ЖЭТФ, 2020, том 158, вып. 4 (10), стр. 759-764

БЫСТРАЯ МОДА В ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИИ

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ СО

ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

И. В. Симдянкин, А. Р. Гейвандов^*, С. П. Палто

Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова

ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» Российской академии наук

119333, Москва, Россия

Поступила в редакцию 16 апреля 2020 г.,

после переработки 4 мая 2020 г.

Принята к публикации 4 мая 2020 г.

Исследованы условия возникновения быстрой электрооптической моды в жидкокристаллической ячейке

с малым периодом (p = 1.8 мкм) встречно-штыревых электродов. При помощи численного моделирова-

ния и экспериментально изучено электрооптическое переключение в двух жидкокристаллических смесях,

различающихся вязкостью, а также диэлектрической и оптической анизотропиями. Показано, что време-

на переключения быстрой моды находятся в субмиллисекундном диапазоне и связаны с переключением

приэлектродного слоя жидкого кристалла, соизмеримого по толщине с периодом электродных структур.

Включение в процесс переключения всего объема жидкого кристалла характеризуется медленной модой

с существенно большими временами.

DOI: 10.31857/S004445102010017X

реключения открывает возможности для использо-

вания технологии последовательного отображения

цветов (color sequential technology), которая позво-

1. ВВЕДЕНИЕ

ляет исключить цветные фильтры из конструкции

Современные фотонные устройства и дисплеи на

ЖК-дисплеев, тем самым повысив световую эффек-

основе жидких кристаллов (ЖК) оперируют изме-

тивность и разрешение изображения. Таким обра-

нением состояния поляризации света под действи-

зом, увеличение быстродействия ЖК-модуляторов

ем электрического поля [1,2]. При этом в результа-

в результате поиска новых электрооптических эф-

те ориентационного перехода происходит перестрой-

фектов и разработки ЖК-материалов принципи-

ка надмолекулярной структуры в слое ЖК [3], что

ально важны для прогресса жидкокристаллической

позволяет модулировать падающий на слой свето-

технологии как в фотонных, так и в дисплейных

вой поток. За последние два десятилетия техниче-

устройствах.

ские характеристики ЖК-дисплеев, такие как кон-

На первый взгляд, кажется, что простейший спо-

трастное отношение, углы обзора, время электро-

соб увеличения быстродействия заключается в со-

оптического отклика были кардинально улучшены.

здании тонких слоев ЖК. Как следует из формул

Тем не менее, для расширения применения жидких

(1), (2), времена включения и выключения в элект-

кристаллов в новых устройствах повышение быст-

рооптическом эффекте пропорциональны квадрату

родействия электрооптического переключения по-

толщины слоя d [1]. Однако с уменьшением толщи-

прежнему актуально.

ны слоя требуется повышение оптической анизотро-

Скорость электрооптического отклика влияет в

пии Δn ЖК-материала, что необходимо для обеспе-

первую очередь на качество отображения видеоин-

чения требуемой фазовой задержки для модуляции

формации. К примеру, медленный электрооптиче-

света Δϕ (3):

ский отклик приводит к размытию движущегося

изображения. В то время как короткое время пе-

4πγ

d²

τ_on ≈

(1)

Δε(f) (U² - U2th)

^* E-mail: ageivandov@yandex.ru

759

И. В. Симдянкин, А. Р. Гейвандов, С. П. Палто

ЖЭТФ, том 158, вып. 4 (10), 2020

γd

τ_off ≈

(2)

π²K_i

здесь U_th — пороговое напряжение, соответствую-

щее переходу Фредерикса; U — приложенное напря-

жение; Δε(f) — диэлектрическая анизотропия, за-

висящая от частоты приложенного напряжения f;

d — толщина слоя ЖК; γ — вращательная вязкость;

K_i — эффективный модуль упругости (комбинация

трех основных модулей для различных типов де-

формации), зависящий от типа электрооптического

эффекта;

2π

Δϕ =

Δnd,

(3)

где Δn — оптическая анизотропия ЖК, λ — длина

волны света в свободном пространстве, d — толщина

слоя ЖК.

Ранее было показано [4], что при толщине слоя

Рис. 1. Схематическое изображение ЖК-ячейки с систе-

ЖК менее 3 мкм эффективное значение двулуче-

мой ВШЭ. Здесь w — ширина электрода, g — зазор между

преломления из-за наличия неровностей или дефек-

электродами, 1 — стеклянная подложка, 2 — ориентиро-

тов сильно зависит от шероховатости ориентиру-

ванный слой ЖК, 3 — стеклянная подложка с ВШЭ

ющих поверхностей (параметр порядка ЖК вбли-

зи поверхности меньше, чем в объеме слоя). Бы-

ло обнаружено, что энергия сцепления также игра-

направлены перпендикулярно плоскости подложек,

ет немаловажную роль, влияя на время переклю-

формируется ориентирующими покрытиями из хро-

чения [5]. Другими словами, уменьшение толщины

молана (стеарил хлорид хрома). Толщина ЖК-слоя

ЖК-слоя действительно позволяет существенно со-

задается с помощью калиброванных пластиковых

кратить время переключения, однако, при этом при-

сферических спейсеров Sekisui micropearl (Япония)

ходится жертвовать другими важными характери-

размером 2 мкм.

стиками модулятора.

Исследования электрооптических свойств ЖК

В данной работе мы используем подход, который

проводились на установке на базе поляризацион-

заключается в пространственном ограничении объ-

ного микроскопа ЛОМО «ПОЛАМ-113». Жидко-

ема ЖК, т. е. локализации деформации директора

кристаллическая ячейка закреплялась на столи-

ЖК в очень малых объемах [6-8]. В нашем случае

ке микроскопа так, чтобы волновой вектор решет-

это становится возможным благодаря использова-

ки ВШЭ составлял угол 45^◦ к осям скрещенных

нию пространственно-периодических электрических

между собой анализатора и поляризатора. Импуль-

полей.

сы напряжения задавались на компьютере в про-

граммном обеспечении и формировались с помощью

цифро-аналогового преобразователя Zetlab ZET-210

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Sigma USB (Зеленоград). Импульсы напряжения до-

полнительно усиливались широкополосным усили-

Исследования проводились на ячейках, устрой-

ство которых показано на рис. 1. Слой ЖК распола-

телем до требуемой амплитуды и прикладывались

к электродам ЖК-ячейки. Свет, прошедший через

гается между двумя стеклянными подложками, на

одной из которых создана система встречно-шты-

ЖК-ячейку и оптическую систему микроскопа, ре-

гистрировался фотоумножителем, сигнал с которо-

ревых электродов (ВШЭ) из хрома (изготовлены

го измерялся осциллографом Tektronix 3012 (США).

в Центре коллективного пользования «Проектиро-

вание и изготовление фотошаблонов», АО «Зеле-

Для исследования электрооптического эффекта

ноградский инновационно-технологический центр»,

мы использовали жидкокристаллические материа-

Зеленоград) размером 5 × 5 мм². Период ВШЭ со-

лы E7 и ZLI-1957/5 производства Merck (таблица).

ставляет 1.8 мкм (w = g = 0.9 мкм). Гомеотропная

Значения оптической и диэлектрической анизотро-

ориентация ЖК, при которой длинные оси молекул

пии ЖК-смеси E7 существенно выше по сравнению

760

ЖЭТФ, том 158, вып. 4 (10), 2020Быстрая мода в электрооптическом переключении жидкокристаллической ячейки. . .

Таблица. Параметры жидкокристаллических материалов

n_e

Название

ε_∥

(λ = 589.3 нм,

Δn

Δε

γ, мПа·c T_iso, ^◦C

ЖК-смеси

(f = 1 кГц)

T = 20^◦C)

1.747

0.225

+13.8

220

ZLI-1957/5

1.624

0.121

+4.5

105

со смесью ZLI-1957/5, что сказывается на амплитуде

электрооптического отклика. Однако высокая вра-

щательная вязкость γ смеси E7 существенно замед-

ляет процесс релаксации после снятия напряжения

с электродов.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В работе [8] с помощью численного моделирова-

ния показано, что в геометрии ЖК-ячейки, пока-

занной на рис. 1, при периодах ВШЭ, меньших, чем

толщина слоя ЖК, на осциллограммах электрооп-

тического отклика ЖК-ячейки возникают две мо-

ды, которые условно были названы поверхностной и

Рис. 2. Электрооптический отклик в ЖК-ячейке со сме-

объемной. Возникновение поверхностной моды свя-

сью E7 на управляющие импульсы прямоугольной формы

зано с тем фактом, что при приложении электриче-

длительностью 30 мс и различными амплитудами U. Тол-

ского напряжения к электродам, электрическое по-

щина слоя ЖК d = 2.1 мкм. Здесь уровень пропускания

ле оказывается локализованным на глубине менее

измеряется в процентах от интенсивности прошедшего че-

периода решетки от поверхности. Поэтому снача-

рез ЖК-слой поляризованного света

ла возникает сильная деформация поля директора

ЖК именно вблизи электродных решеток. Этот на-

чальный процесс очень быстрый. Далее деформация

для быстрой моды при напряжении 10 В как вклю-

распространяется в глубь слоя ЖК, но с меньшей

чение, так и выключение происходят за очень ко-

скоростью.

роткое для ЖК-систем время 0.5 мс. Однако про-

Динамика электрооптического отклика в ячейке

пускание ячейки с ZLI-1957/5 находится на уровне

с ЖК-материалом E7 на прямоугольные импульсы

12 %. В то время как уровень пропускания в 70 %

электрического напряжения длительностью 30 мс

достигается при напряжении 30 В за 6.7 мс. Время

приведена на рис. 2. При напряжении U = 10 В про-

выключения в случае медленной моды соизмеримо

пускание ячейки быстро, т. е. меньше чем за 0.5 мс,

со временем включения и составляет около 6 мс.

нарастает до определенного уровня (уровень L1),

Контраст определяется отношением сигнала в

определяемого амплитудой напряжения. Последую-

светлом (включенном) состоянии, к сигналу в тем-

щий рост пропускания (до уровня L2) идет медленно

ном (выключенном) состоянии. Поскольку темное

и занимает порядка 10 мс.

состояние соответствует гомеотропной ориентации

В ячейке, заполненной ЖК-смесью ZLI-1957/5,

ЖК, сигнал в темном состоянии определяется ис-

аналогично ячейке с ЖК-материалом E7, на осцил-

ключительно качеством используемых поляризато-

лограммах электрооптического отклика проявляют-

ров и рассеянием света в оптической системе, вклю-

ся быстрая и медленная моды. Однако, посколь-

чая рассеяние на дефектах ЖК. Известно, что в

ку диэлектрическая анизотропия ZLI-1957/5 втрое

случае использования высококачественных поляри-

меньше, чем у E7, то необходимые для переориента-

заторов и технологических процессов, исключаю-

ции директора ЖК электрические напряжения вы-

щих попадание мелкой пыли в ЖК-ячейку, конт-

ше для ZLI-1957/5. Из данных рис. 3 следует, что

растное отношение в ячейках с гомеотропной ориен-

761

И. В. Симдянкин, А. Р. Гейвандов, С. П. Палто

ЖЭТФ, том 158, вып. 4 (10), 2020

Стоит отметить, что экспериментальные резуль-

таты здесь приводятся только для толщины слоя,

соизмеримой с периодом электродных структур, так

как при больших толщинах вклад в электрооптиче-

ский эффект от объемной моды в конечном итоге

перекрывает вклад от поверхностной.

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Численное моделирование выполнено в про-

граммном пакете LCD TDK

4.0

(разработан

С. П. Палто), который позволяет рассчитывать

динамику изменения распределения директора

ЖК в трехмерном пространстве и исчерпывающе

Рис.

Электрооптический отклик ЖК-ячейки с

моделировать наблюдаемые электрооптические

ZLI-1957/5 на управляющие импульсы прямоугольной

эффекты в неоднородных электрических полях. В

формы длительностью 30 мс и различными амплитудами

модели использовались параметры E7, указанные в

U. Толщина слоя ЖК d

= 2.5 мкм. Здесь уровень

таблице, коэффициенты упругости K₁ = 11, K₂ = 7,

пропускания измеряется в процентах от интенсивности

K₃ = 17 [10] при бесконечной энергии сцепления

прошедшего через ЖК-слой поляризованного света

и ориентации «легкой» оси, задающей направле-

ние директора, — перпендикулярно поверхности.

Период ВШЭ p = 1.8 мкм (w = g = 0.9 мкм).

тацией для света, распространяющегося вдоль нор-

Электрооптический отклик рассчитывался при

мали к слою, может быть доведено до значений не

длине волны λ = 550 нм.

менее 5000 : 1. Это, однако, достигается вблизи зна-

Возникновение быстрой моды обусловлено тем,

чения длины волны 550 нм, соответствующего мак-

что в случае ВШЭ деформация поля директора

симальной чувствительности человеческого глаза,

имеет две составляющие — вдоль нормали к слою

где, как правило, эффективность пленочных поля-

(ось z) и в плоскости слоя (ось x). Если упру-

ризаторов максимальна.

гая деформация вдоль оси z характеризуется про-

странственным периодом, соответствующим удвоен-

В нашем конкретном случае измерения проводи-

ной толщине слоя 2d, то пространственные частоты

лись в широкой спектральной полосе (400-700 нм)

упругих волн вдоль оси x определяются периодом

и уровень темного состояния соответствовал при-

ВШЭ p. В этом случае время релаксации волн, от-

мерно одному проценту утечки света во всей упомя-

носящихся к различным пространственным гармо-

нутой спектральной полосе, что, согласно данным

никам, определяется как

на рис. 2, 3, ограничивает максимальное контраст-

ное отношение на уровне около 90 : 1. Ограничение

τ_i =

(4)

контраста на данном уровне связано в основном с

Kq²

утечкой света в голубой и красной областях спек-

тра через скрещенные поляризаторы, а также с ка-

где λ — вязкость ЖК, K — эффективный коэффи-

чеством светового пучка на входе (не все световые

циент упругости, q_i = 2πi/p (i — целое число) —

лучи в падающем пучке были направлены строго

пространственные частоты гармоник, кратные ос-

вдоль нормали к слою ЖК). При использовании бо-

новной пространственной частоте электродной ре-

лее высококачественных поляризаторов и техноло-

шетки q₁ = 2π/p.

гических условий, исключающих наличие дефектов

Однако, как показало моделирование, в про-

на поверхностях подложек, это контрастное отноше-

странстве между электродами возникают стенки

ние для света, распространяющегося вдоль норма-

с гомеотропной ориентацией директора. Из-за на-

ли к слою, может быть увеличено в десятки раз.

личия этих гомеотропных стенок в межэлектрод-

Достижение высокого контраста для всех направле-

ном пространстве наибольший вклад в деформацию

ний распространения света требует применения спе-

вдоль оси x вносит вторая деформация с i = 2. Дело

циальных компенсирующих пленок, и эта проблема

в том, что гомеотропные стенки между электрода-

успешно решена ранее [9].

ми выступают как границы, уменьшающие период

762

ЖЭТФ, том 158, вып. 4 (10), 2020Быстрая мода в электрооптическом переключении жидкокристаллической ячейки. . .

Рис. 4. Распределение директора ЖК, характерное для

Рис. 5. Распределение директора ЖК, характерное для

возникновения быстрой моды. Момент времени t = 0.5 мс

возникновения медленной моды. Момент времени t

после приложения поля U = 4 В, ячейка с E7 толщиной

= 19.7 мс после приложения поля U = 4 В, ячейка с

d = 2.5 мкм. В центре между электродами и над элек-

E7 толщиной d = 2.5 мкм. Вертикальные стенки меж-

тродами наблюдаются гомеотропнные стенки 1. Цветовая

ду электродами разрушены. Цветовая шкала соответству-

шкала соответствует x-компоненте директора: 0 — гомео-

ет x-компоненте директора: 0 — гомеотропная ориентация

тропная ориентация директора, ±1 соответствует планар-

директора, ±1 соответствует планарной ориентации в на-

ной ориентации в направлениях ±x

правлениях ±x

деформации (рис. 4). Это, в свою очередь, обеспечи-

вает быструю релаксацию в исходное состояние [8].

Если прикладывать к электродам поле достаточ-

но долго, то деформация распространяется в глубь

слоя ЖК. Данный процесс проникновения дефор-

мации в объем ЖК приводит к разрушению меж-

электродных гомеотропных стенок. На рис. 5 пред-

ставлено распределение директора через 19.7 мс по-

сле приложения поля. Такая картина изменения ха-

рактера распределения директора ЖК во времени и

определяет существование двух мод переключения.

Возникновение двух мод переключения отчетли-

во проявляется на рассчитанных осциллограммах

электрооптического отклика (рис. 6). После прило-

Рис. 6. Рассчитанный электрооптический отклик (λ =

жения прямоугольного импульса напряжения (U =

= 550 нм) ЖК-ячейки E7 и ВШЭ w = g = 0.9 мкм (p =

= 4 В) уровень пропускания 17% достигается за

= 1.8 мкм), толщина ячейки d = 2.5 мкм. Управляющий

1.7 мс. На рис. 4 видно, что директор в объеме ЖК

импульс прямоугольной формы амплитудой U = 4 В и

деформирован только у поверхности, что объясняет

длительностями: Δt = 2 мс (1), 14 мс (2), 20 мс (3)

малую оптическую задержку и низкий уровень про-

пускания. Дальнейший рост пропускания до уров-

ня 30 % происходит медленно — за 17 мс за счет

ломления, для управления необходимо использовать

проникновения деформации в объем ЖК, что су-

короткие импульсы напряжения, а толщина слоя

щественно увеличивает фазовую задержку, однако

ЖК должна быть соизмерима с периодом ВШЭ.

и процесс релаксации при этом замедляется. Так,

после короткого импульса длительностью 2 мс, ре-

лаксация происходит за 1 мс (быстрая мода), а после

5. ВЫВОДЫ

импульса длительностью 22 мс, релаксация длится

6 мс (медленная мода).

Экспериментально и численно исследовано

Таким образом, можно сделать вывод, что быст-

возникновение быстрой и медленной мод электро-

рая мода перспективна для применения в быстро-

оптического переключения в ячейках с системой

действующих модуляторах света. При построении

ВШЭ для нематических ЖК-материалов с большой

такого модулятора света необходимо выбирать жид-

и малой анизотропиями. Быстрая мода, связанная

кие кристаллы с высокой анизотропией двулучепре-

с переключением ЖК вблизи поверхности электро-

763

И. В. Симдянкин, А. Р. Гейвандов, С. П. Палто

ЖЭТФ, том 158, вып. 4 (10), 2020

дов, возникает при уменьшении периода ВШЭ до

ЛИТЕРАТУРА

величин менее толщины слоя ЖК (2-3 мкм). Про-

1. Л. М. Блинов, Жидкие кристаллы: Структура

странственно-периодическое электрическое поле

и свойства, Книжный дом «Либроком», Москва

приводит к появлению гомеотропных стенок, кото-

(2013).

рые удваивают пространственную частоту упругой

2. П. Ж. де Жен, Физика жидких кристаллов, Мир,

деформации ЖК. Это обеспечивает быстрое вре-

Москва (1977).

мя включения и релаксации и, соответственно,

существование быстрой электрооптической мо-

3. V. Freedericksz and V. Zolina, Transact. of the Farad.

ды. Медленная мода вызвана проникновением

Soc. 29, 919 (1933).

деформации в объем ЖК с сопутствующим разру-

4. S. T. Wu and U. Efron, Appl. Phys. Lett. 48, 624

шением гомеотропных стенок. Время релаксации

(1986).

в этом случае зависит от глубины проникновения

деформации. При этом глубина проникновения

5. X. Nie, R. Lu, H. Xianyu et al., J. Appl. Phys. 101,

может контролироваться длительностью импульса

103110 (2007).

и толщиной слоя ЖК. Важно, что, несмотря на

6. T. H. Choi, S. W. Oh, Y. J. Park et al., Sc. Rep. 6,

относительно низкий коэффициент пропускания в

27936 (2016).

случае быстрой моды, оптический контраст между

темным и светлым состояниями остается доста-

7. I. Dierking, A. Rey, L. C. Chien et al., Polymer-mo-

точно высоким, что перспективно для возможных

dified Liquid Crystals. 8, 105 (2019).

применений в фотонных устройствах.

8. A. R. Geivandov, M. I. Barnik, I. V. Kasyanova et

al., Beilstein J. Nanotechnol. 9, 11 (2018).

Финансирование. Исследования выполнены

9. S. P. Palto, US Patent No. 7889297 (2011).

при поддержке Министерства науки и высшего

образования в рамках выполнения работ по Госу-

10. S. Pestov and V. Vill, in Springer Handbook of Mate-

дарственному заданию ФНИЦ «Кристаллография

rials Data, ed. by H. Warlimont and W. Martienssen,

и фотоника» РАН.

Springer Nature Switzerland AG (2018), p. 1140.

764