2.3.1 OCB液晶显示模式

1984年，美国泰克公司的P.J.Bos等人提出了OCB液晶显示模式，因其中液晶排列近似于π，相应的显示屏又称为π盒。1993年，日本的T.Uchida对这个技术进行了液晶显示器的开发，主要研究了其宽视角特性。而后很多研究对该液晶显示模式的展曲到弯曲的转变、响应时间和宽视角等特性进行了较详细的研究。在OCB液晶盒中，基板表面的预倾角是相反的，该角度约为5°。如图2-31所示，在不加电压的情况下，液晶层中的液晶分子为展曲状态；在低电压驱动下发生对称的展曲形变；当电压超过某个临界值时，液晶层中的液晶分子可转变为弯曲状态；在更高的电压驱动下，获得暗态。OCB液晶显示模式的显示是在弯曲状态下高低电压变化形成的显示。表面相反的预倾角可以提供两个优点：①显示器的视角是对称的；②弯曲取向中不存在背流效应，但是还有流动效应，可以使响应速度非常快。

图2-31 OCB液晶盒中在不同电压下的指向矢分布图

液晶分子的取向和液晶分子的流动是相互关联的两种现象，在液晶取向转变的同时往往伴随着液晶的流动，流动又导致液晶的质心位置变化，这就是所谓的背流效应，如图2-32所示。背流效应在如图2-32（a）所示的平行排列的液晶盒中非常明显，在弛豫过程中，大大增加了延迟时间；在如图2-32（b）所示的OCB液晶盒中，上下液晶层的指向矢在电场的作用下偏移方向不一致，一个顺时针，一个逆时针，使得在调整取向的过程中只有流动效应，促进液晶分子向着最终状态旋转，从而缩短器件的响应时间。

图2-32 液晶盒中背流效应和流动效应示意图

OCB液晶显示器的快速响应来自3个因素：偏置电压效应（只有靠近基板表面的液晶有较大的倾角变化，也称为表面模式效应）、液晶中的流动效应和半液晶盒效应。具体到各因素对响应速度的影响因子大约为：半液晶盒效应为1/4，液晶中的流动效应为1/2，表面模式效应为1/3～1/2。总体效应，OCB液晶显示模式的响应时间大约为TN液晶显示器的1/24～1/16，一般，OCB灰阶响应时间短于3ms，比普通的VA和IPS液晶显示模式短很多，这对液晶电视应用来说很重要。

为了让OCB液晶盒能够正常工作，需要对液晶盒进行预热，将初始的展曲状态转变为弯曲状态。这里存在一个临界电压，只有施加电压超过该临界电压（等效于其他液晶显示器的阈值电压），液晶盒中液晶才能存在于弯曲状态。该临界电压与液晶材料参数和预倾角相关，可以表示为

式中，K₁₁、K₃₃分别为液晶的展曲和弯曲弹性常数；α为表面预倾角；α_c满足下式：

从展曲状态到弯曲状态的转变需要花费一些时间，不同的转变方法需要的时间为几秒到几十秒。

OCB液晶显示器中的指向矢分布在一个平面内，导致在驱动电压下液晶层中上下表面处剩余的延迟量不能互相抵消，因此需要复杂的补偿膜结构，来获得好的视角特性。如图2-33所示，OCB液晶盒两侧使用盘状液晶膜和双轴补偿膜后，对比度视角具有很好的对称性。

虽然OCB液晶显示器能够表现出较好的视角特性，但是依然存在视角不对称的特性，还存在灰度反转的特性，因此在高质量的显示器中不能得到应用。幸好，OCB液晶显示模式具有很好的响应速度特性，可以应用在光开关器件中。OCB液晶显示模式主要应用在液晶光阀和3D投影机系统中的偏振旋转器中，能够在驱动的作用下实现响应时间短于0.1ms的响应速度。

图2-33 OCB液晶显示器的补偿膜结构和对比度视角图