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Thresholdless electrooptical mode in Ferroelectric Liquid Crystals

Podgornov, Fedor V. :
Thresholdless electrooptical mode in Ferroelectric Liquid Crystals.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thresholdless electrooptical mode in Ferroelectric Liquid Crystals
Language: English
Abstract:

The main aim of the present work was the investigation of the mechanism of the thresholdless hysteresis free electrooptical mode-V-shaped mode - in the chiral smectic C* phase of Ferroelectric Liquid Crystals. The present work was based on the assumption that the crucial factor for the V-shaped mode is a form of the electric field applied to the FLC layer. Such a specific electric field is the consequence of the dynamic voltage divider formed by the alignment/insulating layers and a FLC layer. To prove this hypothesis, experimental and computer modelling techniques were utilized. In the experiments we investigated a number of FLC mixtures which parameters (spontaneous polarization, viscosity, tilt angle, response time) are varied in a broad range. This was to demonstrate that the V-shaped mode is a general effect in FLC’s and , namely, the dynamic voltage divider plays a crucial role. First, we demonstrated that the FLC cell is real dynamic voltage divider. For that purpose it was demonstrated that the capacitance of the FLC layer of the standard cell filled with the mixture Felix 015/000 (Clarian) decreases at more than 10 times upon the application of the external electric field, whereas other parameters (mainly resistivity of both of the layers) are constant. To confirm our assumption about the role of the dynamic voltage divider, we modelled its electrical parameters by attaching external elements a) the capacitor in series to modify the alignment layers capacitance and b) the parallel resistivity to modify the FLC layer conductivity. As a result, we observed the dramatic increase of the value of the inversion frequency. In addition the external capacitance allowed us to measure the voltage applied to the FLC layer. As it was expected, this voltage has a different form and amplitude than the total one. When we plotted the electrooptical response as a function of this voltage on one side and the total voltage on the other side we saw that the electooptical response is really thresholdless and hysteresis free, but only for the latter case. For the former one it has a typical hysteresis loop. It means that the V-shaped switching is rather apparent but not a real effect. The further investigations were implemented in order to understand the role of the parameters of the cell (FLC and alignment/insulating layers thickness) for the performance of the V-shaped mode. For that purpose, we fabricated the wedge FLC cell filled with FLC 438 and having the Al2O3 insulating layers. It was shown that the dependence of the inversion frequency on the FLC layer thickness had two distinguished regions: a) from 0.8 ?m to 1.8 ?m, this function went down as it was predicted by the Pikin theory, b) from 0.6 ?m to 0.8 ?m it increased, this can be explained by the local variation of the parameters of the cell. During the same time, the saturation voltage gradually decreases, which was also in accordance with Pikin’s theory. Moreover, the computer modelling confirmed these experiments. The influence of the FLC conductivity on the V-shaped mode was investigated in detail. First, we selected the FLC mixture with low spontaneous polarization (Felix 015/000) and a thick commercially available EHC cell (2 ?m). According to any previous theory, the existence of the V-shaped under these conditions is impossible. After that, this mixture was doped with TCNQ at two different concentrations (0.01% and 1 %) and infiltrated in the cells. Our experiments showed that the inversion frequency for the strongly doped mixture is ten times higher than that for slightly doped one and it is equal to 26 Hz. This result proves that the conductivity of the FLC’s plays a crucial role in the V-shaped switching.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Arbeit bestand darin, den Mechanismus des schwellspannungsfreien und hystereselosen elektrooptischen Schaltmodus, auch V-förmiger Schaltmodus genannt, der in der chiralen smektischen C* Phase (das sind ferroelektrische flüssigere Kristalle, FLC’s) auftritt, zu untersuchen. Wie in Kapitel 1 gezeigt wurde, war die Physik dieses Effektes trotz mehrerer vorher publizierter Arbeiten am Beginn dieser Dissertation unklar. Die vorliegende Arbeit basiert auf der Annahme, dass der bestimmende Einfluß auf das Vorliegen des V-förmigen Modus eine spezifische Form des elektrischen Feldes ist, das auf die FLC Schicht wirkt. Solch ein spezifisches elektrisches Feld ergibt sich als Konsequenz aus dem dynamischen Spannungsteiler, der aus den Isolierschichten und der FLC Schicht besteht. Um die Gültigkeit der zugrundeliegenden Ausgangsüberlegung zu überprüfen, wurden experimentelle Untersuchungen und Computersimulationen ausgeführt Es konnte gezeigt werden, dass das V-förmige Schalten im Prinzip bei allen FLC’s auftritt, wobeit der dynamische Spannungsteiler eine entscheidende Rolle spielt. Am Beginn der Experimente wird gezeigt, dass die FLC Zelle die Funktion eines realen und dynamischen Spannungsteilers erfüllt. Es wurde experimentell verifiziert, dass die Kapazität der FLC-Schicht der Standardzelle mit der Mischung Felix 015/000 (Clarian) nach der Anwendung des externen elektrischen Feldes 10 mal mehr abnahm als ohne angelegtes elektrisches Feld, während andere Parameter wie der elektrische Widerstand beider Polymerschichten konstant blieben. Um das Modell des elektrischen Spannungsteilers zu verifizieren, wurden die elektrischen Parameter gezielt über externe Elemente modelliert A) Ein Kondensator in Reihe erlaubte die Modifizierung der Kapazität der polymeren Orientierungsschichten; B) Ein Widerstand in Parallelschaltung erlaubte die Änderung der Leitfähigkeit der FLC’s. Dadurch bedingt erreichten wir eine dramatische Zunahme der Inversionsfrequenz. Zusätzlich war es möglich, über den externen Kondensator die an der FLC-Schicht anliegende Spannung zu vermessen. Beim Auftrag der elektrooptischen Antwort als Funktion einmal der an der FLC-Schicht angelegten Spannung, zum anderen der Gesamtspannung, fanden wir, daß die elektooptische Antwort nur für den Fall des Autrages als Funktion der Gesamtspannung schwellspannungsfrei und hysteresefrei ist. Im ersteren Fall, des Spannungsabfalles über die FLC-Schicht, lag ein typischer Hystereseeffekt vor. Daraus war der Schluß zu ziehen, daß das V-förmige Schalten kein realer Effekt ist. Die weiteren Untersuchungen wurden ausgeführt, um den Einfluss der Zellparameter wie Dicke der FLC-Schicht und Dicke der Orientierungsschichten auf die Performance der V-förmigen Kurve verstehen zu lernen. Zu diesem Zweck wurde eine keilförmige FLC-Zelle, die Isolierschichten aus Al2O3 enthält, mit der Mischung FLC 438 gefüllt. Es konnte gezeigt werden, daß die Abhängigkeit der Inversionsfrequenz von der FLC-Schichtdicke sich in zwei unterschiedlichen Bereichen verschieden verhält: a) Bei einer Schichtdicke zwischen 0.8 ?m bis 1.8 ?m nimmt die Inversionsfrequenz ab, wie dies durch die Pikin-Theorie vorausgesagt wurde, b) Der Anstieg von 0.6 ?m bis 0.8 ?m kann durch die lokale Veränderung der Zellparameter erklärt werden. Parallel dazu nahm die Sättigungsspannung stufenweise ab, auch dies im Einklang mit der Pikin-Theorie. Nach allen in der Literatur vorliegenden Arbeiten tritt unter diesen Bedingungen das V-förmige Schalten nicht auf. Diese Mischung wurde mit TCNQ bei zwei unterschiedlichen Konzentrationen (0.01% und 1 %) dodiert und in die Meßzellen gefüllt. Unsere Experimente zeigten, dass die Inversionsfrequenz für die stark dodierte Mischung mit 26 Hz ca. 10mal größer ist als bei der niedrig dodierten Probe. Dieses Resultat zeigt, dass die Leitfähigkeit den entscheidenden Einfluß auf das Auftreten des V-förmigen Schaltmodus im FLC spielt.German
Uncontrolled Keywords: V-förmige Schaltung, Stufenlose Schaltung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
V-förmige Schaltung, Stufenlose SchaltungGerman
V-shaped switching, FLC, thresholdless switching, displayEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:50
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000445
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4450
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Haase, Prof. Dr. Wolfgang and Tschudi, Prof. Dr. Theodor
Advisors: Haase, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 19 April 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/445
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