Исследование динамических характеристик нематических жидких кристаллов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Галин Ильдар Фирдависович

• Галин Ильдар Фирдависович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Галин Ильдар Фирдависович

Глава II

Глава III

1

13

20

23

1.1 Динамические характеристики ЖК ячеек

Факторы, влияющие на динамические характеристики ЖК ячеек

1.2.1 Двулучепреломление жидкого кристалла

1.2.2 Температура жидкого кристалла

12 3 Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла

1.2.4 Вязко-упругие свойства жидкого кристалла

1.2.5 Влияние параметров электрического поля

1.2.6 Влияние начального уола наклона директора

Модификация свойств ЖК с помощью наночастиц

Выводы

1

МЕТОДЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЖК ЯЧЕЕК

Электрооптическая схема для измерения 2.1 оптических и динамических характеристик ЖК ячеек

2

Управление оптическим откликом и релаксацией двухчастотного нематического ЖК

32

35

36

37

Определение начального угла наклона директора в . ЖК ячейке

Определение порога электрооптического эффекта

Фредерикса

Выводы

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА ЯЧЕЕК С ДВУХЧАСТОТНЫМ НЕМАТИЧЕСКИМ ЖИДКИМ КРИСТАЛЛОМ

49

50

Вариация начального угла наклона директора 3.1 жидкого кристалла на текстурированной

ориентирующей поверхности

Влияние начального угла наклона директора на время включения и выключения ячеек с

. двухчастотным нематическим жидким кристаллом

Моделирование динамики переориентации ^ ^ директора в зависимости от начального угла ^

. наклона в ячейках с двухчастотным нематическим жидким кристаллом

Выводы

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА 1 лава IV ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖК ЯЧЕЕК

Выводы

Глава V

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЯЧЕЕК С ЖК, ДОПИРОВАННЫМ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ Сё8е/7п8

77

5

5

5

Влияние допирования полупроводниковыми КТ Сё8е/7п8 на динамику оптического отклика и релаксацию нематического ЖК

Изучение стабильности электрических свойств НЖК допированного КТ Сё8е/7п8

Экспериментальное исследование динамики переключения НЖК ячеек при допировании полиимидного ориентирующего слоя КТ Сё8е/7п8

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

77

89

95

96

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

0р - начальный угол наклона директора ЖК Ае - диэлектрическая анизотропия

f - переходная частота двухчастотного жидкого кристалла s±- диэлектрическая проницаемость, перпендикулярная директору su - диэлектрическая проницаемость, параллельная директору P - поляризация

E - напряженность электрического поля X - диэлектрическая восприимчивость п - единичный вектор директора ЖК

Xh - высокочастотное асимптотическое значение диэлектрической восприимчивости

Xi - низкочастотное асимптотическое значение диэлектрической восприимчивости

продольная -деформация - деформация продольного изгиба

splay-деформация - деформация поперечного изгиба

Кц - коэффициент упругости Франка для splay-деформации

К22 - коэффициент упругости Франка для twist-деформации

К33 - коэффициент упругости Франка для продольная -деформации

U - напряжение внешнего электрического поля

Uth - пороговое напряжение эффекта Фредерикса

АФ - фазовая задержка света

в - угол наклона директора ЖК относительно оси z

по - показатель преломления обыкновенного луча

ne - показатель преломления необыкновенного луча

Ап - оптическая анизотропия

X - длина волны монохроматического излучения

е0 - диэлектрическая постоянная

топ - время включения оптического пропускания

xoff - время выключения оптического пропускания

тНЧ - время включения ЖК ячейки низкочастотным электрическим полем тВЧ - время включения ЖК ячейки высокочастотным электрическим полем C - емкость ячейки

У\ - вращательная вязкость жидкого кристалла Дц - магнитная анизотропия d - толщина слоя жидкого кристалла

т- время релаксации параллельной директору составляющей ориентационной поляризации

а - константа связи поляризации с электрическим полем

ЖК - жидкий кристалл

НЖК - нематический жидкий кристалл

СЖК - смектический жидкий кристалл

ДЧЖК - двухчастотный жидкий кристалл

ВЧ - высокочастотные колебания

НЧ - низкочастотные колебания

ПИ - полиимид

a-C:H (amorphous hydrogenated carbon) - аморфный гидрогенизированный углерод

ITO (indium tin oxide) - оксид индия - олова

TN (twist nematic) - твист-нематик

IPS (in-plane switching) - плоскостное переключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамических характеристик нематических жидких кристаллов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы связана с разработкой и совершенствованием оптических устройств отображения и передачи информации на основе жидких кристаллов (ЖК). Это компоненты оптических систем, а именно модуляторы, переключатели, жидкокристаллические линзы, устройства отображения информации: различного типа дисплеи для отображения и проецирования изображения. За последнее десятилетие произошел качественный скачок в области развития ЖК-дисплеев: переход от медленных классических структур на основе твист-эффекта с медленным откликом порядка 15 мс, к вертикально-ориентированным, далее к гибридным и ШБ-структурам со временем реакции порядка 1-2 мс. Поэтому исследование различных факторов, влияющих на динамику переориентации молекул, и поиск новых способов улучшения динамических характеристик оптических устройств, представляет не только научный, но и практический интерес.

Разработка современных ЖК устройств требует проведения теоретических и экспериментальных исследований динамики процессов переориентации и релаксации молекул в электрическом поле. Динамика переключения ЖК устройства из исходного состояния «выключено» в состояние «включено» и обратно характеризуется временами подъема и спада оптического пропускания, которые являются важными характеристиками всех ЖК устройств. На время переключения таких устройств в первую очередь влияют свойства ЖК: вязкость, коэффициенты упругости и диэлектрическая анизотропия. Существенное влияние оказывают конструктивные особенности ЖК устройства: толщина слоя, свойства ориентирующего слоя, от которого зависит начальный угол наклона директора ЖК (преимущественного направления длинных осей молекул) и эффективный порог электрооптического эффекта. Уменьшение времени оптического отклика электроуправляемых ЖК устройств путем повышения

напряжения, приложенного к ним, или уменьшения толщины слоя жидкого кристалла широко используются. Однако для оптических компонентов на основе ЖК, используемых в телекоммуникационных системах, работающих в ИК диапазоне спектра, существуют ограничения. Величина фазовой задержки не должна быть менее одного п, а также необходимо понижать прикладываемое напряжение для того, чтобы снижать энергопотребление. Эти требования ограничивают возможность ускорения оптического отклика, уменьшая толщину слоя жидкого кристалла или повышая напряжение. Поэтому поиск новых путей достижения быстродействия ЖК устройств остается актуальным.

В электроуправляемых ЖК устройствах ускорить процессы переключения можно путем оптимизации параметров электрического поля, амплитуды напряжения, формы сигнала и его длительности. Вместе с тем время реакции ЖК устройства определяется процессом упругой релаксации ЖК, после снятия электрического поля. В связи с этим особого внимания заслуживает двухчастотное управление переключением ЖК устройства, которое позволяет существенно уменьшить время релаксации. Уникальной особенностью двухчастотного ЖК является возможность управлять процессами поперечной и продольной деформацией слоя с помощью электрического поля разной частоты, так как для этого ЖК характерна инверсия знака диэлектрической анизотропии. Эта особенность делает перспективным использование двухчастотных ЖК в различных устройствах, в том числе и в активных оптических компонентах телекоммуникационных систем. Ускорению переориентации молекул ЖК и улучшению динамических характеристик ЖК устройств способствует увеличение начального угла наклона директора, путем изменения условий межфазного взаимодействия с ориентирующей поверхностью, уменьшение порогового напряжения путем изменения коэффициента упругости и диэлектрической

анизотропии, оптимизации параметров электрического поля, приложенного к ЖК.

Целью диссертационной работы является исследование динамики переключения оптического сигнала в слое нематического жидкого кристалла, включая двухчастотный жидкий кристалл, для повышения быстродействия ЖК устройств, и влияния на времена переключения начального угла наклона директора, параметров приложенного к слою электрического поля, а также добавления наночастиц.

Основными задачами работы было проведение следующих исследований:

1. Изучение динамики переключения оптического отклика двухчастотного жидкого кристалла при поперечной и продольной деформации слоя в зависимости от начального угла наклона директора.

2. Изучение влияния на динамику переключения оптического отклика ЖК параметров приложенного электрического поля.

3. Изучение особенностей динамики оптического отклика нематического жидкого кристалла в результате изменения его свойств при добавлении наночастиц - полупроводниковых квантовых точек с разной концентрацией.

Для достижения основной цели исследований и решения поставленных задач были выполнены следующие эксперименты:

1. Разработана электрическая схема двухчастотного управления переключением отклика жидкого кристалла.

2. Экспериментально исследованы ячейки с двухчастотным ЖК и влияние на их оптический отклик амплитуды, частоты и формы сигнала управляющих электрических полей.

3. Экспериментально исследованы динамические характеристики двухчастотного ЖК и вариации начального угла наклона директора ЖК путем изменения геометрии рельефа ориентирующей поверхности.

4. Теоретически исследовано изменение динамики переориентации директора в двухчастотном НЖК под действием электрического поля в зависимости от угла наклона директора ЖК.

5. Экспериментально исследованы осциллограммы отклика и релаксации ЖК ячеек и влияние на них формы сигнала электрического поля.

6. Экспериментально исследованы времена включения и выключения ЖК ячеек в результате добавления полупроводниковых квантовых точек (КТ) в нематический жидкий кристалл и полимерный ориентирующий слой.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что впервые:

1. Получены экспериментальные и теоретические зависимости времен включения и выключения для случаев поперечной и продольной деформации слоя двухчастотного нематического ЖК при изменении фазовой задержки на 2п для длины волны 0,65 мкм в интервале начальных углов наклона директора от 40о до 75о.

2. Показано ускорение оптического отклика при приложении однополярных импульсов переменного электрического поля к слою НЖК по сравнению с двуполярным меандром.

3. Показано ускорение оптического отклика НЖК в результате добавления наночастиц - полупроводниковых квантовых точек Сё8е/7п8 в интервале концентраций 0.5-1.5 мг/мл по сравнению с исходным НЖК.

4. Обнаружено изменение диэлектрических свойств НЖК допированного полупроводниковыми квантовыми точками Сё8е/7п8 и

показана возможность их восстановления при приложении переменного электрического поля.

Положения, выносимые на защиту:

1. В результате исследования динамики переключения двухчастотного нематического жидкого кристалла установлена зависимость времени оптического отклика от начального угла наклона директора и показано, что время увеличивается в интервале углов от 40° до 75° как для продольной, так и поперечной деформации слоя при приложении электрического поля с частотой 1кГц и 30 кГц, соответственно.

2. В результате исследования динамики оптического отклика нематического жидкого кристалла в зависимости от формы импульса переменного электрического поля установлено, что минимальное время переключения может быть получено при приложении к слою переменного электрического поля в форме прямоугольного импульса одной полярности.

3. Исследование динамических характеристик суспензий нематического жидкого кристалла с полупроводниковыми квантовыми точками типа ядро-оболочка CdSe/ZnS размером 3.5 нм показало, что увеличение концентрации наночастиц способствует ускорению оптического отклика благодаря увеличению угла наклона директора в объеме ЖК и понижению порогового напряжения.

Содержание диссертации

В первой главе диссертации дается обзор литературы, посвященной исследованиям процессов переориентации молекул нематического жидкого кристалла, происходящих при приложении электрического поля и после его снятия, обсуждаются факторы, влияющие на динамику оптического отклика.

Во второй главеприводится описание методов и электрооптических схем, используемых в работе, для измерения оптических и динамических характеристик ячеек с нематическим жидким кристаллом. Дается описание управления оптическим откликом и релаксацией двухчастотного нематического ЖК и модернизации электрической схемы управления модуляцией амплитуды и фазы оптического сигнала для двухчастотного управления. Описываются методы определения начального угла наклона директора и порогового напряжения эффекта Фредерикса.

В третьей главе обсуждается способ вариации начальных углов наклона директора ЖК с помощью текстурированой ориентирующей поверхности. Приводятся результаты исследования динамических характеристик ячеек при поперечной и продольной деформации двухчастотного нематического жидкого кристалла в зависимости от начального угла наклона директора. Приводятся результаты численного моделирования динамики электрооптического отклика в зависимости от углов предналокна директора ДНЖК.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального исследования влияния на оптический отклик НЖК формы и параметров управляющего электрического поля. Демонстрируется эффективность использования переменного электрического поля с прямоугольной формой сигнала - однополярного меандра для ускорения оптического отклика ЖК ячейки независимо от знака и частоты прикладываемого напряжения.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования динамики оптического отклика и релаксации нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией, допированного полупроводниковыми квантовыми точками СёБе^пБ и влияния концентрации КТ СёБе^пБ на временные характеристики ЖК ячеек. Обсуждаются результаты экспериментального исследования характеристик ЖК ячеек с полиимидным ориентирующим слоем, содержащим полупроводниковые КТ СёБе^пБ.

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Представлен обзор работ, посвященной исследованиям процессов переориентации молекул нематического жидкого кристалла, происходящих при приложении электрического поля и после его снятия, обсуждаются факторы, влияющие на динамику оптического отклика

Жидкие кристаллы имеют определенный порядок в расположении молекул. В результате они имеют анизотропию механических, электрических, магнитных и оптических свойств. Такое уникальное количество характеристик позволяет использовать их в различных областях науки и техники при разработке устройств на основе ЖК. Для электрооптических устройств, использующих ЖК, важную роль в их производительности играют такие параметры и эффекты, как оптическая анизотропия и эффект двулучепреломления, диэлектрическая анизотропия, значения упругих констант Франка, величина начального угла наклона, энергия сцепления, вращательная вязкость и др. Рассмотрим основные физические свойства ЖК материалов и их влияние на динамику электрооптического отклика ЖК.

1.1 Динамические характеристики ЖК ячеек

Для исследования электрооптических характеристик ЖК ячеек могут быть использованы как электрооптические, так и электрические методы. К электрооптическим методам относятся методы, основанные на измерении оптического пропускания и оптического отклика ЖК ячеек в зависимости от напряжения электрического поля. Эти методы основаны на эффекте изменения двулучепреломления в слое жидкого кристалла в электрическом поле в результате изменения положения директора ЖК (преимущественного направления осей нематического жидкого кристалла).

Корреляция между временем переориентации молекул ЖК и временем оптического фазового отклика была исследована в работе [1]. Чтобы

обосновать получение этой корреляции, было численно решено уравнение динамики Эриксона-Лесли, которое можно записать без учета обратного потока как

cos2 в + £33 sin2 ^ + (К33 - Кп 1 +

ydz j

2

Y1

дв

(1.1)

so AsE 2 sinecose = ^ —

где y1 - вращательная вязкость, K11 and K33 - упругие константы для

л

продольной и поперечной деформации; s0AsE - плотность энергии электрического поля, As - диэлектрическая анизотропия ЖК, в - угол наклона директора ЖК относительно оси Z.

Уравнение (1.1) может быть решено численно. При углах наклона sin0~6, K11 = K33, уравнение Эриксона-Лесли имеет вид:

^ д2в . дв К„ —- + s AsE = y —.

33 dz2 o Y dt

(1.2)

При электрическом поле E=0, уравнение (1.2) можно упростить:

^ д2в дв К,, — = y

-33

дz 1 дt Решая уравнение (1.3), получаем:

(1.3)

С \ f 11

= в sin m Ttz

V d J exp --

V т y V o J

(1.4)

и т

Yd2

К

где 0т - максимальный угол наклона ЖК директора в результате приложения внешнего поля , й - толщина ячейки, г - положение ориентированного ЖК слоя и х0 - время переориентации директора (1—>1/е).

Если сильная энергия сцепления и нулевой угол на границе раздела фаз, то имеет место порог перехода Фредерикса:

ил =л

К

33

еЛе

(1.5)

Зависимость изменения фазы связана с изменением угла и записывается, как:

Лф(г) = Т^

п п

е о

п о с об2 6 + п°2вт2 в)

п

dz.

(1.6)

где пе и п0 - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, соответственно.

При мгновенном смещении (1 =0), при напряжении смещения Ц > и если смещение происходит мгновенно фазовые изменения аппроксимируются из (1.6) как:

Ф(г) = ф ехр

V То У

(1.7)

где Ф0 - чистое изменение фазы от и=Ц0 к Ц=0.

Чтобы найти время электрооптического оклика, необходимо рассчитать изменение интенсивности. Временную зависимость изменения интенсивности 1(1} ячейки в скрещенных поляризаторах можно рассчитать, используя следующее отношение:

I (г) = вт:

Ф(г)' 2

(1.8)

Подставляя выражение (1.7) в 1.8) получаем:

I (7) = Бт2

ф ехр

V о |

2

(1.9)

Для определения времени отклика используется изменение оптического пропускания от 10% до 90 % для параллельной и от 90% до 10% для вертикальной ориентации ЖК.

Нормализованное пропускание при 1=0 в соответствии с формулой

(1.9):

Г Ал \

I = БИТ

ф

V 2 I

(1.10)

Принимая, что ^ и 12 спад пропускания от //=90% к /2=10%. /1 и /2 из уравнения (1.9) имеют следующие выражения для спада пропускания:

I = 0.91 = Бт:

ф ехр

V То |

2

(111)

I = 0.11 = Б1П:

ф ехр

V Т |

2

(1.12)

Тогда из (1.11) и (1.12) время оптического спада Таесау (90% - 10%):

х

т = / - г =-° 1п

авоау 2 1 ^

и/0.9Б1П (ф /2)) Бт 1 ^л/оУГбИп (ф /2))

(1.13)

о

Время оптического спада вертикально ориентированной ЖК ячейки пропорционально времени спада директора с учетом исходной фазовой задержки [2].

Выразить Время подъема пропускания выразить сложнее, чем время релаксации ЖК, т.к. аппроксимация малого угла является слишком большим упрощением в этом случае [3]. Предположение о том, что угол преднаклона директора со временем увеличивается экспоненциально справедливо только в очень коротком промежутке времени. Блиновым была рассмотрена производная второго порядка и учтено то обстоятельство, что ЖК директор со временем достигает стадии равновесия [4]. Таким образом, уравнение (1.2) было представлено как

? д2Ф 1 , ЭФ

—+ ф-1 ф3 = Л—, (1.14)

ь дz2 2 дг ' ^ 7

где

¿ = (1.15)

е0ЛеЕ2

К

г=тКЕ ■ <116)

В уравнениях (1.15) и (1.16), интенсивность электрического поля Е определяется как:

Е = и/d, (1.17)

где напряжение смещения Ц должно соответствовать (Ц-ЦъУЦь^. В этом случае решение уравнения (1.14) апроксимируется как:

77

Ф = Фт(г)в1п — . (1.18)

V d У

Подстановкой уравнения (1.18) в (1.14), получаем:

^ & V и у

^ Ф3 „ ШФ

Ф--^ = Л-

2

(1.19)

Уравнение (1.19) имеет следующее решение:

Ф =

Ф2

1 +

Ф Ф

2

ад 1 21

о

ехр

V Т I

V г у

(1.20)

где Фад=Ф(^ад), Фт - установившаяся величина, соответствующая приложенному напряжению, Ф0=Ф(1=0) начальная флуктуация директора и тг время подъема директора.

т =

71

Т

я

б Аб| Е2 - — К

о| 1 а2

/ \2

V у

-1

(1.21)

где - общее изменение фазы от напряжения в состоянии выключено (ой) к напряжению в состояние включено (оп).

Из (1.9) получаем переходное состояние пропускания:

I#)=

8 /2

1 +

Ф

Ф

ехр

Т

(1.22)

V "Г уу

При ^ад экспоненциальная часть в уравнении (1.22) обращается в ноль и /(?) достигает плато.

I (ад) = бш'

г 8 Л _о

V 2 у

(1.23)

о

Для того чтобы определить время оптического подъема, можно предположить, что подъем пропускания от 11 к 12 соответствует увеличению времени от t1 к Подставляя ^ и ^ в (1.22), мы получим изменение пропускания от 10% до 90%:

/ = 0.1/ = БИТ

8/2

1+ Ф2 -1

Ф2 _ о ехр

^ Т )

(1.24)

/ = 0.9/ = Бт2

1 о

8 /2

1 +

Ф Ф

ехр

' 2г2^

V Тг у у

(1.25)

Определив t1 и t2 из (1.24) и (1.25), получим оптическое время подъема Гше (10% ^ 90%) как:

т

= Ч - г =

т

2 ( иЛ

V ^гь У

1п

8 /2 о

Бт 1 с л/ 0.1 бш V (8 о V 2 Уу

8о/2

Б1П 1 ( л/ 0.9бш V Ч V V 2 У у

-1

(1.26)

Уравнение (1.26) устанавливает соотношение между временем подъема оптического пропускания т^ и временем переориентации директора ^ , которое описывает (1.21).

1

2

1.2 Факторы, влияющие на динамические характеристики ЖК ячеек

1.2.1 Двулучепреломление жидкого кристалла

Двойное лучепреломление или оптическая анизотропия одноосного жидкого кристалла соответствует разнице между показателями преломления необыкновенного луча (пе) и обыкновенного луча (по).

Ап = пе — п0 .

Высокое значение двулучепреломления ЖК материалов необходимо, как в дисплейной технике, так и при использовании их в телекоммуникационных устройствах. Так, для волоконно-оптических переключателей (X = 1,55 мкм) при использовании оптических фазовых решеток требуемое изменение фазы (5 = 2^Дп/Х) должно составлять не менее 2п. При толщине ячейки в 4 мкм, величина Дп должна быть не менее, чем 0.4 на длине волны X = 1,55 мкм. Таким образом величина оптической анизотропии определяет необходимую толщину слоя ЖК и тем самыс влияет на время отклика ЖК з . Высокое значение двулучепреломления ЖК материала дает возможность уменьшить толщину ЖК слоя, которая в свою очередь снизит время оптического отклика [5].

1.2.2 Температура жидкого кристалла

Температура Т является важным фактором, влияющим на показатели преломления ЖК и время переориентации молекул. Температурная зависимость показателя преломления определяет параметр порядка S и согласно приближению Галлера выражается уравнением

Это приближение справедливо, если температура не слишком близка к температуре фазового перехода (ТС). Параметр в зависит от молекулярной структуры, а не длины волны. Для большинства исследованных соединений

ЖК, параметр в равен порядка 0,20-0,25. Характер зависимости иллюстрирует рисунок 1.1.

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

т/тс

Рисунок 1.1 - Зависимость параметра порядка от температуры

Для описания влияния температуры на величину показателя преломления ЖК в [6] были предложены следующие выражения :

(1.28)

(1.29)

На рисунке 1.2 показаны зависимости температуры от показателя преломления для ЖК 5СВ на трех длинах волн 450 нм, 550 нм, и 650 нм. Закрашенные точки соответствуют показателю п0, а пустые - пе.

Рисунок 1.2 - Температурные зависимости показателей преломления для ЖК 5СВ на длинах волн 450 нм (треугольник), 550 нм (круг)

и 650 нм (квадрат) [7]

Повышение температуры приводит к постепенному снижению показателя преломления. Эта тенденция более выражена при приближении к температуре фазового перехода Тс. При высоком значении температуры Тс смеси, ее показатель преломления менее чувствителен к температуре близкой к комнатной температуре.

Используя выражения (1.28) и (1.29) были получены следующие зависимости:

(1.30)

(1.31)

В соответствии с этими зависимостями пе уменьшается при увеличении температуры в нематической фазе. В то время как п0 может первоначально увеличиваться или уменьшаться с температурой, в зависимости от знака уравнения (1.31). Проанализировав полученные уравнения (1.30) и (1.31) Ли, Гауза и Ву в [6] создали ЖК смеси с высокими значениями оптической анизотропии и низкой температурой перехода, позволяющей уменьшить время оптического отклика за счет уменьшения толщины слоя.

1.2.3 Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла

Статическая диэлектрическая проницаемость е изотропной жидкости может быть выражена приблизительно уравнением Онзагера [8]. Диэлектрическая анизотропия жидкого кристалла определяется, как

А £ = £/1 — £ £ ,

где Б// и Б! - составляющие диэлектрической проницаемости параллельной и перпендикулярной направлению директора, соответственно.

Диэлектрические постоянные жидких кристаллов зависят от дипольного момента, угла между ним и направлением ориентации длиной оси молекулы и ориентационного порядка, характеризующего степень упорядоченности молекул (5), согласно теории поля Майера и Мэйера [9]. Рисунок 1.3 иллюстрирует схематически компоненты диэлектрической проницаемости .

Ле = е1

Рисунок 1.3 - Схематическое изображение молекулы нематического ЖК и составляющих диэлектрической анизотропии

С молекулярной точки зрения, диэлектрическая анизотропия возникает из-за анизотропного распределения молекулярных диполей в жидкокристаллической фазе. Нематическая фаза, состоящая из удлиненных молекул с продольными или поперечными диполями, может иметь положительную или отрицательную диэлектрическую анизотропию. Величина диэлектрической анизотропией увеличивается вместе с диполем и степенью упорядоченности.

В теории Майера [9], модель Онзагера распространена на нематические ЖК. В ней ЖК молекула представлена в виде анизотропной поляризуемости а с основными элементами а/ и аг в сферической полости радиуса а. Обозначив дипольный момент а/ для угла 0, диэлектрические компоненты 8//, 8± и А8 можно выразить как

где N - молекулярная плотность упаковки, ц - дипольный момент, F - поле реакции Онзагера, п - средний показатель преломления. Здесь И и F зависят от средней диэлектрической постоянной е и среднего показателя преломления п:

Согласно уравнения (1.34), диэлектрическая анизотропия ЖК материала зависит от трех факторов: молекулярной структуры, температуры, и частоты.

От диэлектрической анизотропии ЖК зависит величина напряжений, управляющих деформацией ЖК, реактивное сопротивление ЖК ячейки, а также время оптического отклика. Изменяя диэлектрическую анизотропию ЖК, можно варьировать оптические и динамические свойства ЖК устройств. Использование ЖК материалов с большой диэлектрической анизотропией позволяет снизить управляющие напряжения, что способствует уменьшению энергопотребления и очень важно при разработке мобильных дисплеев и устройств.

Рассмотрим частотную зависимость диэлектрической проницаемости, которая является основным фактором в таком ЖК материале, как двухчастотный нематический жидкий кристалл. Двухчастотный нематический жидкий кристалл (ДЧЖК) представляет собой смесь, состоящую из ЖК материалов с положительной и отрицательной диэлектрическими анизотропиями. Диэлектрическая анизотропия Лб = б// - Б! смеси может изменяться от положительных до отрицательных

(1.35)

(1.36)

значений при изменении частоты электрического поля, как показано на рисунке 1.4. В области низких частот Де>0, в то время как на высоких частотах Де может быть отрицательным.

к н с

о &

н о м а я ее

№

я Л '-г О

и

Б -2

а

£ -4

¡ц

П -6

5 ю

I

Переходная частота

1 : о

!

^^^^(1—0—0-0 00000 ........1 ........

........

103 104 105 10б

Частота, Гц

Рисунок 1.4 - Частотная зависимость диэлектрической анизотропии двухчастотного нематического жидкого кристалла

При увеличении частоты 8// уменьшается, а значения В1 остаются постоянными, что приводит к снижению Де. Диэлектрическая анизотропия Де меняет свой знак на частоте перехода/с. Для чистого ЖК частота перехода обычно больше, чем 10 МГц, что слишком велико для того, чтобы использовать ЖК на практике при разработке устройств. Для ДЧЖК частота перехода обычно около10 кГц.

Таким образом, при приложении к слою двухчастотного нематического ЖК напряжения с частотой /НЧ </с происходит процесс переориентации диполей молекул с положительной диэлектрической анизотропией параллельно электрическому полю. Направления директора ЖК при этом происходит за время электрооптического отклика гоп. Приложение переменного поля с высокой частотой /ВЧ > /с вызывает процесс переориентаци молекул с отрицательной диэлектрической анизотропией перпендикулярно электрическому полю. В результате этого происходит

релаксация молекул ЖК и директор возвращается в исходное положение. Время релаксации ДЧ НЖК т^ определяется временем процесса переключения полярного угла наклона директора к углу преднаклона вр при приложении электрического поля с частотой/ВЧ. Время т0^ для ДЧ НЖК будет существенно меньше, чем время естественной релаксации при отсутствии напряжения и в основном зависит от величины приложенного поля, как и время отклика топ.

1.2.4 Вязко-упругие свойства жидкого кристалла

Показатель качества (БоМ) - относительная производительность ЖК устройств выражается уравнением (1.37) и зависит от величины оптической анизотропии, коэффициента упругости и величины вращательной вязкости.

(1.37)

Коэффициенты упругости Франка Кп, К22, К33 играют значительную роль в электрооптических эффектах в НЖК, т.к. их величина влияет на пороговое напряжение перехода Фредерикса и время переориентации молекул ЖК. Уменьшение величины Кц в случае поперечной 5-деформации директора, приводит к уменьшению порогового напряжения Ць, при этом происходит увеличение времени отклика ЖК молекул, которое пропорционально динамической вязкости ЖК у1 и обратно пропорционально Кц. Таким образом, при разработке устройств важен подбор ЖК с определенными значениями коэффициентов упругости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Галин Ильдар Фирдависович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wu S.T. Phase Retardation dependent optical response time of parallel-aligned liquid crystals. // J. Appl. Phys. - 1986. - Vol. 60. - Р. 1836-1838.

2. Wang H., Wu T.X., Zhu X., Wu S.T. Correlations between liquid crystal director reorientation and optical response time of a homeotropic cell. // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol. 95. - № 10. - P. 5502-5508.

3. Jakeman E., Raynes E.P. Electro-optic response times in liquid crystals. // Phys. Lett. A. - 1972. - Vol. 39. - P. 69-70.

4. Blinov L.M. Electro-optical and magneto-optical properties of liquid crystals. // Wiley. - 1983.

5. Gauza S., Zhu X., Wu S.T., Piecek W. and Dabrowski R. Fast switching liquid crystals for color-sequential LCDs. // J. Disp. Technol. - 2007. - Vol. 3. -P. 250-252.

6. Li J., Gauza S. and Wu S.T. Temperature effect on liquid crystal refractive indices. // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol. 96. - P. 19-24.

7. Li J. and Wu S.T. Extended Cauchy equations for the refractive indices of liquid crystals. // J. Appl. Phys. - 2004. - Vol. 95. - P. 896-901.

8. Onsager, Ann L. The effect of shape on the interaction of colloidal particles The effect of shape on the interaction of colloidal particles. // NY Acad. Sci. -1949. - Vol. 51. - P. 627-659.

9. Maier W. and Meier G. A simple theory of the dielectric characteristics of homogeneous oriented crystalline-liquid phases of the nematic type. // Z. Naturforsch. Teil A. - 1961. - Vol. 16. - P. 262-269.

10. Khoo C. and Wu S.T. Optics and Nonlinear Optics of Liquid Crystals. // World Scientific. - 1993.

11. Wu S.T. A nematic liquid crystal modulator with response time less than 100 ms at room temperature. // Appl. Phys. Lett. - 1990. - Vol. 57. - P. 986-988.

12. Xiang C.Y., Guo J.X., Sun X.W., Yin X.J. and Qi G.J. A Fast Response, Three-Electrode Liquid Crystal Device // J. Appl. Phys. - 2003. - Vol. 42. - P. 763-765.

13. Xiang C. Y., Sun X. W. and Yin X. J. The electro-optic properties of a vertically aligned fast response liquid crystal display with three-electrode drivining. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2004. - Vol. 37. - P. 994-997.

14. Li Y., Ge Z., Lu R., Jiao M., and Wu S.T. Fast-response liquid-crystal displays using crossed fringe fields. // J. Soc. Inf. Display. - 2008. - Vol. 16. - P. 1069-1073.

15. Lee K.W., Lien A., Stathis J.H., Paek S.H. Control and modification of nematic liquid crystal pretilt angles on polyimides. // Jpn. J. Appl. Phys. - 1997. -Vol. 36. - P. 3591-3594.

16. Sinha G.P., Wen B., Rosenblatt C. Large, continuously controllable nematic pretilt from vertical orientation. // Appl. Phys. Lett. - 2001. - Vol. 79. P. 25432547.

17. Hatoh H., Shohara K., Kinoshita Y., and Ookoshi N. Molecular tilt direction in a slightly tilted homeotropic aligned liquid crystal cell. // Appl. Phys. Lett. -1993. - Vol. 63. - P. 3577-3581.

18. Armitage D., Underwood I., and Wu S.T. Introduction to microdisplays. // Wiley. - 2006.

19. Fan-Chiang K.H., Wu S. T. and Chen S. H. Fringing field effects on high-resolution liquid crystal microdisplays. // J. Display Technol. - 2005. - Vol. 1. - № 2. - P. 304-313.

20. Nie X., Xianyu H., Lu R., Wu T.X. Pretilt Angle Effects on Liquid Crystal Response Time. // J. of Display Technology. - 2007. - Vol. 3. - № 3. - P. 280283.

21. Müller J., Sönnichsen C., von Poschinger H., von Plessen G., Klar T.A., Feldmann. Electrically controlled light scattering with single metal nanoparticles. // J. Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 81. - № 1. - P. 171-173.

22. Sono S., Miyama K., Takatoh K., Kobayashi. Effects of functionalized metal and semiconductor nanoparticles in nematic liquid crystal phases. // S. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. - 2006. - P. 6135 (1-5).

23. Qi H., Kinkead B., Hegmann T. Unprecedented dual alignment mode and Freedericksz transition in planar nematic liquid crystal cells doped with gold nanoclusters. // Adv. Funct. Mater. - 2008. - Vol. 18. - № 2. - P. 212-221.

24. Qi H., Hegmann T. Multiple alignment modes for nematic liquid crystals doped with alkylthiol-capped gold nanoparticles. // S. Appl. Mater. In. - 2009. -Vol. 8. - № 1. - P. 1731-1738.

25. Jeng S.C., Kuo C.W., Wang H.L., Liao C.C. Nanoparticles-induced vertical alignment in liquid crystal cell. // Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 91. - № 6. - P. 061112 (1-5).

26. Kuo C.W., Jeng S.C., Wang H.L., Liao C.C. Application of nanoparticle-induced vertical alignment in hybrid-aligned nematic liquid crystal cell. // Appl. Phys. Lett. - 2007. - Vol. 91. - P. 141103 (1-3).

27. Reznikov M., Sharma A., Hegmann T. Ink-Jet Printed Nanoparticle Alignment Layers: Easy Design and Fabrication of Patterned Alignment Layers for Nematic Liquid Crystals. // Part. Syst. Char. - 2014. - Vol. 31. - № 2. - P. 257265.

28. Jensen G.C., Krause C.E., Sotzing G.A. Inkjet-printed gold nanoparticle electrochemical arrays on plastic. Application to immunodetection of a cancer biomarker protein. // J. F. Phys. Chem. Chem. Phys. - 2011. - Vol. 13. - № 11. -P. 4888-4894.

29. Huang C.Y., Lai C.C., Tseng Y.H., Yang Y.T., Tien C.J., Lo K.Y. Silica-nanoparticle-doped nematic display with multistable and dynamic modes. // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 92. - № 22. - P. 221908 (1-4).

30. Yaroshchuk O.V., Dolgov L.O., Kiselev A.D. Electro-optics and structural peculiarities of liquid crystal-nanoparticle-polymer composites. // Physical Review E. - 2005. - Vol. 72. - № 5. - P. 051715 (1-6).

31. Sikharulidze D. Nanoparticles: an approach to controlling an electro-optical ... crystals. // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 86. - № 3. - P. 033507 (1-4).

32. Huang C.Y., Hu C.Y., Pan H.C., Lo K.Y. Electrooptical Responses of Carbon Nanotube-Doped Liquid Crystal Devices. // Jpn. J. Appl. Phys. - 2005. -Vol. 44. - № 11. - P. 8077-8081.

33. Huang C.Y., Pan H.C., Hsieh C.T. Electrooptical properties of carbon-nanotube-doped twisted nematic liquid crystal cell. // Jpn. J. Appl. Phys. - 2006. -45. - № 8. - P. 6392-6394.

34. Chen H.Y., Lee W., Clark N.A. Faster electro-optical response characteristics of a carbon-nanotube-nematic suspension. // Appl. Phys. Lett. -2007. - Vol. 90. - № 3. - P. 033510 (1-5).

35. Lee W., Wang C.Y., Shih Y.C. Effects of carbon nanosolids on the electrooptical properties of a twisted nematic liquid-crystal host. // Appl. Phys. Lett. -2004. - Vol. 85. - № 4. - P. 513-515.

36. Scalia G. Lagerwall J.P., Schymura S., Haluska M., Giesselmann F., Roth S. Carbon nanotubes in liquid crystals as versatile functional materials. // Electronic Properties of Novel Nanostructures. - 2007. - Vol. 244. - № 11. - P. 4212-4217.

37. Schindler A., Brill J., Fruehauf N., Novak J.P., Yaniv Z. Solution-deposited carbon nanotube layers for flexible display application. // Physica E: Low Dimensional Systems and Nanostructures. - 2007. - Vol. 37. - № 1. P. 119-123.

38. Fan Y. H., Lin Y.H., Ren H., Gauza S. and Wu S.T. Fast-response and scattering-free polymer network liquid crystals for infrared light modulators. // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84. - P. 1233-1235.

39. McManamon P. F., Dorschner T. A., Corkum D. L., Friedman L., Hobbs D. S., Holz M., Liberman S., Nguyen H. Q., Resler D. P., Sharp R. C. and Watson E. A. Optical phased array technology. // Proc. IEEE. - 1996. - Vol. 84. - P. 268298.

40. Fergason J. L. Polymer encapsulated nematic liquid crystal storage displays. // SID Digest. - 1985. - Vol. 16. - P. 68-71.

41. Sutherland R.L., Tondiglia V.P. and Natarajan L.V. Electrically switchable volume gratings in polymer-dispersed liquid crystals. // Appl. Phys. Lett. - 1994. -Vol. 64. - P. 1074-1076.

42. Xu M. and Yang D. K. Dual frequency cholesteric light shutters. // Appl. Phys. Lett. - 1997. - Vol. 70. - P. 720-722.

43. Ogawa T., Fujita S., Lwai K., Koseki H. The trends of reflective LCDs for future electronic paper. // SID Digest. - 1998. - Vol. 29. - P. 217-220.

44. Вакулин Д.А., Френкель Д.А. Программа для управления параметрами электрического поля в ЖК устройствах. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615197 от 09.09.2011.

45. Вакулин Д.А. Программа расчета характеристик ЖК устройств. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011613842 от 18.05.2011.

46. Вакулин Д.А. Программа для тестирования оптических жидкокристаллических компонентов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012613712 от 19.04.2012.

47. Вакулин Д.А. Методы исследования параметров жидкокристаллических ячеек. // Сборник тезисов докладов II Всероссийского конгресса молодых ученых. - 2013. - № 2. - С. 241.

48. Scheffer T.J., Nehring J. Accurate determination of liquidcrystal tilt bias angles. // Journal of Applied Physics. - 1977. - Vol. 48. - № 5. - P. 1783-1792.

49. Hwang S.J., Lin S.-T., Lai C.-H. A novel method to measure the cell gap and pretilt angle of a reflective liquid crystal display. // Optics Communications. -2006. - Vol. 260. - № 2 - P. 614-620.

50. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами. // Опт. журн. - 2006. - Т.73. - № 12. - С. 9-13.

51. Blinov L.M., Chigrinov V.G. Electrooptic effects in liquid crystal materials. // New York Springer. - 1994.

52. Hwang S.J., Lin S.T., Lai C. A novel method to measure the cell gap and pretilt angle of a reflective liquid crystal display. // Opt. Comm. - 2006. -Vol. 260. - P. 614-620

53. Коншина Е.А., Иванова Н.Л., Парфенов П.С., Федоров М.А. Динамика переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла с квазигомеотропной структурой. // Оптический журнал. - 2010. - Т. 77. - № 12. - С. 45 - 51

54. Коншина Е.А., Федоров М.А. , Амосова Л.П. , Воронин Ю.М. Влияние поверхности на фазовую модуляцию света в слое нематического жидкого кристалла. // ЖТФ. - 2008. - Т.78. - № 2. - С.71-76

55. Иванов А.В., Вакулин Д.А., Коншина Е.А. Симметричный оптический отклик в гибридно-ориентированной твист-структуре двухчастотного нематического жидкого кристалла. // Оптический журнал. - 2014. - Т. 81. -№ 3. - С. 23-29.

56. Палто С.П. Алгоритм решения оптической задачи для слоистых анизотропных сред // ЖЭТФ. - 2001. - Т. 119. - С. 638-648.

57. Oseen C.W. The theory of liquid crystals. // Trans. Faraday Soc. - 1933. -Vol. 29. - P. 883-899.

58. Frank F.C. Liquid crystals. On the theory of liquid crystals. // Discuss. Faraday Soc. - 1958. - Vol. 25. - P. 19-28.

59. Leslie F.M. Some constitutive equations for liquid crystals. // Arch. Ration. Mech. Anal. - 1968. - Vol. 28. - № 4. - P. 265-283.

60. Mottram N.J., Brown C.V. Pulsed addressing of a dual-frequency nematic liquid crystal. // Physical Review E. - 2006. - Vol. 74. - № 3 - P. 031703 1-7.

61. Амосова Л.П., Васильев В.Н., Иванова Н.Л., Коншина Е.А. Пути повышения быстродействия электроуправляемых оптических устройств на основе нематических жидких кристаллов. // Опт. журн. - 2010. - Т.77. - №2.

- C. 3-14.

62. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Костомаров Д.С., Федоров М.А., Амосова Л.П., Гавриш Е.О. Влияние ориентирующей поверхности и толщины слоя жидкого кристалла на характеристики электроуправляемых оптических модуляторов. // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т.35. - В.11. - С. 33-38.

63. Liang X., Lu Y.Q., Wu Y.H., Du F., Wang H.Y., Wu S.T. Dual-frequency addressed variable optical attenuator with submillisecond response time // Jap. J. of Appl. Phys. - 2005. - Vol. 44. - № 3. - P. 1292-1295.

64. Бирюков С. // Журнал радио. - 1999. - № 6. - С. 58-59.

65. Barbero G., Zvezdin A.K., Evangelista L.R. Ionic adsorption and equilibrium distribution of charges in a nematic cell. // Phys. Rev. E. - 1999. -Vol. 59. - № 2. - P. 1846-1849.

66. Barbero G., Figueiredo Neto A.M., Freire F.C.M., Le Digabel J. Relaxation time for the ionic current in a nematic cell under a large electric field. // Phys. Rev. E. - 2006. - Vol. 74. - № 5. - P. 052701 (1-4).

67. Свидетельство о регистрации изобретения № 2523110 от 22 мая 2014 г.

68. Гуринович Л.И., Лютич А.А., Ступак А.П., Артемьев М. В., Гапоненко С.В. Влияние электрического поля на фотолюминесценцию нанокристаллов селенида кадмия. // Журн. Прикладной спектроскопии. - 2010. - Т. 77. - № 1.

- С. 129-135.

69. Kinkead B, Hegmann T. Effects of size, capping agent and concentration of CdSe and CdTe quantum dots doped into a nematic liquid crystal on the optical

and electro-optic properties of the final colloidal liquid crystal mixture. // J. of Mater. Chemistry. - 2010. - Vol. 20. - P. 448-458.

70. Коншина Е.А., Гавриш Е.О., Орлова А.О., Артемьев М.В. Влияние полупроводниковых квантовых точек на оптические и электрические характеристики жидкокристаллических ячеек. // Письма ЖТФ. - 2011. - Т. 37. - В. 21. - С. 47-54.

71. Zhang T., Zhong C., Xu J. CdS-nanoparticle-doped liquid crystal displays showing low threshold voltage. // Jpn. J. of Appl. Phys. - 2009. - Vol. 48. - P. 055002 (1-6).

72. Lee W.K., Hwang S.J., Cho M.J., Park H.G., Han J.W., Song S., Jang J.H., Seo D.S. CIS-ZnS quantum dots for self-aligned liquid crystal molecules with superior electro-optic properties. // Nanoscale. - 2013. - Vol. 5. - P. 193-199.

73. Ha Y.S., Kim H.J., Park H.G., Seo D.S. Enhancement of electro-optic properties in liquid crystal devices via titanium nanoparticle doping. // Opt. Express. - 2012. - Vol. 20. - P. 6448- 6455.

74. Basu R., Iannacchione G.S. Evidence for directed self-assembly of quantum dots in a nematic liquid crystal. // Phys. Rev. E. - 2009. - Vol. 80. - P. 010701 (14).

75. Коншина Е. А., Щербинин Д.П., Гавриш Е. О., Галин И.Ф., Курочкина М.А. Свойства нематических жидких кристаллов, допированных полупроводниковыми наночастицами CdSe/ZnS. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. - 2015. - Т. 15. - № 3. - С. 64-81.

76. Shcherbinin D. P., Konshina E.A., Solodkov D. E. The Effect of CdSe/ZnS Quantum Dots on the Rotational Viscosity and Charge Carrier Concentration of a Nematic Liquid Crystal. // Technical Physics Letter. - 2015. - Vol. 41. № 8. - P. 781-783.

77. Galin I.F., Konshina E.A. Optical response features of LC cells doped with CdSe/ZnS quantum dots. // Molecular crystals and liquid crystals. - 2015. - Vol. 615. - № 1. - P. 57-62.

78. Коншина Е.А., Гавриш Е.О. Экранирующий эффект ориентирующего жидкие кристаллы слоя а-CiH. // Письма ЖТФ. - 2011. - № 10. - С. 21-26.

79. Yong-Seok Ha, Hyung-Jun Kim, Hong-Gyu Park and Dae-Shik Seo. Enhancement of electro-optic properties in liquid crystal devices via titanium nanoparticle doping. // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - P. 6448-6455.

80. Pei-Shiang Chen, Chiu-Chung Huang, Yung-Wei Liu and Chih-Yu Chao Effect of insulating-nanoparticles addition on ion current and voltage-holding ratio in nematic liquid crystal cells. // Appl. Phys. - 2007. - Vol. 90. - P. 211111

(1-4).

81. Shug-June Hwang, Shie-Chang Jeng, I-Ming Hsieh. Nanoparticle-doped polyimide for controlling the pretilt angle of liquid crystals devices. // Optics express. - 2010. - Vol. 18. - № 16. - P. 16507 (1-6).

82. Meizi Jiao, Zhibing Ge, Qiong Song, Shin-Tson Wu. Alignment layer effects on thin liquid crystal cells. // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 92. -Р. 061102 (1-3).

83. Gavrish E.O., Galin I.F., Konshina E.A. Screening effect of a-C:H alignment layer and influence it on characteristics of LC cells. // Mol. Cryst. & Liq. Cryst. - 2012. - Vol. 553. - № 1. - P. 44-49.