Bistability of liquid crystal bulk induced by topological surface alignment patterns

拓扑表面排列图案引起的液晶体的双稳定性

基本信息

批准号：
21K04867
负责人：
本間道則
金额：
$ 1.58万
依托单位：
Akita Prefectural University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04867/
关键词：
液晶双安定マイクロラビング

项目摘要

トポロジカル不変量が+1となるラビングパターンを描画することによって液晶セルを作製し、ラビングパターンの形状が遷移過程に与える影響について考察した。マイクロラビングを行った基板には水平配向膜を用い、対向基板には垂直配向膜を採用した。これらの基板を、ガラススペーサ（直径：10μm）を介して組み合わせることによってサンドイッチセルとした。さらに、2枚の基板のギャップに液晶（5CB）を注入し評価セルとした。評価セルにおける液晶の配向パターンは3つの異なる方向にラビングしたサブドメインから成る。それぞれのサブドメインのラビング角の組み合わせと、双安定性の実現可能性について実験により考察した。その結果、双安定性を実現するために適したラビング角の組み合わせが存在することが明らかとなった。ラビング角の組み合わせに応じて液晶層に蓄積された配向ひずみのエネルギーが異なり、そのため、安定状態から準安定状態への転移のしやすさがラビング角に依存する結果になったと考えられる。次に、ラビングパターンの繰り返し単位（ユニットセル）の形状が双安定性に与える影響について考察した。具体的には、ユニットセルの形状を菱形（平行四辺形）とし、菱形領域の面積を一定に保った状態で、頂角を15～75°の間で変化させたときの配向遷移率を求めた。ここで、ユニットセル100個あたりの配向が遷移したユニットセル数を配向遷移率と定義した。実験により、配向遷移率が0から100％に急激に変化するクリティカルな頂角が存在すること、そのような特徴的な頂角は菱形領域の面積に依存することなどの興味深い結果が得られた。さらに、このような配向遷移率の挙動について、ラビング角とサブドメインの境界の長さを組み合わせたエネルギーモデルにより説明できることを示した。

我们通过绘制拓扑不变量为+1的摩擦图案来制作液晶盒，并考虑摩擦图案的形状对过渡过程的影响。微摩擦基板使用水平取向膜，相对基板使用垂直取向膜。这些基板通过玻璃垫片（直径：10μm）组合形成夹层电池。此外，将液晶(5CB)注入到两个基板之间的间隙中以制作评价单元。评估单元中液晶的排列图案由沿三个不同方向摩擦的子域组成。我们通过实验考虑了每个子域的摩擦角度的组合以及实现双稳态的可行性。结果表明，存在适合实现双稳态的摩擦角度的组合。据认为，液晶层中累积的取向应变的能量根据摩擦角度的组合而不同，这就是为什么从稳定状态转变到亚稳定状态的容易程度取决于摩擦角度的原因。接下来，我们考虑了摩擦图案的重复单元（晶胞）的形状对双稳定性的影响。具体而言，晶胞形状为菱形（平行四边形），在保持菱形区域面积恒定的情况下，确定顶角在15°至75°Ta之间变化时的取向转变率。这里，将每100个晶胞中取向发生变化的晶胞数定义为取向转变率。实验产生了有趣的结果，包括存在取向转变率从 0 到 100% 快速变化的临界顶角，并且这种特征顶角取决于菱形区域的面积。此外，我们表明，取向转变率的行为可以通过结合摩擦角和子域边界长度的能量模型来解释。