双频液晶DFLC技术解析及应用探讨

1.双频液晶材料

在实现相控阵波位切换1 ms这个响应时间指标的问题上，液晶材料的响应时间是根本，也是解决问题的核心所在。按照现有的快速响应液晶材料，包括铁电、蓝相、PNLC、PDLC、双频等5类。依据目前全世界的研究现状，PN⁃LC和双频是仅有的能够应用在光学相控阵中的技术方案。但是，根据本小组过去多年关于PNLC的研究经验，特别是2013年之后的关于PNLC移相器件的研制经验，在短时间内解决折射率失配带来的散射问题是非常困难的，同时也是当前美国没有解决的问题。

本方案采用双频液晶作为器件的核心移相工作介质。根据Maier－Meier公式将Onsager理论应用于具有各向异性的极性液晶中，液晶的介电常数主要受到两种极化的影响：电场感应极化和液晶分子的取向极化。感应极化具有快速的响应时间，而取向极化随外场频率的升高会产生弛豫现象。

根据德拜公式，当外部场频率高于弛豫频率时，液晶分子的取向极化将无法跟上频率的变化，这就使得沿液晶分子长轴方向的介电常数分量随频率的增高而逐渐减小，从而导致了双频液晶介电各向异性随频率改变的现象。双频液晶最显著的特点是介电各向异性可以随外加频率的改变而变化，在无外界频率时该液晶的介电各向异性Δε＞0；当外部施加一个变换频率时，液晶的介电各向异性随频率的变换而改变，当频率达到fc时，Δε＝0；若继续升高频率，则Δε＜0，如图8.22所示。

图8.22　双频液晶的介电常数和驱动频率的关系

双频液晶在低频电场和高频电场下分子的取向排列会发生显著的变化。在低频电场下，分子沿电场方向排列，这与正性向列相液晶分子在电场下的取向相同。在高频电场下，分子垂直于电场方向排列，这与负性向列相液晶分子在电场下的取向一致。双频液晶显现了正性液晶与负性液晶的双重特性，而这种特性是由频率所支配的，如图8.23所示。

双频器件的相位转换时间，在有馈电的情况下，转换时间为

式中，阈值电压，响应时间与驱动电压的幅值平方成反比，通过增加驱动电压能够大幅降低响应时间，其中Δε是由驱动的频率来决定的。然而，在常规液晶中，液晶分子从大角度回到某个小角度只能依靠自身的弹性回复，转换时间为，仅仅只能从器件结构参数和材料参数来决定，即无法通过外加电压V来实现液晶器件的快速回转。

图8.23　双频液晶的驱动原理

在双频液晶器件中，采用外加强制馈电的方式实现对液晶分子上拉或者下拉两个方向加速液晶的转动。在双频液晶材料的研制方面，主要采用混晶技术来实现符合项目需要的材料。单脂和双脂化合物（正性）是实现DFLC的关键要素。实验表明，双脂液晶能够使得fc降低3倍，同时能够达到更大的介电，但是同时黏滞系数也更高。(https://www.xing528.com)

2.双频液晶调配的基本原则

1）正性液晶（介电异性，同时随着驱动频率的增加而降低，通常采用氟化单脂氰酸化合物）

在正性液晶材料选择上，采用氟化单脂CN类或者双脂CN类，加入负性Host中。一般情况下CN－双苯结构决定它的弛豫频率都是在MHz量级，但是通过混合的方式能够将其移到kHz量级。正性液晶分子结构如图8.24所示。

图8.24　正性液晶分子结构

混晶的其他材料比例可以通过Schroder－Van Laar方程获得很好的相容性和更宽的向烈相范围。

低频的介电色散与分子结构：极化、硬度、分子长度（脂个数，环数，氟数）。双脂材料的转变频率是单脂的1／3。正性材料中介电弛豫频率是实现双频液晶的关键因素。

2）负性液晶（恒定的大介电异性材料，一般采用氟化二苯乙炔（或者是苯基二苯乙炔），同时Dn也大，熔点也低）

负性液晶分子结构如图8.25所示。

图8.25　负性液晶分子结构

二重（2，3）侧链双氟取代苯基二苯乙炔表现出非常好的双折射（Dn＝0.35）和介电异性（Δε＝－8），因此可以作为负性液晶很好的添加剂，或者作为双频液晶材料的负性成分，能够提高其介电异性和双折射的作用，同时降低交叉频率。通过非饱和环、非饱和键能够增加Dn，侧氟代二联苯、三联苯也是很好的方法。二苯乙烯、丁二炔在UV下不稳定，所以，二苯乙炔更好。