电场对铁电液晶分子排列的影响

第12卷　第1期液　晶　与　显　示V o l112,N o11

　1997年3月Ch inese Jou rnal of L iqu id C rystals and D isp lays　M ar1,1997电场对铁电液晶分子排列的影响α

李建军　邵喜斌　黄锡珉

(中国科学院长春物理研究所,长春　130021)

(北方液晶工程研究开发中心,长春　130021)

摘 要

本文通过在铁电液晶相变过程中施加交变电场的方法,研究了电场对铁电液晶分子排列的作用。实验表明在液晶相变点附近施加低频交变电场,能够使铁电液晶分子形成均匀排

列,从而提高了铁电液晶器件的记忆效应与对比度,最后我们给出了合理的理论解释。

关键词　铁电液晶(FL C),分子排列,准书架式结构

1　引 言

自1980年C lark与L agerw all发现了铁电液晶的表面双稳[1]现象以来,铁电液晶显示器以其响应速度快、记忆特性好和对比度高等特点,显示出将具有广阔的应用价值,在当时引起了人们的极大关注,曾被誉为是下个世纪最有发展潜力的液晶显示器[2]。但十几年过去了,铁电液晶显示器并没有真正的走入市场,其中主要的技术原因是很难得到均匀的分子排列[3]。为解决这一难题,国内外的科学工作者一直在努力寻找有效的办法。本文报道了利用铁电液晶材料具有宏观自发极化的特点,在液晶注入的过程中,对液晶盒施加交变电场,利用电场力的作用使液晶分子排列一致。实验结果表明这种方法对铁电液晶分子的取向确实起到了很有意义的影响,实验得到了均匀排列的分子取向织构。

2　实验部分

实验中使用的铁电液晶材料是SCE-9(from M erck com p any)其相变顺序为:I so(114 铁电液晶盒的制作过程如下:

1)将涂有ITO的玻璃基板在匀胶机上均匀涂上聚酰亚胺(P I)后,在300℃的环境下将基板固化2个小时;然后在摩擦机上进行摩擦,对液晶盒两玻璃基板上的摩擦为平行方向摩擦(预倾角大约为3°),最后封盒制成待用的液晶样品盒。

2)将未灌注液晶的空样品盒放入自制的控温系统中,当系统处于130℃的时候,将铁α1997年2月14日收到

电液晶注入液晶盒内,此时的铁电液晶处于各向同性状态,然后控制系统温度缓慢下降,

速率为5℃ h ;特别是在S A 至S 3c 相变点附近降温的速率更慢,约为0.5℃ h 。

3)当系统的温度为90℃的时候,铁电液晶处在S A 相至S

3c 相相变状态,此时在样品

盒上施加交变方波电场,所施电场的频率为几赫兹至几十赫兹,幅度为20V ～50V ,

加电

(a

)(b )

图1　偏光显微镜下不同铁电液晶器件的分子织构(a )

普通的液晶器件(相变过程中未施加电场)(b )在

S A 相施加过电场(c )在S 3c 相施加过电场F ig .1　T he different textures

fo r all k

inds ferroelectric

liquid crystal devices under electric field effect

to the phase sequence

(a )(b )

311期　李建军等:电场对铁电液晶分子排列的影响

(c )图2　不同电场条件下的铁电液晶的分子排列织构(a )±20V ,10H z ;(b )±30V ,20H z ;(c )±50V ,5H z F ig .2　T he mo lecular textures under diffrent electric field conditi on in S A -S 3c phase sequence

的时间为1分钟。最终选定的电场频率为10H z ,

幅度为50V ,这样得到的实验效果较好。

4)系统降温至S 3c 相。将样品盒放在偏光显微

镜下观察铁电液晶分子的排列织构,并用存贮示波

器测量其记忆特性与响应时间;利用视见函数修正

探测器测量对比度。同时我们对普通的铁电液晶盒

(相变过程中未加电场)和不同铁电液晶状态下加电

的样品盒也进行了上述的测试,其结果用于比较。

3　结果与讨论

普通的表面双稳铁电液晶盒与在不同液晶状态

下经过加电处理的表面双稳铁电液晶盒的分子排列

织构如图1所示。通过偏光照片我们可以明显地看

出,普通的铁电液晶盒中存在着很多的缺陷,而加

电后的液晶盒的织构普遍比较均匀,特别是在S A

液晶相经过交变电场处理的分子排列十分均匀。在此液晶状态下,改变交变电场的频率与峰值所得到的不同分子排列织构如图2所示。从图可见,频率为5H z 、峰值为50V 的效率最好。所有不同的表面双稳铁电液晶盒的记忆特性的测试曲线如图3所示,对比度与响应时间列如表1。从实验结果中我们可以看出在S A 相

至S 3c 相相变过程中经过电场作用过的液晶盒的记忆特性非常好,对比度很高,这大大提高了器件的显示性能。

图3　铁电液晶器件的记忆特性曲线(a )普通的液晶器件(相变过程中未施加电场)(b )在S A 相施加过电场(c )在S 3c 相施加过电场F ig .3　T he op tical response to the bi po lar pulses (±20V )of the different ferroelectric liquid crystal devices

以上的实验结果可这样来解释,

铁电液晶材料的突出特点是铁电液晶

分子的结构是手性的,宏观上具有

自发极化值,这样铁电液晶分子在外

电场的作用下会很快翻转,这就是铁

电液晶显示器件具有迅速响应特性的

原因。正是由此,如果在制作铁电液

晶器件的过程中,当往器件注入液晶

的同时,在铁电液晶缓慢降温至S A

相的过程中对其施加外部强电场,由

于液晶分子会受到很强的电场力的作

用,再加上液晶盒基板表面聚酰亚胺

的取向作用,此时会使液晶盒内部的液晶层发生改变,形成准书架式结

构[4],如图4所示。图4(a )是液晶在降温过程中处在S A 相,当系统的温度继续下降时,液晶发生S A 到S 3c 相的相变;由于铁电

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