Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор литературы 13
1.1 Гибридно-ориентированные структуры двухчастотного нематического жидкого кристалла 13
1.2 Модель двухчастотного нематического жидкого кристалла 20
1.3 Применение гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла (ЖК) 23
1.3.1 Бистабильные ЖК устройства 23
1.3.2 Технология плоскостного переключения на основе гибридно-ориентированной структуры с киральной добавкой 27
1.3.3 Оптический модулятор на основе гибридно-ориентированной структуры 29
Глава II Методы исследования параметров жк ячеек 36
2.1 Определение коэффициентов упругости Франка путем моделирования зависимостей емкости и пропускания ЖК ячеек от напряжения 36
2.2 Определение энергии сцепления жидкого кристалла путем моделирования зависимостей емкости от напряжения 46
2.3 Методы определения угла преднаклона директора в ЖК ячейке 51
2.3.1 Метод вращения ЖК ячейки 52
2.3.2 Емкостной метод 54
2.3.3 Разработка метода определение угла преднаклона в гибридно-ориентированных структурах 55
Выводы 63
Глава ПІ Экспериментальное исследование оптического отклика гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла 65
3.1 Электрооптическая схема для измерения характеристик ячеек 65
3.2 Разработка программ для ЭВМ для проведения исследовательских испытаний ЖК ячеек 70
3.3 Результаты исследования гибридно-ориентированных ячеек с двухчастотным ЖК 74
3.4 Влияние длительности импульса и амплитуды электрического сигнала на форму оптического отклика гибридных ячеек ДЧЖК 82
Выводы 87
Глава IV Математическое моделирование динамики переориентации директора под действием электрического поля в ячейках с гибридно-ориентированной структурой двухчастотного нематического жидкого кристалла 89
4.1 Динамика переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла (ДЧЖК) 89
4.2 Теоретические методы исследования 94
4.3 Аналитическое решение уравнений динамики переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла 102
4.4 Результаты моделирования и сравнение с экспериментальными данными 104
Выводы 112
Заключение 113
Список литературы 116
- Применение гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла (ЖК)
- Определение энергии сцепления жидкого кристалла путем моделирования зависимостей емкости от напряжения
- Разработка программ для ЭВМ для проведения исследовательских испытаний ЖК ячеек
- Аналитическое решение уравнений динамики переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла
Применение гибридно-ориентированных структур двухчастотного нематического жидкого кристалла (ЖК)
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].
Создание специального рельефа на ориентирующем слое обеспечивает требуемое выравнивание НЖК. Изготовление таких ориентирующих слоев возможно различными способами, например с использованием литографии. Существование двух стабильных состояний и переключение между ними вызвано переориентацией директора в некоторой области около ориентирующей поверхности, однако переориентации директора на поверхности не происходят (рис. 1.3.1.1), что исключает возникновения дефектов изображения при переключении. Точная форма рельефа, которая обеспечивает существование двух стабильных состояний, зависит от ряда факторов [3]: коэффициентов упругости НЖК, энергии сцепления и др.
Использование ДЧЖК в бистабильных устройствах позволяет осуществлять переключения между стабильными состояниями путем использования коротких управляющих импульсов с частотами ниже и выше переходной частоты используемого ДЧЖК (рис. 1.3.1.2). Одной из главных проблем при использовании ДЧЖК является сильная зависимость переходной частоты от температуры (рис. 1.3.1.3). В связи с этим более практичный подход заключается в использовании флексоэлектрического эффекта, который возникает в НЖК с большим дипольным моментом при упругой деформации [3]. переход от вертикальной к гибридной ориентации переход от вертикальной к гибридной ориентации переход от гибридной к вертикальной ориентации Характеристики ЖК-дисплея, такие как контрастность, время отклика и углы обзора, в основном зависят от ориентации ЖК между электродами. При изготовлении ЖК-дисплеев используются разные типы ориентации, в том числе твист-нематик (twist nematic - TN), вертикальная ориентация (vertical orientation - VA), плоскостное переключение (In-plane switching - IPS) и другие.
Дисплеи на основе TN матриц наиболее широко используется в массовом производстве ЖК-дисплеев, благодаря высокому коэффициенту пропускания и простоте, но этот тип матрицы имеет серьезные недостатки, такие как: малые углы обзора и инверсия цвета при больших углах обзора. Для решения этих проблем были разработаны другие типы матриц, например IPS и VA матрицы, которые имеют большие углы обзора.
Улучшить характеристики IPS матрицы возможно с использованием гибридно-ориентированных структур НЖК - технология chiral hybrid in-plane switching - CH-IPS [2]. На рисунке 1.3.2.1 показана схема пикселя в CH-IPS матрице. Гибридная структура создается путем однородного (планарная ориентация) выравнивания на нижней подложке и вертикального (гомеотропная ориентация) выравнивания на противоположной подложке, а для создания закрученной структуры используется киральная добавка (рис. 1.3.2.1 а). Матрица CH-IPS обеспечивает высокий коэффициент пропускания в исходном состоянии, кроме того, при использовании такого типа матрицы может быть достигнуто хорошее качество черного цвета.
Для проверки предложенной технологии произведено сравнение оптического пропускания в зависимости от приложенного напряжения для технологий CH-IPS, IPS и IT (IPS с углом закрутки 90 [29]). К ЖК ячейкам было приложено внешнее электрическое поле в форме меандра с частотой 1 кГц, в качестве подсветки использовалась галогенная лампа.
Определение энергии сцепления жидкого кристалла путем моделирования зависимостей емкости от напряжения
Начальный угол наклона директора НЖК (или угол преднаклона) является одним их ключевых параметров устройств на их основе, поэтому точное его определение и контроль при создании устройств на основе НЖК очень важен. Оптические и электрические свойства НЖК ячеек зависят от распределения угла наклона директора в слое НЖК, которое определяется углами преднаклона директора на противоположных ориентирующих поверхностях. Известны разные методы определения угла преднаклона, основанные на измерении оптических и электрических свойств ЖК ячеек. К ним относятся метод вращения ЖК ячейки, емкостной метод и метод контроля угла по фазовой задержке света в ЖК
Метод вращения наиболее часто используется для измерения угла преднаклона директора на подложке в случае, если угол наклона директор остается постоянным по слою ЖК и не превышает 15. Исследуемая ЖК ячейка располагается между скрещенными поляризатором и анализатором таким образом, чтобы угол между плоскостью поляризации и оптической осью составлял 45, что соответствует максимальному пропусканию. Для расчета начального угла наклона директора ЖК этим способом необходимо получить экспериментальную кривую изменения пропускания поляризованного света через ячейку в зависимости от угла падения излучения, который изменяют, вращая ячейку вдоль оси параллельной плоскости подложки (рис. 2.3.1.1) [47, 50, 51].
В уравнение 2.3.1.5 не входит длина волны X и толщина ячейки d. Максимальное значение угла преднаклона а, которое может быть измерено, определяется путем решения уравнения 2.3.1.5 для значения цгх = 90. Для типичного НЖК п0 = 1.55 и пе = 1.74, это значение составляет 16.3. Таким образом, большие углы преднаклона не могут быть определены с помощью этого метода [47].
Сравнивая емкость пустой ячейки и емкость ячейки, заполненной ЖК, можно вычислить начальный угол наклона директора. Как и в методе вращения, предполагая, что директор равномерно ориентирован в слое, и его ориентация определяется только углом наклона на границе и не зависит от толщины образца и энергии сцепления, емкость заполненной ячейки можно записать как [47]:
Если угол преднаклона директора отличен от 0 или 90, то при измерении емкости заполненной ячейки напряжение, подаваемое на ячейку, вызовет деформацию в слое ЖК, и измеренная величина угла преднаклона не будет соответствовать углу преднаклона директора в недеформированном слое. Таким образом, требуется учитывать распределение директора в слое ЖК при приложении внешнего поля, что позволяет оценить разницу между полученным значением при использовании формулы (2.3.2.2) и углом преднаклона. Для нематического ЖК при угле преднаклона, равном 20, и приложенном напряжении 0.09[7 разница составляет 0.1 [47]. В отличие от метода вращения, в котором измерения можно проводить в разных зонах ЖК ячейки, в емкостном методе полученное значение угла преднаклона директора соответствует среднему значению по площади ЖК ячейки.
Разработка метода определения угла преднаклона в гибридно-ориентированных структурах Существующие методы определения углов преднаклона директора в гибридно-ориентированных структурах обладают рядом недостатков, таких как: необходимость использования в качестве подложек специального вида призм, сложность экспериментальной схемы, необходимость воздействия на ЖК ячейку электрического поля или переориентировать ячейку [52-54]. В результате этого процесс измерения углов преднаклона директора требует значительных затрат времени и создания специального экспериментального стенда. Для упрощения эксперимента и ускорения процесса измерения, в этой работе предложен новый метод, позволяющий определять углы преднаклона директора как в гибридно-ориентированных ячейках, так и в ячейках с однородной ориентацией директора.
Разработка программ для ЭВМ для проведения исследовательских испытаний ЖК ячеек
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.
Динамика переориентации ДЧЖК
Деформация поля директора происходит благодаря упругим силам, возникающим под действием внешнего электрического поля в ЖК в соответствии с его диэлектрической анизотропией. Изменение положения директора в пространстве вызывает увеличение свободной энергии. Для того чтобы минимизировать свободную энергию на единицу объема образца, молекулы будут переориентироваться при приложении электрического ПОЛЯ к слою ЖК, заключенному между двумя огранивающими его ориентирующими поверхностями. Это условие лежит в основе феноменологической теории упругости, используемой для определения ориентации директора внутри рассматриваемой ЖК структуры. Согласно континуальной теории упругости для НЖК упругая энергия, относящаяся к изменению директора в пространстве, может быть записана в векторных обозначениях следующим образом [20]:
Это выражение для свободной энергии Франка-Озеена является основой для рассмотрения практически всех электро- и магнитооптических явлений в нематическом жидком кристалле. Первый член описывает деформацию поперечного изгиба (splay), второй - деформацию кручения (twist) и третий -деформацию продольного изгиба (bend). Коэффициенты упругости Франка -Кц (splay), К22 (twist) и Кц (bend), относящиеся к соответствующим деформациям, определяют различные пространственные искривления директора. Все три коэффициента по своей величине порядка 10"11 Н и обычно К33 Ки К22 Свободная энергия ЖК включает в себя объемную и поверхностную составляющие:
Поверхностная составляющая Fs соответствует энергии межфазного взаимодействия, относящегося к ориентации директора у поверхности слоя ЖК. Плотность электрической энергии относится к взаимодействию приложенного электрического поля и директора ЖК молекул. Плотности энергий электрического и магнитного полей определяются следующими выражениями: где е0 и JUQ - электрическая и магнитная постоянные, Е и Н - векторы напряженности электрического и магнитного полей, Ає=єи - є± и А/і=/іи -/і± - диэлектрическая и магнитная анизотропии. Нижние индексы _1_ и ц соответствуют составляющим диэлектрической и магнитной проницаемости перпендикулярно и вдоль направления директора.
Используя вариационный принцип для минимизации интеграла свободной энергии, получают систему дифференциальных уравнений для нахождения стационарного распределения углов ориентации директора ЖК.
В большинстве практических случаев для создания определенной ориентации директора достаточно анизотропно-упругого межфазного взаимодействия между молекулами жидкого кристалла и ориентирующей поверхностью. Когда действие электрического поля прекращается, происходит процесс релаксации - возвращение директора в равновесное состояние. Возвращающий момент, который возникает при этом, зависит от константы упругости и потоковых эффектов ЖК. Баланс между электрическим моментом, вызывающим переориентацию молекул, и упругим возвращающим моментом определяет динамику процесса деформации ЖК. Влияние этих моментов на направление директора п определяется минимизацией плотности свободной энергии [32]:
Характерной особенностью деформации жидкого кристалла является влияние на нее вязкости и температуры, которые определяют режим течения. Эти режимы течения являются более сложными, чем для обычных изотропных жидкостей, и могут быть нарушены изменением ориентации, например, путем приложенного внешнего электрического ПОЛЯ. С теоретической точки зрения согласование между ориентацией и течением является очень важным моментом. где X - длина волны света, d - толщина ЖК ячейки, у/ - угол между оптической осью кристалла и осью поляризатора в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, Ф=2ПАпс1/Х, Лп= пе -п0, пе и п0 - показатели преломления среды для необыкновенного и обыкновенного лучей. Для расчета пропускания или отражения ЖК среда делится на ряд слоев, каждый из которых, как предполагается, внутри себя имеет постоянный угол наклона ЖК молекул. Другими словами, каждый слой обрабатывается, как волновая пластина с фиксированным двулучепреломлением.
Аналитическое решение уравнений динамики переориентации двухчастотного нематического жидкого кристалла
Из анализа графиков на рисунках 4.4.1-4.4.4 можно сделать вывод о том, что полученное приближенное аналитическое решение хорошо согласуется с численным решением в случае использования больших амплитуд управляющего сигнала (рис. 4.4.1-4.4.2) или при небольших деформациях в слое ЖК (рис. 4.4.3-4.4.4).
Используя полученные уравнения для численного и приближенного аналитического решения, смоделируем симметричный оптический отклик при действии управляющего синусоидального сигнала, длительностью 10 мс, с амплитудами 5.9 В (3 кГц) и 6.4 В (30 кГц), а также при действии управляющего синусоидального сигнала длительностью 50 мс, с амплитудами 5.9 В (3 кГц) и 5.6 В (30 кГц). Результаты численного и аналитического расчета переориентации угла наклона директора в центре ЖК ячейки при длительности управляющего сигнала 10 мс представлены на рисунке 4.4.5, а при длительности 50 мс показаны на рисунке 4.4.6.
Из результатов, представленных на рисунках 4.4.5 и 4.4.6, следует, что аналитический расчет дает хорошее совпадение с численным расчетом, выполненным с помощью программных методов. Следует отметить, что полученные решения, как аналитические, так и численные, показывают, что при заданной длительности управляющего сигнала для одинакового временного отклика требуется приложить различное управляющее напряжение на низкой и высокой частоте.
Изменения поляризационных характеристик среды для НЧ части сигнала при длительности управляющего сигнала 10 мс, которые определяют наличие вращающего момента ЖК молекулы, приведены графике на рис. 4.4.7.
Временные зависимости угла наклона директора в центре ЖК ячейки, полученные численным (сплошная линия) и аналитическим (пунктирная линия) решениями при длительности управляющего сигнала 10 мс. а) переориентация директора на частоте/і=3 кГц, б) релаксация на
Сравнение экспериментальных данных и результатов, полученных при численном и аналитическом решении, приведенное на рисунках 4.4.8 и 4.4.9, показало, что при моделировании оптического отклика гибридно-ориентированной структуры двухчастотного жидкого кристалла аналитическое решение хорошо согласуется с экспериментальными данными. Оно может быть использовано для моделирования характеристик ЖК устройств, что позволяет существенно сократить время моделирования и определять необходимые параметры управляющих сигналов.
В рамках континуальной теории исследована динамика изменения угла наклона директора под действием электрического поля для гибридно-ориентированных двухчастотных нематических жидких кристаллов. Теоретическое исследование динамики ориентации директора с помощью уравнений Эриксена-Лесли выполнено для произвольной формы электрического управляющего сигнала. Для описания диэлектрической релаксации двухчастотного нематического ЖК использовалась модель Дебая. Получено приближенное аналитическое решение для временной зависимости угла наклона директора под действием управляющего электрического сигнала. Стационарное распределение поля директора определялось с помощью аналитического решения системы дифференциальных уравнений в модели Франка-Озеена для случая одинаковых значений констант упругости и произвольных углов наклона в отсутствие гидродинамического потока.
Получены выражения для определения времени включения (изменения угла наклона директора в центре ЖК ячейки из стационарного состояния в гомеотропное) и выключения (возврат в начальное состояние) в зависимости от параметров управляющего сигнала и характеристик ЖК ячейки. Найденные выражения позволяют определить параметры электрического сигнала для получения одинаковых времен включения и выключения.
Выполнено компьютерное моделирование динамики изменения угла наклона директора для произвольных значений упругих констант и граничных углов наклона директора в отсутствие гидродинамического потока. Результаты, полученные с помощью приближенного аналитического решения, совпадают с результатами численного моделирования.
