[科普中国]-宾主效应

宾主效应是将沿长轴方向和短轴方向对可见光的吸收不同的二色性染料作为客体，溶于定向排列的液晶主体中。二色性染料将会“客随主变”地与液晶分子同向排列。当作为主体的液晶分子排列在电场作用下发生变化时，二色性染料分子排列方向也将随之而变化，即二色性染料对入射光的吸收也发生变化。1

简介宾主效应所依靠的完全是介电力，其中以双色染料为“宾”混合在以向列相为“主”的材料当中。这种染料对平行于和垂直于其光轴的光吸收系数是不同的。如图所示，染料由液晶决定其取向。在零场时，液晶处于平行排列取向而染料分子以其长轴平行于线偏振光的光矢量。在这种情况下，染料分子在可见光中有吸收带。在阈电压以上，正介电各向异性的向列型液晶倾向于平行于电场排列。这是低染料吸收的条件。因此，在这两种状态间能观察到彩色变化。2

宾主效应性质晶体也表现出二向色性质。无机晶体，像黑云母、电气石和碘在整个可见光范围表现出二向色性质，某些有机染料只在可见光的某一范围表现出二向色性质，而在另外的波长范围，光波不是全被吸收就是全部不吸收，与晶体光矢量的相对方位无关；或者光矢量与分子长轴平行时，吸收某波长的光，与长轴垂直时，吸收另外波长的光。这类晶体的轴与光矢量位置的相对变化会导致出射光色彩的变化(比如，一束白光照射时，出射光从红变绿)。国外某些厂商，已成功地改变了液晶分子的结构，把液晶的二向色性质从非可见光波长移到可见光范围，虽然波长不是覆盖整个波长范围，但这个性质正好用作颜色开关而实现色彩显示。由于液晶分子在电场中有沿电场取向的性质，所以用这种液晶作成的色彩开关受液晶上所加电场的控制。液晶显示研究的初期是把二向色染料混人透明的液晶中，外加电场控制液晶分子的转向，而带动棒状的染料分子一道转动。进行颜色显示的染料，只占总组分的百分之几，算是液晶的添加剂(为宾)，液晶是载体(是主)，故称为宾主效应，以后把用电场控制的二向色性晶体转向从而实现光开关或色彩开关。

基本原理图3-26是最初提出的Heihneier型GH液晶盒的结构。此液晶盒采用P型染料和介电各向异性为正的液晶(Np型液晶)，液晶在液晶盒表面的取向为=/=取向。可以看到，当开关断开时，没有外电场加在液晶盒上，染料随液晶一道成=/=取向，通过偏振片以后的光矢量平行于染料分子的长轴，染料对光有强烈的吸收。如果入射的是白光而染料的颜色为绿色，透射出来的光为绿色；而若染料为黑色，则各种波长的光都会被吸收。当开关合上时，外电场加在液晶盒上，染料随液晶转向成〦/〦取向，光矢量垂直于染料分子的长轴，染料对光有最小的吸收。入射光通过液晶盒，而液晶盒可以视为无色。3

宾主效应的种类图3-26那样的宾主型液晶显示器在没有加电场时为深色的，加电场以后为浅色的。而在深色的背景下显示无色图案，是一种负性显示器。然而，在实际使用方面，正性显示容易使用，应用较多。为了实现正性显示，提出了如下两种结构。

第一种正性显示方法，如图3-28所示，使用介电各向异性为负的液晶(Nn型液晶)，指向矢相对基板从垂直状态稍作倾斜排列。这样，在关态为无色；在开态，分子重新排列，与基板平行，因而成着色态。这种倾斜取向(预倾斜取向)可在倾斜蒸镀SiO后，用垂直取向剂N，N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化物(DMOAP)对其处理实现。此种液晶盒的预倾角取3°～5°最佳。

第二种正性显示是利用正性液晶(Np型液晶)、负性染料(n型染料)的方法，如图3-29所示。n型染料在光矢量垂直于其长轴的时候有最大的吸收，而在光矢量平行于长轴时的吸收最小。

上述宾主液晶盒中都需要装贴一枚偏振片，因而有以下问题：

①由于偏振片的吸收，50%以上的入射光被损耗掉，显示的亮度类似于TN-LCD，液晶盒变得较灰暗；

②反射板不能破坏反射光的偏振性，通常用平滑表面的金属膜，但是，这种反射板的反射角不大宽，因而液晶盒的视角变窄。

作为解决这些问题的方法，若只是拿掉偏振片，则会使吸光度的开关比明显降低，不能用。曾提出过下述三种解决方案，这些方案是用1/4波长板的GH液晶盒、相变型GH液晶盒和双层液晶盒。

用1/4波长板的GH液晶盒如图3-30所示，只作为反射型使用。互相正交的两个入射偏振光分量借1/4波长板在两条路上使偏振光方向旋转90。，并交换偏振光分量。所以，在关态，各偏振光分量不论在入射光路还是在反射光路，均被吸收。

这种液晶盒的问题在于1/4波长板的延迟与波长和视角都相关，视角与颜色相关，因而得不到宽广的视角。

相变型GH液晶盒是另一种宾主效应的模式。它采用添加P型染料的胆甾相液晶。为缩短从开态到关态的过渡时间，基板表面要作垂直取向处理。此种液晶盒若持续增加作用电压，就如图3-31所示显示出两个阶段的变化。①～③状态与后面的图3-33所示的平面态、焦锥态、向列态分别相对应。

这种方式的液晶盒有如下特点：

(1)通过①和③状态的开关，可得到吸光度相当高的开关比，但由于有②状态的存在，不能作多路驱动。

(2)③状态的吸光度随d/p(P为螺距，d为液晶盒厚度)的增加而增大，但是也导致驱动电压的增加，为得到高吸光度的开关比，需有15V～20V的电压。

双层型GH液晶盒，常写作DGH(Doubl Guest Host)液晶盒，它包括两层液晶盒，各自的分子指向矢互相正交，所以，入射的两支偏振光分量在关态的时候一定会在第一层或第二层被吸收，由此提高对比度。

图3-32示出实际的DGH液晶盒的剖面图。从斜向观察时，两枚液晶盒的显示图形有偏移，为防止图像偏移，中间玻璃基板的厚度必须在0.7mm以下。与反射型的Heilmeier型GH液晶盒比较可以看到DGH-LCD的优点：

(1)DGH液晶盒的反射板用的是反射角很宽的白纸，GH液晶盒则用抛光过的铝膜，所以具有能获得很宽视角的优点。

(2)由图3-32可知，DGH-LCD不需要偏振片，液晶盒的开态很明亮，关态有良好的吸光度，所以有很高的对比度。3

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所