Моделирование электрооптических эффектов в жидких кристаллах Симоненко, Георгий Валентинович

Введение к работе

Актуальность темы. Интенсивное развитие изучения и использо >ания в технике электрооптических эффектов в жидких кристаллах Ж) началось в конце 60-х годов, когда появились широкие перспе-стивы применения этих эффектов в системах отображения информации і обработки информации. Такое положение дел было обусловлено важ-ієйшими достоинствами Ж- вещества, используемого для визуализа-ши и модуляции светового излучения, к которым относятся низкие оправлявшие напряжения и потребляемая мощность, высокий контраст іежау включенным и выключенным состояниями, возможность управле-іия электрооптическими характеристиками эффектов, относительно }Ысокое быстродействие, однородность изменения оптических ;войств, простота реализации требуемых характеристик и большой зесурс работы. Среди электрооптических эффектов хорошо известны и гашли широкое применение в системах отображения информации на Ж эффект управляемого двулучепреломления в различных структурах Ж, 'вист- эффект , эффект "гость- хозяин" в смесях Ж с дихроичным срасителем и т.д.. При расширении областей применения Ж в разлитых системах отображения информации стало очевидным, что достичь сколько- нибудь значительного прогресса в направлении практического применения электрооптических эффектов в ЯК невозможно' без теоретического анализа .физических причин их возникновения, выде-тения наиболее значимых связей и параметров Ж и эксперимента, от которых зависит та или иная "рабочая" характеристика эффекта. При этом современный уровень исследования в области электрооптики Ж требует не только физического осмысления и качественного описания наблюдаемых эффектов, но и построения наиболее адекватных эксперименту количественных моделей, анализируя которые с помощью ЭВМ, «эжно было бы указать геометрию опыта и параметры Ж. обеспечива-ощие требуемые на практике электрооптические характеристики. Тэтой анализ является залогом успешной целенаправленой работы больного числа как специалистов в области Ж- материалов, так и специалистов в области электронного обеспечения и технологии электрооптических устройств с использованием Ж.

В связи со сказанным выше нам представляется, что актуальной является задача теоретического исследования характеристик электрооптических эффектов в Ж, включая разработку соответствующих моделей и математических методов для их количественного описания

с целью выявления особенностей их протекания и связи с физическими параметрами Ж и геометрией структуры Ж, а также возможностей получения требуемых на практике "рабочих" характеристик соответствующих электрооптических устройств отображения информации. Кроме этого, при проектировании и изготовлении Ж- устройств отображения информации кроме технологических трудностей возникает существенные проблемы, связанные со сложной картиной распространения света в Ж и большим количеством физических и конструктивных параметров, оказывающих большое влияние на электрооптические и оптические характеристики Ж- устройства, что в свою очередь требует разработки специальных прикладных программных средств для моделирования и оптимизации электрооптических и оптических характеристик этих сложных систем. Отметим, что в связи с предполагаемым использованием программного обеспечения в проектировании реальных систем отображения информации при их промышленном производстве необходимо, чтобы это программное обеспечение обладало существенными свойствами: высоким бьстродействием, простотой в использовании и количественным соответствием между расчетными и экспериментальными данными.

Целью работы является: 1) разработка модели и метода расчета для количественного описания статических упругих деформаций, возникающих в Ж под воздействием электрического поля при различных граничных условиях; - 2D разработка модели и эффективного быстродействующего метода для количественного описания оптических характеристик электрооптических эффектов в Ж;

3D разработка системы компьютерного и отдельных программных модулей для моделирования электрооптических и оптических характеристик электрооптических эффектов в Ж;

4D исследование оптических и электрооптических характеристик эффекта "гость- хозяин" и установление связей между физическими параметрами Ж, конструктивными параметрами Ж- ячейки и оптическими и электрооптическими характеристиками этого эффекта в Ж-ячей-ках;

5D исследование электрооптических, оптических и динамических характеристик эффекта управляемого полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах Ж и установления их взаимосвязей с

физическими параметрами ЖК и конструкционными параметрами ЯК-ячейки.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем.

1. Разработан и программно реализован быстродействующий и /стойчивый к заданию начального приближения метод расчета одноме эного распределения углов ориентации директора Ж в электрическом толе при произвольных граничных условиях.

2. Рассмотрена наиболее полная модель ЖК- ячейки, учитываю-цая ее реальную конструкцию, которая позволила обеспечить хорошее количественное согласие между вычисленными и измеренными характеристиками электрооптических эффектов в Ж. Разработан и программно реализован точный и быстродействующий единый метод расчета распространения света через Ж- ячейку для различных электроопти--іеских эффетов в Ж.

3. Разработан универсальный программный комплекс "ЭЛЕКТРООП-ГИКА-М" для моделирования характеристик электрооптических эффектов в Ж и Ж- устройств отображения информации, который по широте решаемых задач не имеет мирового аналога. Проведенное сравнение рассчитанных с помощью комплексапрограмм "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" л измеренных электрооптических и оптических характеристик различных эффектов в IK- ячейках показало их хорошее количественное согласие.

4. Установлено, что физические параметры Ж, приводящие к увеличению крутизны вольт- контрастной кривой эффекта двулучепре-помления в сверхзакрученных структурах ЖК, приводят одновременно к увеличению времен реакции и релаксации этого эффекта.. Исключением из этого правила является толщина Ж- слоя, уменьшение которой одновременно увеличивает крутизну вольт- контрастной кривой эффекта и уменьшает времена срабатывания.

5. По результатам компьютерного моделирования характеристик эффекта двулучепреломления в сверхзакрученных структурах Ж предложены две новые конструкции ЖК- устройств отображения информации сверхвысокого разрешения и высокой информационной емкости имеющие улучшенные оптические характеристики.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в том. что разработанные математические методы и ком-

плекс программ для моделирования и оптимизации электрооптических и оптических характеристик электрооптических эффектов в ЖК используются при конструировании и проектировании ЖК- устройств отображения информации и при производстве ЖК- материалов.

Разработанный комплекс программ позволяет найти оптимальные конструктивней решения для ЖК- устройств, работающих на основе твист- эффекта и эффекта двойного лучепреломления в сверхзакруче-нных структурах ЖК. При помощи разработанного комплекса программ найдены инженерные решения для реализации высокоинформативных С с числом элементов изображения более 640x200) черно- белых ЖК-экранов с фазовыми компенсаторами.

Разработанные вычислительные методы и комплекс программ могут быть использованы при синтезировании новых ЖК- веществ с заданными физическими параметрами, необходимыми для реализации оптимальных характеристик электрооптичеких эффектов и ЖК- устройств отображения информации.

На защиту выносятся следующие положения:

6. Общий метод расчета одномерного распределения углов ориентации директора ЖК в электрическом поле, пригодный для различного типа граничных условий молекул Ж на ориентирующих поверхностях в ІК-ячейке.

7. Единая методика расчета оптического светопропуекания ЖК- ячеек, пригодная для различных электрооптических эффектов в ЖК, основанная на комплексных матрицах когерентности и Джонса". Разработанная простая численная методика расчета светопропускания имеет ту же точность расчета, что и более общий матричный метод Берре-мана, но является более быстродействующей и не требует специальных вычислительных процедур и физических ограничений для избавления от эффекта "интерферометра Фабри- Перо" в слое ЖК.

8. Универсальный комплекс прикладных программ для моделирования и оптимизации характеристик электрооптических эффектов в ЖК и ЖК-устройств отображения информации, который не имеет мирового аналога по кругу решаемых вопросов и обладает высоким быстродействием, которое обеспечивает решение оптимизационных задач в реальном масштабе времени.

9. Лля эффекта управляемого электрическим полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах ЖК зависимость' времени релакса-

ции от управляющего напряжения имеет монотонный убывающий характер и время реакции т a 1/CU" - Uⁿ 3 CUⁿ ,Uⁿ ' -управля-

^{r r г} р вкл выкл вкл выкл ^{J г}

ющие напряжения для состояний включено и выключено; п 2D, при этом для выбора управляющих напряжений с точки зрения уменьшения времени реакции можно использовать аналитическую формулу, полученную в приближении малых деформаций ЖК Cn = 23. 3. Физические параметры Ж- вещества, изменение которых увеличивает крутизну вольт- контрастной кривой эффекта управляемого электрическим полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах Ж. одновременно увеличиваюг'времена реакции и релаксации этого эффекта. Исключением из этого правила является только один пара метр - отношение толщины слоя Ж к шагу спирали Ж, уменьшение которого в пределах одной зоны Гранжана приводит к увеличению крутизны вольт- контрастной кривой и уменьшению за счет толщины Ж- ячейки времени реакции.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 3- ем Всесоюзном семинаре "Оптические свойства жидких кристаллов и их применение" СМосква, 1983 г.), Всесоюзном совещании "Электрооптика границы раздела жидкий кристалл - твердое тело" СМосква, 1983 г.З, S- ой. Всесоюзной конференции. "Жидкие кристаллы и их практичекое использование" СИваново, 1985 г.З, Всесоюзном семинаре "Оптика жидких кристаллов" СМосква, 1987 г.З, 3- ой Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование" СЧернигов, 1988 г.З, Всесоюзном семинаре "Оптика-жидких кристаллов" СКрасноярск. 1989 г.). международной конференции "Summer European Liquid Crystal" CVilnius, 1991 г.), международном семинаре "2. Berliner Optiktage" CBerlin, 1991 г.З, на международной' конференции "The 14th International Liquid Crystal Conference" С Italy, 1992 г.), на международной конференции European Conference, on Liquid Crystal Science and Technology C1993, Flims, Swizerland3, на международной конференции EURODISPLAY' 93 CFrance, 1993 г.З, международной конференции " The ISth International Liquid Crystal Conference" CHungary. Budapest, 1994 г.), на международной коференции International School Advanced Displays Technologies CLviv, Ukrain, 1994 г.З, на международной конференции "Fotonics Vest 95" CSan Jose, USA, 199S г.З