Содержание к диссертации
Введение
1. Жидкокристаллические ячейки с мультидоменными структурами (Аналитический обзор) 9
1.1. Основные способы ориентации молекул НЖК на подложках 9
1.2. Электрооптические свойства НЖК .* 25
1.3. Применение мультидоменных ЖК-ячеек в оптических приборах 27
Выводы к разделу 1 38
2. Особенности технологии изготовления мультидоменных жк-ячеек 40
2.1.Физическая модель процесса формирования мультидоменных ЖК- ячеек с использованием ПАВ 40
2.2.Метод изготовления мультидоменных ячеек 46
2.3. Основные дефекты структуры, возникающие при изготовлении мультидоменных ЖК-ячеек... 56
Выводы к разделу 2 62
3. Результаты исследований электрооптических свойств мультидоменных жк-ячеек 64
3.1.Методика проведения экспериментов 64
3.2. Исследование электрооптических свойств мультидоменных ЖК- структур в однородном электрическом поле 66
3.3.Исследование мультидоменных ЖК-ячеек, находящихся в режиме электрогидродинамической неустойчивости 77
3.4.Оценка погрешностей результатов измерений распределения относительной фазовой задержки... 80
Выводы к разделу 3 82
4. Расчет деформации директора нематика вблизи границы доменов 84
4.1.Метод расчета деформации директора нематика вблизи границы доменов 85
4.2. Расчет относительной фазовой задержки в мультидоменной структуре, помещенной в однородное электрическое поле 92
Выводы к разделу 4 99
5. Использование мультидоменных структур в оптических устройствах 101
5.1. Топологические особенности формирования мультидоменных структур в ЖК-ячейках101
5.2.Применение мультидоменных структур в устройствах отображения оптической информации 102
5.3.Использование мультидоменных структур в ЖК-микролинзах 109
5.3.1. Использование мультидоменных структур в ЖК-микролинзах с гомеотропной ориентацией 111
5.3.2. Использование мультидоменных структур в ЖК-микролинзах с планарной ориентацией 115
5.4.Применение мультидоменных структур в управляемых фазовых пластинках Френеля 125
Выводы к разделу 5 129
Заключение 131
Список использованных источников
- Применение мультидоменных ЖК-ячеек в оптических приборах
- Основные дефекты структуры, возникающие при изготовлении мультидоменных ЖК-ячеек...
- Исследование электрооптических свойств мультидоменных ЖК- структур в однородном электрическом поле
- Расчет относительной фазовой задержки в мультидоменной структуре, помещенной в однородное электрическое поле
Применение мультидоменных ЖК-ячеек в оптических приборах
В настоящее время в основе практически всех применяемых ЖК-ячеек лежит однородно ориентированный жидкий кристалл. Конструктивно ЖК-ячейка с однородной начальной ориентацией молекул ЖК [32, 33] представляет собой в соответствии с рисунком 7 плоскую систему типа «сэндвич». Она состоит из стеклянных пластин 2 и 9, на которые нанесены токопроводящие покрытия 3 и 8 в виде заданного рисунка. Конструктивно электроды выполняются таким образом, чтобы получить заданную конфигурацию электрического поля. На подложки наносятся ориентирующие слои 4 и 7. По периметру подложки ЖК-ячейки герметизируются с заданным зазором герметиком 5. В торце оставляется щель для введения в межэлектродный зазор рабочего ЖК-материала 6. На внешней стороне электродной платы располагается поляризатор, а на противоположной стороне — анализатор. Если ЖК-ячейка предназначена для работы в отраженном свете, то после анализатора расположен отражатель.
В отсутствии управляющего напряжения ориентация ЖК в ячейке является гомогенной и невозмущенной. При подаче управляющего напряжения на электроды создается электрическое поле, которое переориентирует молекулы ЖК. При этом локально нарушается однородная ориентация молекул в ячейке. После снятия управляющего напряжения ЖК восстанавливает однородную исходную ориентацию.
Наиболее широкое распространение получили буквенно-цифровые индикаторы (БЦИ). Конструктивно различают три разновидности БЦИ: сегментную, где изображение получают из отдельных сегментов; пакетную, где изображение создается за счет рисунка электрода в виде заданного знака; матрично-точечную, где изображение синтезируется из отдельных точек. В ЖК-дисплеях применяют матрично-точечную адресацию.
В настоящее время практически 70% производимых ЖК-дисплеев в мире создано на базе TN-технологии (Twist Nematic — твист нематик) [34]. В этой технологии используется режим закрутки нематика на 90, представленный на рисунке 8. Электрическое поле создается адресными электродами и направлено перпендикулярно подложкам.
Обычно поляризаторы устанавливаются в скрещенном положении, обеспечивая в отсутствии управляющего напряжения (выключенное состояние) прохождение света. Белый свет, пройдя через первый поляризатор становится линейно поляризованным. Поскольку твист-структура обладает оптической активностью, то при нормальном падении света на выходе ЖК-слоя направление поляризации будет совпадать с направлением пропускания анализатора. Эта ситуация обеспечивает засветку пикселя. Оптическая активность ЖК-слоя сохраняется и в случае наклонного падения света.
При подаче управляющего напряжения (включенное состояние) нарушается твист ориентация, и жидкий кристалл становится средой с одноосным двулучепреломлением. Оптическая ось ЖК-слоя будет перпендикулярна подложкам. В этом случае при нормальном падении света пиксель будет находиться в затемненном состоянии. Если на дисплей подает свет под некоторым углом к нормали, то пиксель будет находиться в не полностью затемненном состоянии. Это произойдет потому, что часть света пройдет из-за явления двойного лучепреломления. Для обеспечения градаций серого на адресные электроды подается напряжение, при котором оптическая активность ЖК-слоя существует вместе с двойным лучепреломлением (рисунок 86). Двойное лучепреломление становится преобладающим с увеличением управляющего напряжения. Если рассмотреть три различных направления распространения света А,В,С, то в направлении А доля двойного лучепреломления будет самой высокой. Уровень контраста и яркости изображения так же зависит от угла наблюдения.
Основным недостатком ЖК-дисплеев с однородной начальной ориентацией является малый угол обзора и неравномерная диаграмма направленности. Одним из методов борьбы с этим явлением может быть применение мультидоменных структур. Мультидоменный метод позволяет отделить ориентацией пиксели от фона или в каждом пикселе создать два и более домена с различным ориентационным состоянием. Например, в работе [35] предложен аморфный метод создания TN-дисплея с мультидоменном, используя подложку без натирания. В этом методе операция натирания для стандартной TN-технологии была исключена. Длинные оси молекул ЖК ориентировались параллельно подложкам, но хаотично. Это приводит к тому, что каждый пиксель самопроизвольно разбивается на ряд доменов. Поскольку в такой конфигурации есть вероятность образования доменов с твист ориентацией, то в выключенном состоянии будет наблюдаться засветка пикселя. При подаче управляющего напряжения длинные оси молекул выстраиваются вдоль поля, ЖК-слой теряет свою оптическую активность, и пиксель находится в затемненном состоянии.
Основные дефекты структуры, возникающие при изготовлении мультидоменных ЖК-ячеек...
Проведены исследования, направленные создание в рамках предложенной модели, методов совмещения технологии формирования на одной подложке областей с планарной и гомеотропной ориентации.
В качестве ЖК-материалов использовались ЖКМ-1282, ЖКМ-1289, 5ЦБ, ЖКМ-999, ЖКМ-439, ЖКМ-440, Н-8. В качестве поверхности, ориентирующей молекулы нематика гомеотропно выбрана поверхность стеклянной подложки. В качестве поверхности, ориентирующей молекулы ЖК планарно выбрана поверхность полиимидной пленки. Пленка получена с использованием ПАК-лака на основе полипиромеллитамидокислоты. Перечень компонентов, необходимых для синтеза ПАК-лака приведен в таблице АЛ приложения А.
Формирование подложек, содержащих участки поверхности стекла и полиимидной пленки проводилось в три этапа: 1) нанесение на стеклянную подложку ПАК-лака в виде полосы шириной примерно 1 см с последующей сушкой в центрифуге. Обороты регулируются в зависимости от вязкости ПАК-лака и требуемой толщины высушенной пленки. 2) имидизация полиимидной пленки осуществлялся при температуре 270С в течении 5 часов. 3) натирание поверхности подложки производилось капроновой тканью.
Оценка качества ориентации ЖК проводилась визуально в скрещенных поляризаторах при помощи поляризационного микроскопа [40]. Для области с планарной ориентацией молекул ЖК при полном повороте столика микроскопа происходит погасание изображения четыре раза. Для гомеотропной ориентации молекул ЖК на подложке изображение будет полностью погашено не зависимо от положения столика.
При использовании «чистых» ЖК (без добавки ПАВ) получить мультидоменные структуры не удалось. Основная причина этого состоит в том, что процесс формирования анизотропных ориентирующих свойств подложки в областях с планарной ориентацией повлиял на области, где должна была формироваться гомеотропная ориентация молекул ЖК. Это связано с тем, что в результате натирания подложки увеличивается энергия связи молекул ЖК с подложкой в области стекла, что это приводит к возникновению там планарной ориентации нематика.
Решить возникшее противоречие позволило применение поверхностно-активных веществ. При адсорбции добавленного в ЖК ПАВ может изменяться энергия взаимодействия молекул ЖК с молекулами подложки в сторону уменьшения [41]. С их помощью можно скомпенсировать увеличение поверхностной энергии для ряда материалов подложек, возникшей вследствие процесса натирания.
Исследовано влияние ПАВ на процесс формирования областей с планарной и гомеотропной ориентации молекул нематика. В качестве ПАВ были выбран соевый лецитин, произведенный фирмой ICN Biomedicals Inc. Лецитин практически не растворим в ЖК. Поэтому для получения смеси ЖК-лецитин необходимо предварительно растворить лецитин в летучем растворителе (толуол, ацетон, спирт), а затем, смешав его с ЖК выпарить растворитель. Для приготовления раствора лецитина выбран следующий состав компонентов: 100 мг лецитина, 100 мл толуола.
Концентрация лецитина после завершения процесса выпаривания толуола подбиралась индивидуально для каждого ЖК и лежала в диапазоне от 0,1% до 0,5%. Контроль над процессом выпаривания проводился по температуре просветления, которая зависит от концентрации растворителя в смеси. С уменьшением концентрации растворителя происходит увеличение температуры просветления вплоть до табличного значения для используемого «чистого» ЖК.
Наилучшая планарная ориентация была получена на натертой полиимидной пленке для следующих смесей ЖК с лецитином: ЖКМ-1282, ЖКМ-1289, 5ЦБ, Н-8. Хорошо воспроизводимая гомеотропная ориентация для этих же смесей получена при использовании натертых поверхностей стекла, окиси индия.
В результате проведенных исследований подтверждена состоятельность предложенной модели формирования мультидоменных структур и разработан Щ метод совмещения технологий формирования планарной и гомеотропной ориентации на одной подложке.
Преложенный метод позволит при различной комбинации областей с планарной и гомеотропной ориентацией на опорных поверхностях получить следующие мультидоменные структуры, показанные на рисунке 17: - структура типа «гомеотроп-гибрид»; - структура типа «планар-гибрид»; - структура типа «твист-гибрид»; - структура типа твист-гомеотроп; - структура типа «гибрид-гибрид» (вариант А); \ - структура типа «гибрид-гибрид» (вариант Б); - структура типа «планар-гомеотроп».
Предложенный метод совмещения технологий формирования планарной и гомеотропной ориентации на одной подложке не обеспечивает создание мультидоменных структур с учетом заданной топологии ориентации. Этот факт является существенным ограничением для практического применения предложенных структур в оптических устройствах. По этой причине потребовалось дальнейшее развитие предложенного метода. Ниже рассмотрен способ формирования мультидоменных структур и технологический процесс, позволяющий решить эту проблему.
Исследование электрооптических свойств мультидоменных ЖК- структур в однородном электрическом поле
Расположение мультидоменной структуры в однородном электрическом поле, представленном на рисунке 28 может встретиться, например, в приборах отображения оптической информации или фазовых пластинках Френеля, где требуется при подаче управляющего напряжения на электроды иметь в зоне их взаимного перекрытия области с различной вольт-фазовой характеристикой. Поэтому необходимо провести исследования распределения относительной фазовой задержки от приложенного напряжения для мультидоменных ЖК-ячеек, заполненных ЖК с разной диэлектрической анизотропией.
Для решения этой задачи были изготовлены ЖК-ячеЙки следующей конструкции. Электроды покрывались прозрачным слоем оксида индия. Мультидоменная структура формировалась при помощи метода, который основан на травлении полиимидной пленки.
Проведены исследования зависимости распределения относительной фазовой задержки в мультидоменных структурах, помещенных в однородное электрическое поле, от приложенного напряжения. Было установлено, что в ЖК-ячейке, не зависимо от типа мультидоменной структуры и величины Лє, можно условно выделить две зоны: область с однородной переориентацией молекул и переходная область, расположенная вблизи доменной стенки.
При подаче управляющего напряжения на электроды мультидоменных ячеек относительная фазовая задержка ЛФ(и)/ЛФтах для областей молекул с t однородной деформацией полностью совпадет с аналогичными характеристиками для типичных ЖК-ячеек с однородной ориентацией. Это характерно для всех видов мультидоменных структур и применяемых в работе ЖК-материалов.
На рисунке 29 для примера приведены экспериментальные зависимости относительной фазовой задержки от управляющего напряжения для областей молекул с однородной деформацией в мультидоменных ЖК-ячейках. Полученные результаты имеют хорошее согласие с типичными экспериментальными результатами измерения относительной фазовой задержки для S-, В-эффектов в ЖК ячейках с однородной ориентацией. [27, 28]. Для наклонной ориентации этот порог исчезает, а деформация ориентации директора происходит при бесконечно малых значениях внешнего поля [29]. В случае планарной ориентации с малым углом преднаклона молекул деформация носит квазипороговый характер. .
Для гибридной ориентации в случае, если приложенное Е-поле параллельно плоскости разворота директора деформация молекул носит беспороговый характер. На рисунке 29 представлены типичные экспериментальные результаты, полученные для областей молекул с однородной деформацией в мультидоменных ЖК-ячеЙках, заполненных ЖК с положительной и отрицательной диэлектрической анизотропией. Полученный результат так же имеет хорошее согласие с типичными экспериментальными результатами измерения относительной фазовой задержки в ЖК-ячейках с однородной ориентацией. і Полученные выше результаты согласуется с работами [22, 30, 37], в которых структуры типа «твист-твист», «супертвист-супертвист» и «гомеотроп-гомеотроп» применялись в качестве мультидоменных пикселей ЖК-дисплеев. Для этих структур ЖК при подаче управляющего напряжения в областях с однородной деформацией молекул наблюдалось совпадение характера переориентации молекул с ЖК-ячейками с однородной ориентацией. Проведены исследования влияния диэлектрической анизотропии ЖК (величины и знака) на распределения относительной фазовой задержки в переходной области мультидоменных структур, расположенных в однородном электрическом поле. Для этого эксперименты проводились с двумя группами ЖК-материалов: ЖК с \Ad[- 0 и ЖК с Ає»0. В первой группе ЖК-материалов использовались смеси Н-8 с другими ЖК, концентрация которых выбиралась в соответствии с формулой (1). Были экспериментально установлены, приведенные ниже, основные закономерности в поведении переходных областей для ЖК с Ає 0 {Лє-Ю) вблизи доменной стенки.
1. Для доменной пары типа «гибрид-гомеотроп» в диапазоне управляющих напряжений от 0 до UQ происходит расширение переходной области в гомеотропном домене. После превышения порогового напряжения происходит резкое сужение переходной области. С увеличением управляющего напряжения переходная область в гибридном домене уменьшается.
2. Для доменной пары типа «гомеотроп-планар» поведение переходной области гомеотропного домена аналогична предыдущему случаю. Наблюдается наличие , двух стадий в процессе переориентации молекул нематика. С увеличением управляющего напряжения переходная область в планарном домене уменьшается.
3. Для доменной пары типа «гибрид-планар» с увеличением управляющего напряжения переходная область, как в планарном, так и гибридном домене уменьшается.
4. Для доменной пары типа «гибрид-гибрид» с увеличением управляющего напряжения переходные области доменов практически не меняются.
Были экспериментально установлены, приведенные ниже, следующие основные закономерности в поведении ЖК с Лє 0 {Ає—їО) вблизи доменной стенки.
1. Для доменной пары типа «гибрид-планар» в диапазоне управляющих напряжений до U0 происходит расширение переходной области в планарном домене. После превышения порогового напряжения происходит резкое сужение переходной области. С увеличением управляющего напряжения переходная область в гибридном домене уменьшается.
Расчет относительной фазовой задержки в мультидоменной структуре, помещенной в однородное электрическое поле
Рассмотрим ошибки измерений электрооптических характеристик в мультидоменных структурах. Исследование пространственного распределения фазовой задержки производилось по полученной при помощи ПЗС-линейки или цифрового фотоаппарата пространственного распределения интенсивности. Ошибка при определении координаты максимума или минимума интенсивности зависит от качества исходного изображения. При фотографировании мультидоменных структур возможно появление импульсных шумов. Дня фильтрации таких помех был выбран медианный фильтр [59] с последующей бинаризацией профильтрованного изображения [60]. Для цифровой фильтрации шума применялось специально созданное программное обеспечение. Метод медианной фильтрации является наиболее простым по сравнению с другими методами линейной фильтрации. У него большой показатель среднего квадрата ошибок и наименьший коэффициент ослабления шума. Но для данной помехи медианный фильтр является достаточным для получения оптимальной фильтрации исходного изображения.
Бинаризация профильтрованного изображения позволяет поэлементно преобразовывать полутоновое изображение, содержащее все уровни яркости, в бинарное изображение, имеющее два значения яркости: нулевое и максимальное. [60]. На полученных бинарных участках изображения методом половинного деления находится положения максимумов и минимумов функции пространственного распределения интенсивности.
Применение этого метода фильтрации позволило проводить многократное измерение пространственного распределения фазовой задержки на фоне шумов в автоматическом режиме. Для получения достоверных измеряемых значений координат изменения фазовой задержки на п все экспериментальные данные усреднялись по 5-10 замерам. Причем воспроизводимость характеристики проверялась на 3-5 новых ячейках одной и той же структуры.
Оценка погрешности экспериментальных данных проводилась по стандартной методике обработки данных [61]. Ряд измеренных значений для максимального расширения переходной области Lmax между гомеотропным и гибридным доменом (ЖК Н-8, толщина ЖК-слоя 50мкм) при_/=200Гц для трех различных ЖК-ячеек соответствует: 140мкм, 122мкм, 135мкм. С учетом квадратичных отклонений каждого значения от среднего 132 мкм среднеквадратическая ошибка 5л=7,8 мкм. При доверительной вероятности 0,95 коэффициент Стьюдента t=43. Окончательно Zmax=(130±10) мкм (л=3, Р=95%). Относительная погрешность =8,4%.
Расчет погрешностей для определения координат изменения фазовой задержки на к проводится аналогично. Полученные значения относительной погрешности измерений не превышают 10%. Полученное большое значение погрешности может быть связано с ошибкой контроля толщины ЖК-слоя. Измерение величины зазора между подложками проводилось до этапа заливки ЖК в ячейку. Поскольку ЖК-ячейка не герметизировалась, то возможно расширение этого зазора в процессе заливки ЖК.
Установлено что, в мультидоменных структурах, помещенных в однородное электрическое поле можно условно выделить две зоны: область с однородной переориентацией молекул и переходная область, расположенная вблизи доменной стенки. Ниже приведены основные свойства переориентации молекул в мультидоменных структурах при подаче управляющего напряжения. - Для всех видов мультидоменных структур и применяемых в работе ЖК-материалов относительная фазовая задержка ЛФ(и)/ЛФтах для областей молекул с однородной переориентацией полностью совпадают с аналогичными характеристиками для типичных однородно ориентированных ЖК-ячеек. - В ячейках, заполненных ЖК с «резонансными свойствами» {є/є±— 1) расширение переходной области в мультидоменной структуре в диапазоне напряжений от 0 до пороговых значений Uo происходит только в планарном домене для ЖК Лё 0 и гомеотропном домене для ЖК с Ає 0. А при управляющем напряжении, превышающем Uo, происходит только сужение переходной области. Для всех остальных случаев при повышении управляющего напряжения возможно только сужение переходной области между доменами.
