扭曲向列相液晶电光效应的微观机理研究

赵永潜，张亚萍，许广建，刘金柱，房灵猛

(中国石油大学(华东)， 山东 青岛　266580)

*通讯联系人

扭曲向列相液晶电光效应的微观机理研究

赵永潜，张亚萍*，许广建，刘金柱，房灵猛

(中国石油大学(华东)， 山东 青岛266580)

摘 要：为了探究液晶电光效应的微观机理，以扭曲向列相液晶为研究对象，对液晶分子的变化情况进行了理论分析。运用连续体弹性理论分析了扭曲向列相液晶分子的指向矢取向变化，并对液晶电光效应曲线不同区间范围液晶微观结构的变化进行了系统分析。结果表明:液晶分子在零电场条件下的扭曲是均匀的；当外加电场大于某一值时，液晶分子开始转向，液晶产生电光效应。研究结果对液晶显示器件设计和深入理解液晶电光效应机理具有一定的指导意义。

关键词：电光效应；扭曲向列相液晶；连续体弹性理论；自由能

液晶电光效应在物理、化学、电子等诸多领域有着广泛的应用，例如电光开关[1,2]、光调制器[3,4]、光通信[5]、激光器Q开关等，特别是在液晶显示[6-10]相关研究方面，电光效应发挥了重要作用。因此，对液晶电光效应的研究有着重要应用价值和发展前景。液晶的结构介于固态晶体与各向同性液体之间，液晶分子在形状、折射率、电导率及介电常数[11-13]上具有各向异性。如果对液晶施加电场，液晶分子轴的排列变化和液晶分子的流动就会发生不稳定的现象，从而引起其光学特性发生变化，这就是通常所说的液晶电光效应。本文重点从微观机理角度对液晶的电光效应进行系统分析和研究。

1扭曲向列相(Twisted Nematic，TN)液晶盒的基本原理

扭曲90°向列相液晶盒的基本结构类似于三明治，如图1所示，在两块玻璃基板间夹有正性液晶材料，液晶层厚度一般为5～8 μm ，玻璃板的内表面涂有透明电极，作为电路驱动的公共电极，电极的表面预先做定向处理，贴近透明电极表面的液晶分子就会处于摩擦所形成的微沟槽里，使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极的定向方向相互垂直。由于力的作用，中间液晶层的液晶分子由于范德瓦尔斯力的作用，其长轴取向逐渐从上电极过渡到下电极，因此称为扭曲向列相液晶。

图1　液晶盒剖面图

在两端玻璃的外侧分别紧贴一张偏振片，其透振方向分别与电极的定向方向相同。无外加电场作用时，垂直入射到玻璃基片上且偏振方向平行于偏振片P1的线偏振光在通过液晶盒的过程中，其偏振方向将顺着液晶分子的扭曲方向偏转90°，从偏振片P2出射；当对液晶施加电压，并且电压大于阈值电压(这里的阈值电压指液晶分子开始转向时的电压，而工业应用中的阈值电压指液晶透光率变化10%的电压值)时，液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜。当外加电压足够大时，除了接近电极的分子被锚定外，其他分子的长轴都将倾向于平行电场的方向重新排列，从而导致液晶分子的旋光性消失，如图2所示。

图2　电场中液晶盒剖面图

2实验测量

实验采用液晶光开关电光特性综合实验仪(成都世纪中科，ZKY-LCDEO-2型)测量液晶的电光特性曲线，采用波长为632.8 nm的激光光源，垂直入射到向列相(TN)液晶片上，该液晶屏为上述液晶盒在玻璃外表面紧贴两片偏振片，其透振方向分别和电极的定向方向相同，其光路如图3所示。

图3　实验测量装置

调节激光发射器位置，使得激光光源垂直通过液晶屏，再经过入射孔垂直照射到光探测器上，在液晶屏静态0 V的供电条件下，将其透过率显示校准为100%，调节电压值从0 V变化至3 V，记录对应电压下液晶的透过率数值T，做出液晶电光特性曲线，如图4所示。由图4可得该实验条件下液晶的阈值电压为0.97 V，关断电压为1.48 V，当电压在0～0.92 V之间时，液晶屏的透过率变化甚微；当电压在0.92～1.56 V之间时，透光率曲线迅速下降，当外加电压大于1.60 V时，液晶屏透光率几乎为零。

图4　液晶屏电光效应曲线

3微观机理分析

3.1液晶分子的化学结构模型

液晶分子一般具有两大特点：第一，分子是细长的筷子状或长棒型，理论研究表明[14]，它的长宽比至少要大于4才可能形成液晶相；第二，分子是刚性的，通常液晶分子结构通式如图5所示。

图5　液晶分子结构

3.2液晶的连续体弹性理论

3.2.1指向矢(Pointing vector)

3.2.2液晶中的形变(deformation)

液晶易于变形，对外场很敏感，即使是很小的电场、压力或表面吸附都能使液晶产生形变，这时， 是位置 的函数，液晶中可以独立存在3种弹性形变：展曲、扭曲和弯曲形变[16],如图6所示。

3.3液晶电光特性的数学分析

3.3.1扭曲90°向列相液晶的分子取向

如图7所示，液晶分子指向矢在两边平面上平行于平面取向，分别与x轴和y轴平行，在两面之间沿着z轴在X-Y轴平面上扭转。

图7　液晶分子的扭转

依照图7中的坐标系，液晶的指向矢可以表示为(cosφ，sinφ,0)，因无外场作用，液晶弹性自由能可以表示为

(1)

(2)

结合边界条件

z=0时，φ(z)=0；

(3)

(4)

得

(5)

式(5)表明，扭曲90°向列相液晶盒内液晶分子的扭曲角φ(z)与液晶分子离开边界的距离呈线性关系，由此说明在图1中，液晶分子长轴取向从上电极过渡到下电极是均匀变化的。如果顺着光入射的方向看进去，液晶分子取向变化呈螺旋状变化，如图8所示。

图8　液晶分子的指向矢变化

3.3.2零电场垂直入射条件下向列相液晶的透过特性

(6)

(7)

本实验中入射光波长λ=632.8 nm，当T=1时：

Δnd=0.55 μm、1.26 μm、1.87 μm、2.51 μm、3.15 μm、……以Δnd为横轴，以透过率为纵轴，可得液晶屏透过率关系曲线如图9所示：

图9　液晶屏的透过率曲线

由图9可以看出，在第一极大值点附近,液晶屏厚度的微小误差就会引起透过率的较大变化。此后，液晶屏厚度引起的透过率变化就小得多，液晶屏透过率更趋稳定。但液晶屏厚度增加，一方面会加大液晶用量，制造成本增加；另一方面，LCD的响应时间与液晶屏厚度的二次方成正比[18-19],液晶屏厚度的增加会极大地降低液晶屏的性能，因此实力雄厚的生产厂家都努力减小液晶屏的厚度。

3.3.3外加电场下扭曲90°向列相液晶的透过率

液晶处于电场中，因液晶分子的各向异性，外加电场使得液晶分子有沿外场取向或垂直于外场取向的趋势，使液晶分子处于自由能最小的状态。如图10所示，

图10　液晶指向矢

液晶屏的一个电极在XY平面上，入射光沿Z轴入射，液晶分子的指向矢n与XY平面的夹角为θ0，n在XY平面上的投影与x轴之间的夹角为φ，液晶屏中任一点的指向矢可以表示为

n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ)

(8)

对扭曲90°向列型液晶，电场下的自由能密度为[17]:

(9)

式中第一项表示展曲形变自由能密度，第二项表示扭曲形变自由能密度，第三项表示弯曲形变自由能密度，最后一项为外电场对液晶自由能密度的贡献。于是XY平面单位面积上的自由能为:

(10)

要使液晶自由能最小，仍需对F进行变分处理再代入Euler - Lagrange方程，前文中已有详细推导，此处不再赘述，结合边界条件，解得液晶分子开始转向时的电压为

(11)

式(11)表明，当液晶所受电压小于Vth时，液晶分子保持原来取向，当液晶两端电压大于Vth时，液晶分子才开始转向，这就解释了图4电光效应曲线中，液晶透过率在0.92 V以内没有变化，当电压在0.92～1.56 V之间时，透光率曲线迅速下降的现象。液晶光学性质的跃变是由液晶分子在外场为 附近发生转向引起的。

4结论

本文从分析液晶实验测量的电光效应曲线入手，结合实验结果阐述了液晶分子的结构特点，指向矢取向，液晶弹性自由能等基本理论，并运用连续体弹性理论解释了TN型液晶在零电场和非零电场条件下的透过特性，证明了液晶零电场条件下分子取向的变化呈线性规律，给出液晶在外场条件下的理论模型并计算出液晶分子开始转向时外电场的代数解。研究结果对深入理解液晶电光效应机理具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]沈浩,肖胜安,徐克.铁电液晶单池的制备与电光开关特性研究[J].中国激光,1994,21(11):904-908.

[2]王瑞波,查子忠,张雷,等.由液晶电光开关构成的光学逻辑与存贮器件[J].哈尔滨工业大学学报,1989(6):1-4.

[3]陈怀新,魏宏刚,陈祯培，等.采用液晶空间光调制器的可控性阵列菲涅耳波带片[J].光子学报，2001,30(5):562-566.

[4]席思星,王晓雷,黄帅,等.基于扭曲向列液晶空间光调制器的矢量光生成[M].2015(11):140-146.

[5]任广军，赵杰林,姚建铨.光通信波段液晶双折射效应的研究[J].激光技术，2011,35(2)：242-245.

[6]黄锡珉.LCOS技术的发展[J].液晶与显示,2002,17(1):1-5.

[7]鲁法珂,李海峰,顾培夫,等.扭曲相列相液晶显示宽视角膜的理论设计[J].浙江大学学报(工学版)2008,42(2):303～306.

[8]慕建伟,姚军,吕颖琦.基于双探头的新型液晶显示器响应时间测量方法的研究[J].光电子·激光,2008,19(2):218-220.

[9]杨萍萍，马亮，段秀芝，等.基于Matlab平台的液晶电光效应实验[J].大学物理实验，2014(2)：90-90.

[10] 王必利，王慧.向列相液晶电光特性研究[J].大学物理实验，2011(2)：4-6.

[11] V.Manjuladevi,Raj Kumar Gupta,Sandeep Kumar.Effect of Functionalized Carbon Nanotube on Electro-optic and Dielectric Properties of a Liquid Crystal[J].Journal of Molecular Liquids,2012(171):60-63.

[12] 王林香.光电效应伏安特性实验改进研究[J].大学物理实验，2016(1)：60-63.

[13] 徐金瑛，鲁晓东.用Mathematica实现光电效应实验的曲率法数据处理[J].大学物理实验，2015(6)：94-98.

[14] 李宏，张家田.液晶显示器件应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004:59.

[15] 李伯符.液晶物理[J].液晶与显示,2000,15(2):131-153.

[16] 刘红.弹性形变对丝状相液晶相变的影响[J].物理学报,2000,49 (5)：931～935.

[17] C.H.Gooch,H.A.Tarry.Optical Characteristic of Twisted Nematic Liquid-crystal Films[J]Electronic Letters，1974,10(1):2-4．

[18] 黄子强.液晶显示原理[M].北京：国防工业出版社，2008：142-144.

[19] R.N.Thurston,D.W.Berre man.Equilibrium and Stabilityof Liquid-crystal Configurarions in an Electric Field[J].Appl Phys 1981,52 (1)：508 - 509.

A Study on Microcosmic Principle of Twisted Nematic Liquid Crystal Electro-Optic Effect

ZHAO Yong-qian,ZHANG Ya-ping,XU Guang-jian,LIU Jin-zhu,FANG Ling-meng

(China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580)

Abstract：To explore the microscopic mechanism of liquid crystal electro-optic effect,using twisted nematic phase liquid crystal as the research object,the changes of the liquid crystal molecules were analyzed in theory.Using the continuum elastic theory analyzed the changes of orientation vector of twisted nematic liquid crystal molecules,and systematically analyzed the microstructure changes of liquid crystal in different range of liquid crystal electro-optic effect curve.The results showed that the distortion of liquid crystal was uniform under the condition of zero electric field；when the applied electric field was more than a certain value,the liquid crystal molecules began to change directions,and liquid crystal electro-optic effect was produced.The results for the design of liquid crystal display device and deep understanding of mechanism of liquid crystal electro-optic effect have a certain guiding significance.

Key words：electro-optic effect；twisted nematic liquid crystal；continuous elastic theory；free energy

收稿日期：2015-11-07

基金项目：国家自然科学基金面上项目(21476262)；教育部高等学校教学研究项目(DWJZW201522hd)；中国石油大学(华东)教改项目(JY-A201402)；中国石油大学(华东)大学生创新训练计划项目(20151288)；中国石油大学(华东)自主创新科研计划本科生项目(2015)

文章编号：1007-2934(2016)02-0001-05

中图分类号：O 469

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.002.001