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负性液晶垂面排列(VA)盒中壁的研究

2011-01-19 07:03:40 《现代显示》 2011年2期

武乃福 赵 静 王晓燕 徐洪亮 王 欣 张志东

摘 要:文章从理论上概述了外场作用下向列相液晶盒中出现的Bloch壁,使用负性液晶对两种垂面排列(VA)盒进行实验研究。两种液晶盒均使用垂面聚酰亚胺(PI)作为取向层,一种盒涂敷PI后使用了后工艺过程,另一种盒涂敷PI而没有后工艺过程。第一种VA盒在强场作用下出现壁,它事实上验证了涂敷PI后工艺过程的有效性。在外场作用下,第二种VA盒出现不同的不稳定现象。

关键词: 负性液晶;VA盒;壁

中图分类号:TN141.9 文献标识码:A

Study on the Wall in Vertical Alignment (VA) Cell of Negative

Liquid Crystal

WU Nai-fu1; ZHAO Jing1; WANG Xiao-yan2; XU Hong-liang2; WANG Xin1;

ZHANG Zhi-dong1

(1. Department of Appling Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China; 2. Hebei Jiya Electronics Co., Ltd., Shijiazhuang Hebei 050071, China)

Abstract: We outline theoretically Bloch wall in nematic liquid crystal cell with the applied field. Two types of verticalalignment (VA) cell filled with negative liquid crystal are studied experimentally. Both types of liquid crystal cell have verticalalignment layer of polyimide (PI). One type of the cell uses the technological process after coating PI, the other does nothing after coating PI. The wall appears in the first type VA cell with the strong field, which in fact justifies the effect of the technological process after coating PI. Different instability phenomena appear in the second type VA cell with the applied field.

Keywords: negative liquid crystal; VA cell; wall

引 言

由于液晶结构的对称性被破坏从而产生了缺陷,比如点缺陷、线缺陷、壁(wall)、向错和织构等等,而通过对缺陷和织构的观察反过来又是鉴定液晶结构的重要手段[1]。另外,人们通过向列相中壁的宽度可以研究液晶在基板上的方位锚定能[2],近年又通过电场对壁的影响研究液晶的弹性常数[3]。另一方面,如图1所示,在具有宽视角特性的MVA(multi-domain verticalalignment)显示模式中,消除壁的影响,也是模式设计中需要考虑的重要问题[4]。本文将从实验和理论两个方面研究单畴VA模式中出现的壁。

1 理论基础

通常认为,在液晶盒中出现壁的地方,指向矢仍然具有连续分布。对于单畴VA液晶盒,指向矢是垂面校列的。让z轴垂直于液晶盒表面,并且电场E的方向沿z轴,如图2所示。

指向矢可以表示为

nx=sinθ(y,z),ny=0,nz=cosθ(y,z)(1)

所以θ角是指向矢和z轴的夹角。电场引起的自由能密度为

从上式可以看出,我们采用与磁场完全类似的方法来处理电场,因此在△ε<<ε⊥的条件下,方可直接描写电压作用。这样,我们就可以使用Brochard提出的原始方法给出壁的解析解[5]。进一步假定

k11=k33=k(3)

2 实验研究

液晶显示中的有些缺陷大约为数十微米到一百微米,用肉眼很难观测到。我们研究两种VA液晶盒,它们均使用垂面聚酰亚胺作为取向层,但一种使用后工艺处理(本文称为工艺盒),另一种未使用后工艺处理(本文称为非工艺盒)。使用奥林巴斯BX51偏光显微镜分别对外电场作用下的工艺VA盒和非工艺VA盒进行观测并得到清晰的实验照片。

2.1 对工艺VA盒的观测

将VA盒放置在奥林巴斯偏光显微镜载物台的热台上,使VA盒摩擦方向与起偏器偏振方向成45°角,加1,000Hz交流电压,电压从0V逐渐增大,到70V时,开始出现颗粒状的物体在做无规则的移动,并且能在视野中看到粒子移动后留下的痕迹。继续加电压,随着电压的逐渐增大粒子活动表现得越来越活跃。当电压加到80V左右时,待有移动粒子进入视野时迅速降低电压,粒子活动随电压的降低变得缓慢,当电压降至16.5V时,粒子基本稳定不动,此时壁也处于相对稳定的状态。继续降低电压,壁将退化并消失,反映出对垂面聚酰亚胺进行后工艺处理的有效作用。分别用15×4和15×50的偏光显微镜观察并拍照,在图3(a)中,我们给出VA盒的电光特性曲线,图3(b)给出壁的偏光显微镜照片。

2.2 对非工艺VA盒的观测

将非工艺化的VA盒放在偏光显微镜下进行观察(室温25℃),我们发现,低电压(4V)下液晶会出现纹影织构,如图4(a)所示;高电压下(1,000Hz,75V)液晶出现不稳定现象,并伴随有规则图案,如图4(b)和(c)所示。

3 结论和讨论

通过理论推导我们可以看出,在外电场作用下的负性液晶VA盒中会出现壁。在壁的形成中,展曲形变相对于弯曲形变占主导作用(正性液晶沿面排列盒弯曲形变相对于展曲形变占主导作用)。使用偏光显微镜对电场作用下的工艺处理VA盒和非工艺处理VA盒分别进行了观测,工艺处理VA盒中出现规则的展曲壁,与理论相吻合,同时出现壁的电压范围验证了对垂面聚酰亚胺进行后工艺处理的有效作用。在本文的实验研究中,在壁的偏光显微图中并没有出现明暗相间的条纹[6],这是因为样品的△n·d比较小(约为0.4)。在非工艺VA盒中同样会出现不稳定现象,同时伴随有规则图案。非工艺VA盒本质上为兼并垂面锚泊,实验中所观察到的图案与相关专著中给出的结果[7]之间的联系有待进一步研究。

参考文献

[1] de Gennes P G, Prost J. The Physic of Liquid Crystals (2nd Edition)[M]. Clarendon, Oxford, 1993, Chap. 4.

[2] Xiang T L, Dong H P, Shunsuke K, Yasufumi I. Measurement of azimuthal anchoring energy at liquid crystal/phopolymer interface[J]. Jpn. J. Appl. Phys., 1997, 36: L432-L434.

[3] Tamba M-G, Weissflog W, Eremin A, et al. Electro-optic characterization of a nematic phase formed by bent core mesogens[J]. Eur.Phys. J.E 2007, 22: 85-95.

[4] Hasegawa R. Applications of nematic liquid crystals. In Alignment Technologies and Applications of Liquid Crystal Devices[M]. eds by Takatoch K, Hasegawa M, et al. Taylor & Francis, London and New York, 2005.

[5] Stephen M J, Straley J P. Physics of liquid crystals[M]. Rev. Mod. Phys., 1974, 46: 617-640.

[6] Zhou J, Park J O, et al. Microscopic Observations and Simulations of Bloch Walls in Nematic Thin Films[J]. Phys. Rev. Lett, 2006, 97: 157801-4.

[7] de Gennes P G, Prost J. The Physic of Liquid Crystals (2nd Edition)[M]. Clarendon, Oxford, 1993, P186.

作者简介:武乃福(1986-),男,山东聊城人,河北工业大学理学院硕士研究生,主要研究方向为液晶物理,E-mail:woodknife00@163.com。