16.4.7.3. Электрооптические эффекты в жидких кристаллах

Рассмотрим основные электрооптические эффекты, которые лежат в основе создания различных ЖК-дисплеев

Воснове анализа всех ориентационных эффектов лежит утверждение: распределение директораn должно соответствовать минимуму свободной энергии при заданных граничных условиях. В большинстве случаев для исследования электрооптических эффектов используются электрооптические ячейки сэндвичного типа (рис.16.32). Плоский капилляр нематического ЖК 4 толщиной от 5 до 100 мкм образован двумя стеклянными пластинами 1 с прозрачными электродами 2 на основе окиси олова. Зазор фиксирован с помощью изолирующих прокладок 3. В данной конструкции свет проходит вдоль направления электрического поля.

В нематических ЖК существуют два основных поляризационных эффекта: эффект динамического рассеивания (переход Фредерикса) и твист-эффект.

Эффект динамического рассеивания.

Если в исходном состоянии направления поля и директора НЖК не соответствуют условию минимума свободной энергии, то в электрическом поле, способном преодолеть силы упругости, произойдет переориентация и установится его новое стационарное распределение. Этот эффект был открыт и исследован Фредериксом. Первоначальная ориентация директора являетсягомогенной ( E перпендикулярно n, т.е. параллельно плоскости стеклянной подложки) для S-эффекта и гомеотропной (E параллельно n т.е. перпендикулярно плоскости стеклянной подложки) для B-эффекта (рис. 16.33). Диэлектрическая анизотропия НЖК в случае S-эффекта положительная, для B-эффекта – отрицательная.

Переориентация директора в электрическом поле возможна только при достижении порогового значения напряженности. При S- и B-деформациях происходит изменение двулучевого преломления ЖК слоя, так как оно однозначно связано с распределением показателя преломления необыкновенного луча. Разность фаз между необыкновенным и обыкновенным лучами для монохроматического света с длиной волны зависит от толщины слоя ЖК, падающей длины волны света и изменения двулучевого преломления ЖК слоя. Интенсивность света, прошедшего через ячейку и анализатор, зависит от угла между вектором поляризации падающего луча и исходным направлением директора НЖК: Изменение разности фаз приводит к осциллирующей зависимости оптического пропускания на выходе анализатора.

Зависимости интенсивности света, прошедшего через ячейку, для S- и B-эффекта отличаются только тем, что в начальном состоянии пропускание света ячейки с гомеотропной ориентацией в скрещенных поляроидах минимально, а с гомогенной – максимально.

Поэтому эффект динамического рассеивания используют только для нематиков с отрицательной диэлектрической анизотропией.При отсутствии электрического поля исходное состояние - гомеотропная ориентация молекул (рис. 16.34 а). Тогда, согласно внутреннего порядка, такая ячейка прозрачна для падающего света (виден только цвет самого жидкого кристалла – обычно серо-зеленый). Под воздействием внешнего поля возникает поворот молекул нематика и ориентация изменяется на гомогенную (рис. 16.34 б). Одновременно сильное электрическое поле генерирует поток ионов, который нарушает статический порядок в расположении молекул, которое приводит к возникновению турбулентности в мезофазе, то есть возникают центры рассеяния и ячейка становится непрозрачной (наблюдается потемнение ячейки). Эффект динамического рассеяния имеет место как на постоянном, так и переменном поле (к 10²-10⁴Гц). Однако, в постоянном поле имеют место процессы электролиза, а в переменном они в значительной мере более слабые, поэтому используют в основном переменные электрические поля.

Твист-эффект.

Если при исходной планарной ориентации молекул направления директора на противоположных подложках перпендикулярны друг другу (рис.12) и вещество имеет положительную диэлектрическую анизотропию, то при приложении электрического поля вдоль оси z возникает ориентационный эффект, представляющий комбинацию из S-, B- деформаций и называемый твист-эффектом.

Теория отклика твист-ячейки на внешнее электрическое поле строится по той же схеме, что и для S-эффекта. Разница заключается в том, что в случае твист-эффекта деформация является двумерной и от координаты зависит не только угол наклона молекул, но и их азимут.

С повышением приложенного напряжения угол наклона увеличивается примерно так же, как при переходе Фредерикса из гомогенной ориентации. При достаточно большом напряжении молекулы в центральной части практически перпендикулярны электродам. В результате при достаточно высоком поле твист-структура вообще перестает поворачивать плоскость поляризации света и ЖК ячейка в параллельных электродах оказывается прозрачной.

Для получения “твист”-эффекта используют нематические жидкие кристаллов с позитивной анизотропией свойств. Соответствующей обработкой стекла достигают гомогенной ориентации молекул с закруткой структуры по азимуту на 90⁰ (рис. 16.35). Вследствие этого слой жидкого кристалла должен иметь возможность возвращать плоскость поляризации входного света на четверть оборота.

Когда электрическое поле не прилагается, то свет, падая на верхний поляроид становится поляризуемым. При прохождении через жидкий кристалл поляризованный свет изменяет свое направление согласно оптической оси нематика и на выходе имеет такое же направление, как и нижний поляроид, проходя без потерь через последний, он отражается от зеркала и идет назад. При наложении внешнего поля больше некоторого критического значения, за счет позитивной диэлектрической анизотропии ориентация становится гомеотропной. Тогда для света, который прошел через жидкий кристалл, будем иметь скрещенные поляроиды, то есть поле станет темным. Поэтому можно рисовать темные фигуры на фоне цвета жидкого кристалла (серо-зеленом).

Ориентационные эффекты в холестериках

Оптические свойства ХЖК зависят от ориентации оси спирали относительно поверхности ячейки. Возможны четыре вида текстур, показанных на рис.16.36. Когда оси спирали перпендикулярны к подложкам текстура называется планарной, при этом наблюдается отражение падающего на ячейку света (рис. 16.36 а). При случайной ориентации осей возникает мультидоменная конфокальная текстура, рассеивающая свет (рис. 16.36 б). При приложении электрического поля перпендикулярно подложкам в ХЖК возникает текстура отпечатков пальцев с направлением осей спиралей параллельно подложкам (рис. 16.36 в). При приложении к ячейке более высокого напряжения для ХЖК с Δε>0 происходит раскрутка спирали и возникает гомеотропная ориентация молекул (рис. 16.36 д). В этом случае ячейка становится полностью прозрачной.

Рассмотрим более детально влияние электрического поля на ХЖК в случае, когда его проводимость пренебрежимо мала. Тогда взаимодействие ХЖК с электрическим полем можно рассматривать как чисто диэлектрическое. Возможны различные варианты в зависимости от знака диэлектрической анизотропии, исходной текстуры ХЖК и направления поля. Текстурные изменения в ХЖК аналогичны переходам Фредерикса в НЖК и приводят к существенному изменению оптических свойств слоя. Ограничимся рассмотрением случаев, представляющих практический интерес, когда прикладываемое электрическое поле перпендикулярно к поверхности подложек и диэлектрическая анизотропия положительна (Δε > 0).

Кплотности свободной энергии в электрическом поле добавляется величина упругой энергии. Для планарной текстуры упругая энергия равна нулю, поскольку отсутствует деформация директора, в то время как для конфокальной текстуры она положительна из-за деформации изгиба слоя ХЖК. Для планарной текстуры электрическая энергия равна нулю, потому чтоn всюду в ячейке перпендикулярен Е, в то время как для конфокальной текстуры она отрицательна из-за деформации изгиба слоя ХЖК, потому что n параллелен Е в некоторых областях. Упругая энергия противодействует переходу планарная - конфокальная текстура, в то время как электрическая энергия способствует переходу. Когда прикладываемое поле достаточно велико, планарная текстура становится нестабильной и переходит в конфокальную.

При приложении напряжения к конфокальной текстуре и его увеличении все больше молекул ХЖК ориентируется вдоль по полю, плавно переходя к текстуре отпечатков пальцев. При дальнейшем увеличении поля шаг спирали увеличивается, как показано на рис.16.37. Полная раскрутка спирали приводит к превращению оптически отрицательной (Δn < 0) и оптически активной планарной текстуры в оптически положительную (Δn > 0) неактивную текстуру. Для практического применения используют хиральные нематики, в которых при приложении электрического поля происходит раскрутка спирали и возникает гомеотропная ориентация молекул.

Таким образом, холестерические жидкие кристаллы ведут себя подобно твист-эффекту для нематиков, т.е. по мере приложения электрического поля шаг спирали ХЖК постепенно увеличивается до перехода к гомеотропная ориентация молекул.

На основе указанных эффектов были созданы жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы и дисплеи.