Влияние начального угла наклона директора двухчастотного жидкого кристалла на электрооптические характеристики ячеек
УДК 535.012.21; 535.016; 535.55
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА ДИРЕКТОРА ДВУХЧАСТОТНОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА НА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯЧЕЕК
© 2011 г. И. Ф. Галин; Е. А. Коншина, доктор физ.-мат. наук
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
E-mail: ildar.f.galin@gmail.com
Исследованы ячейки, заполненные нематическим двухчастотным жидким кристаллом (ДЧЖК), в которых начальный угол наклона директора θp варьировался в интервале от 40° до 75° путем изменения рельефа поверхности ориентирующих сло-
ев. Впервые получены экспериментальные зависимости времени изменения фазовой задержки на 2π на длине волны 0,65 мкм от угла θp для продольной и поперечной деформации слоя ДЧЖК. Показано, что поперечная упругая деформация является
более медленным процессом по сравнению с продольной упругой деформацией. Вре-
мя “включения” или “выключения” ячеек в результате процесса продольной упругой
деформации при приложении поля с частотой 1 кГц занимало 1–2 мс, а для попереч-
ной деформации путем приложения электрического поля с частотой 30 кГц составля-
ло 3–9 мс.
Ключевые слова: двухчастотный жидкий кристалл, начальный угол наклона директора, пороговое напряжение, времена отклика и релаксации.
Коды OCIS: 160.3710, 230.3720.
Поступила в редакцию 16.12.2010.
Разработка современных устройств на основе жидких кристаллов (ЖК) требует теоретического и экспериментального изучения динамики процессов переориентации и релаксации молекул в электрическом поле. Одним из существенных факторов, влияющих на динамику процесса переориентации молекул в результате упругой деформации слоя ЖК, является величина начального угла наклона директора [1]. Количественные корреляции между начальным углом наклона и временем отклика были теоретически и экспериментально исследованы для случая вертикально ориентированного нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией в работе [2]. Нематический двухчастотный жидкий кристалл (ДЧЖК), представляющий собой смесь молекул с положительной и отрицательной диэлектрическими анизотропиями, позволяет с помощью электрического поля управлять не только откликом, но и процессом релаксации молекул.
В этой работе были исследованы электрооптические и динамические характеристики ячеек с наклонной ориентацией ДЧЖК для случаев продольной (splay) и поперечной
(bend) деформации и влияние на них вариации начального угла наклона директора.
Исследования проводились на плоскопараллельных ячейках, заполненных слоем ДЧЖК (ЖК-1001, НИОПИК, Москва), толщиной около 8,2 ± 0,3 мкм. Наклонную однородную ориентацию молекул ДЧЖК получали при использовании слоев двуокиси церия (CeO2) и моноокиси германия (GeO), имеющих текстурированную поверхность. Анизотропия рельефа поверхностей этих слоев, необходимая для создания однонаправленной ориентации ЖК, формировалась в результате осаждения материала на подложки, расположенные наклонно в вакуумной камере. Начальный угол наклона директора ЖК варьировали путем изменения угла наклона подложек относительно вертикальной оси, а также изменяя толщину ориентирующего слоя [3].
Измерения электрооптических и динамических характеристик ячеек проводили на длине волны 0,65 мкм на специальном стенде, описанном ранее в [4]. Исследуемую ячейку располагали между поляризатором и скрещенным с ним анализатором таким образом,
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
71
чтобы угол между вектором поляризации
падающего луча и направлением директора был равен 45°, что соответствует максимальному пропусканию света. Начальный угол наклона директора θp определяли с помощью расчетной зависимости фазовой задержки ΔΦ от угла наклона директора по значению ΔΦmax, которое находили экстраполяцией линейного участка зависимости ΔΦ (1/U) при 1/U → 0 [5]. Углы θp, полученные для случаев bend- и splayдеформации слоя ДЧЖК в ячейках, составляли в сумме 90° ± 2° и варьировались в интервале от 40° до 75°.
Переключение ячеек из исходного состоя-
ния “выключено” в состояние “включено”, а
затем обратно в состояние “выключено” осу-
ществлялось с помощью пакетов синусоидаль-
ных колебаний низкой частоты, равной 1 кГц,
или высокой частоты – 30 кГц. На ЖК-ячейки
подавалось напряжение амплитудой 60 В, а эф-
фективное напряжение, приложенное к слою ЖК, было в 2 раз меньше и составляло около 43 В. Если начальный угол наклона директора θp был менее 45°, то сначала осуществляли splay-деформацию полем с частотой 1 кГц, а релаксацию слоя ДЧЖК в результате bendдеформации – путем приложения поля с частотой 30 кГц. При угле θp более 45° для переориентации молекул использовали инвертированный режим, т. е. сначала осуществляли bend-, а затем splay-деформацию слоя ДЧЖК.
За время отклика и релаксации принима-
ли время, соответствующее изменению фазовой задержки света в ЖК-ячейке на 2π на длине волны 0,65 мкм. Времена splay-деформации τLF (LF – low frequency) и bend-деформации
τHF (HF – high frequency) определяли из осциллограмм по уровню 10% и 90% максималь-
ной интенсивности света, прошедшего через
ячейку. На рис. 1 приведены осциллограммы
электрооптического отклика, соответствующие фазовой задержке на 2π, для ЖК-ячеек с углами θp, равными 40° и 75°. Время τLF было меньше, чем τHF при последовательном переключении ячейки из состояний “выключено” → “включено” → “выключено” как путем splay-, а затем bend-деформации (рис. 1а), так и в инвертированном режиме (рис. 1б). Подоб-
ный эффект наблюдался для твист-эффекта
в ДЧЖК с квазигомеотропной структурой [6].
На рис. 2 показано изменение времени переключения τLF и времени τHF в зависимости от угла наклона θp ДЧЖК, который варьировали в интервале от 40° до 75°. При приложении к ДЧЖК-ячейкам напряжения с частотой 1 кГц
время отклика изменялось от 1 мс до 2 мс. При
приложении напряжения с частотой 30 кГц
время отклика было больше и изменялось от
3 до 9 мс с увеличением начального угла накло-
на директора ЖК относительно ориентирующей поверхности. Минимальные времена τLF и τHF, равные 1 и 4 мс (рис. 2), соответствовали начальному углу наклона директора ДЧЖК около 40°. Из зависимостей на рис. 2 следует, что время реакции исследованных ячеек, равное сумме времен τLF и τHF, определяется временем bend-деформации ДЧЖК.
Времена τLF и τHF пропорциональны вязкости γ1 и квадрату толщины d слоя и обратно пропорциональны анизотропии диэлектриче-
ской проницаемости и для ДЧЖК в соответ-
ствии с известной формулой определяются как
(а)
1 мс
(б)
2,5 мс
Рис. 1. Осциллограммы оптического отклика для ячеек с ДЧЖК, имеющих разные начальные углы наклона директора. а – 40°, б –75°.
72 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
( )τLF(HF)
=
4πγ1 Δε(fi )
d2 U2 −Ut2h
,
(1)
10
1
где U – эффективное напряжение, а Uth – пороговое напряжение электрооптического эф-
фекта.
При постоянной амплитуде приложенно-
го напряжения и одинаковой толщине слоя ДЧЖК, разница времен τLF и τHF у ячеек, наблюдаемая в эксперименте, может быть свя-
зана с разными порогами для splay- и bendэлектрооптических эффектов. Было замечено,
что у ячеек с квазигомеотропной структурой
ДЧЖК, начальный угол наклона директора в которых более 60°, порог электрооптического эффекта при bend-деформации был значительно выше, чем при splay-деформации [2]. Более высокое значение порога Uth должно приводить к уменьшению знаменателя дроби и увеличению времени τHF в соответствии с формулой (1). Порог электрооптических эффектов зависит от
коэффициентов упругости Франка для splayи bend-деформации (K11 и K33 соответственно) и диэлектрической анизотропии Δε и определяется как
Время, мс
2
1
40 50 60 70 80 р, град Рис. 2. Зависимости времени τHF (1) и τLF (2) от начального угла наклона директора ДЧЖК.
Uth, B
8 6
Uth = π
K11 (K33 ε0 ±Δε
)
.
4
(2)
2
Более высокое значение порога для bendдеформации может быть связано с тем, что
K33 >> K11 для ДЧЖК, а также с изменением Δε в зависимости от частоты электрического поля. Изменение значений Uth в зависимости от частоты колебаний напряжения, приложен-
ного к слою ДЧЖК, в интервале от 400 Гц до
50 кГц иллюстрирует рис. 3. Порог в этом экс-
2
1
0 1
10 f, кГц
Рис. 3. Зависимости порогового напряжения электрооптического эффекта для ДЧЖК от
частоты переменного синусоидального напря-
жения для ячеек с углами θp, равными 50° (1) и 65° (2).
перименте оценивали как напряжение, соот-
ветствующее изменению интенсивности све-
та, прошедшего через ячейку, на 10%. В об-
ласти частот от 20 до 50 кГц, когда Δε < 0 для сом bend-деформации слоя ДЧЖК. Поэтому
ДЧЖК, Uth больше, чем в интервале от 400 Гц до 10 кГц, когда Δε > 0 (рис. 3). Понижение
одним из путей повышения быстродействия ЖК-ячеек является уменьшение порога эф-
порога в два раза наблюдалось при уменьшении фекта Фредерикса для bend-деформации. По-
угла θp от 65° (кривая 1) до 50° (кривая 2) для bend-деформации ДЧЖК.
лученные результаты способствуют пониманию динамики переключения устройств на основе
Результаты изменения динамики процессов ДЧЖК в результате процессов упругой splay-
упругой splay- и bend-деформаций для случая и bend-деформаций, а также влиянию на них
наклонной ориентации ДЧЖК в зависимости начального угла наклона директора.
от начального угла наклона директора в ин-
Авторы благодарны Н.Л. Ивановой и
тервале от 40° до 75°, представленные в этой Л.П. Амосовой за техническую помощью в из-
работе, были получены впервые. Показано, готовлении ЖК-ячеек.
что время реакции независимо от начального
Работа выполнена при финансовой поддерж-
угла наклона директора и режима переклю- ке Федеральным агентством по науке и иннова-
чения определяется более медленным процес- циям в рамках ФЦП по ГК № 02.740.11.0390.
*****
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
73
ЛИТЕРАТУРА
1. Wu S. T. Phase Retardation Dependent Optical Response Time of Parallel-Aligned Liquid Crystals // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. Р. 1836–1838.
2. Nie X., Xianyu H., Lu R., Wu T.X. Pretilt Angle Effects on Liquid Crystal Response Time // J. of Display Technology. 2007. V. 3. № 3. P. 280–283.
3. 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.
4. Коншина Е.А., Федоров М.А., 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.
5. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 12. С. 9–13.
6. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Исследование динамических характеристик двухчастотного нематического жидкого кристалла с квазигомеотропной твист-структурой // Письма ЖТФ. 2010. Т. 36. В. 14. С. 1–6.
74 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНОГО УГЛА НАКЛОНА ДИРЕКТОРА ДВУХЧАСТОТНОГО ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА НА ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯЧЕЕК
© 2011 г. И. Ф. Галин; Е. А. Коншина, доктор физ.-мат. наук
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург
E-mail: ildar.f.galin@gmail.com
Исследованы ячейки, заполненные нематическим двухчастотным жидким кристаллом (ДЧЖК), в которых начальный угол наклона директора θp варьировался в интервале от 40° до 75° путем изменения рельефа поверхности ориентирующих сло-
ев. Впервые получены экспериментальные зависимости времени изменения фазовой задержки на 2π на длине волны 0,65 мкм от угла θp для продольной и поперечной деформации слоя ДЧЖК. Показано, что поперечная упругая деформация является
более медленным процессом по сравнению с продольной упругой деформацией. Вре-
мя “включения” или “выключения” ячеек в результате процесса продольной упругой
деформации при приложении поля с частотой 1 кГц занимало 1–2 мс, а для попереч-
ной деформации путем приложения электрического поля с частотой 30 кГц составля-
ло 3–9 мс.
Ключевые слова: двухчастотный жидкий кристалл, начальный угол наклона директора, пороговое напряжение, времена отклика и релаксации.
Коды OCIS: 160.3710, 230.3720.
Поступила в редакцию 16.12.2010.
Разработка современных устройств на основе жидких кристаллов (ЖК) требует теоретического и экспериментального изучения динамики процессов переориентации и релаксации молекул в электрическом поле. Одним из существенных факторов, влияющих на динамику процесса переориентации молекул в результате упругой деформации слоя ЖК, является величина начального угла наклона директора [1]. Количественные корреляции между начальным углом наклона и временем отклика были теоретически и экспериментально исследованы для случая вертикально ориентированного нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией в работе [2]. Нематический двухчастотный жидкий кристалл (ДЧЖК), представляющий собой смесь молекул с положительной и отрицательной диэлектрическими анизотропиями, позволяет с помощью электрического поля управлять не только откликом, но и процессом релаксации молекул.
В этой работе были исследованы электрооптические и динамические характеристики ячеек с наклонной ориентацией ДЧЖК для случаев продольной (splay) и поперечной
(bend) деформации и влияние на них вариации начального угла наклона директора.
Исследования проводились на плоскопараллельных ячейках, заполненных слоем ДЧЖК (ЖК-1001, НИОПИК, Москва), толщиной около 8,2 ± 0,3 мкм. Наклонную однородную ориентацию молекул ДЧЖК получали при использовании слоев двуокиси церия (CeO2) и моноокиси германия (GeO), имеющих текстурированную поверхность. Анизотропия рельефа поверхностей этих слоев, необходимая для создания однонаправленной ориентации ЖК, формировалась в результате осаждения материала на подложки, расположенные наклонно в вакуумной камере. Начальный угол наклона директора ЖК варьировали путем изменения угла наклона подложек относительно вертикальной оси, а также изменяя толщину ориентирующего слоя [3].
Измерения электрооптических и динамических характеристик ячеек проводили на длине волны 0,65 мкм на специальном стенде, описанном ранее в [4]. Исследуемую ячейку располагали между поляризатором и скрещенным с ним анализатором таким образом,
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
71
чтобы угол между вектором поляризации
падающего луча и направлением директора был равен 45°, что соответствует максимальному пропусканию света. Начальный угол наклона директора θp определяли с помощью расчетной зависимости фазовой задержки ΔΦ от угла наклона директора по значению ΔΦmax, которое находили экстраполяцией линейного участка зависимости ΔΦ (1/U) при 1/U → 0 [5]. Углы θp, полученные для случаев bend- и splayдеформации слоя ДЧЖК в ячейках, составляли в сумме 90° ± 2° и варьировались в интервале от 40° до 75°.
Переключение ячеек из исходного состоя-
ния “выключено” в состояние “включено”, а
затем обратно в состояние “выключено” осу-
ществлялось с помощью пакетов синусоидаль-
ных колебаний низкой частоты, равной 1 кГц,
или высокой частоты – 30 кГц. На ЖК-ячейки
подавалось напряжение амплитудой 60 В, а эф-
фективное напряжение, приложенное к слою ЖК, было в 2 раз меньше и составляло около 43 В. Если начальный угол наклона директора θp был менее 45°, то сначала осуществляли splay-деформацию полем с частотой 1 кГц, а релаксацию слоя ДЧЖК в результате bendдеформации – путем приложения поля с частотой 30 кГц. При угле θp более 45° для переориентации молекул использовали инвертированный режим, т. е. сначала осуществляли bend-, а затем splay-деформацию слоя ДЧЖК.
За время отклика и релаксации принима-
ли время, соответствующее изменению фазовой задержки света в ЖК-ячейке на 2π на длине волны 0,65 мкм. Времена splay-деформации τLF (LF – low frequency) и bend-деформации
τHF (HF – high frequency) определяли из осциллограмм по уровню 10% и 90% максималь-
ной интенсивности света, прошедшего через
ячейку. На рис. 1 приведены осциллограммы
электрооптического отклика, соответствующие фазовой задержке на 2π, для ЖК-ячеек с углами θp, равными 40° и 75°. Время τLF было меньше, чем τHF при последовательном переключении ячейки из состояний “выключено” → “включено” → “выключено” как путем splay-, а затем bend-деформации (рис. 1а), так и в инвертированном режиме (рис. 1б). Подоб-
ный эффект наблюдался для твист-эффекта
в ДЧЖК с квазигомеотропной структурой [6].
На рис. 2 показано изменение времени переключения τLF и времени τHF в зависимости от угла наклона θp ДЧЖК, который варьировали в интервале от 40° до 75°. При приложении к ДЧЖК-ячейкам напряжения с частотой 1 кГц
время отклика изменялось от 1 мс до 2 мс. При
приложении напряжения с частотой 30 кГц
время отклика было больше и изменялось от
3 до 9 мс с увеличением начального угла накло-
на директора ЖК относительно ориентирующей поверхности. Минимальные времена τLF и τHF, равные 1 и 4 мс (рис. 2), соответствовали начальному углу наклона директора ДЧЖК около 40°. Из зависимостей на рис. 2 следует, что время реакции исследованных ячеек, равное сумме времен τLF и τHF, определяется временем bend-деформации ДЧЖК.
Времена τLF и τHF пропорциональны вязкости γ1 и квадрату толщины d слоя и обратно пропорциональны анизотропии диэлектриче-
ской проницаемости и для ДЧЖК в соответ-
ствии с известной формулой определяются как
(а)
1 мс
(б)
2,5 мс
Рис. 1. Осциллограммы оптического отклика для ячеек с ДЧЖК, имеющих разные начальные углы наклона директора. а – 40°, б –75°.
72 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011
( )τLF(HF)
=
4πγ1 Δε(fi )
d2 U2 −Ut2h
,
(1)
10
1
где U – эффективное напряжение, а Uth – пороговое напряжение электрооптического эф-
фекта.
При постоянной амплитуде приложенно-
го напряжения и одинаковой толщине слоя ДЧЖК, разница времен τLF и τHF у ячеек, наблюдаемая в эксперименте, может быть свя-
зана с разными порогами для splay- и bendэлектрооптических эффектов. Было замечено,
что у ячеек с квазигомеотропной структурой
ДЧЖК, начальный угол наклона директора в которых более 60°, порог электрооптического эффекта при bend-деформации был значительно выше, чем при splay-деформации [2]. Более высокое значение порога Uth должно приводить к уменьшению знаменателя дроби и увеличению времени τHF в соответствии с формулой (1). Порог электрооптических эффектов зависит от
коэффициентов упругости Франка для splayи bend-деформации (K11 и K33 соответственно) и диэлектрической анизотропии Δε и определяется как
Время, мс
2
1
40 50 60 70 80 р, град Рис. 2. Зависимости времени τHF (1) и τLF (2) от начального угла наклона директора ДЧЖК.
Uth, B
8 6
Uth = π
K11 (K33 ε0 ±Δε
)
.
4
(2)
2
Более высокое значение порога для bendдеформации может быть связано с тем, что
K33 >> K11 для ДЧЖК, а также с изменением Δε в зависимости от частоты электрического поля. Изменение значений Uth в зависимости от частоты колебаний напряжения, приложен-
ного к слою ДЧЖК, в интервале от 400 Гц до
50 кГц иллюстрирует рис. 3. Порог в этом экс-
2
1
0 1
10 f, кГц
Рис. 3. Зависимости порогового напряжения электрооптического эффекта для ДЧЖК от
частоты переменного синусоидального напря-
жения для ячеек с углами θp, равными 50° (1) и 65° (2).
перименте оценивали как напряжение, соот-
ветствующее изменению интенсивности све-
та, прошедшего через ячейку, на 10%. В об-
ласти частот от 20 до 50 кГц, когда Δε < 0 для сом bend-деформации слоя ДЧЖК. Поэтому
ДЧЖК, Uth больше, чем в интервале от 400 Гц до 10 кГц, когда Δε > 0 (рис. 3). Понижение
одним из путей повышения быстродействия ЖК-ячеек является уменьшение порога эф-
порога в два раза наблюдалось при уменьшении фекта Фредерикса для bend-деформации. По-
угла θp от 65° (кривая 1) до 50° (кривая 2) для bend-деформации ДЧЖК.
лученные результаты способствуют пониманию динамики переключения устройств на основе
Результаты изменения динамики процессов ДЧЖК в результате процессов упругой splay-
упругой splay- и bend-деформаций для случая и bend-деформаций, а также влиянию на них
наклонной ориентации ДЧЖК в зависимости начального угла наклона директора.
от начального угла наклона директора в ин-
Авторы благодарны Н.Л. Ивановой и
тервале от 40° до 75°, представленные в этой Л.П. Амосовой за техническую помощью в из-
работе, были получены впервые. Показано, готовлении ЖК-ячеек.
что время реакции независимо от начального
Работа выполнена при финансовой поддерж-
угла наклона директора и режима переклю- ке Федеральным агентством по науке и иннова-
чения определяется более медленным процес- циям в рамках ФЦП по ГК № 02.740.11.0390.
*****
“Оптический журнал”, 78, 6, 2011
73
ЛИТЕРАТУРА
1. Wu S. T. Phase Retardation Dependent Optical Response Time of Parallel-Aligned Liquid Crystals // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. Р. 1836–1838.
2. Nie X., Xianyu H., Lu R., Wu T.X. Pretilt Angle Effects on Liquid Crystal Response Time // J. of Display Technology. 2007. V. 3. № 3. P. 280–283.
3. 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.
4. Коншина Е.А., Федоров М.А., 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.
5. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Определение угла наклона директора и фазовой задержки жидкокристаллических ячеек оптическими методами // Оптический журнал. 2006. Т. 73. № 12. С. 9–13.
6. Коншина Е.А., Федоров М.А., Амосова Л.П. Исследование динамических характеристик двухчастотного нематического жидкого кристалла с квазигомеотропной твист-структурой // Письма ЖТФ. 2010. Т. 36. В. 14. С. 1–6.
74 “Оптический журнал”, 78, 6, 2011