автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Электрооптические свойства жидкокристаллических ячеек с повышенной крутизной вольт-контрастной характеристики

/V . 0 0 ~ ^ /£ Ц О ~ 12,

0 1 ' .а ^ • / С/ /

4

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)_

На правах рукописи

АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ КАЛАШНИКОВ

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК С ПОВЫШЕННОЙ КРУТИЗНОЙ ВОЛЬТ- КОНТРАСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

Специальность: 05.27.01. «Твердотельная электроника и микроэлектроника».

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

Доктор технических наук, профессор Н.Ф. КОВТОНЮК

Доктор технических наук, с.н.с. В.В. БЕЛЯЕВ

Москва 1999 г.

Содержание Введение....................................

стр №

Глава 1.Литературный обзор....................................8

Глава2.Методика эксперимента и исследуемые вещества....................................................................44

2.1.Исследуемые жидкокристаллические материалы и их свойства............................................................44

2.2.Конструкция жидкокристаллических ячеек....45

2.3.Схема измерения электрооптических характеристик..........................................................46

ГлаваЗ.Методы повышения эффективной крутизны вольт-контрастной характеристики

электрооптического эффекта.................................50

3.1.Электрооптический отклик ячейки с двумя ЖК

слоями......................................................................50

3.2.Бистабильное переключение света ЖК ячейками, последовательно соединенными с сегнетоэлектрическими кристаллами триглицинсульфата (ТГС).....................................55

Глава4.Исследование кремнийорганических пленок для управления углом ориентации ЖК................60

4.1. Состав пленок и методы их нанесения.........60

4.2. Физико-химические свойства пленок...........64

Глава5.Исследование оптоэлектронных элементов с нематическими ЖК...............................................69

5.1. Бистабильность..............................................71

5.2. Автоколебания...............................................75

5.3. Логические операции

Выводы.............................

Литература.......................

Введение

- 4 -

Быстро развивающиеся вычислительная техника, радиоэлектроника, автоматика, а также, другие отрасли науки и техники ощущают острую потребность в высокоэкономичных, безопасных, совместимых с интегральными схемами устройств отображения информации (дисплеях). Наряду с известными газоразрядными (плазменными), катодолюминесцентными, полупроводниковыми и электролюминесцентными дисплеями ее обеспечивает относительно новый класс индикаторов, известных под названием жидкокристаллических (ЖКД), т.е.- устройств отображения информации работающих на основе жидких кристаллов. Жидкокристаллическая фаза - это состояние, которое для ряда веществ является промежуточным между кристаллическим твердым и изотропным жидким. Этой фазе присущи свойства как обычной жидкости (текучесть), так и твердого кристалла (например двулучепреломление). Именно такое сочетание свойств привело к понятию жидкий кристалл, по сути внутренне противоречивому. Множество исследований посвящено конкретно электрооптике жидких кристаллов [1,2], развитие которой стимулируется широкими возможностями их практического применения. Особое место занимают электрооптические эффекты (твист-эффект, 8- и В-эффекты), физика которых исследована наиболее полно и на основе которых созданы серийно выпускаемые индикаторы наручных электронных часов, микрокалькуляторов и другие электрооптические устройства.

Основная проблема создания изображения в жидкокристаллическом дисплее - это получение высокого контраста, градаций и необходимого быстродействия. В пассивно и активно адресуемых дисплеях эти задачи решаются по разному. При пассивном методе управления используется высокая крутизна вольт-контрастной характеристики (ВКХ) электрооптического эффекта. При обычной (активной) адресации используется высокая крутизна вольт-амперной характеристики тонкопленочного транзистора или диода.

В настоящей работе исследуются изменения характеристик электрооптического эффекта за счет использования нелинейной зависимости емкости от напряжения жидкого кристалла.

В последнее время наблюдается опережающее развитие активноматричных дисплеев по сравнению с пассивно-управляемыми. В первую очередь это связано с лучшими эргономическими характеристиками твист-эффекта по сравнению с

супертвист-эффектом, а именно лучшим быстродействием и возможностью модуляции белого цвета без компенсирующих пленок. Однако при одной и той и той же разрешающей способности пассивные супертвист дисплеи имеют более низкую стоимость благодаря более простой технологии изготовления [2,5,7,8].

Для обоих типов дисплеев используются дорогие жидкие кристаллы, цена которых по крайней мере в 2-3 раза превышает цену низкомультиплексных жидкокристаллических (ЖК) материалов для простых мнемонических индикаторов. Поэтому для дальнейшего развития ЖК дисплеев необходимо разрабатывать варианты, сочетающие достоинства активно-матричной и пассивно-матричной технологий. Поскольку в активно-матричном ЖК дисплее происходит управление поверхностным зарядом, представляет интерес поиск других способов такого управления.

В данной работе была описана жидкокристаллическая ячейка, последовательно соединенная с сегнетоэлектрическим монокристаллом триглицинсульфата (ТГС). В зависимости от полярности напряжения на ТГС напряжение перераспределяется между слоем ЖК и сегнетоэлектрическим кристаллом. Из-за высокой крутизны зависимости спонтанной поляризации (поверхностного заряда) ТГС от электрического поля смещения эффективная вольт-контрастная характеристика (ВКХ) жидкокристаллического слоя имеет также повышенную крутизну по сравнению с ВКХ обычной «сэндвич» ячейки. Для низкомультиплексного материала широкого назначения ЖК-1282 эффективное значение ВКХ твист ячейки увеличилось в 20 раз. При этом управляющее напряжение было велико (200 В) из-за большой толщины монокристалла ТГС и рассогласования электрических характеристик сегнетоэлектрика и жидкого кристалла. Что позволяет существенно повысить контраст и углы обзора жидкокристаллического отображающего устройства (дисплея).

Для снижения рабочего напряжения и оптимизации режима управления в данной работе разработана модель ячейки, в которой слой ЖК был бы последовательно соединен с элементом, имеющим нелинейную зависимость диэлектрической проницаемости (емкости) от напряжения смещения. В качестве первого шага при разработке такой модели были численно расчитаны и экспериментально измерены электрооптические характеристики системы, состоящей из двух жидкокристаллических ячеек различной толщины. Также реализуется ряд логических операций и режимы оптической бистабильности, дифференциального усиления.

Построение систем обработки оптической информации на основе жидкокристаллических элементов перспективно в связи с широкими возможностями изменения характеристик жидких кристаллов (ЖК) электрическими, магнитными и оптическими полями. Особенностью тонких ЖК-слоев является их способность изменять оптические свойства под действием низких управляющих напряжений ( до десятых и сотых долей вольт) при малом потреблении мощности до -10"6 Вт/см2. На основе ЖК-элементов разработан ряд систем преобразования оптических сигналов [15,19]. В большинстве из них используется нелинейная зависимость оптического отклика от оптического или электрического сигнала на ее входе. Среди многообразия нелинейных эффектов можно выделить Э-эффект в нематических ЖК (в зарубежной литературе ЕСВ-эффект - эффект управляемого двулучепреломления) ввиду высокого быстродействия и простоты изготовления ячеек. Основными оптическими характеристиками Б-эффекта являются фазовая задержка необыкновенного и обыкновенного лучей, распространяющихся через ячейку, и, соответственно ее пропускание. Оба параметра имеют пороговую, нелинейную зависимость от приложенного напряжения, причем эффективная нелинейность (крутизна) этой зависимости может быть усилена за счет использования в ячейке элемента с нелинейной вольт-амперной характеристикой, как в активно-матричных ЖК дисплеях [20,21], так и с нелинейной вольт-фарадной зависимостью. В последнем варианте таким элементом является монокристаллический сегнетоэлектрик [22] или другой слой ЖК, последовательно соединенный с рабочей ЖК ячейкой [23, 24]. Особый интерес представляет управление величиной емкости или тока такого элемента с помощью пучка света. Различные конструкции устройств, основанные на этом принципе, и их применение описаны в [24 - 33]. В [28, 34, 35] описываются эффекты самоорганизации, возникновения самоосцилляций в двумерном пучке света, происходящие при установке оптически управляемого пространственно-временного модулятора света (ПВМС) в схему с оптической обратной связью. При этом распределение интенсивности пучка света на входе ПВМС определяется не только записываемым изображением, но и фазово-модуляционными характеристиками выходного пучка. Это происходит из-за оптоэлектронного взаимодействия элементов разрешения ПВМС , прежде всего соседних. На основе такого режима делаются различные попытки создать новые алгоритмы оптической обработки изображений по типу нейроассоциативных. Однако для этого

требуется провести исследования по выяснению физической природы явления и его моделирования.

Наряду со своими преимуществами, жидкокристаллические устройства отображения информации (дисплеи) имеют и ряд недостатков, таких как невысокий контраст, небольшие углы обзора, небольшие размеры изображения и т. д.

В этой связи основной целью настоящей работы являлась теоретическое и экспериментальное моделирование возможности управления эффективной крутизной ВКХ электрооптического эффекта в ЖК, а также разработка и экспериментальная реализация многофункциональных устройств обработки оптической информации на основе ЖК-элементов, работающих на 8- эффекте.

Диссертация состоит из пяти глав. В первой главе дан обзор литературы, в котором приведены общие сведения по структуре, свойствам жидких кристаллов. Наиболее полно рассмотрены работы по ориентационным эффектам в жидких кристаллах. Рассмотрена структура и сегнетоэлектрические свойства основных сегнетоэлектрических материалов. Приводятся сведения по применению элементов такого типа.

Во второй главе дается обоснование для выбора тех или иных жидкокристаллических материалов для исследований, приведены параметры жидких кристаллов, обсуждается методика эксперимента и исследуемые вещества. Описаны конструкции электрооптических ячеек и экспериментальной установки, обсуждаются схемы возбуждения жидкокристаллических ячеек.

Третья глава диссертации, которая носит название

«Экспериментальная часть» состоит из 2-х параграфов. В первом параграфе описываются электрооптический отклик ячейки с двумя ЖК слоями. Во втором параграфе рассматриваются бистабильные ЖК ячейки последовательно соединенные с сегнетоэлектрическими кристаллами ТГС.

Глава № 4 посвящена исследованиям кремнийорганических соединений в качестве гомеотропных ориентантов ЖК.

В пятой главе рассматриваются оптоэлектронные элементы с нематическими ЖК (изучены режимы бистабильности, автоколебаний, логические операции).

В разделе выводы кратко сформулированы основные результаты работы.

Приведен список цитируемой литературы.

- 8 -

Глава 1: Литературный обзор

1.1Классификация жидких кристаллов

Структура жидких кристаллов была разработана в начале нашего столетия французским физиком Фриделем. Он исследовал с помощью поляризационного микроскопа тонкие слои жидких кристаллов, образующиеся при их плавлении на предметном стекле. При этом он обнаружил, что независимо от химической природы соединения, жидкие кристаллы образуют ограниченное число типов оптических картин. Эти слои, полученные расплавлением жидких кристаллов между предметным и покровным стеклами, Фридель назвал текстурами. Ему удалось связать вид наблюдаемых текстур с расположением молекул в препаратах и на основе этого разработать классификацию жидких кристаллов:

Для характеристики расположения молекул в мезофазах введем единичный вектор директора или просто директор п , характеризующий преимущественное направление длинных осей молекул (рис. 1.1).

Рис. 1.1.1. Определение директора п. Молекулы показаны штрихами.

Тогда жидкие кристаллы можно классифицировать в зависимости от ориентации по отношению к положениям центров тяжести молекул. Они делятся на три главных типа: нематические (нематики), холестерические (холестерики) и смектические (смектики) [5].

В нематиках, названных так от греческого слова"нема//- нить, центры тяжести молекул расположены хаотично и директор ориентирован произвольно по отношению к положениям центров

п

тяжести. Таким образом, все длинные оси молекул расположены приблизительно паралельно, и дальний порядок наблюдается только по отношению к ориентации длинных осей (рис. 1.1.2). Поэтому нематики характеризуются наименьшим упорядочением, если считать изотропный расплав совершенно не упорядоченным, а монокристалл - совершенно упорядоченным. Типичными нематическими жидкими кристаллами, на которых выполнено большинство исследований, являются п-азоксианизол (сокращенно ПАА) и метоксибензилиден-п-бутиланилин (МББА).

Рис. 1.1.2. Схематическое представление нематической мезофазы. Центры тяжести молекул показаны точками.

Холестерическая фаза более симметрична. В ней центры тяжести молекул условно расположены в слоях. В каждом таком условном слое директор лежит в плоскости слоя, но при переходе от одного слоя к следующему он поворачивается на небольшой угол. В целом образуется слоистая структура со спиральным упорядочением (рис. 1.1.3). Это спиральное упорядочение можно разрушить («раскрутить спираль»), приложив перпендикулярно оси спирали сильное электрическое или магнитное поле. При этом образуется нематическая мезофаза, хотя еще не совсем ясно, полностью ли она идентична обычной нематической мезофазе. Этот факт является сильным аргументом сторонников считать холестерическую и нем этическую мезофазы одним классификационным типом. Холестерические жидкие кристаллы называются так потому, что в большинстве случает это сложные эфиры холестерина. Поэтому часто холестерики, не являющиеся сложными эфирами холестерина, называют хиральными нематиками.

1 1 1

г 1 1

/

1 * / 4

'У

1

• - /

1 1 1 •

Рис. 1.1.3. Схематическое представление холестерической мезофазы.

Наиболее упорядоченными являются смектические жидкие кристаллы (от греческого слова смектос - мылоподобный). Они представляют собой как бы двухмерные кристаллы: центры тяжести молекул располагаются в слоях как в холестериках, но директор каждого слоя уже не лежит в плоскости слоя, а образует с ним некоторый угол. По характеру упорядочения в слоях смектические жидкие кристаллы делятся на две группы, с неструктурными и со структурными слоями.

Смектики со структурными слоями это такие смектики для которых угол между директором и нормалью к слою равен нулю (о) - 0), т.е. у которых длинные оси молекул перпендикулярны смектическим слоям (рис. 1.1.4.) Эти жидкие кристаллы обычно называют смектики А. Примером смектиков А является этиловый эфир п-азоксибензойной кислоты.

Время от времени в литературе появлялись сообщения об открытии пироэффекта и сегнетоэлектричества в жидких кристаллах, была доказана возможность образования полярной структуры и изменение знака полярности при изменении знака внешнего электрического поля у некоторых смектиков, молекулы которых, во-первых, наклонены к слоям (со^О), во-вторых, являются хиральными. Эти две особенности приводят к возникновению слоистой структуры, в которой угол между директором и нормалью к плоскости слоя закономерно изменяется при переходе от одного слоя к другому (рис. 1.1.5.). Такая структура напоминает холестерик и называется хиральным смектиком С.

Смектики с неструктурными слоями, для которых со^О, называются смектики С, или наклонные смектики.

Смектики со структурными слоями изучены менее полно. В отличии от истинно кристаллического вещества в этих смектиках имеет место свободное скольжение слоев относительно друг друга и вращение

- II -

молекул вокруг длинных осей. Упорядочение в слоях носит скорее статистический характер. Но тем не менее были найдены смектики с гексагональным упорядочением центров тяжести молекул в слоях и директором, расположенным перпендикулярно и наклонно к слоям (рис. 1.6) Эту мезофазу принято называть смектической фазой В.

Рис. 1.1.4. Схематическое представление смектической мезофазы А

Рис. 1.1.5. Схематическое представление смектической мезофазы С.

Рис. 1.1.6. Схематическое представление смектической мезофазы В. Пунктирной линией показана гексагональная двухмерная решетка, которую образуют ц�