CC BY
56
Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Е С И С Т Е М Ы E L E С Т R O N I C S Y S T E M S
УДК 621.396:535.8
ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ МОДУЛИРУЮЩИХ СТРУКТУР НА ТВИСТ-ЭФФЕКТЕ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
Кандидаты физ.-мат. наук, доценты РАЗВИНЮ. В., ПОТАЧИЦВ. А.
Белорусский национальный технический университет E-mail: vpotachits@mail.ru
ELECTROOPTICAL CHARACTERISTICS OF SPACE-INTEGRATED MODULATING STRUCTURES ON TWIST EFFECT IN LIQUID CRYSTALS RAZVIN Yu. V., POTACHITS V. A.
Belarusian National Technical University
Показано, что процесс переключения твистового ЖК-пикселя может быть связан не только с переориентацией молекул жидкого кристалла в управляющем электрическом поле, но также с эффектом сжатия ЖК-спирали к центральной по толщине слоя области. При этом почти на три порядка уменьшается время полного переключения ЖК-пикселя.
Ключевые слова: электрооптика, твист-эффект, жидкие кристаллы, деформация.
Ил. 3. Библиогр.: 5 назв.
The paper demonstrates that the process of twist LC-pixel switching can be associated not only with a reorientation of liquid crystal molecules in the controlling electric field, but also with the effect of compression of the LC-spiral to the central area through layer thickness. In this case the time of LC-pixel total switching is decreased by almost three orders.
Keywords: electro-optics, twist effect, liquid crystals, deformation.
Fig. 3. Ref.: 5 titles.
Введение. Разработка устройств многоканальной электрооптической модуляции света позволяет решить одну из основных проблем создания оптических вычислительных систем -преобразование одномерных массивов информации в двумерные. На основе жидкокристаллических (ЖК) дисплеев можно создать эффективные системы ввода (вывода) информации в оптический канал, элементы специализированных оптических процессоров и другие функциональные устройства оптической обработки информации. Многоканальные ЖК-дисплеи могут быть также применены при разработке и исследовании различных имитационных моделей оптических вычислителей, вычислительных нейронных сетей [1]. Эффективная работа таких дисплеев возможна при использовании управляющих импульсов малой длительности
Наука итехника, № 3, 2014
и большой амплитуды. В составе пространственно-интегрированной структуры при таком возбуждении в световых клапанах возникает ряд физических явлений, существенным образом изменяющих процессы их переключения по сравнению с известными закономерностями переключения сплошной ЖК-ячейки [2]. Прозрачно-проводящие электроды дисплеев выполняются в виде прямоугольного растра с малыми размерами строк и столбцов, на пересечении которых находятся управляющие элементы изображения (пиксели). Наличие пространственно-интегрированных структур, выступающих над поверхностью подложек, приводит к возникновению на краях пикселей начальных азимутальных отклонений в планарной ориентации ЖК-слоя от (+©) на одном краю до (-©) на другом, которые за счет упругих сил распро-
страняются по всему ЖК-слою [3]. Возникающие начальные отклонения в планарной ориентации жидкокристаллического слоя схематично представлены на рис. 1. Если толщина слоя жидкого кристалла соизмерима с размерами элементов изображения, то приэлектродные слои подвергаются продольному изгибу, что существенным образом изменяет электрооптические характеристики микрообъемов ЖК-струк-тур по сравнению с обычными сплошными жидкокристаллическими структурами.
Рис. 1. Начальные отклонения в планарной ориентации в закрученного жидкокристаллического слоя
В работе рассматривается возникновение неравномерного по толщине слоя кручения молекул жидких кристаллов в импульсном управляющем поле. Показано, что в этом случае происходят сжатие ЖК-спирали к центральной по толщине слоя области пикселя и модуляция проходящего излучения. Данный эффект приводит к значительному уменьшению времени релаксации ЖК-слоя. Так, для толщины ЖК-слоя 10 мкм получено время переключения твистового пикселя ~0,1 мс.
Методика эксперимента. Исследования проводили на экспериментальных образцах матричных ЖК-дисплеев с различной шириной (20-500 мкм) и толщиной (0,05-0,10 мкм) прозрачных проводящих (1п203 + 8п02) электродов. В качестве жидкого кристалла использовали ЖК-смеси на основе толанов с низкочастотной инверсией знака диэлектрической анизотропии (частота инверсии составляла 20 кГц). Диэлектрическая анизотропия (разность статических диэлектрических проницаемостей, измеренных вдоль и поперек направления ориентации молекул жидких кристаллов) изменялась от +1,0 до -1,5, толщина ЖК-слоя ё - от 5,0 до 20,0 мкм, оптическая анизотропия Ап (разность показателей преломления, измеренных вдоль и поперек направления ориентации молекул жидких кристаллов) составляла 0,21. Началь-
ную планарную ориентацию молекул жидких кристаллов задавали пленками поливинилового спирта, нанесенными на стеклянные подложки модуляторов, создавали Г-ориентацию жидких кристаллов. Использовали гелий-неоновый лазер с длиной волны излучения X = 0,63 мкм. Модуляцию излучения осуществляли по ос-циллографической методике.
Теоретическое описание. Рассмотрим процесс создания Г-ориентации молекул кристалла при наличии начальных отклонений в ориентации ЖК-слоя. Пусть ©(у) - угол отклонения молекул жидких кристаллов от планарно-го распределения в азимутальной плоскости. Тогда компоненты директора (направление ориентации) закрученной в плоскости подложки на угол ¥(z) структуры можно представить в виде:
nx = cos ©(у )cos ¥ (z); пу = cos ©( y)sin ¥ (z); nz = sin ©( у).
Ось OZ направлена по толщине ЖК-слоя, начальная планарная ориентация молекул жидких кристаллов - вдоль оси OY, расположенной перпендикулярно направлению электродов модулятора.
Процесс распределения молекул жидкого кристалла в микрообъеме ЖК-слоя будем рассматривать исходя из уравнения Франка для плотности свободной энергии в одноконстант-ном приближении [4]. Подстановка компонент директора в это уравнение дает выражение при © и ¥ << 1
F = \k)( д© + с¥Л
ду dz
где k - индекс Франка, после минимизации которого имеем
д© + д¥ ду dz
= const.
(1)
Анализ последнего уравнения показывает, что если © = const по всей толщине слоя жидкого кристалла (планарная или наклонная ориентация), либо отношение д®/ду незначительно, то оптимальное состояние нематика - это однородное кручение, т. е. в слое жидкого кристалла возникает обычная равномерно закрученная твистовая структура d¥/dz = const, при
Наука итехника, № 3, 2014
z
Е1есготе Systems
этом расстояние между закрученными слоями одинаково [4]. Если величина д®/ду возрастает, то из условия (1) следует, что d^/dz уменьшается, т. е. происходит раскручивание твистовой структуры. Это связано с тем, что невозможно равномерно закрутить ЖК-слои так, чтобы расстояние между ними было неодинаковым. При импульсном управлении ЖК-пикселями д®/ду максимально в приэлектродных областях, где локализованы начальные отклонения в ориентации молекул жидкого кристалла, тогда дx¥/дz в этих областях уменьшается. В центральной области величина д®/ду незначительна, так как там встречаются два противоположных искажения обеих приэлектродных областей, и отношение дx¥/дz будет максимально. Таким образом, при импульсном управлении ЖК-пикселями наблюдается, в той или иной степени, сжатие ЖК-спирали к центральной по толщине слоя кристалла области. Очевидно, что большое значение д®/ду можно создать только при больших амплитудах и малой длительности управляющих импульсов электрического поля, при которых еще не успеет произойти переориентация молекул кристалла, или при небольших размерах ЖК-пикселя.
Результаты испытаний и их обсуждение. Как показали экспериментальные исследования, если амплитуда управляющих импульсов небольшая (~30-60 B), а длительность более ~2 мс, происходит переориентация молекул, небольшой градиент д®/ду в распределении угла © по ширине пикселя приведет к незначительной раскрутке ЖК-спирали в тонких при-электродных областях. Центральные по толщине слоя, менее связанные с подложками молекулы жидких кристаллов встраиваются во внешнем поле перпендикулярно подложкам, для них кручение молекул кристалла отсутствует. Осциллограммы интенсивности излучения, прошедшего через световой пиксель, иллюстрирующие данный режим управления, представлены на рис. 2а-д. Толщина ЖК-слоя -10 мкм, ширина электродов - 50 мкм. Развертка рис. 2а-в - 0,5 мс/см; рис. 2а'-в' - 0,05 мс/см; рис. 2г, д - 25 мс/см; рис. 2г' - 1 мс/см. Поляризатор параллелен анализатору и совпадает с направлением ориентации молекул жидкого кристалла на входной подложке. Сравнивая осциллограммы рис. 2б, в, можно установить, что отсечка режима Могена для ЖК-пикселя наступает тогда, когда после переориентации
Наука итехника, № 3, 2014
молекул жидких кристаллов во внешнем поле оптическая анизотропия слоя уменьшится на такую величину, что произойдет три полных осцилляции циркулярно поляризованного света. Так как, согласно [2], число осцилляций определяется как АпШХ, то в данном случае Ап уменьшится до 0,19. Время релаксации пикселя в исходное состояние составляет в этом случае ~200 мс и полностью определяется толщиной и вязкоупругими свойствами жидких кристаллов. Наблюдается обычный режим переключения [2]. При релаксации ЖК-пикселя в исходное состояние на заднем фронте светового отклика наблюдаются колебания интенсивности. Проведенные авторами сравнения и анализ релаксации пикселя для случая, когда плоскость поляризации проходящего излучения параллельна или расположена под углом к направлению ориентации молекул жидких кристаллов на входной поверхности пикселя, показали, что наблюдаемые колебания связаны с фазовой модуляцией света, происходящей на начальной стадии релаксации жидких кристаллов в при-электродных областях, что хорошо просматривается на осциллограммах рис. 2г, д.
При использовании коротких управляющих импульсов амплитудой более ~100 В ситуация меняется: молекулы жидкого кристалла не успевают полностью переориентироваться, только увеличивается угол отклонения молекул жидкого кристалла на краях пикселя. Из-за сильного градиента д®/ду в отклонении угла © происходит раскрутка ЖК-структуры в протяженных приэлектродных областях и сжатие ее в тонком центральном слое. Как видно из осциллограммы на рис. 2в', включение пикселя случается до отсечки режима Могена (происходит только одна осцилляция циркулярно поляризованного света, в этом случае оптическая анизотропия уменьшается лишь на 0,063), что связано с резким уменьшением толщины закрученной твистовой структуры. После выключения поля сжатая ЖК-структура увеличивает свою толщину и задний фронт переключения пикселя полностью совпадает, как видно из рис. 3, с ходом кривой, описывающей зависимость пропускания твистовой структуры от толщины ЖК-слоя. Время полного переключения в этом случае составляет ~0,1 мс, т. е. уменьшается по сравнению с обычным случаем почти на три порядка [5].
Рис. 2. Осциллограмма переключения световых ЖК-пикселей при различных амплитудах управляющего импульса: а-д - 50 В; а'-г' - 130 В; а, а' - управляющие
импульсы; б, б', г, г' - соответственно передний и задний фронты импульса переключения ЖК-пикселя; в, в' - передний фронт; д - задний фронт отклика светового пикселя, повернутого на угол 45° вокруг нормали к вектору поляризации луча
100 0
0
80 0
□
0
60 0
о
40 ф
О
20 О
-Д,
2 4 6 8 10 Толщина ЖК-слоя, мкм
Рис. 3. Зависимость пропускания твистовой структуры от толщины ЖК-слоя и осциллограмма релаксации сжатой ЖК-структуры: развертка - 1 мс/см; толщина ЖК-слоя - 10 мкм; ширина электрода - 50 мкм
В Ы В О Д
Электрооптика твист-эффекта в жидких кристаллах, включающая в себя известные
B- и Г-деформации, возникающие при переориентации молекул жидких кристаллов, может состоять при большом градиенте в распределении угла © по ширине ЖК-пикселя практически из чистой Г-деформации слоя кристалла. При этом для твист-эффекта получено рекордное время переключения пикселя, равное ~0,1 мс для толщины ЖК-слоя в 10 мкм.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Морозов, В. Н. Оптоэлектронные матричные процессоры / В. Н. Морозов. - М., 1986. - 113 с.
2. Блинов, Л. М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов / Л. М. Блинов. - М.: Наука, 1978. - 384 с.
3. Ковалев, А. А. Структурные искажения в матричных управляемых транспарантах на жидких кристаллах / А. А. Ковалев, Ю. В. Развин, В. А. Потачиц // Известия АН БССР. Сер. физ.-мат. наук. - 1986. - № 1. -С. 96-98.
4. Де Жен, П. Физика жидких кристаллов / П. де Жен. -М., 1977. - 167 с.
5. Развин, Ю. В. Эффект сжатия твистовой ЖК-струк-туры в импульсном электрическом поле / Ю. В. Развин, В. А. Потачиц // Наука - образованию, производству, экономике: материалы докладов 7-й Междунар. науч.-техн. конф. - Минск, 2009. - Т. 2. - С. 375.
R E F E R E N C E S
1. Morozov, V. N. (1986) Opto-Electronic Matrix Processors. Moscow.
2. Blinov, L. M. (1978) Electro- and Magnito-Optics of Liquid Crystals. Moscow: Nauka [Science].
3. Kovalev, A. A., Razvin, Yu. V., & Potachits, V. A. (1986) Structural Distortions in Matrix Spatial Light Liquid Crystal Modulators. Izvestiya Natsionalnoy Aka-demii Nauk BSSR, Ser. Fiziko-Matematicheskih Nauk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Ser. Physical and Mathematical Sciences], 1, 96-98.
4. Gennes, P. (1977) Physics of Liquid Crystals. Moscow.
5. Razvin, Yu. V., & Potachits, V. A. (2009) Science for Education, Industry, Economics: Proceedings of the 7th International Scientific and Technical Conference. Science for Education, Industry, Economics: Proceedings of the 7th International Scientific and Technical Conference, 2, 375.
Поступила 04.07.2012
Наука итехника, № 3, 2014
