負性液晶垂面排列(VA)盒中壁的研究

武乃福 趙 靜 王曉燕 徐洪亮 王 欣 張志東

摘 要：文章從理論上概述了外場作用下向列相液晶盒中出現的Bloch壁，使用負性液晶對兩種垂面排列（VA）盒進行實驗研究。兩種液晶盒均使用垂面聚酰亞胺（PI）作為取向層，一種盒涂敷PI后使用了后工藝過程，另一種盒涂敷PI而沒有后工藝過程。第一種VA盒在強場作用下出現壁，它事實上驗證了涂敷PI后工藝過程的有效性。在外場作用下，第二種VA盒出現不同的不穩定現象。

關鍵詞： 負性液晶；VA盒；壁

中圖分類號：TN141.9 文獻標識碼：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

由于液晶結構的對稱性被破壞從而產生了缺陷，比如點缺陷、線缺陷、壁(wall)、向錯和織構等等，而通過對缺陷和織構的觀察反過來又是鑒定液晶結構的重要手段[1]。另外，人們通過向列相中壁的寬度可以研究液晶在基板上的方位錨定能[2]，近年又通過電場對壁的影響研究液晶的彈性常數[3]。另一方面，如圖1所示，在具有寬視角特性的MVA（multi-domain verticalalignment）顯示模式中，消除壁的影響，也是模式設計中需要考慮的重要問題[4]。本文將從實驗和理論兩個方面研究單疇VA模式中出現的壁。

1 理論基礎

通常認為，在液晶盒中出現壁的地方，指向矢仍然具有連續分布。對于單疇VA液晶盒，指向矢是垂面校列的。讓z軸垂直于液晶盒表面，并且電場E的方向沿z軸，如圖2所示。

指向矢可以表示為

nx=sinθ(y，z)，ny=0，nz=cosθ(y，z)（1）

所以θ角是指向矢和z軸的夾角。電場引起的自由能密度為

從上式可以看出，我們采用與磁場完全類似的方法來處理電場，因此在△ε＜＜ε⊥的條件下，方可直接描寫電壓作用。這樣，我們就可以使用Brochard提出的原始方法給出壁的解析解[5]。進一步假定

k11=k33=k（3）

2 實驗研究

液晶顯示中的有些缺陷大約為數十微米到一百微米，用肉眼很難觀測到。我們研究兩種VA液晶盒，它們均使用垂面聚酰亞胺作為取向層，但一種使用后工藝處理（本文稱為工藝盒），另一種未使用后工藝處理（本文稱為非工藝盒）。使用奧林巴斯BX51偏光顯微鏡分別對外電場作用下的工藝VA盒和非工藝VA盒進行觀測并得到清晰的實驗照片。

2.1 對工藝VA盒的觀測

將VA盒放置在奧林巴斯偏光顯微鏡載物臺的熱臺上，使VA盒摩擦方向與起偏器偏振方向成45°角，加1,000Hz交流電壓，電壓從0V逐漸增大，到70V時，開始出現顆粒狀的物體在做無規則的移動，并且能在視野中看到粒子移動后留下的痕跡。繼續加電壓，隨著電壓的逐漸增大粒子活動表現得越來越活躍。當電壓加到80V左右時，待有移動粒子進入視野時迅速降低電壓，粒子活動隨電壓的降低變得緩慢，當電壓降至16.5V時，粒子基本穩定不動，此時壁也處于相對穩定的狀態。繼續降低電壓，壁將退化并消失，反映出對垂面聚酰亞胺進行后工藝處理的有效作用。分別用15×4和15×50的偏光顯微鏡觀察并拍照，在圖3（a）中，我們給出VA盒的電光特性曲線，圖3（b）給出壁的偏光顯微鏡照片。

2.2 對非工藝VA盒的觀測

將非工藝化的VA盒放在偏光顯微鏡下進行觀察（室溫25℃），我們發現，低電壓（4V）下液晶會出現紋影織構，如圖4（a）所示；高電壓下（1,000Hz，75V）液晶出現不穩定現象，并伴隨有規則圖案，如圖4（b）和（c）所示。

3 結論和討論

通過理論推導我們可以看出，在外電場作用下的負性液晶VA盒中會出現壁。在壁的形成中，展曲形變相對于彎曲形變占主導作用（正性液晶沿面排列盒彎曲形變相對于展曲形變占主導作用）。使用偏光顯微鏡對電場作用下的工藝處理VA盒和非工藝處理VA盒分別進行了觀測，工藝處理VA盒中出現規則的展曲壁，與理論相吻合，同時出現壁的電壓范圍驗證了對垂面聚酰亞胺進行后工藝處理的有效作用。在本文的實驗研究中，在壁的偏光顯微圖中并沒有出現明暗相間的條紋[6]，這是因為樣品的△n·d比較小（約為0.4）。在非工藝VA盒中同樣會出現不穩定現象，同時伴隨有規則圖案。非工藝VA盒本質上為兼并垂面錨泊，實驗中所觀察到的圖案與相關專著中給出的結果[7]之間的聯系有待進一步研究。

參考文獻

[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.

作者簡介：武乃福（1986-），男，山東聊城人，河北工業大學理學院碩士研究生，主要研究方向為液晶物理，E-mail：woodknife00@163.com。