Исследование оптических и динамических характеристик гибридно-ориентированных жидкокристаллических ячеек тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Вакулин, Дмитрий Александрович

• Вакулин, Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Вакулин, Дмитрий Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ВВЕДЕНИЕ

4

Глава I

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава II

1

1

1

Гибридно-ориентированные структуры двухчастотного нематического жидкого кристалла

Модель двухчастотного нематического жидкого кристалла

Применение гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла (ЖК)

1.3.1 Бистабильные ЖК устройства

Технология плоскостного переключения на

1.3.2 основе гибридно-ориентированной структуры с киральной добавкой

Оптический модулятор на основе гибридно-ориентированной структуры

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖК ЯЧЕЕК

Определение коэффициентов упругости Франка путем моделирования зависимостей емкости и пропускания ЖК ячеек от напряжения

Определение энергии сцепления жидкого кристалла путем моделирования зависимостей емкости от напряжения

1.3

2

2

2

Методы определения угла преднаклона директора в ЖК ячейке

2.3.1 Метод вращения ЖК ячейки

13

20

23

23

27

29

36

36

46

51

52

2.3.2 Емкостной метод

54

Разработка метода определение угла 2.3.3 преднаклона в гибридно-ориентированных 55 структурах

Выводы

63

Глава III

Глава IV

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА ГИБРИДНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СТРУКТУР ДВУХЧАСТОТНОГО НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА

ЗЛ

3

3

3

Электрооптическая схема для измерения характеристик ячеек

Разработка программ для ЭВМ для проведения исследовательских испытаний ЖК ячеек

Результаты исследования гибридно-ориентированных ячеек с двухчастотным ЖК

Влияние длительности импульса и амплитуды электрического сигнала на форму оптического отклика гибридных ячеек ДЧЖК

Выводы

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕОРИЕНТАЦИИ ДИРЕКТОРА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ЯЧЕЙКАХ С ГИБРИДНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ ДВУХЧАСТОТНОГО НЕМАТИЧЕСКОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА

Динамика переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла (ДЧЖК)

Теоретические методы исследования

Аналитическое решение уравнений динамики переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла

Результаты моделирования и сравнение с экспериментальными данными

Выводы

4

4

4

4

65

65

70

74

82

87

89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

89

102

104

112 113

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

вр - начальный угол наклона директора ЖК As - диэлектрическая анизотропия

fc - переходная частота двухчастотного жидкого кристалла s± - диэлектрическая проницаемость, перпендикулярная директору £//- диэлектрическая проницаемость, параллельная директору Р - поляризация

Е - напряженность электрического поля X - диэлектрическая восприимчивость

Хи - высокочастотное асимптотическое значение диэлектрической восприимчивости

Х\ - низкочастотное асимптотическое значение диэлектрической восприимчивости

bend-деформация - деформация продольного изгиба splay-деформация - деформация поперечного изгиба К/1 - коэффициент упругости Франка для splay-деформации К22 — коэффициент упругости Франка для twist-деформации К33- коэффициент упругости Франка для bend -деформации U - напряжение внешнего электрического поля U,h - пороговое напряжение эффекта Фредерикса V - объем

АФ - фазовая задержка

в - угол наклона директора ЖК

п0 - показатель преломления обыкновенного луча

пе - показатель преломления необыкновенного луча

An — оптическая анизотропия

Я - длина волны

So - диэлектрическая постоянная

гоп - время включения ЖК ячейки

T0ff- время выключения ЖК ячейки

yj - угол наклона оси ячейки при вращении

у/х — точка симметрии на кривой зависимости интенсивности пропускания от угла наклона ячейки

Т - интенсивность пропускания

С - емкость ячейки

У\ - вращательная вязкость

р - давление

р - плотность среды

D - плотность диссипативной энергии

V - поток жидкости

Дц- магнитная анизотропия

г - время релаксации параллельной директору составляющей ориентационной поляризации

а - константа связи поляризации с электрическим полем

ЖК - жидкий кристалл

НЖК - нематический жидкий кристалл

ITO (indium tin oxide) - оксид индия и олова

ДЧЖК — двухчастотный жидкий кристалл

ВЧ - высокочастотные колебания

НЧ - низкочастотные колебания

ПИ - полиимид

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

HAN (hybrid alignment nematic) - гибридно-ориентированный нематик

HTN (hybrid twist nematic) - гибридно-ориентированный нематик с твист эффектом

ZBD (zenithal bistable device) - устройство на основе зенитальной бистабильности

TN (twist nematic) - твист нематик

VA (vertical aligment) - вертикальная ориентация

IPS (in-plane switching) - плоскостное переключение

CH-IPS - плоскостное переключение на основе гибридно-ориентированной структуры с киральной добавкой

IT (in-plane switching twisted nematic mode) - плоскостное переключение с твист эффектом

SLM (spatial light modulate) - пространственный модулятор света

HEF (high-electric-field) - метод определение энергии сцепления в сильном электрическом поле

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптических и динамических характеристик гибридно-ориентированных жидкокристаллических ячеек»

ВВЕДЕНИЕ

Гибридно-ориентированные структуры нематического жидкого кристалла (НЖК) образуются, когда условия межфазного взаимодействия на противоположных границах раздела с ориентирующей поверхностью неодинаковые. Так, например, если одна из ориентирующих поверхностей обеспечивает параллельную ориентацию молекул НЖК, а другая -вертикальную. Такая геометрия вызывает нелинейную вариацию угла наклона директора в слое НЖК. Исследованиям особенностей устройств на основе гибридных структур НЖК уделяется большое внимание. Это связано с практическим использованием принципов их работы в ЖК-дисплеях [1-4] и устройств на основе жидких кристаллов, используемых в фотонике [5, 6].

Широкое распространение оптоволоконных линий связи для телевидения и Интернета увеличивает потребность в разнообразных пассивных и активных оптических компонентах для функционирования и обслуживания телекоммуникационных систем и регулирования интенсивности оптического сигнала.

Актуальность диссертационной работы обусловлена исследованием возможности практического использования гибридно-ориентированных структур двухчастотного НЖК в электроуправляемых оптических устройствах, таких как аттенюаторы и переключатели, а также в новых типах ЖК-дисплеев.

Оптические характеристики, быстродействие и энергопотребление устройств на основе жидких кристаллов зависят от начальных условий на границе раздела фаз с ориентирующей НЖК поверхностью. Динамику переключения таких устройств можно ускорить, повысив прикладываемое к ним напряжение. Однако это увеличивает энергопотребление и может вызывать нежелательные изменения свойств НЖК. Отличительной чертой гибридно-ориентированных структур является отсутствие порога Фредерикса - переориентация ЖК происходит при любом напряжении, приложенном к

такой ячейке. Использование двухчастотной адресации существенно улучшает быстродействие гибридно-ориентированных НЖК устройств. Она позволяет управлять процессом переключения устройства из состояния «выключено» —» «включено» —> «выключено» путем изменения частоты приложенного к ячейке внешнего электрического поля, что связано с инверсией знака диэлектрической анизотропии двухчастотного жидкого кристалла [6-9].

Основной целью проводимых в работе экспериментальных и теоретических исследований гибридно-ориентированных структур двухчастотного НЖК было изучение влияния параметров управляющих электрических полей и начальных углов наклона директора на оптические и динамические характеристики устройств.

Основными задачами проводимых исследований были:

• Разработка метода определение углов преднаклона для гибридно- и однородно-ориентированных структур.

• Разработка методик и компьютерных программ для исследования электрооптических характеристик жидких кристаллов.

• Экспериментальное и теоретическое изучение электрооптических характеристик гибридно-ориентированных структур двухчастотного НЖК.

Для достижения основной цели исследований и решения поставленных задач:

• Разработан метод определения углов преднаклона гибридно-ориентированных структур нематического жидкого кристалла.

• Разработана программа для ЭВМ управления параметрами электрического поля в ЖК устройствах.

• Разработана программа для ЭВМ расчета характеристик ЖК устройств.

• Разработана программа для ЭВМ тестирования оптических жидкокристаллических компонентов.

• Экспериментально исследованы гибридно-ориентированные ячейки с двухчастотным НЖК, и влияние на их оптический отклик параметров управляющих электрических полей и начальных углов наклона директора.

• Теоретически исследована динамика переориентации директора и её влияние на оптический отклик двухчастотного НЖК под действием электрического поля в ячейках с гибридно-ориентированной структурой.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• Разработан метод определение углов преднаклона для гибридно- и однородно-ориентированных структур.

• Разработаны оригинальные методики и компьютерные программы для получения данных и расчета электрооптических характеристик ЖК ячеек.

• Впервые экспериментально был получен симметричный оптический отклик в гибридно-ориентированной ячейке с двухчастотным НЖК.

• Экспериментально показана возможность снижения напряжения управляющего импульса при увеличении длительности импульса.

• Проведено компьютерное моделирование симметричного оптического отклика двухчастотного НЖК для определенных параметров управляющих электрических сигналов.

• Получены аналитические выражения для расчета параметров управляющего электрического сигнала для генерации симметричного оптического отклика гибридно-ориентированной ячейки с двухчастотным НЖК.

• Создана программа для ЭВМ моделирования симметричного оптического отклика двухчастотного НЖК при определенных параметрах управляющих электрических сигналов.

Положения, выносимые на защиту

• Разработан метод определения углов преднаклона директора для гибридно- и однородно-ориентированных структур, и теоретически и экспериментально показано его применимость для проведения исследований таких структур.

• Симметричный оптический отклик в гибридно-ориентированном двухчастотном НЖК может быть экспериментально получен при последовательном приложении низкочастотного и высокочастотного электрических полей.

• Численное и аналитическое решения системы уравнений, описывающих оптический отклик гибридно-ориентированной структуры двухчастотного НЖК, подтверждают, что времена включения и выключения ячейки могут быть равны при определенных управляющих импульсах.

Содержание диссертации

В первой главе представлен обзор работ, посвященных исследованиям гибридно-ориентированных структур и двухчастотного нематического жидкого кристалла. Рассматривается модель двухчастотного нематического жидкого кристалла, изложены теоретические основы поведения этого ЖК во внешнем электрическом поле в гибридно-ориентированных структурах. Представлен обзор областей применения таких структур.

Во второй главе приводится методика определения коэффициентов упругости и энергии сцепления жидкого кристалла основанная на моделировании зависимостей емкости и пропускания ЖК ячеек от приложенного напряжения. Обсуждаются известные методы определения углов преднаклона директора в ЖК ячейке, и предлагается новый метод для определения углов преднаклона директора в ячейках с гибридной или однородной ориентацией.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям оптического отклика гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла и влиянию параметров электрического поля на оптический отклик и релаксацию двухчастотного НЖК с целью уменьшения времени переключения. Приводится описание электрооптической схемы двухчастотного управления оптическим откликом жидкого кристалла и программ для ЭВМ, используемых в проводимых исследованиях оптических и динамических характеристик ЖК ячеек, а также результаты исследований влияния параметров управляющего электрического поля на временные характеристики.

В четвертой главе приводятся результаты численного математического моделирования динамики переориентации директора под действием электрического поля в ячейках с гибридно-ориентированной структурой двухчастотного нематического жидкого кристалла. Предложено

аналитическое решение уравнений динамики переориентации директора под действием электрического поля для произвольных значений упругих констант и углов преднаклона директора. Сравниваются экспериментальные результаты с результатами моделирования.

ГЛАВА I

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Представлен обзор работ, посвященных исследованиям гибридно -ориентированных структур и двухчастотного нематыческого жидкого кристалла. Рассматривается модель двухчастотного нематыческого жидкого кристалла, изложены теоретические основы поведения этого ЖК во внешнем электрическом поле в гибридно-ориентированных структурах. Представлен обзор областей применения таких структур.

1.1 Гибридно-ориентированные структуры двухчастотного нематического жидкого кристалла

Динамику переключения устройств на основе ЖК можно ускорить, повысив прикладываемое к ним напряжение или уменьшая пороговое напряжение эффекта Фредерикса. Однако повышение напряжения не только увеличивает энергопотребление, но и приводит к нежелательным изменениям свойств ЖК, связанных с его нагревом. Одним из альтернативных путей повышения быстродействия ЖК-устройств является использование гибридно-ориентированных нематических (hybrid alignment nematic — HAN) слоев с асимметричными условиями межфазного взаимодействия на противоположных границах раздела с ориентирующей поверхностью. В HAN-ячейке молекулы ЖК гомогенно (параллельно) ориентированы на одной поверхности и гомеотропно (перпендикулярно) ориентированы на другой. Такая геометрия в первом приближении оказывает одинаковое влияние как на гомогенную, так и на гомеотропную ориентации, вызывая нелинейную вариацию наклона директора вдоль слоя ЖК в ячейке [10, 11].

Время переориентации директора НЖК в результате деформации при приложении к нему внешнего электрического поля (эффект Фредерикса) зависит от порогового напряжения. Возвращение директора в исходное

состояние в результате естественной упругой релаксации НЖК существенно увеличивает время реакции ЖК устройства. Использование гибридной ориентации ввиду отсутствия порога Фредерикса позволяет снизить рабочее напряжение, а использование двухчастотного НЖК позволяет существенно сократить время оптического отклика за счет управления процессом релаксации жидкого кристалла электрическим полем.

В гибридной твист-нематической (hybrid twist nematic — HTN) ячейке с углом закрутки, равным 120°, из-за применения киральной добавки при толщине слоя нематического ЖК около 4 мкм было достигнуто время включения, равное 1 мс. Время выключения составило 16 мс, что связано со слабой силой упругой деформации, восстанавливающей твист-структуру, которую можно увеличить, уменьшив толщину слоя и увеличив угол ее закрутки [1]. Большие возможности открываются, когда гибридная структура комбинируется с двухчастотным (ДЧ) нематическим ЖК. В такой HAN-ячейке можно эффективно управлять вращением директора между гомеотропной и гомогенной ориентациями с помощью ДЧ-адресации путем приложения электрического поля к слою ДЧЖК с частотой, которая находится выше и ниже переходной частоты. При переключении HAN-ячейки время релаксации составило ~ 19 мс [12]. Вместе с тем время оптического отклика при двухчастотной адресации зависит от начального угла наклона директора [13, 14].

Гибридно-ориентированная структура образуется, когда на противоположных границах раздела ЖК с ориентирующей поверхностью условия межфазного взаимодействия отличаются, что приводит к разным начальным углам наклона директора. Если одна из ориентирующих поверхностей обеспечивает параллельную ориентацию молекул ЖК, а другая вертикальную, то в отсутствии внешнего поля наклон директора в HAN ячейке плавно изменяется от вертикального положения к горизонтальному, как показано на рисунке 1.1.1.

Е(МС)

Де > О

/! /

I /

//пи

ф1,у--}

II Г

III 1 \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ ч \\\ \\\ \ч\ ч\\

N44

I \ I

II \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ Ч \ \\Ч

\\ч

I I \ V \ V \ \ \ \ \\ \ч \\ чч

\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \\\ ччч ччч

ни I \ м \ \ \ \ \ \ \ \ \ Ч Ч V \ \ \\ \\\\ \\ч\

\ччч

И 1 I ГП I Г ГИ ( м

Е(ЫС)

ДЕ < о

н

Рисунок 1.1.1 - Механизм переориентации директора в гибридно-ориентированной ячейке, заполненной ДЧЖК. а) - приложено напряжение с частотой ниже переходной(/"</с); б) - положение молекул в отсутствии электрического поля (Е = 0); в) - приложено напряжение с частотой выше

переходной частоты (/>/с)

Эффективно управлять ориентацией нематического жидкого кристалла, выстраивая молекулы параллельно или перпендикулярно по отношению к вектору электрического поля можно с помощью двухчастотного управления процессом переключения. Двухчастотными ЖК (ДЧЖК) называют кристаллы, для которых, в силу особой частотной дисперсии, наблюдается инверсия знака диэлектрической анизотропии. Частота, при которой изменяется знак Ае, называется переходной частотой /с, ниже этой частоты диэлектрическая анизотропия положительна, а выше отрицательна. Это позволяет инвертировать знак диэлектрической анизотропии. С увеличением частоты приложенного напряжения составляющая диэлектрической анизотропии 8//, параллельная директору жидкого кристалла, уменьшается, в то время как ее перпендикулярная составляющая 8Х, остается неизменной. Преимущественное направление ориентации длинных осей молекул нематического жидкого кристалла характеризуется единичным вектором, называемым директором. Директор ДЧЖК ориентируется параллельно электрическому полю при приложении напряжения с частотой ниже

переходной частоты в области As>0 и перпендикулярно вектору электрического поля, когда / > /е в области Де<0. Сильная температурная зависимость переходной частоты и значительный диэлектрический нагрев в области частот, близких к /с, требуют контроля рабочей температуры при использовании ДЧЖК в различных оптических устройствах.

В ДЧЖК напряжение, приложенное к слою с частотой f<fc, вызывает ориентацию директора параллельно вектору электрического поля за время отклика гоп, а напряжения с высокой частотой f>fc вызывает переориентацию директора перпендикулярно полю. Время процесса релаксации в этом случае r0ff определяется временем управляемого переключения полярного угла наклона директора к его начальному углу наклона вр. Поэтому время r0ff для ДЧЖК будет всегда меньше в несколько раз, чем время естественной релаксации. Преимущество ДЧЖК заключается в возможности управлять ориентацией молекул при включении и выключении ячейки, и тем самым, уменьшить время реакции.

Молекулы ДЧЖК переориентируются вдоль направления поля, как показано на рис. 1.1.1 (а), и фазовая задержка уменьшается из-за уменьшения значения |Ае| в области положительных значений Де на частотах, меньше переходной частоты (fc) при приложении напряжения. При f~fc, равной приблизительно 6 кГц, директор не переориентируется. Когда f>fc, происходит инверсия знака Де на отрицательный, и директор жидкого кристалла располагается перпендикулярно по отношению к вектору электрического поля, как показано на рис. 1.1.1 (в). В этом случае фазовая задержка увеличивается с ростом напряжения. Для получения максимальной фазовой задержки ячейка обычно работает на частотах, далеких от переходной частоты. Данная ДЧЖК смесь переключалась низкой частотой, равной 1 кГц, и высокой частотой, равной 30 кГц.

На рисунке 1.1.2 приведены результаты измерения фазовой задержки при различных частотах электрического поля, приложенного к слою ДЧЖК в

HAN ячейке. Рисунок 1.1.2, иллюстрирует возможность переключения ДЧЖК HAN ячейки между двумя состояниями.

Рисунок 1.1.2 - Изменение фазовой задержки в HAN ячейке, толщиной

8,5 мкм, в зависимости от приложенного напряжения при различных частотах электрического поля [6]

Из рис. 1.1.2 следует, что если подать на HAN ячейку напряжение переменного поля в форме меандра с частотой 1 кГц и амплитудой 10 В, то максимальная фазовая задержка равна -1,15 я на длине волны X = 1,55 мкм [6].

На рис. 1.1.3 сравнивается фазовая задержка планарной ячейки с фазовой задержкой ДЧЖК HAN ячейкой. HAN ячейка управляется электрический полем с частотами 1 кГц и 30 кГц, а планарная только частотой 1 кГц. Из рисунка 1.1.3 видно, что ячейка HAN не имеет порогового напряжения, в то время как пороговое напряжение планарной ячейки около ~2 В. Поэтому, чтобы достичь того же изменения фазы (скажем, 1 л), ячейка HAN требует меньшего напряжения, чем соответствующая планарная ячейка [6].

Рисунок 1.1.3 - Изменение фазовой задержки для двух ЖК ячеек, толщиной 8,5 мкм, с различными граничными условиями. Сплошная линия - HAN ячейка, пунктирная - планарная ячейка [6]

Кроме более низкого рабочего напряжения, двухчастотная HAN ячейка обладает также гораздо меньшим временем отклика, чем соответствующая планарная ячейка. В планарной ячейке время отклика может быть улучшено значительно за счет использования специальной техники ее управления, а время спада в ней зависит от динамики процесса упругой релаксации молекул ЖК, обусловленной вязкоупругими свойствами материала и толщиной ячейки [15]. Улучшение времени отклика в ДЧЖК HAN ячейке связано с возможностью управления нарастанием и спадом пропускания с помощью приложенного электрического поля. Рисунок 1.1.4 иллюстрирует время переключения для ДЧЖК HAN ячейки на длине волны X = 1,55 мкм. К

А

HAN ячейке приложено напряжение 5,8 В с частотой 1 кГц, что соответствует состоянию «выключено» (off).

Если снять приложенное электрическое поле, то ячейка переходит в начальное состояние, причем время изменения интенсивности от 10% до 90% равняется 90 мс, что соответствует одночастотному управлению HAN ячейкой (сплошная линия на рис. 1.1.4). Благодаря возможности

двухчастотного управления ДЧЖК HAN ячейкой, можно сохранять напряжение на ячейке и изменять частоту от 1 до 30 кГц в течение 35 мс перед снятием напряжения. Высокочастотное электрическое поле возвращает молекулы жидкого кристалла обратно в начальное состояние, сокращая время переключения до 18 мс (пунктирная линия на рис. 1.1.4) [6].

Время, мс.

Рисунок 1.1.4 - Время переключения в ДЧЖК HAN ячейке толщиной 8,5 мкм. Сплошная линия - время отклика при снятии управляющего напряжения 5,8 В. Пунктирная линия - при приложении напряжения с частотой 30 кГц и длительностью импульса 35 мс [6]

Таким же образом используя HAN ячейку с ДЧЖК можно эффективно изменять фазовую задержку путем приложения электрического поля с частотой меньшей и большей переходной частоты. Этот пример показывает возможность эффективного улучшения времени переключения и ускорения оптического отклика HAN ячеек с помощью двухчастотного управления. Использование специальной техники управления переключением может позволить достичь микросекундного времени отклика [16, 17].

1.2 Модель двухчастотного нематического жидкого кристалла

В диэлектрике полная поляризация представляет собой сумму нескольких составляющих: электронной, атомной, ориентационной поляризации и поляризации, вызванной наличием объемного заряда. Полная поляризация диэлектрика Р связана с внешним полем Е через диэлектрическую восприимчивость / [18]:

Р = е0ХЕ (1.2.1)

Электронная поляризация вызвана смещением электронов относительно атомного ядра (рис 1.2.1а). Атомная поляризация связана с тем, что разные атомы в молекуле могут асимметрично разделять свои электроны, вызывая искажение электронного облака (рис 1.2.16). Это означает, что атомы в молекулах приобретают заряды противоположных знаков, и приложенное внешнее поле будет действовать на эти заряды и изменять положения равновесия атомов. Молекула может иметь постоянный диполь, и внешнее поле ориентирует эти диполи, создавая ориентационную поляризацию (рис 1.2.1 в). Кроме того, в диэлектрике могут присутствовать носители заряда (ионы), которые при приложении внешнего электрического поля могут перемещаться, создавая поляризацию, вызванную наличием объемного заряда (рис 1.2.1 г) [19].

При приложении к диэлектрику внешнего переменного электрического поля низкой частоты поляризация, вызванная им, будет изменяться синхронно с внешним полем, возможно, с некоторой задержкой фазы. Если же приложить к диэлектрику внешнее переменное электрическое поле с достаточно высокой частотой, то поляризация уже не будет изменяться синхронно с приложенным переменным полем. Амплитуда индуцированной поляризации уменьшается, что приводит к уменьшению восприимчивости Этот процесс называется диэлектрической релаксацией (рис. 1.2.2) [19, 20].

Е=0

Е=0

©==о

а

+

| . +

Е

Е=0

©

+ +

- +

в

Рисунок 1.2.1 - Разные виды поляризации в диэлектрике: а - электронная поляризация, б - атомная поляризация, в - ориентационная поляризация, г - поляризация, вызванная наличием объемного заряда [19]

к аз

и а!

т

а. ш

^ л т ¡5

™ г™ СС О

те 1? го 5

I г» X

ф -е-

мн

5

а. с и о

релаксация

релаксация

10°

10'

10*

м>

нг

106

Частота, Гц

Рисунок 1.2.2 - Процесс диэлектрической релаксации [19]

10'

Таким образом, каждый из механизмов, вызывающих поляризацию, имеет характерное время релаксации и частоту релаксации. Когда частота приложенного поля больше этой частоты, процесс поляризации будет не в

состоянии следовать за полем. Процесс диэлектрической релаксации можно описать простым соотношением [19]:

XI ~Хк

Х ~ Хл + 1 + (2л/)^ (1-2-2)

?

где Хи и X/ являются высокочастотным и низкочастотным асимптотическим значением диэлектрической восприимчивости г - характерное время релаксации.

Это позволяет представить диэлектрическую восприимчивость как функцию частотыВ случае если приложенное переменное электрическое поле не является синусоидальным, сигнал можно разложить в ряд Фурье, и затем рассчитать эффективное значение диэлектрической восприимчивости х-

Суммарную поляризацию удобно разложить на две составляющие: параллельную и перпендикулярную по отношению к директору ЖК п = (со^в, 0, бш^). Предположим, что все процессы, за исключением вращения вокруг короткой оси (Р°||) чрезвычайно быстрые, таким образом, вращение вокруг длинной молекулярной оси (Р°л-), электронный (Ре\\, Р^-О и атомистический процессы (Р^ц, будут точно следовать за приложенным полем. Тогда параллельную и перпендикулярную директору составляющие поляризации можно представить в виде [18]:

рй = р( + Р,г + Р,г

(1.2.3)

р± = р° + р* + р?

Как было отмечено выше, предполагаем, что все процессы, кроме вращения вокруг короткой оси молекулы (Р°||), следуют за внешним полем:

Р1 +Р1 +Р? = £оХ±гЕ соэ в

(1.2.4)

Р„е + = еоХ|11 Езтв

Слагаемое полной поляризации, соответствующее вращению вокруг короткой молекулярной оси (Р°||), может быть найдено решением уравнения [18]:

d?°

T^ + Pil° = £oX«iEsin0 d-2.5)

Электрическое поле в направлении z можно выразить с помощью уравнений Максвелла:

d

(/ 1 f,

Е = - - + —- (Р, sine + Рх cos Q)dz--(ft sin в + P± cos в)

a EqO. J ' Eg (1.2.6)

о

где U — U (d) - U (0) напряжение на слое ЖК. Электрическое смещение в направлении оси z:

D — е0Е + Р| sin в + P± cos 9 (1.2.7)

Эти представления были положены в основу модели переориентации директора ДЧЖК предложенной в [18, 21].

1.3 Применение гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла

1.3.1 Бистабильные ЖК устройства

Уже на заре исследований оптических свойств жидких кристаллов стало известно, что в них можно наблюдать многообразные, оптически различимые и долгоживущие состояния, соответствующие различному пространственному распределению поля директора. Об этом явлении можно говорить как о мультистабильности и, как частном случае, бистабильности ЖК. Мультистабильность ЖК может быть связана, как с особенностями объемных вязко-упругих взаимодействий, приводящих к образованию пространственно неоднородных текстур со стабильными топологическими дефектами различного типа [22], так и с поверхностными явлениями [23- 25]. В последнем случае огромную роль играет взаимодействие жидкого

кристалла с ориентирующими покрытиями, определяющими ориентацию и сцепление директора ЖК непосредственно на границах слоя. Так, например, увеличение энергии сцепления с ориентирующими поверхностями приводит к соответствующему увеличению количества метастабильных состояний, характеризуемых геликоидальным распределением поля директора [25, 26].

Исследование характера распределения поля директора ЖК в стабильных и метастабильных состояниях, а также возможности перехода между этими состояниями при внешних воздействиях представляют интерес как для понимания физических процессов в ЖК, так и для новых приложений. Особый интерес представляет поиск таких систем, в которых различные состояния можно переключать электрическим полем, что важно для создания новых типов электрооптических устройств и, в частности, дисплеев типа «электронной бумаги» [24]. Привлекательность подобных устройств заключается в значительном снижении потребляемой энергии, которая расходуется лишь в процессе переключения между различными состояниями и не используется для их поддержания [26]. Мультистабильность и, в частности, бистабильность наблюдается при использовании разных типов ЖК и различной его начальной ориентации. Мультистабильность наблюдалась в твист-ячейках на основе двухчастотного НЖК [26], и в сегнетоэлектрических ЖК [27, 28].

Гибридно-ориентированные структуры НЖК представляют собой один из вариантов получения зенитальной бистабильности (zenithal bistable device - ZBD), что связано с использованием специального рельефа поверхности с периодической структурой на одной из ориентирующих поверхностей. Также существует возможность использования моностабильной поверхности [4, 23]. Дисплеи на основе таких структур сочетают в себе преимущества сегнетоэлектрических жидкокристаллических дисплеев, связанные с низким электропотреблением, и устойчивость к механическому воздействию нематических дисплеев. Технология ZBD обеспечивает высокую

производительность по сравнению со всеми другими бистабильными дисплейными технологиями, позволяя осуществить переключение между стабильными состояниями за время порядка 40 мкс [3].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вакулин, Дмитрий Александрович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kubono A., Kyokane Y., Akiyama R., Tanaka K. Effects of cell parameters on the properties of hybrid twisted nematic displays. // Appl. Phys. - 2001. - Vol. 90.

- № 12.-P. 5859-5865.

2. Gwag J.S., Sohn K., Kim Y.-K., Kim J.-H. Electro-optical characteristics of a chiral hybrid in-plane switching liquid crystal mode for high brightness. // Optics Express. - 2008. - Vol. 16. - № 16. - P. 12220-12226.

3. Jones J.C., Bryan-Brown G., Wood E., Graham A., Brett P., Hughes J. Novel bistable liquid crystal displays based on grating alignment. // Proc. SPIE. - 2000. -P. 84-93.

4. Parry-Jones L.A., Elston S.J., Brown C.V. Zenithal bistability in a nematic liquid crystal device with a monostable surface condition. // Mol. Cryst. Liq. Cryst.

- 2004. - Vol. 410. - P. 427-433.

5. Yang F., Ruan L., Jewell S.A., Sambles J.R. Polarization rotator using a hybrid aligned nematic liquid crystal cell. // Opt. Express. - 2007. - Vol. 15. - P. 41924197.

6. Lu Y.Q., Liang X., Wu Y.H., Du F., Wu S.T. Dual-frequency addressed hybrid-aligned nematic liquid crystal. // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 85. - № 16. - P. 3354-3356.

7. Xianyu H., Wu S.-T., Lin C.-L. Dual frequency liquid crystals: a review. // Liquid Crystals. - 2009. - Vol. 36. - № 6. - P. 717-726.

8. Коншина E.A., Федоров M.A., Амосова Л.П., Исаев М.В., Костомаров Д.С. Оптические модуляторы на основе двухчастотного нематического жидкого кристалла. // Оптический журнал. - 2008. - Т. 75. - № 10. - С. 73-80.

9. Barnik M.I., Geivandov A.R., Lazarev V.V., Palto S.P., Yakovlev S.V. Optical phase modulation using dual-frequency nematic liquid crystals. // Mol. Cryst. Liq. Cryst.-2008.-Vol.480.-№ 1 - P. 49-71.

10. Chen С.-J., Lien A., Nathan M.I. Simple method for the calculation of the deformation profiles in chiral nematic liquid crystal cells with asymmetric pretilt. // J. Appl.Phys.- 1997.-Vol. 81. -№ 1.-P. 70-73.

11. Беляев B.B., Соломатин A.C., Чаусов Д.Н. Оптические свойства жк ячеек с произвольным краевым углом наклона директора. // Вестник МГОУ. Сер. «Физика - Математика». - 2013. - № 1. - С. 32-40.

12. Jewell S.A., Taphouse T.S., Sambles J.R. Rapid switching in a dual-frequency hybrid aligned nematic liquid crystal cell. // Appl. Phys. Lett. - 2005. - Vol. 87. -№ 2 - P. 021106 1-3.

13. Галин И.Ф., Коншина E.A. Влияние начального угла наклона директора двухчастотного жидкого кристалла на электрооптические характеристики ячеек. // Оптический журнал. - 2011. - Т. 78. - № 6. - С. 71 -74.

14. Коншина Е.А., Вакулин Д.А., Иванова H.JL, Гавриш Е.О., Васильев В.Н. Особенности оптического отклика гибридно-ориентированных ячеек с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82. - № 5. - С. 66-70.

15. Wu S.T., Yang D.K. Reflective Liquid Crystal Displays. // Wiley. - New York -2001.

16. Wu S.T. Nematic liquid crystal modulator with response time less than 100 ¡as at room temperature. // Appl. Phys. Lett. - 1990. - Vol. 57. - № 3. - P. 986-988.

17. Golovin A.B., Shiyanovskii S.V., Lavrentovich O.D. Fast switching dual-frequency liquid crystal optical retarder, driven by an amplitude and frequency modulated voltage. // Appl. Phys. Lett. - 2003. - Vol. 83. - № 19. - P. 3864-3866.

18. 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.

19. Mottram N.J. A model of dual frequency nematic liquid crystals. // Workshop Soft Matter Mathematical Modelling. - Cortona- 2005.

20. Блинов Jl.M. Жидкие кристаллы. Структура и свойства. // Либроком. - М. -2013.-С.484.

21. Brimicombe P.D., Parry-Jones L.A., Elston S.J., Raynes E.P. Modeling of dual frequency liquid crystal materials and devices. // J. Appl. Phys. - 2005. - Vol. 98.

- P. 104104 1-6.

22. De Gennes P.G., Prost J. The Physics of Liquid Crystals. // Oxford Science. -Oxford - 1993.

23. Dozov I., Nobili M., Durand G. Fast bistable nematic display using monostable surface switching. // Appl. Phys. Lett. - 1997. - Vol. 70. - № 9 - P. 1179-1181.

24. Joubert C., Angele J., Boissier A., Davi P., Dozov I., Elbhar Т., Pecout В., Stoenescu D., Vercelletto R., Martinot-Lagarde Ph. Ultra low power bright reflective displays using BiNem technology fabricated by standard manufacturing equipment. // Journal of the SID. - 2002. - Vol. 33. - № 1. - P. 30-33.

25. Палто С.П. О механизмах вариации шага спирали в тонких холестерических слоях, ограниченных двумя поверхностями. // ЖЭТФ. -2002.-Т. 121. - № 2. - С. 308-319.

26. Палто С.П., Барник М.И. Бистабильное переключение в двухчастотных жидких кристаллах.//ЖЭТФ. - 2006. - Т. 129.-№6.-С. 1132-1144.

27. Пожидаев Е.П., Чигринов В.Г. Би и мультистабильные состояния в сегнетоэлектрическом жидком кристалле. // Кристаллография. - 2006. - Т. 51.

- № 6. - С. 1228-1239.

28. Pozhidaev Е., Chigrinov V., Hegde G., Xu P. Multistable electro-optical modes in ferroelectric liquid crystals. // Journal of the SID. - 2009. - Vol.17 - № 1. - P. 53-59.

29. Oka S., Kimura M., Akahane Т. Electro-optical characteristics and switching behavior of a twisted nematic liquid crystal device based upon in-plane switching. // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 80. - P. 1847-1849.

30. Jones R.C. A new calculation for the treatment of optical systems. // J. Opt. Soc. Am. - 1941.-Vol 31.-P. 500-503.

31. Konshina E.A., Galin I.F., Gavrish E.O., Vakulin D.A. The doping of the polyimide alignment layer by semiconductor quantum dots. // AIP advances. -2013. - Vol. 3.- P. 082104 1-5.

32. Stewart I.W. The static and dynamic continuum theory of liquid crystals. // Taylor & Francis. - London - 2004.

33. Deuling H.J. Deformation of nematic liquid crystals in an electric field. // Molecular Crystals and Liquid Crystal. - 1972. -Vol. 19.-№2-P. 123-131.

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

35. Iwaya К., Naito Н., Ichinose Н., Klasen-Memmer М., Tarumi К. Simultaneous measurement of elastic constants and anchoring energy of homeotropic and homogeneous nematic liquid crystal cells by a capacitance method. // Proc. 17th International Display Workshops. - 2010.

36. Yokoyama H., van Sprang H.A. A novel method for determining the anchoring energy function at a nematic liquid crystal wall interface from director distortions at high fields. //J. Appl. Phys. - 1985. - Vol. 57. - № 10 - P. 4520-4527.

37. Yokoyama H., Kobayashi S., Kamei H. Temperature dependence of the anchoring strength at a nematic liquid crystal - evaporated SiO interface. // J. Appl. Phys. - 1987. - Vol. 61. - P. 4501-4519.

38. Blinov L.M., Kabayenkov A.Y., Sonin A.A. Experimental studies of the anchoring energy of nematic liquid crystals. // Liq. Cryst. - 1989. - Vol. 5. - № 2. -P. 645-661.

39. Nastishin Y.A., Polak D.R., Shiyanovsky S.V. Determination of nematic polar anchoring from retardation versus voltage measurements. // Appl. Phys. Lett. -1999. - Vol. 75. - № 2. - P. 202-204.

40. Nastishin Y.A., Polak D.R., Shiyanovsky S.V., Bodnar V.H, Lavrentovich

0.D. Nematic polar anchoring strength measured by electric field techniques. // J. Appl. Phys. - 1999. - Vol. 86. - P. 4199-4214.

41. Yang K.H., Rosenblatt C. Determination of the anisotropic potential at the nematic liquid crystal to wall interface. // Appl. Phys. Lett. - 1983. - Vol. 43. -P.62-64.

42. Fahrenschon K., Gruler H., Schiekel M.F. Deformation of a pretilted nematic liquid crystal layer in an electric field. // Appl. Phys. - 1976. - Vol. 11. - № 1 - P. 67-74.

43. Napoli G. Weak anchoring effects in electrically driven Freedericksz transitions. // J. Phys. A: Math. Gen. - 2006. - Vol. 39. - № 1. - P. 11 -31.

44. Barbero G., Evangelista L.R., Madhusudana N.V. Effect of surface electric field on the anchoring of nematic liquid crystals. // Eur. Phys. J. B. - 1998. - Vol.

1.-P. 327-331.

45. Rapini A., Papoular M. Distortion dune Iamelle ematique sous champ magnetique d ancraug aux parois. // J. Phys. Paris. Colloq. - 1969. - Vol. 30. - № 4.-P. 54-56.

46. Nie X., Lin Y.-H., Wu T.X., Wang H., Ge Z., Wu S.-T. Polar anchoring energy measurement of vertically aligned liquid-crystal cells. // J. of Appl. Phys. - 2005. -Vol. 98.-P. 013516 1-5.

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

48. 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.

49. Коншина E.A., Федоров M.A., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами. // Опт. журн. - 2006. - Т.73. - № 12. - С. 9-13.

50. Baur G., Wittwer V., Berreman D.W. Determination of the tilt angles at surfaces of substrates in liquid crystal cells. // Physics Letters. - 1976. - Vol. 56. -№ 2. - P.142-144.

51. Cuminal M.-P., Brunet M.A technique for measurement of pretilt angles arising from alignment layers. // Liquid Crystals. - 1997. - Vol. 22. - №. 2. -P.185-192.

52. Wang S.-Y., Wu H.-M., Yang K.-H. Simple and direct measurements of pretilt angles in hybrid-aligned nematic liquid-crystal cells. // Applied Optics. - 2013. -Vol. 52.-№21.-P. 5106-5111.

53. Каретников H.A., Каретников А.А., Ковшик А.П., Рюмцев Е.И. Поляриметрический метод определения угла наклона оптической оси на границах жидкокристаллического слоя. // Оптика и спектроскопия. - 2007. -Т. 103,-№4.-С. 663-667.

54. Яблонский С.В., Михайлов А.С., Палто С.П., Юдин С.Г., Яковлев С.В., Дюран Г. Точный метод определения угла преднаклона в тонких пленках нематических жидких кристаллов. // Письма в ЖЭТФ. - 1998. - Т. 67. - № 6. -С. 387-392.

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

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

57. Barbero G., Evangelista L.R. Adsorption phenomena and anchoring energy in nematic liquid crystals. // Taylor & Francis. - 2006.

58. 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.

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

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

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

62. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Исследование динамических характеристик двухчастотного нематического жидкого кристалла с квазигомеотропной твист-структурой. // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - № 14.-С. 1-6.

63. Вакулин Д.А. Влияние параметров электрического поля на оптический отклик твист-ячеек с двухчастотным нематическим жидким кристаллом. // Сборник тезисов докладов VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых КМУ-2011. - 2011. - № 2. - С. 371.

64. Васильев В.Н., Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Особенности процесса электроуправляемой релаксации при твист-деформации

двухчастотного нематического жидкого кристалла. // ЖТФ. - 2010. - Т. 80. -№6. -С. 96-100.

65. Pozhidaev Е.Р., Chigrinov V.G., Hegde G., Xu P. Multistable electro-optical modes in ferroelectric liquid crystals. // Journal of the SID. - 2009. - Vol. 17. - №

I.-P. 53-59.

66. Chandani A.D.L., Cui Y., Seomun S.S., Takanishi Y., Ishikawa K., Takezoe H. Effect of alignment layer on V-shaped switching in a chiral smectic liquid crystal. // Journal of Liquid Crystals. - 1999. - Vol. 26. - № 2. - P. 167-179.

67. Cho H.J., Lee Y.H. Characterization of a twisted-nematic liquid crystal display by a simple model // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. - 2009. - Vol. 11. - № 6. - P. 1-6.

68. Berreman D.W. Optics in stratified and anisotropic media: 4X4-matrix formulation. // J. Opt. Soc. Am. - 1972. - Vol. 62. - P. 502-509.

69. Berreman D.W. Optics in smoothly varying anisotropic planar structures: application to liquid-crystal twist cells. // J. Opt. Soc. Am. - 1973. - Vol. 63. - №

II.-P. 1374-1380.

70. Палто С.П. Алгоритм решения оптической задачи для слоистых анизотропных сред. // ЖЭТФ. - 2001. - Т. 119. - № 4. - С. 638-648.

71. 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.

72. Иванов А.В., Вакулин Д.А. Моделирование симметричного оптического отклика для двухчастотной гибридно-ориентированной ЖК структуры. // Сборник трудов VII международной конференции «фундаментальные проблемы оптики - 2012». - 2012. - С. 306.

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

74. Dayton D., Browne S., Gonglewski J., Restaino S. Characterization and control of a multielement dual-frequency liquid-crystal device for high-speed adaptive optical wave-front correction. // Appl. Opt. - 2001. - Vol. 40. - № 15. - P. 23452355.

75. Симоненко Г.В., Цой В.И., Яковлев Д.А. Метод вычисления углов ориентации оптической оси ЖК, находящегося во внешнем электрическом поле. // Комп. опт. - 2001. - Т. 21. - С. 88-91.

76. Deuling H.J. Deformation pattern of twisted nematic liquid crystal layers in an electric field. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 1974. - Vol. 27. - № 1. - P. 81-93.