题目：液晶显示器表面动力学理论研究

（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：

1.     项目的立项依据

近年来，液晶表面动力学研究已经得到人们重视，特别从薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）出现以后，人们对LCD的响应速度要求也越来要快，从而导致了很多新型液晶显示模式的出现，其中一部分为弱锚定边界条件的液晶显示模式，在普通驱动电压下可获得较快的响应速度，另外还有双稳态或多稳态显示模式，一般使用较大的驱动电压和特定的驱动过程来得到快的响应速度。另外，液晶也应用到了液晶光阀、相位调制器、液晶光纤等光学器件中，需要较大的电场来驱动才能获得很快的相应速度^［1］。在液晶显示器的生产和研究中，通常先依靠计算机模拟和优化来找出合适的参数，然后再由实验来验证。在计算机模拟和优化过程中，必不可少的是液晶弹性理论和矩阵光学理论^［2］。矩阵光学是计算光在液晶层中传播的理论，前提是液晶层中液晶分子的排列已经得到，而液晶分子的排列情况要用液晶弹性理论来计算。在液晶弹性理论中分为静态理论和动态理论（也称为动力学理论），分别计算液晶达到稳定状态和变化过程中的液晶分子的排列分布情况。液晶静态理论在上个世纪30年代已完成，由于只讨论稳定状态，所以相对简单^［3］；液晶动力学理论初始于上世纪70年左右，也已经30多年了，可以计算液晶分子随时间变化的排列情况，该理论相对比较复杂^［4］。在1997年以前，液晶动力学理论都是计算液晶层内部的液晶分子随时间的排列变化情况，而对于液晶层表面处的液晶分子随时间的排列变化不能计算，仅对表面处的液晶分子作固定处理（即表面处的液晶分子的排列在外场作用下不发生任何变化）。这种理论不能处理弱锚定边界条件和强外场作用下的液晶显示器中液晶分子排列，因为在这两种情况下，边界处的液晶分子排列都会有较大的变化，为了解决这种问题，人们在模拟计算中使用了一个类似液晶体内动力学方程的表面动力学方程来计算表面处液晶分子排列随时间的变化，在该方程中引入了一个与体转动粘滞系数对应的参数：表面粘滞系数＝体粘滞系数×表面层厚度^［5］。这个方程也仅仅是一种假设，理论支持不足，但在人们后来进行的研究中^［6-12］，都用该方程进行计算或者对该方程进行理论解释，较好的揭示了表面处液晶分子在动态响应过程的变化情况。但是对于这个表面粘滞系数，不同的锚定强度情况下使用着差别很大的取值^［5，12］；另外在分析该表面动力学方程和体动力学方程在描述整个液晶层中的运动过程中，人们发现：在液晶分子从开态撤掉电场后，液晶层表面和内部的变化随时间的变化不连续。为了解决这种不连续，有人在表面粘滞系数的定义中使用变化的参数，得到了连续的变化，但也没有合理的理论解释^［13］。另外，液晶在液晶盒中的运动分为极向运动和扭曲运动，在这两种运动中，表面锚定能的描述是不同，然而在表面粘滞系数的使用中却使用相同的数值，对比极向锚定能和方位锚定能的差别，则液晶在做这两种运动时，其表面粘滞系数也应该不同，但现在还没有这方面的报道。

近些年来，在国际上对液晶表面动力学的研究比较活跃^［5-14］。研究液晶表面动力学行为，对理解液晶在表面处的行为以及其它液体在各向异性固体表面处的行为均有着重要的理论和实验价值。解决问题的关键所在：1. 提出测量表面粘滞系数的方法，确定表面粘滞系数与表面锚定能之间的关系，尤其是液晶在做极向运动和扭曲运动时的表面粘滞系数的结果对比；2.建立合理的液晶表面动力学理论,通过了解液晶动力学理论在表面处的描述形式和表面条件在动力学行为中的变化和描述，从理论上得到合理的表面动力学方程，从而保证液晶在表面处的变化为连续的，而当前还未有相关方面的系统研究报道。鉴于现在国际上对液晶表面粘滞系数和表面动力学理论的研究情况，该项目的目的是理论结合实验研究来建立完整的液晶动力学理论。

基于国内外的研究进展情况，我们建议开展相应的研究，其主要原因有二：

1．我国的液晶行业在国际上的地位越来越重要，所生产的产品可以应用到所有可能的领域。除了用于显示器外，还应用到液晶光阀、相位调制器、光纤通信、非线性光学器件等领域中，大电场驱动液晶分子的情况也越来越多；快速响应的液晶光学器件可使用弱锚定边界条件或双稳态的液晶盒来获得。能够获得多大的响应时间是液晶显示器以及各种光学器件的一个重要的指标，而液晶动力学模拟在制作这些器件之前对该液晶器件进行模拟计算，可以找到合适的生产参数，从而避免因大量实验而产生的生产资料的浪费，同时大大缩短生产设计时间，提高企业竞争力。

2．基于液晶产业在我国的迅猛发展趋势和液晶理论的要求，而很多关键液晶显示模式和驱动技术方案都掌握在日、韩和台湾的厂商中，而我国液晶产业需要摆脱国际技术专利的束缚。因此从自主知识产权角度出发，在未来的几年里，我国应拥有具有自主知识产权的液晶显示模式及相应的驱动技术方案等。该项目的研究将会给今后的液晶显示模式和驱动技术研究提供坚实的理论基础。

       基于上述原因，本研究确立以“液晶显示器表面动力学理论研究”为研究内容，从理论和实验上进行研究，揭示液晶在各向异性固体表面处的动态运动行为，从而建立合理的液晶表面动力学理论，为研究新的液晶显示模式和驱动技术提供理论依据。

参考文献

1．  Shin-Tson Wu, Deng-Ke Yang, Fundamentals of Liquid Crystal Devices, Wiley, 2006.

2．  Shin-Tson Wu, Liquid Crystal Materials and Devices，研究生讲义 （http://lcd.creol.ucf.edu）

3．  P. G. De Gennes, Physics of Liquid Crystals, Oxford University, 1993.

4．  C. Z. Van Doorn, J. Appl. Phys., V.46, 3738, (1975); D. W. Berreman, J. Appl. Phys., V.46, 3746, (1975)。

5．  G. Derfel, B. Gajewska, SPIE, V.3318, 292 (1997); Liq. Cryst. V.22, 297, (1997).

6．  A. M. Sonnet, E. G. Virga, Phys. Rev. E, V.61, 5460, (2000).

7．  G. E. Durand, E. G. Virga, Phys. Rev. E, V.59, 4137, (1999).

8．  V. Fazio, F. Nannelli, L. Komitov, Phys. Rev. E, V.63, 061712, (2001).

9．  M. Vilfan, I. Olenik, A. Mertelj, M. Copic, Phys. Rev. E, V.63, 061709, (2001).

10．    A. Mertlj, M. Copic, Phys. Rev. E, V.61, 1622, (2000).

11．    A. Sonnet, E. G. Virga, G. E. Durand, Phys. Rev. E, V.62, 3694, (2000).

12．    P. Xu, V. Chigrinov, A. D. Kiselev, Liq. Cryst., V.32(6), 699, (2006).

13．    孙玉宝，姜丽，李再东，马红梅，张志东，Transition Voltage of Asymmetric H state to bend in Pi-cell, (投稿到APL，研究极向运动)。

14．    孙玉宝，马红梅，张志东，Response times of in-plane-switching cell with weak anchoring, (已完成初稿，拟投稿到APL，研究扭曲运动)。

2、    项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。

研究内容：

在液晶盒动力学响应过程中，可以影响其行为的因素有：液晶材料，所加电场，表面边界条件等，其中，液晶材料和电场取决于化学组份和电极形状，仅决定了液晶分子将如何变化，而表面边界条件不仅影响到液晶分子将如何变化，还要决定了表面处液晶分子能够变化多大，继而影响到整个液晶盒中液晶分子的整体变化行为。在研究液晶分子变化行为中，静态理论（即液晶弹性理论）已经将该问题解决了，但是在液晶从一个静态到另外一个静态的转变过程是一个复杂的过程，静态理论并不能够研究这种变化。因此，我们确定研究液晶表面动力学行为，研究液晶动力学理论在液晶盒中的应用，尤其是表面粘滞系数、表面锚定能等在液晶盒动力学响应过程中所起的作用以及结果，研究包括以下三个部分：

A.        理论上研究液晶盒中表面边界条件在液晶动力学响应过程中的影响，着重于表面粘滞系数和表面锚定能的影响。分析和研究表面粘滞系数和表面锚定能对液晶动力学响应的影响时，重点研究液晶分子进行极向运动和扭曲运动两种情况。

B.         理论上研究经典液晶动力学理论，针对液晶盒表面的性质，建立液晶显示器表面动力学理论，提出能够准确描述液晶在表面处运动的表面动力学方程。

C.         实验研究液晶盒中表面锚定能测量、表面粘滞系数的测量等问题。着重于对理论研究中提出的表面锚定能公式和表面动力学方程进行检验。

研究目标：

A.        通过理论和实验研究相结合，给出了合理的表面动力学方程，并在液晶动力学模拟计算中获得与实际液晶盒相符的结果，从而揭示液晶在表面出的动力学行为。

B.         在国际著名期刊上（如“Applied Physics Letters”，“J. Applied Physics”等）发表研究论文4-6篇，在国内权威期刊上发表研究论文6-8篇；

C.         培养具有较高研究水平的年青教师3-4名，申请专利4－6个。

拟解决的关键问题：

A.        提出测量表面粘滞系数的方法，理论和实验结合确定该系数与表面锚定能等边界条件之间的关系；

B.         从理论上，提出合理的表面动力学方程，从而在液晶动力学模拟计算中获得与实际液晶盒相符的结果，进而建立完善的液晶显示器表面动力学理论

3、拟采取的研究方案及可行性分析。

研究方案：

采取以理论研究为主，实验验证为辅的研究方案。

（1）理论研究利用已有的液晶表面动力学方程和从液晶动力学理论推导出新的表面动力学方程，变换各种边界条件，对熟悉的液晶显示模式进行数值模拟，从中得出一些与表面动力学相关的规律和预言可能出现的实验现象。

（2）制作液晶盒，并进行与（1）相应的实验研究，验证规律和预言的正确性。

（3）实验结果的理论总结—通过实验结果及分析，对各种影响因素及相互之间的关联进行理论总结，以获得各种影响因素在液晶表面动力学响应过程中影响的重要程度，从而进一步完善液晶显示器中表面动力学理论。

可行性分析:

（1）项目申请人及其课题组近年来一直从事液晶弹性理论、液晶动力学理论和液晶表面物理等方面的理论研究工作，在国内外学术刊物上发表的相关学术论文40余篇，其中多篇发表在Appl. Phys. Lett.，J. Appl. Phys.，Jpn. J. Appl. Phys.，Liq. Cryst., Chin. Phys.等刊物上。在液晶理论和模拟计算上已取得了足够的知识和能力，因此，已具备了完成项目的理论研究能力。

（2）在实验研究上，我系已有专门进行制作和驱动液晶盒的实验室，在课题组中多位成员都进行过液晶盒制作和驱动程序编程方面的教学和研究工作，在学术刊物上发表过多篇相关论文。并有实验经验丰富的范志新教授进行指导和各液晶企业中的毕业生作为制作液晶盒的基础。因此，我们已具备完成项目的实验研究能力。

4、   本项目的特色与创新之处。

本项目的特色是通过理论和实验方法将液晶动力学理论在液晶显示器中的应用进行完善，将目前传统方法解释不好的液晶显示器中的动力学响应解释完美。利用理论模拟优化的方法来提高液晶显示器的品质特性，通过新显示模式解决液晶显示器响应速度慢的缺点。具体创新之处有：

（1）    研究表面粘滞系数，对液晶的极向运动和扭曲运动进行分别研究，来比较液晶作不同的运动时表面粘滞系数的变化。

（2）    通过理论和实验相结合的方法获得液晶显示器系统中表面性质对液晶表面动力学行为的影响，建立适用于新型液晶显示模式模拟计算的液晶动力学理论。

5、   年度研究计划及预期研究结果。

（1） 第一年度（20##年）

研究计划：

A.  理论研究液晶动力学理论，进行该理论在液晶显示器中应用的方程推导工作；

B.  实验研究液晶盒的动力学响应，初步应用现有的表面动力学方程来拟合实验结果，并找出其中的差别进行分析。

预期研究成果：

A.  总结现有表面动力学方程在液晶显示器动力学响应计算应用中的合理和局限性；得到新的表面动力学方程；

B.  在国际学术期刊及国内权威刊物上发表（投稿）研究论文2-3篇，申请专利1-2个。

（2） 第二年度（20##年）

研究计划：

A.  应用新的表面动力学方程进行液晶盒中动力学响应的模拟计算，在模拟中探寻新的现象。

B.  实验研究特定的液晶显示器，来研究不同边界条件下的各种实验现象，并结合模拟计算进行分析和理论改进。

预期研究成果：

A.  总结不同表面条件下的液晶显示器中的表面对动力学响应的影响；应用新的表面动力学方程在模拟计算中得到一些新的现象；

B.  在国际学术期刊及国内权威刊物上发表（投稿）研究论文4-6篇，申请专利1-2个。

（3） 第三年度（20##年）

研究计划：

A.    完善液晶表面动力学方程,进一步模拟计算探寻其它显示模式中的新现象;

B.    实验研究上述显示模式,理论模拟和实验相结合，验证上述理论模拟的结果。

预期研究成果：

A.    提出完善的表面动力学方程，并应用在液晶显示器动力学响应的模拟计算中，从理论和实验中得到新的物理现象并进行详细的研究；

B.    在国际学术刊物及国内权威刊物上发表（包括投稿）研究论文4-6篇；

C.    培养具有较高研究水平的青年教师3－4名，申请专利2-3个。

在研究期间拟召开1次学术研讨会，邀请国内外知名学者（如：Shin-Tson Wu教授、Hoi-Sing Kwok教授、欧阳钟灿院士、宣丽研究员等）进行国际前沿性问题的探讨。

（二）研究基础与工作条件

1、          研究基础

近年来，本项目申请者与项目组主要申请者主要从事液晶物理和液晶显示器物理的研究，对相关学科领域已有较全面地理解和掌握，在液晶静态理论、动力学理论和矩阵光学在液晶显示器显示特性的研究与优化等方面取得了很好的研究成果。这些方面的主要工作发表在国际著名刊物：《Appl. Phys. Lett.》，《J. Appl. Phys.》，《Jpn. J. Appl. Phys.》，《Liq. Cryst.》以及国内重要的物理权威刊物《Chin. Phys.》，《液晶与显示》等。这些结果具体表现在以下几个方面：

（1）应用液晶动力学理论研究液晶显示器的响应速度问题。在研究传统模式的共面转换液晶显示模式中摩擦角度、扭曲角度对响应速度的影响过程中，提出新的响应速度计算公式，其主要结果发表在国际权威刊物《App. Phys. Lett.》（2002和20##年）；另外应用该理论研究了两种新型共面转换液晶显示器的动态响应特性，其主要结果发表在国际权威刊物《J. Appl. Phys.》（2002和20##年）;

（2）应用液晶弹性理论研究了光学自补偿模式液晶显示器中的临界电压问题，并计算了其动态响应过程，其主要结果发表在国际权威刊物《App. Phys. Lett.》（20##年）; 近来应用液晶弹性理论和动力学理论研究了弱锚定边界条件下光学自补偿模式中展曲到弯曲转变的过程，其主要结果已投稿到国际权威刊物《App. Phys. Lett.》;

（3）应用液晶弹性理论研究了对称和不对称弱锚定边界条件下共面转换模式的灰度显示与阈值电压之间的关系，其主要结果发表在国际专业刊物《Liq. Cryst.》（20##年）和《Chin. Phys.》（20##年）；研究了弱锚定边界条件下表面弹性项K₁₃对液晶显示器的物理性质的影响，其主要结果发表在《Liq. Cryst.》（2003和20##年）和《物理学报》（20##年）；对栅状表面的液晶盒中的边界锚定能表达形式进行了理论分析，主要结果发表在《Chin. Phys.》（20##年）和《Liq. Cryst.》（2007，待发表）；

（4）。在实验方面，提出了应用利用晶体旋转法测量大预倾角度的方法，发表在《光学学报》（20##年）；应用扫描电镜和非接触光探针平整度仪对液晶器件中所用材料（玻璃基板、衬垫料、取向层等）进行过研究，论文发表在《光学学报》（20##年）和《光学技术》（20##年）等。

2、          工作条件

具备的条件：

本项目的依托单位河北工业大学是国家211工程重点大学，拥有进行该项目研究的必须杂志和从网上查阅各种重要杂志的电子版本的条件。应用物理学科是省级重点学科单位，具有几十台高档微机和一台计算机中心工作站，可以保证本项目计算部分工作的顺利开展。液晶实验室目前的实验设备有：液晶综合参数测试仪、分光光度计、激光干涉轮廓仪、奥林巴斯显微镜、偏光显微镜、摩擦机、液晶灌注机、纯水制备机、匀胶机、紫外光固化机，液晶显示器驱动模块实验室等液晶盒的制作、驱动和测试设备。

缺少的条件及解决方法：

       缺少制作高精密度液晶盒的超净室，拟利用重点学科资金建设一个适合制作高精密度液晶盒的实验室，也可以利用液晶显示器生产企业进行必要的实验用液晶盒制造。

3、          申请人简历

孙玉宝，男，学士，副教授，本项目中承担研究方案的制定和实施。

1999年河北工业大学应用物理专业本科毕业，获学士学位，同年留本校理学院应用物理系任教。2002年破格晋升讲师，2004年破格副教授。从事液晶显示器物理的研究工作。曾参与三项河北省自然科学基金项目，做了许多工作并有多篇论文发表；现承担河北省教育厅项目1项（本年底结束）。近期有代表性的论文和专利：

论文：

1．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zaidong Li, Zhidong Zhang, Ronghua Guan, Pretilt angle effect on the critical voltage and response speed of pi cell. Appl. Phys. Lett., V. 90(9), 091103, (2007).

2．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zhidong Zhang, Xinyu Zhu, Shin-Tson Wu, Twist angle effect on thedynamic response of in-plane-switching liquid crystal displays. Appl. Phys. Lett., V. 89(4), 041110, (2006).

3．  Yubao Sun, Zhidong Zhang, Hongmei Ma, Xinyu Zhu, Shin-Tson Wu, Optimal rubbing angle for reflective in-plane-switching liquid crystal displays. Appl. Phys. Lett., V.81(26), 4907, (2002).

4．  Yubao Sun, Zhidong Zhang, Hongmei Ma, Xinyu Zhu, Reflective in plane switching liquid crystal displays. J. Appl. Phys., V.93(7), 3920, (2003).

5．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zhidong Zhang, Reflective liquid crystal display using an in-plane- switching super-twisted nematic cell. J. Appl. Phys., V.92(4), 1956, (2002).

6．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zhidong Zhang, Grey behaviour analysis of in-plane switching mode liquid crystal displays with weak-anchoring effects. Liq. Cryst., V.28(8), 1059, (2002).

7．  Yubao Sun, Zhidong Zhang, Crucial Influence of the Polar Alignment on the Dynamics of the In-Plane-Switching Cells. Liq. Cryst., V.28(2), 227, (2002).

8．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zaidong Li, Zhidong Zhang, Critical voltage of p-cell liquid crystal displays. Jpn. J. Appl. Phys., V45(7), 5810, (2006).

9．  Yubao Sun, Hongmei Ma, Zhidong Zhang, Novel Mode of Liquid Crystal Display with Narrow Viewing Angle. Jpn. J. Appl. Phys., 41(6A) 3878, (2002).

10．    Yubao Sun, Shin-Tson Wu, Influence of the Rubbing Angle on Reflective In-Plane-Switching Liquid Crystal Displays. Jpn. J. Appl. Phys., V.42(4B), L423, (2003).

11．    Ronghua Guan, Yubao Sun, Wenxiu Kang, Rubbing angle effect on in-plane switching liquid crystal displays, Liq. Cryst., V.33(7), 829, (2006).

12．    Ronghua Guan, Yubao Sun, Threshold and saturation properties of the field-induced twist cell with two parameters weak anchoring boundaries, Chin. Phys., V.15(6), 1041, (2006).

13．    范志新，孙玉宝，章红林，用非接触光探针平整度仪对液晶器件的研究，光学学报，V.22(7), 863, (2002).

14．    范志新，潘良玉，孙玉宝，李志广，液晶显示器中液晶分子取向层边缘的轮廓，光学技术，V.29(3), 183, (2003).

专利:

1. 窄视角液晶显示器，发明专利，专利号：ZL02103857.0, 20##年

2. 低色散、宽视角、快速响应的反射式共面转换超扭曲液晶显示器，发明专利，专利号：ZL02117852.6, 20##年

（三）经费申请说明

一、研究经费

1.科研业务费：

（1）测试／计算／分析费  用于实验测试与分析费用，计算机时费用

（3）会议费／差旅费      用于参加国际和国内会议

（4）出版物／文献／信息传播费    用于论文发表版面费，文献复印和专利申请费

（5）其它    作为机动

2.实验材料费

（1）原材料／试剂／药品购置费    用于购买实验用液晶材料和制作液晶盒所用材料等实验必需的材料

5．协作费      与企业协作制作高精细液晶盒

二、国际合作与交流费

2．境外专家来华合作交流    用于邀请国内、外专家讲学并进行指导研究费用

（四）其他附件清单（附件材料复印后随纸质《申请书》一并上交）