Моделирование электрооптических эффектов в жидких кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГБ ОД

** СВД($8§С7ВЕННЬЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫЖМУ ОБРАЗОВАНИЮ

На правах рукописи ' . УДК 621.932; 621.315.53

СИМОНЕНКО ГЕОРГИЯ ВАЛЕНТИНОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

'Саратов - 1995

Работа выполнена на кафедре оптики Саратовского государственного университета и в НИИ механики и физики при Саратовском государственном университете

Научные руководители: доктор физико-математических

наук Чигринов В. Г. . — кандидат физико-математических •

наук, доцент Финкель А. Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Сонин A.C. кандидат физико-математических наук Беляев В. В.

Ведущая организация: Физический институт Российской академии

наук им. П. Н. Лебедева

Защита состоится " самл xX^iM 1Q9S года на заседании спецализированного совета К 063.93.02 при Московской государственной академии приборостроения и информатики по адресу: 107076. г. Москва, ул. Стромынка, 20 в ч. мин.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ.

Автореферат разослан Ь " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математичеких наук Баландин В. А.

Актуальность темы. Интенсивное развитие изучения и использо >ания в технике электрооптических эффектов в жидких кристаллах Ж) началось в конце 60-х годов, когда появились широкие перспе-стивы применения этих эффектов в системах отображения информации I обработки информации. Такое положение дел было обусловлено важ-юйшими достоинствами Ж- вещества, используемого для визуализа-\т и модуляции светового излучения, к которым относятся низкие гправлявщие напряжения и потребляемая мощность, высокий контраст <ежду включенным и выключенным состояниями, возможность управле-1ия электрооптическими характеристиками эффектов, относительно зысоксе быстродействие,- однородность изменения оптических ;войств, простота реализации требуемых характеристик и большой зесурс работы. Среди электрооптических эффектов хорошо известны и гашли широкое применение в системах отображения информации на Ж эффект управляемого двулучепреломления в различных структурах Ж, 'вист- эффект , эффект "гость- хозяин" в смесях Ж с дихроичным срасителем и т.д.. При расширении областей применения Ж в разлитых системах отображения информации стало очевидным, что достичь жолько- нибудь значительного прогресса в направлении практичес-юго применения электрооптических эффектов в 1К невозможно' без теоретического анализа .физических причин их возникновения, выде-тения наиболее значимых связей и параметров Ж и эксперимента, от соторых зависит та или иная "рабочая" характеристика эффекта. При этом современный уровень исследования в области электрооптики Ж требует не только физического осмысления и качественного описания -¡аблюдаемых эффектов, но и построения наиболее адекватных эксперименту количественных моделей, анализируя которые с помощью ЭВМ, ложно было бы указать геометрию опыта и параметры Ж. обеспечива-ощие требуемые на практике электрооптические характеристики. Тэтой анализ является залогом успешной целенаправленой работы больного числа как специалистов в области Ж- материалов, так и специалистов в области электронного обеспечения и технологии элек-грооптических устройств с использованием Ж.

В связи со сказанным вьше нам представляется, что актуальной является задача теоретического исследования характеристик элек-грооптических эффектов в Ж, включая разработку соответствующих моделей и математических методов для их количественного описания

с целью выявления особенностей их протекания и связи с физическими параметрами Ж и геометрией структуры ЖК, а также возможностей получения требуемых на практике "рабочих" характеристик соответствующих электрооптических устройств отображения информации. Кроме этого, при проектировании и изготовлении Ж- устройств отображения информации кроме технологических трудностей возникает существенные проблемы, связанные со сложной картиной распространения света в Ж и большим количеством физических и конструктивных параметров, оказывающих большое влияние на электрооптические и оптические характеристики ЖК- устройства, что в свою очередь требует разработки специальных прикладных программных средств для моделирования и оптимизации электрооптических и оптических характеристик этих сложных систем. Отметим, что в связи с предполагаемым использованием программного обеспечения в проектировании реальных систем отображения информации при их промыиленном производстве необходимо, чтобы это программное обеспечение обладало существенными свойствами: высоким быстродействием, простотой в использовании и количественным соответствием между расчетными и экспериментальными данными.

Целью работы является: 1) разработка модели и метода расчета для количественного описания статических упругих деформаций, возникающих в Ж под воздействием электрического поля при различных граничных условиях; • - 23 разработка модели и эффективного быстродействующего метода для количественного описания оптических характеристик электрооптических эффектов в Ж;

33 разработка системы компьютерного и отдельных программных модулей для моделирования электрооптических и оптических характеристик электрооптических эффектов в Ж;

43 исследование оптических и электрооптических характеристик эффекта "гость- хозяин" и установление связей между физическими параметрами Ж, конструктивными параметрами Ж- ячейки и оптическими и электрооптическими характеристиками этого эффекта в Ж-ячей-ках; ■

53 исследование электрооптических, оптических и динамических характеристик эффекта управляемого полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах Ж и установления их взаимосвязей с

физическими параметрами Ж и конструкционными параметрами ЯК-ячейки.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем.

1. Разработан и программно реализован быстродействующий и устойчивый к заданию начального приближения метод расчета одноме эного распределения углов ориентации директора Ж в электрическом толе при произвольных граничных условиях.

2. Рассмотрена наиболее полная модель ЖК- ячейки, учитываю-цая ее реальную конструкцию, которая позволила обеспечить хорошее количественное согласие между вычисленными и измеренными характеристиками электрооптических эффектов в Ж. Разработан и программно реализован точный и быстродействующий единый метод расчета распространения света через Ж- ячейку для различных электроопти-•1еских эффетов в Ж.

3. Разработан универсальный программный комплекс "ЭЛЕКТРООП-ГИКА-М" для моделирования характеристик электрооптических эффектов в Ж и К- устройств отображения ин(|ормации, который по широте решаемых задач не имеет мирового аналога. Проведенное сравнение рассчитанных с помощью комплекса•программ "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" л измеренных электрооптических и оптических характеристик различных эффектов в ЖК- ячейках показало их хорошее количественное согласие.

4. Установлено, что физические параметры Ж, приводящие к увеличению крутизны вольт- контрастной кривой эффекта двулучепре-помления в сверхзакрученных структурах ЖК, приводят одновременно к увеличению времен реакции и релаксации этого эффекта.. Исключением из этого правила является толщина Ж- слоя, уменьшение которой одновременно увеличивает крутизну вольт- контрастной кривой эффекта и уменьшает времена срабатывания.

5. По результатам компьютерного моделирования характеристик эффекта двулучепреломления в сверхзакрученных структурах Ж предложены две новые конструкции ЖК- устройств отображения информации сверхвысокого разрешения и высокой информационной емкости имеющие улучшенные оптические характеристики.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в том. что разработанные математические методы и ком-

плекс программ для моделирования и оптимизации электрооптических и оптических характеристик электрооптических эффектов в ЖК используются при конструировании и проектировании ЖК- устройств отображения информации и при производстве ЖК- материалов.

Разработанный комплекс программ позволяет найти оптимальные конструктивней решения для ЖК- устройств, работающих на основе твист- эффекта и эффекта двойного лучепреломления в сверхзакруче-нных структурах ЖК. При помощи разработанного комплекса программ найдены инженерные решения для реализации высокоинформативных С с числом элементов изображения более 640x2003 черно- белых ЖК-экранов с фазовыми компенсаторами.

Разработанные вычислительные методы и комплекс программ могут быть использованы при синтезировании новых ЖК- веществ с заданными физическими параметрами, необходимыми для реализации оптимальных характеристик электрооптичеких эффектов и ЖК- устройств отображения информации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Общий метод расчета одномерного распределения углов ориентации директора ЖК в электрическом поле, пригодный для различного типа граничных условий молекул Ж на ориентирующих поверхностях в 1К-ячейке.

2. Единая методика расчета оптического светопропуекания ЖК- ячеек, пригодная для различных электрооптических эффектов в ЖК, основанная на комплексных матрицах когерентности и Джонса". Разработанная простая численная методика расчета светопропускания имеет ту же точность расчета, что и более общий матричный метод Берре-мана, но является более быстродействующей и не требует специальных вычислительных процедур и физических ограничений для избавления от эффекта "интерферометра Фабри- Перо" в слое ЖК.

3. Универсальный комплекс прикладных программ для моделирования и оптимизации характеристик электрооптических эффектов в ЖК и ЖК-устройств отображения информации, который не имеет мирового аналога по кругу решаемых вопросов и обладает высоким быстродействием, которое обеспечивает решение оптимизационных задач в реальном масштабе времени.

4. Лля эффекта управляемого электрическим полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах ЖК зависимость' времени релакса-

ции от управляющего напряжения имеет монотонный убывающий характер и время реакции т и i/CUn - Un 3 CUn ,Un ' -управля-

r r r P BKJl &ЫКЛ ВКЛ ВЫКЛ J r

ющие напряжения для состояний включено и выключено; п £ 2D, при этом для выбора управляющих напряжений с точки зрения уменьшения времени реакции можно использовать аналитическую формулу, полученную в приближении малых деформаций ЖК Сп = 23. 3. Физические параметры Ж- вещества, изменение которых увеличивает крутизну вольт- контрастной кривой эффекта управляемого электрическим полем двулучепреломления в сверхзакрученных структурах ЯК. одновременно увеличиваюг'времена реакции и релаксации этого эффекта. Исключением из этого правила является только один пара метр - отношение толщины слоя Ж к шагу спирали Ж, уменьшение которого в пределах одной зоны Гранжана приводит к увеличению крутизны вольт- контрастной кривой и уменьшению за счет толщины Ж- ячейки времени реакции.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 3- ем Всесоюзном семинаре "Оптические свойства жидких кристаллов и их применение" СМосква, 1983 г.), Всесоюзном совещании "Электрооптика границы раздела жидкий кристалл - твердое тело" СМосква, 1983 г.З, 5- ой. Всесоюзной конференции. "Жидкие кристаллы и их практичекое использование" СИваново, 1985 г.З, Всесоюзном семинаре "Оптика жидких кристаллов" СМосква, 1987 г.З, 3- ой Всесоюзной конференции "Жидкие кристаллы и их практическое использование" СЧернигов, 1988 г.З, Всесоюзном семинаре "Оптика-жидких кристаллов" СКрасноярск, 1989 г.). международной конференции "Summer European Liquid Crystal" CVilnius, 1991 г.), международном семинаре "2. Berliner Optiktage" CBerlin, 1991 г.З, на международной' конференции "The 14th International Liquid Crystal Conference" С Italy, 1992 г.З, на международной конференции European Conference, on Liquid Crystal Science and Technology С1993, Flims, Swizerland3, на международной конференции EURODISPLAY' 93 CFrance, 1993 г.З, международной конференции " The ISth International Liquid Crystal Conference" CHungary. Budapest, 1994 г.З, на международной коференции International School Advanced Displays Technologies CLviv, Ukrain, 1994 г.З, на международной конференции "Fotonics Vest 95" CSan Jose, USA, 1995 г.З

Структура и содержание работы. Диссертационная работа состо-

ит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой, литературы. Работа изложена на 151 странице машинописного текста, содержит 47 рисунков, 13 таблиц и 77 цитируемых работ.

Во введении рассмотрена актуальность решаемых задач и сформулированы основные цели проведеия исследований.

В первой главе рассмотрен общий метод расчета одномерных распределений углов ориентации директора Ж в электрическом поле.

Параграф 1.1 посвящен общему методу расчета одномерных распределений углов ориентации директора немато- холестертеского ЖК ■ в электрическом поле, который .пригоден_для различных типов граничных молекул 1К на ориентирующих подложках. Получены для этого случая обобщенные нелинейные и дифференциальные уравнения, которые позволяют производить эти вычисления. Описан быстродействующий 'и устойчивый к заданию начального приближения алгоритм решения задачи о переориентации директора ЖК в электрическом поле, который пригоден для любого типа граничных условий. Описаны алгоритмы для частных случаев симметричных жестких и нежестких грани-- чных условий.

В параграфе 1.2 рассмотрены два практически важных предельных случая структур Ж: твист- структура без хиральной добавки и незакрученная структура. Получены предельные уравнения для этих случаев и описан алгоритм их решения.

Во второй главе рассмотрены модель ЖК- ячейки и различные методы расчета оптического светопропускания Ж- ячеек для различных электрооптических эффектов в Ж.

В параграфе 2.1 рассмотрена улучшенная модель ЖК- ячейки, которая наиболее полно учитывает ее реальную конструкцию. Путем сравнения вычисленных и измеренных оптических характеристик различных электроптических эффектов в Ж показано, что для их правильного количественного описания необходимо учитывать влияние не только неидеальности поляризаторов, но и ориентирующих и проводящих слоев.

Параграф 2.2 посвящен описанию простого быстродействующего матричного метода Джонса, пригодного для моделирования оптических характеристик различных электрооптических эффектов в Ж.Отмечается, что для расчета оптических характеристки Ж- индикаторов в настоящее время используются различные методы матричной оптики.

Нами предложена простая инженерная методика расчета светопропус-кання просветного Ж- индикатора, основанная на матрице когерентности, преобразуемой с помощью матриц Джонса. Опираясь на факты, известные.в индикаторной технике, мы преположили, что в слое Ж отсутствует многолучевая интерференция, но имеет место интерференция в проводящих и ориентирующих слоях. При этом считается, что на Ж- устройство отображения информации падает неполяризованньй свет под любыми углами. Рассматриваемая модель Ж- индикатора состоит из ячейки, заполненной Ж, на поверхности стеклянных подложек .которой последовательно нанесены проводящий и ориентирующий слои. В зависимости от эффекта, который используется для работы индикатора, к Ж может добавляться дихроичный краситель, а ячейка помещается либо между двумя поляроидами Ствист- эффект или супертвист- эффект}, либо задний поляроид отсутствует, либо поляроидов нет вообще (эффект "гость- хозяин"].

Обычно'1К- индикатор работает в условиях естественного"освещения, поэтому для описания света удобно использовать матрицу когерентности, а так как в обычных, промыиленно выпускаемых индика-, торах отсутствуют деполяризующие элементы, то все устройство в целом можно описать некоторой матрицей Джонса Мжки , имевшей

вид

- "жки^П М.

М.-матрица Джонса 1-го оптического элемента ЖК- индикатора; п-количество оптических элементов. Как известно, основная трудность состоит в расчете матрицы Джонса Ж." Для ее вычисления разобьем слой ЖК на однородные слои, в каждом из которых ориентация дирек- ' тора одинакова. Считая поглощение в рабочем веществе индикатора слабым для вычисления матрицы Джонса Ж, предположили, что-. 1) в однородном слое распространяются обыкновенная и необыкновенная волны в одном направлении, но для них различны показатели преломления и коэффициенты поглощения; 23 поляризации необыкновенной и обыкновенной волн ортогональны друг другу; 3) как показали наши численные оценки, матрицы перехода от одного однородного слоя Ж к другому можно считать единичными. При сделанных предположениях матрицу Джонса Ж можно записать в следующем виде:

мжк - й^эа^с-,}

а. =

1

ехрС %2Пп/\ + ¡а/2) Лх/соМ О О ехрС ](27Гп0/А + }ао/2)Аг/соза

где Лг - толщина однородного слоя ЖК; а, ао, п. п - коэффициенты поглощения и показатели преломления для необкновенной_и обыкновенной волн соответственно; а- угол распространения света в среде; А- длина волны - падающего света; мнимая единица; 1?(чр), ИС-<р)~ матрицы поворота. Матрицы Джонса для поляроидов вычисляются аналогичным образом с учетом того, что поляроид аналогичен однородному слою Ж с дихроичным красителем. Матрицы Джонса для тонких слоистых плоскопараллельных изотропных структур, учитывающих многолучевую интерференцию в ориентирующих и проводящих, слоях, рассчитываются при помощи матриц Абелеса. Таким образом, матрица всего ЖК- устройства отображения информации полностью определена и оптические характеристики ЖК- индикатора определяются по выходной матрице когерентности стандартным образом.

В параграфе 2.3 проведено сопоставление результатов расчета характеристик электрооптических эффектов в Ж, полученных с испо- . льзованием точного матричного метода Берремана и с применением разработанной простой методики матриц Джонса с экспериментальными • данными. Сравнение экспериментальных и расчетных данных, полученных с помощью обоих методов, говорит об их хорошем количественном согласии. Отмечается, что предложенная методика матриц Джонса для расчета светопропускания ЖК- ячеек на основе различных эффектов дает результаты, по точности совпадающие с результатами, полученными с помощью матриц Берремана даже при наклонном падении света Свплоть до углов падения 20°). При этом предложенная методика эффективнее метода Берремана по времени счета в 4-5 раз, и кроме •этого в разработанной методике, в отличие от "классического" метода матриц Берремана, устранен эффект "интерферометра Фабри- Перо", который на практике не наблюдается. Это позволяет считать, что для моделирования характеристик электрооптических эффектов в ЖК и ЖК- устройств отображения информации метод матриц когерент-

и

кости и Джонса вполне пригоден, адекватно описывает устройство или характеристики эффекта и более практичен, чем метод матриц Берремана.

Третья глава работы посвящена описанию системы компьютерного моделирования характеристик электрооптических эффектов в Ж и Ж-устройств .отображения информации. Отмечается, что существующие системы компьютерного моделирования рассматривают неполный объем задач моделирования и имеют малое быстродействие.

В параграфе 3.1 представлено подробное описание системы компьютерного моделирования "ЭЛЕКТРООПТИКА- М", основанной на разработанных нами вычислительных методах.

Компьютерная система "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" предназначена для моделирования характеристик таких электрооптических эффектов в Ж, как эффект двойного лучепреломления в сверхзакрученных, закрученных и незакрученных структурах Ж , твист- эффект и эффект "гость- хозяин", эффект двулучепреломления в я- ячейках, "штопор"- эффект.

Система- "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" позволяет рассчитывать: •

- цветовые координаты, спектры пропускания, среднее по спектру пропускание и пространственные характеристики в зависимости от управляющего электрического напряжения, упругих и диэлектрических постоянных Ж-материала, углов закрутки структуры и преднаклона Ж и от конструктивных особенностей устройства;

- времена реакции и релаксации оптического отклика Ж- -дисплея в зависимости от физических и конструктивных параметров устройства и рабочего вещества;

- пороговое напряжение возникновения полосовых диэлектрических доменов неустойчивости в закрученных структурах Ж.

При моделировании статических и динамических свойств эффектов в Ж используется полный набор физических постоянных Ж и конструктивных параметров Ж- устройства. Моделирование характеристик Ж-эффектов проводится в итерактивном режиме и не требует от пользователя специальной подготовки в области программирования. Пакет программ выполняет пошаговое моделирование в следующей последовательности:

- расчет статического поля конфигурации директора Ж в зле-

ктрическом поле;

- расчет статического оптического отклика Ж- дисплея на управляющее электрическое напряжение;

- расчет динамики переориентации директора Ж при переключении управляющего электрического напряжения;

- расчет времен реакции и релаксации Ж- дисплея при переключении рабочего напряжения;

- расчет порогового напряжения возникновения диэлектрических полосовых доменов неустойчивости в структуре Ж.

- Шаги моделирования-выполняются программными модулями, перечисленными выие, каждый из которых имеет свой набор входных параметров. Моделирование характеристик электрооптических эффектов в Ж- может выполнятся отдельными программными модулями вне системы. Комплекс программ "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" в отличие от других позволяет решать более широкий круг задач, а именно: моделировать характеристики "штопор"- эффекта; моделировать характеристики эффекта двулучепреломления л- ячейках. Особо следует отметить, что только в разработанной нами системе компьютерного, моделирования существует возможность исследования условий возникновения полосовых диэлектрических доменов неустойчивости при ненулевых углах предна-.клона молекул Ж в различных Ж- структурах. Кроме этого высокое быстродействие разработанного программного обеспечения позволяет выполнять моделирование характеристик электрооптических эффектов в Ж и осуществлять поиск оптимальных физических параметров Ж и конструктивных Параметров Ж- ячеек в реальном масштабе времени, что, как правило, до этого не делалось из- за большого числа параметров, которые существенным образом влияют на выходные характеристики эффектов и Ж- устройств.

В параграфе 3.2 представлены результаты сравнения экспериментальных и рассчитанных характеристик электрооптических эффектов в Ж- ячейках.

Экспериментально и теоретически исследовались зависимости пропускания от напряжения и индикатрисы контрастного отношения Ж- индикаторов на твист- эффекте и эффекте "гость- хозяин" для ячеек, заполненных- 4- п- пентил- 4'-цианобифенилом (5ЦБ) с добавлением дихроичного красителя.

На рис. 1 показаны рассчитанные и экспериментальные зависмо-сти пропускания от управляющего напряжения для Ж- индикаторов на

и

' I

Рис 1 Экспериментальные и вычисленные зависимости пропускания от напряжения для Ж- ячеек на твист- э#екте и эф^кте "гость-

хозяин": • •

а- твист- ячейка, толшна ячейки 9.2 мкм. поляроиды скрещены; б-

ячейка на эффекте "гость- хозяин" с закрученной структурой и

поляроидом; в- ячейка на эф^кте "гость- хозяин" с закрученной

структурой без поляроида; толщина Ж- ячейки 3.95.мкм Ш и

мкмЧ23. Расчет: сплошные линии для длины волны света 510 нм;

штриховые для.615 нм; х - эксперимент.

твист- эффекте и эффекте "гость-хозяин" при нормальном падении света на устройство. Для Ж- индикатора на твист- эффекте сравни-ваемьш величинами выбирались пропускания на 90% и 10%- ых уровнях от начального и соответствующие им управляющие напряжения, а также крутизна вольт- контрастной характеристики. Расхождение между вычисленными и экспериментальными значениями этих величин не превыиает 10%. Для Ж- индикаторов на эффекте "гость- хозяин" сравнивались зависмости пропускания от напряжения по абсолютной величине. Различие вычисленных и измеренных величин пропускания не превыиает 2УЧ Такое__расхождение экспериментальных и расчетных данных для обоих типов Ж- индикатров находится в пределах погрешности эксперимента.

На рис. 2 представлены экспериментальные и вычисленные индикатрисы приведенного контрастного отношения для Ж- устройства на твист- эффекте при угле падения света 45°. Среднее расхождение между экспериментальными и расчетными значениями приведенного контрастного отношения не превыиает 26%. На рис. 3 показаны экспериментальные и вычисленные индикатрисы контрастного отношения для Ж- индикатора на эффекте "гость- хозяин" при угле падения 45°. Среднее расхождение между измеренными и рассчитанными индикатрисами не превыиает 6%. Для меньших углов падения света в воздухе это различие между экспериментальными и расчетными данными становится меньше.

Хорошее количественное совпадение экспериментальных и рассчитанных данных, высокое быстродействие компьютерной системы "ЭЛЕКТРООПТИКА- М" и широкий круг решаемых задач говорят о том. что разработанный комплекс программ позволяет производить моделирование характеристик как электрооптических эффектов в Ж. так и промьшленно выпускаемых Ж- устройств, и тем самым осуществлять поиск оптимальных параметров Ж и конструкции устройства на этапе их проектирования и в большой степени освободиться от дорогостоящего натурного моделирования, которое до настоящего времени занимает достаточно значительное место.в разработке и проектировке новых устройств отображения информации на Ж.

В четвертой главе рассмотрены результаты исследований характеристик электрооптических эффетов в Ж.

В параграфе 4.1 представлены результаты исследований характеристик эффекта "гость- хозяин" в Ж- ячейках с отражателем и

Рис.2 Экспериментальные С®;' х) и вычисленные (1, 2У индикатрисы приведенного контрастного отношения для ЖК— ячейки на твист-эффекте:

1 - длина волны падающего света 534 нм; 2 - длина волны падающего света 623 нм. Толщина ячейки 7.3 мкм.

Г за'. г ч У*

> Iе V 1 г т

\о ^

т'

270'

а .

Рис.3 Экспериментальные О, х} и вычисленные (1, 23 индикатрисы контрастного отношения для__ ЖК- ячейки на эффекте "гость-хозяин":

1 - твист- ячейка без поляроида; 2 - твист- ячейка с поляроидом. Толщина ячейки 6 мкм СаЗ и 13.6 мкм С б]. Длина еолны падающего света 623 нм.

без отражателя. Установлено, что для 1К- ячеек без отражателя при бесконечно большом напряжении для состояния включено зависимость контрастного отношения от средней оптической плотности рабочего вещества Сили толшины ЯК- ячейки} при увеличении последней достигает насыщения, а при конечных значениях этого напряжения зависимость контрастного отношения от этой- же величины имеет максимум. При этом контрастное отношение эффекта "гость- хозяин" в Ж- ячейках без отражателя почти линейно зависит от параметра порядка дихроичного красителя. В то же время контрастное отношение ЯК-ячеек -'-'гость- -хозяин" -без--отражателя не зависит от среднего пропускания неидеального поляризатора, а определяется только его степенью поляризации. Для Ж- ячеек с отражателем зависимость контрастного отношения от средней оптической плотности дихроичного красителя имеет максимум при любых управляющих напряжениях для состояния включено, наличие которого связано с отражением от внешней поверхности индикатора. В то же время контрастное отношение ячейки "гость- хозяин'' с отражателем возрастает с ростом параметра порядка дихроичного красителя. Зависимости контрастного отношения ячейки с отражателем от параметров неидеального поляризатора Ссреднего пропускания и степени поляризации} аналогичны зависимостям контрастного отношения от оптической плотности дихроичного красителя и его параметра порядка. С другой стороны, зависимость контрастного отношения для эффекта "гость- хозяин" в Ж-ячейках без отражателя от угла наклона молекул Ж на подложках также имеет максимум для напряжений в состоянии включено, отличных от бесконечности, и его контрастное отношение убывает с ростом этого угла в случае, когда напряжение для состояния включено бесконечно велико.

В параграфе 4.2 рассмотрены электрооптические характеристики эффекта двойного лучепреломления в БТИ- структурах Ж. Установлено, что крутизна вольт- контрастной кривой этого эффекта немонотонно зависит от таких физических параметров Ж, как упругие и диэлектрические постоянные Ж, и имеет максимум. В то же время наиболее сильное влияние на крутизну вольт- контрастной кривой оказывает, кроме упругих постоянных Ж, отношение толщины Ж-слоя к шагу спирали Ж. Большое влияние на крутизну вольт- контрастной кривой эффекта двойного лучепреломления в ЗТЫ- структурах Ж оказывают угол преднаклона молекул Ж на подложках в Ж- ячей-

се и величина энергии сцепления 1К- с подложкой. Зависимости крутизны вольт- контрастной кривой от этих параметров носят немонотонный характер с максимумом, при этом влияние энергии сцепления жазывается только в узком интервале изменения ее величины и уме-{ьшение энергии сцепления ниже -некоторого критического значения зриводит к исчезновению самого оптического эффекта. Наличие максимумов в зависимостях крутизны вольт- контрастной кривой эффекта >т различных физических и контруктивных параметров связано с гис-"ерезисными явлениями в ЙТМ- структурах при управлении электрическим полем. ___________

В параграфе 4. 3 представлены результаты исследования динами-[еских характеристик эффекта двойного лучепреломления в БТЫ-¡труктрах Ж. Установлено, что времена реакции и релаксации, определенные по деформационным измениям в Ж, превынают времена ре-кции и релаксации, определенные по оптическому отклику. Зависи-юсть времени реакции от управляющего напряжения при ненулевых глах преднаклона молекул Ж на подложках имеет максимум, а при улеых углах преднаклона эта зависимость монотонна и возрастает с меньшением напряжения. Установлено, что зависимость времени ре-аксации от управляющего напряжения имеет монотонный характер и ремя реакции обратно пропорционально разнице между управляющими апряжениями для состояний включено и выключено, при этом для вы-ора управляющих напряжений с точки зрения уменьшения времени ре-кции можно использовать аналитическую формулу, полученную в при-лижении малых деформаций Ж. Зависимости времен реакции и релак-ации от физических параметров Ж Сотношения упругих и- диэлектри-еских постоянных) немонотонны и аналогичны зависимостям крутизны ольт- контрастной кривой от этих же параметров, то есть одновре-енная реализация высокого быстродействия и большой крутизны во-ьт- контрастной кривой в этом случае затруднена,что объясняется йратно пропорциональной зависимостью крутизны вольт - контраст-ой кривой и времени реакции от разницы между напряжениями для остояний включено и выключено. Показано, что для реализации од-эвременно высокого значения крутизны вольт- контрастной кривой и алых времен реакции и релаксации необходимо использовать тонкие К- ячейки с большим значением оптической анизотропии Ж Дп.

В параграфе 4.4 рассмотрены результаты исследования оптичес-их характеристик различных типов проекционных экранов сверхвысо-

кого разрешения и высокой информационной емкости. На основе этого исследования предложены две новые конструкции для субтрактивного и аддитивного проекционных экранов с использованием технологии фазовых компенсаторов. Предложенные конструкции имеют улучшенные оптические характеристики и более простую технологию изготовления. Кроме этого, для улучшения оптических характеристик полноцветных аддитивного экрана предоложены новая схема управления и метод выбора управляющих напряжений.

В заключении приведены основные результаты, полученные при проведении исследований, которые-кратко можно изложить следующим образом.

1. Разработаны общие метод и устойчивый к заданию начального приближения алгоритм вычисления одномерных распределений углов ориентации директора ЖК в электрическом поле при произвольных граничных условиях молекул ЗЕК на подложках.

2. Разработаны упрощенные быстродействующие метод и алгоритм вычисления светопропуекания ЖК-ячейки, имеющие ту же точность расчета, что и точный метод вычисления.

3. Разработана универсальная компьютерная система "ЭЛЕКТРООПТИКАМ" моделирования характеристик электрооптических эффектов в К г ЖК- устройств отображения информации, не имеющая мирового аналога по широте круга решаемых вопросов и быстродействию вычислений.

4. Проведено исследование характеристик эффекта "гость-хозяин" V установлено существование оптимальных параметров ЖК и ЖК-ячейки. которые обеспечивают наилучшие оптические характеристики этогс эффекта.

3. Проведено исследование характеристик эффекта управляемого электрическим полем двулучепреломления в сверхзакрученных структура; ЖК и показано существование оптимальных физических параметров Ш и конструктивных параметров ЖК-ячейки. которые обеспечивают максимальную крутизну вольт-контрастной кривой при наилучших оптических характеристиках.

8. Проведено исследование динамических характеристик эффекта двойного лучепреломления в сверхзакрученных структурах ЖК. Найден« простое выражение для оценки времени реакции .от управляющего на пряжение. С помощью этого выражения дано объяснение трудности ре ализации одновременно больших величин крутизны вольт- контрастно: кривой и малых времен реакции и релаксации этого эффекта. Показа

ю, что для одновременного достижения высоких значений крутизны юльт- контрастной кривой и малых времен переключения необходимо гспользовать тонкие Ж-ячейки.

Проведено исследование оптических характеристик тройного субъективного экрана, и на его основе предложена новая конструкция зтого экрана, отличающаяся улучшенными характеристиками и более фостой технологией изготовления.

3. Проведено исследование оптических характеристик новой контсру-сции полноцветного проекционного экрана, .базирующегося на фото-юлимерных анизотропных пленках, и имеющего улучшенные оптические сарактеристики.

I Проведено исследование влияние способа управления полноцветным аддитивным проекционным экраном на его оптические характеристики I предложены модернизированный метод управления экраном и новый <етод выбора управляющих напряжений.

Основные результаты опубликованы в следующих работах .. Симоненко Г.В., Татаринов С.И., Цой В.И., Финкель А.Г. Расчет оптических характеристик индикаторов на основе эффекта "гость-хозяин"/''' 3- я научно- технический семинар "Оптические свойства жидких кристаллов и их применение" , Москва 1983 г. С. 104103. , Симоненко Г.В., Цой В.И. Распределение директора жидкого крис талла при нежестком сцеплении молекул с подложкой // 5- я Всесоюзная конференция "Жидкие кристаллы и их практическое использование ,,Иваново, 1985. Т. 1 С. 36. з. Симоненко Г.В., Финкель А.Г., Цой В. И. Пространственные оптические характеристики жидкокристаллических индикаторов, работающих на основе эффекта "гость- хозяин"// 5- я Всесоюзная конференция "Жидкие кристаллы и их практическое использование , Иваново, 1985. Т.2. С. 139 1. Симоненко Г.В., Финкель А.Г., Цой В. И.. Бурханов А. И. Пространственные оптические характеристики жидкокристаллических индикаторов, работающих на основе эффекта "гость - хозяин" // Эл. техн. Сер. 4. 1985. В. 2. С. 64- 68. 3. Сухариер A.C., Буланов В.М. , Бурханов А.И. , Липатова Т.А., Симоненко Г. В. , Финкель А. Г., Цой В. И. Численное моделирование жидкокристаллических индикаторов на твист- эффекте// Эл. техн. Сер.4. 1S35. В.З. С.50- 54.

6. Симоненко Г.В., Цой В.И., Финкель А.Г. , Яковлев H.A., Мельникова Г.И. Численное моделирование жидкокристаллических индикаторов методом матриц когерентности// Тез. Всесоюзного семинара "Оптика жидких кристаллов" Москва. 1937. С. 233- 235.

7. Симоненко Г.В.,» Татаринов С. И. , Финкель А.Г., Яковлев Д. А. Электрооптические характеристики жидкокристаллических индикаторов. работающих на основе эффекта гость - хозяин// Тез. докл. союзного семинара "Оптика жидких кристаллов" Москва. 19S7. С. 99- 100.

8. Симоненко Г.В., Татаринов С. И.. Финкель А.Г.. Яковлев Д. А. Электрооптические характеристики жидкокристаллических индика-торов^ работающих на основе эффекта "гость-хозяин"// Эл. техн. Сер. 4. 1988. В. 1.С. 43-47

9. Симоненко Г.В.. Цой В.И., Финкель А. Г. Исследование поведения холестерического жидкого кристалла"с большим шагом спирали в электрическом поле // Тез. докл. 6-ой Всесоюзной конф. "Жидкие кристаллы и их практическое использование" Чернигов.1988.Т. 2. С. igi.

10. Яковлев Д. А.,Мельникова Г. И. .Симоненко Г. В. .Финкель А. Г. Электрооптические характеристики IK-устройств на основе эффекта "супертвист" // Тез. докл. 6 Всесоюзной конф. "Жидкие кристаллы и их практическое использование". Т.4. Чернигов. 1988, С. 474.

И. Яковлев Д.А. ,Симоненко Г.В..Финкель А. Г. .Мельникова Г.И. Чис ленное моделирование электрооптических характеристик ЖКИ с диффузным зеркалом при реальных условиях освещения// Тез. докл. 6 Всесоюзной, конф. "Жидкие кристаллы и их практическое использование". Т. 4. Чернигов. 1988. С.475.

12.Симоненко Г.В. .Яковлев Д. А. .Цой В^И..Финкель -А. Г.,. Мельникова Г. И. Моделирование жидкокристаллических индикаторов на основе матриц когерентности и Джонса // Эл. техн. Сер.4. 1988. •В. 2. С. 36-41.

13. Сухариер А.С., Симоненко Г.В., Куйбарова В.А. Влияние параметров поляроидов на электрооптические характеристики и парметры ЖКИ на твист- эффекта// Эл. тех. Сер. 4. В. 4. С. 28-30.

14.Симоненко Г.В.. Цой В.И., Яковлев Д.А.. Мельникова Г.И., Финкель А. Г. Влияние физических параметров ЖК на степень мультиплексирования и распределения директора в устройствах на эффе-

кте "супертвист" /<■Эл. техн. Сер.4. 1890. Б.1. С.5S-S2.

15.Мельникова Г.И. , Симоненко Г.В., .Цой В.И.. Финкель А.Г., Система математического моделирования устройств отображения информации на жидких кристаллах // Тез. докл. 2 Всесоюзного сем. "Оптика жидких кристаллов". Красноярск, 19S0. С.244-245.

16. Сухариер A.C., Липатова Т.А., Симоненко Г. В., Яковлев Д. А. Численное моделирование 1КИ на супертвист-эффекте // Тез.-докл. 2 Всесоюзного сем. "Оптика жидких кристаллов". Красноярск, 1990. С.246-247.

17. Яковлев Д. А. , Симоненко Г.В., Варыгина Л. А. Математическое моделирование черно-белых матричных экранов на основе супертви-стовых ЖК-структур// Тез.докл. 2 Всесоюзного сем. "Оптика жидких кристаллов". Красно- ярск, 1990. С.248-249.

18. Финкель А.Г., Цой В. И. , Симоненко Г.В., Яковлев Д.А., Мельникова Г. И. Комплекс программ для математического моделирования оптических и электрооптических характеристик жидкокристаллических устройств отображения информации "ЭЛЕКТРООПТИКА". Инф.. лист. N.210-S9, Саратов, меж. тер. ЦНТИ. 1989.

19.Симоненко Г.В.. Яковлев Д.А., Цой В.И., Финкель А.Г.Пакет программ "ЭлЕКТРООПТИКА-2" для моделирования оптических и электрооптических характеристик устройств отображения информации на жидких кристаллах. Инф. лист. N.62-91, Саратов, меж.

■ тер. ЦНТИ. 1991.

20.Siraonenko G.V. , Yakovlev O.A.. Tsoy V.l., Finkel" A.G. ELECTR00PTIC-2: An effective software tool for liquid-crystal -device research and development// Abs. Summer European Liquid Crystals Conference Vilnius 1991. Vol.2. P. 165.

21.Сухариер A.C., Линькова И.С.,,Цой В.И., Симоненко Г.В. Особен' ности парметров быстродействия и их зависимость от параметров

Ж и Ж- структуры в Ж- ячейках на супертвисте// Эл. тех. Сер. 4 1991. В. 4. С. 59- 64.

22. Sucharier A.S. , Linkova I.S., Zoi V.l., Simonenko G. V. Stand, und Problem von Flussigkristallanzeiger mit hohen Informationsinhalt// 2.Berliner Optiktage "Optik 1991", Berlin, 1991. S. 37.

23.Симоненко Г. В. Характеристики STN- дисплеев при различных условиях . ориентации жидкого кристалла на подложках// Эл. тех. Сер. 4. 1992. В. Г:С. 13.

'24.Симоненко Г.В., Яковлев Д. А. , Цой В. И., Сухариер А. С. Новый пакет вычислительных программ для решения исследовательских и прикладных задач в технике ЖИ. Особенности и примеры применения. // Эл.техн. Сер.4. 19S2. В. 1. СЛЗ.

25.Сухариер А.С., Линькова И. С., Цой В.И., Симоненко Г. В. Особенности динамических характеристик Ж- ячеек на STN- структурах// Эл. тех. Сер. 4. 1992. В. 2. С. 9.

26. Tsoy V. I.. Simonenko G.V.. Chigrinov V.G. Calculation of dielectric strips in pretilted supertwisted display// Abs. the 14th Internatinal Liquid Crystal Conference. Pisa, Italy, 1992. Vol. 2. P. 817. ---------- "-------------

27.Yakovlev D.A., Simonenko G.V., Kozenkov V. M. , Chigrinov V.G. , Schadt M. New Concept to Achieve In Situ Color Filters in STN-LCDs with Linearly Photopolimerized СLPP3-Substrates. Proc. SID CEURODISPLAY'93 Int.conf.Э. 1993. Vol.2. P.50-52.

28. Yakovlev D. A., Simonenko G. V. , Kozenkov V. M., Chigrinov V. G. , Schadt M. New Concept to Achieve In Situ Color Filters in STN-LCDs with Linearly Photopolimerized CLPPD-Substrates. Abstr. EUR0DISPLAY'93 Int. conf., September 1-3, 1993. Vol.1, p.244.

29.Yakovlev D.A., Simonenko G.V., Reznikov V.M. , Chigrinov V.G., Belyaev S. V. , Maiimonenko N. V., Schadt M. New concept of supertwisted color displays without application of isotropic dye filters. // Abstr. Eur. Conf. on Liquid Crystal Science and Technology, 7-12 March, 1993, Flims, Switzerland;. P.96.

30.Tsoy V. I., Simonenko G.V. , Chigrinov V.G. Dielectric stripes in pretilted supertwisted layers// Liq. Cryst. 1993. Vol. 13. N. 2. P. 227- 231.

31. Brezhnev V. A., Studentsov S. A., Simonenko G.V., Jakoviev D.A., Tsoi V.I. Design and Engenering characteristics of a high in formation content STN LC- screens// Abs. Internatinal school Advanced displays technologies. Lviv, Ukrain, 1994.P.57.

32.Simonenko G.V. Optical properties comparization of the LC displays based on the use additing and subtractive methods of multicolor image formation // Abstr 15 th International Liquid Crystal Conference 1994. Budapest,Hungary, 1994. Vol.2. P. 934.

33.Yakovlev D. A. , Simonenko G.V. Electrooptics' 4R: An effictive software tool for simulation and optimization of supertwisted

nematic displays // Abstr 15 th International Liquid Crystal Conference 1994. Budapest,Hungary, 1994. Vol.2. P. 945.

34.Yakovlev D. A. Simonenko G.V., Tsoy V.I. et al Computer modeling of liquid crystal Electrooptics by uneversal system СMOUSE- LCD) // Abstr IS th Internationa] Liquid Crystal Conference 1994. Budapest,Hungary, 1994. Vol.2. P. 952.

35. Симоненко' Г. В. Сравнение . характеристик проекционных IK STN-экранов// Оптич. жур. 1995. N.1.

36.Симоненко Г. В. Повышение цветового контраста в DSTN- дисплеях-/V Сптич. жур. 1SS5. N. 2.

37.Chigrinov V.G., Simonenko G.V. Supertwist-Nematic-Based Projection Liquid Crystal Screen // Abstr. Symposium on Electronic Imaging Science and Technology, San Jonse, USA, 1995 IS&T/SPIE P. 73

33.Yakovlev D.A., Simonenko G. V., Tsoy V.I.,-Chigrinov V.G., Kho-khlov N. A. , Podiachev Yu. B. Computer Simulation Of Liquid Crystal Electrooptics By Universal Modeling System CMOUSE-LCD) // Abstr. Symposium on Electronic Imaging Science and Techno

logy, San Jose, USA, 1955 IS&T/SPIE P. 72