Елементи і пристрої функціональної рідкокристалічної оптоелектроніки

РАЗДЕЛ 2
ОПТИКА И ЭЛЕКТРООПТИКА ХОЛЕСТЕРИЧЕСКИХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СРЕД
2.1. Селективное рассеяние и бистабильность
Электрооптические эффекты бистабильности в холестерических жидкокристаллических средах наглядно схематически проиллюстрированы на рис.2.1. Исходная планарно-ориентированная структура (рис.2.1.а) обладает ярко выраженным селективным рассеянием света преимущественно в зеленой области спектра (для ЖК-материалов, исследуемых в настоящей работе). Спектральная характеристика селективного отражения планарно-ориентированной структуры показана на рис. 2.2. При подаче на закрученную структуру (оптическая ось спирали перпендикулярна поверхности электродов) управляющего напряжения U1 происходит холестерико-нематических фазовый переход и структура переходит в гомеотропную (рис.2.1.) нематическую фазу (все молекулы раскручены и ориентированы перпендикулярно поверхности электродов). Последняя структура выглядит черной ввиду полного прохождения света через ячейку и поглощения его нижним светопоглощающим слоем. После резкого снятия управляющего напряжения гомеотропная структура переходит в исходную планарную, селективно отражающую свет (рис.2.1в), которая сохраняется длительное время без потребления энергии. При подаче на планарную структуру напряжения U2

Рис.2.1. Схематическая иллюстрация электрооптических эффектов бистабильности в холестерических структурах
Отметим, что обе текстуры в отсутствии внешних воздействий сохраняют стабильность длительное время (более 10000 часов). Таким образом, возможность реализации двух стабильных состояний при выключенном поле позволяет использовать указанный эффект для построения средств отображения информации с собственной памятью.
Рассмотрим текстурные превращения в холестерических системах, состоящих из слоя холестерика с положительной диэлектрической анизотропией,

Рис.2.2. Спектральная характеристика селективного отражения планарно-ориентированной структуры
ограниченного опорными поверхностями. Пусть изначально система находится в планарном состоянии, при котором оси спиралей перпендикулярны к поверхности. Воздействие импульсов с напряжением Uf.c. ? U? U3 в течение определённого времени переведёт систему из планарного в конфокальное состояние, при котором оси спиралей распределяются по сложному закону (Uf.c.- пороговое напряжение, переводящее систему из планарного состояния в конфокальное, U3 - пороговое напряжение, при котором раскрученная холестерическая спираль начинает закручиваться). Обратный процесс - переход системы из конфокального в планарное состояние может происходить лишь через гомеотропное состояние, в котором все молекулы ЖК ориентированы строго перпендикулярно ориентирующей поверхности. При этом для равновесной спиральной структуры время раскручивания спирали может быть представлено в виде ?124?:
(2.1)
где ? - вращательная вязкость ЖК, ?? - диэлектрическая анизотропия и Ec - критическое поле, при котором происходит переход Фредерикса. Это критическое поле хорошо описывается формулой де Жена [49]:
(2.2)
где P - шаг спирали холестерика и К22 - константа упругости, соответствующая деформации кручения. После выключения поля неравновесная гомеотропная текстура релаксирует в планарную текстуру через переходную планарную текстуру при отсутствии внешнего поля смещения. Известно, что процесс обратного перехода нематик - холестерик является процессом гетерогенной нуклеации как в объёме, так и на поверхности ?125?. Время этого перехода зависит от концентрации центров нуклеации, вокруг которых зарождается холестерическая текстура. Так, если время перехода гомеотропная - планарная текстура представляется в виде ?124?:
(2.3)
и зависит от величины эффективного расстояния между соседними центрами нуклеации L, то время релаксации гомеотропная - переходная планарная текстура, определяющееся соотношением ?126? :
(2.4)
зависит от величины шага спирали. Обычно для большинства холестерических ЖК систем L ? 3мкм, тогда как для достижения селективного отражения в зелёной области видимого спектра шаг спирали холестерика должен составлять P? 0,35 мкм. Таким образом, можно ожидать, что времена ?p и ?p* будут отличаться в десятки или даже сотни раз. Для сравнения на рис.2.3 показаны временные характеристики перехода планарное - гомеотропное состояние (а) и обратного перехода (б) при различных значениях напряженности поля для ЖК материала параметры которого, а также спектральные и электрооптические характеристики приведены в работе ?127? . Из рисунка видно, что время релаксации гомеотропная - планарная текстура составляет порядка 150 ms, тогда как время релаксации гомеотропная - переходная планарная текстура составляет около 2 ms ?127? (на рисунке не показано).

Рис. 2.3. Зависимость интенсивности отражения холестерической системы от времени после включения поля (а) и после его выключения (б).

Как будет показано в главе 4, время перехода из гомеотропного состояние в переходную планарную текстуру особенно важно для управления матричными высокоинформативными экранами. При создании информационных табло с прямым управлением, в которых каждый элемент индикации имеет индивидуальные электрические в