relaxation time of less than 3 ms was obtained because of strong distortion of the texture in each half-period [10, 14]. Thus, our proposed ChLC device is suitable for displaying moving pictures using in-plane switching. We expect that further studies on optimization of the cell parameters such as the gap distance and width of the patterned electrodes can increase the switching speed. The proposed ChLC device with a three-terminal electrode structure can use either the bistable mode for low power consumption or the dynamic mode for fast response time.
5. Conclusions
In conclusion, we proposed a ChLC device capable of operation in both the bistable and the dynamic modes using a three-terminal electrode structure. Vertical electric field switching between the planar and the focal conic states is employed for the conventional bistable mode. We achieved a fast response time (less than 5 ms) via in-plane switching between the planar and the in-plane-field-induced states. We expect that the proposed device will be applicable to emerging optical switching devices requiring both fast response times and low power consumption.
Acknowledgments
This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MEST) (No. 2011-0029198).
References and links
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