From Liquid Crystals to LCDs From Liquid Crystals to

4 downloads 0 Views 3MB Size Report
Oct 27, 2012 - Surface-Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal (SSFLC) device ( Clark and Lagerwall, ... Helix-unwinding by surface forces and thin cell spacing.
10/27/2012

Department of Photonics and Display Institute 

From Liquid Crystals to LCDs -1

Dr. Huang‐Ming Philip Chen (陳皇銘) [email protected]

NCTU/Display Institute NCTU/Display Institute

1

Dr.Dr. Huang‐Ming Philip Chen Huang-Ming Philip Chen Huang-

OUTLINE  The history of liquid crystals researches  What are liquid crystals?  Electooptical behaviors    

1st class

Nematics Chiral-Nematics Smectic C* (Ferroelectric) Discotics

 Major LC Modes for Display  Fast Response LC Modes

NCTU/Display Institute

2

2nd class

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

1

10/27/2012

History shows that lyotropic liquid crystals  History shows that lyotropic were discovered  around 30 years earlier In the early 1850’s ,  Virchow described a  soft, floating substance  from nerve core he  named “Myelin”

In 1857,  Metteneheimer  discovered that  Myelin was  birefringent

• Physician, pathologist,  scientist, and social  politician

NCTU/Display Institute



Physician, opthamologist, microscopist



Knighted for his work in anatomy,  physiology, pathology, clinical medicine  and public welfare

3

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

In 1888, Friedrich  In 1888, Friedrich Reinitzer Reinitzer observed “striking  and marvelous apparitions” in his samples cholesteryl acetate and benzoate   prepared from cholesterol

Friedrich Reinitzer  (1857‐1927) Lecturer in  Botany  German University of Prague 

“ . . .The substance exhibits two  melting points, if one may say so.  At  145.5o , it melts to a turbid but  absolutely fluid liquid which  becomes suddenly clear not until  178.8o . On cooling, violet and blue  colors appear which quickly vanish  with the sample leaving lactescently  turbid but fluid. On further cooling  bid b fl id f h li the violet and blue colors reappear,  but very soon the sample solidifies  forming a white crystalline mass” . . .  *

Heating

Cooling

*excerpt from a 16 page  letter  written to Prof. Otto Lehmann on March 14,1888

NCTU/Display Institute

4

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

2

10/27/2012

Lehmann confirmed the existence of a “flowing,  soft  crystalline state ” in  soft  crystalline state ” in Reinitzer’s Reinitzer’s samples Lehmann writes to Reinitzer on  August 20,1889: “ … And so my new results confirm your  already in good time declared view, that the  “Griess” (the substance that causes the  turbidness) consists of very soft crystals, that  are to be considered as a physically isomeric  modification of the substance. It is absolutely  homogeneous, and another liquid‐ as you  assumed formerly‐ is not present. . . . . .  . It is of a high interest for the physicist  that crystals exist that are of such a  considerable softness that one could almost  call them liquid.”

Otto Lehmann

Friedrich Reinitzer

Lehmann’s article entitled “Uber Fliessende Krystalle” (On Floating Crystals) submitted to  Zeitschrifte fur Physikalishe Chemie on August 30, 1889 is the first published work to  introduce the concept of a “liquid crystal” 5 NCTU/Display Institute

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

5

In 1889,  In 1889, Gatterman Gatterman and  and Ritschke Ritschke synthesized the  first LCs not  first  LCs not derived from natural products derived from natural products

O RO

N N

OR

Azoxy ethers

• Observed two phase transitions and “floating  turbid melts” under the microscope • Published the synthesis details on June  11,1890 • Lehmann confirms behavior, and terms them  , “Krystalline Flussigkeiten”*  because their  viscosity was much lower than the  cholesterics Ludwig Gatterman (1860‐1920) Assistant Professor of Chemistry  Heidelberg University NCTU/Display Institute

• Lehmann publishes “The Structure of  Crystalline Liquids” on March 24, 1890

6

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

3

10/27/2012

The chemist Daniel  The chemist Daniel Vorlander Vorlander dominated the LC  dominated the LC  research for  research  for three decades beginning in 1905 three decades beginning in 1905 • In 1902, he found that one of the compounds he  had synthesized was also a liquid crystal (smectic) O H5C2

O

O O

N N

O

C2H5

• As principal teacher of organic chemistry for all  science students in Halle, he held each  lecture  as  a “special event” with visual demonstrations • Was Was the first to study the influence of molecular  the first to study the influence of molecular structure on the appearance of liquid crystalline  phases Daniel Vorlander (1867‐1941) “Ordinarius” fur Chemie University of Halle NCTU/Display Institute

• Developed synthesis of “homologous series” of  compounds for studying structure‐property  relationships 7

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Georges Friedel develops a classification system  Georges Friedel for liquid crystal phases in 1922 • The son of the famous chemist Charles Friedel • Described liquid crystal phases as “crystalline‐ amorphous” rather than  “solid‐liquid” • Coined the term “mesomorphic” to describe  liquid crystals as a new state of matter

• Used the Greek terms  “nematic”  (“thread” ) and smectic (“soap”) Georges Friedel  (1865‐1933) University of Strasbourg

instead of “schlierien” and ”rod” to classify non‐ chiral liquid crystal phases

Friedel did not take the possibility of smectic phase polymorphism into account  NCTU/Display Institute

8

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

4

10/27/2012

The 1960’s mark the beginning of a period of  “re‐‐awakening” of interest in liquid crystals  “re 1950‐1970

• Extensive synthesis work by George Gray (University of Hull)  and researchers at the  Halle school under the direction of Sackmann yielded a host of new compounds for  experimentation of physical and optical properties • The First International Liquid Crystal Conference was held at Kent State University in  1965, with an attendance of 90 delegates • By the Fourth ILCC in held in Stockholm in 1972, device applications were being  discussed and presented openly

Thermal mapping using CLC was  Thermal mapping using  CLC was the first practical  the first practical application application •

Initial research begun at Westinghouse Electric by J. L. Fergason in the late 1950’s



First applications were for non‐destructive thermal testing of turbine blades for  cracks and defects



Later applications in the field of biomedicine included placental location,  mammography, and study of blood flow

NCTU/Display Institute

9

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

The invention of the “twisted  The invention of the “twisted nematic nematic” LC display  ” LC display  marks the birth of the modern LCD industry 1970~1980

• Helfrich and Schadt (Europe) and  Fergason (USA) apply separately  for patents on the twisted  nematic (TN) display concept 

ITO‐coated substrate

• LCD manufacturing for watch  and calculator displays begins in  the U.S. (RCA and ILIXCO)

Alignment layer

• The US was the dominant  manufacturer of LCD displays  d i thi during this period i d

Twisted Nematic (TN) Polarizer

Analyzer

Acts as a voltage‐controlled polarization rotator (light valve)

• Japanese companies acquired  the technology through licensing  agreements

NCTU/Display Institute

10

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

5

10/27/2012

R.B. Meyer observed the first evidence of ferroelectric  switching in the chiral switching in the  chiral smectic C* phase  1970~1980



Observed field‐linear helix unwinding in  the chiral smectic C material DOBAMBC



Postulated that three elements were  required for ferroelectric effects to be  seen in liquid crystals:

Thick

 Molecular tilt (produced by alkyl tail and small transverse dipole  moment  A chiral center (noncentrosymmetric)  Large transverse dipole moment coupled rigidly to the chiral center

NCTU/Display Institute

11

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Discotic liquid crystals represent the first mesophases liquid crystals represent the first mesophases obtained “by rational design” 1970~1980



Hexahydroxbenzene‐n‐alkanoates first synthesized by Chandresekhar’s

research group in 1977

Nematic discotic phase

Columnar phase

Applications in optical storage media, displays, nonlinear optics, and as anisotropic  semiconductors have been explored  NCTU/Display Institute

12

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

6

10/27/2012

Ferroelectric LC’s brought the promise of  “bistable Ferroelectric LC’s brought the promise of  “bistable switching and broke the millisecond response time barrier 1980~1990 • Surface‐Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal (SSFLC) device ( Clark and Lagerwall, 1980) V‐shape

1988

Half V‐shape T=0

T=1

Analyzer

Analyzer

FLC Cell

FLC Cell

Polarizer

Polarizer

EZ0

Helix‐unwinding by surface forces and thin cell spacing NCTU/Display Institute

13

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

The discovery of antiferroelectric LC phases by Fukuda The discovery of antiferroelectric LC phases by Fukuda opened new possibilities for device applications 1990~2000

The energy barrier between the ferroelectric and antiferroelectric states is very small   and molecular switching occurs at very low voltages

Ferroelectric LC Citizen's 5.5-Inch Antiferroelectric LCD

NCTU/Display Institute

14

Antiferroelectric LC ~1989 Denso's 17‐, 6‐Inch Antiferroelectric LCD (98’)

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

7

10/27/2012

Banana‐shaped  Banana‐ shaped mesogens mesogens show ferroelectric properties  even though the constituent molecules are  even though the constituent molecules are achiral achiral 1990~2000

• Banana LC’s were first reported by Vorlander as “bad rods”

MHOBOW

• Antiferroelectric switching demonstrated by Takazoe in 1996 • MHOBOW synthesized by the Walba group (U. Colorado) (2002) • ODBP mesogens (biaxial nematics) synthesized by Madsen in 2004 Because they are noncentrosymmetric (C2 symmetry), banana LC’s can show  nonlinear optical properties (SHG) NCTU/Display Institute

15

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Banana mesogens meet the C2 symmetry requirement for  Banana mesogens ferroelectricity without a  without a chiral chiral center 2000 above

Molecules are not superimposable on their mirror image! NCTU/Display Institute

16

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

8

10/27/2012

Nematic liquid crystal displays have become ubiquitous in the  flat‐‐panel display market flat 2000 above

From a “niche” research area in 1950 to a multi‐billion dollar industry today!  NCTU/Display Institute

17

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

What is Liquid Crystal?

NCTU/Display Institute

18

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

9

10/27/2012

Liquid crystals are a form of condensed matter  intermediate in order between the solid and liquid states “Liquid crystal”

Crystalline solid

Isotropic liquid

Decreasing molecular order • Common materials that are liquid crystals include cholesteryl esters, lecithin, DNA,  cellulose, and graphite • Classified into different categories depending on their orientational (long‐range)  and positional (short‐range) order NCTU/Display Institute

19

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Terminology Liquid crystal phases: also called Mesophases (meso‐ from the Greek meso which  means in between)

Thermotropic (熱致型): Liquid crystal molecules which exhibit temperature dependent liquid  crystalline behavior • Enantiotropic(互變轉移型) : same mesophases reversibly upon heating  and cooling  • Monotropic(單變轉移型) M t i (單變轉移型) : mesomorphism upon cooling only  hi li l Lyotropic (溶致型): materials in which liquid crystalline properties appear induced by the  presence of a solvent, with mesophases depending on solvent  concentration, as well as temperature NCTU/Display Institute

20

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

10

10/27/2012

Molecular shapes and their effects on molecular assembly nematic, smectic, chiral  nematic

Calamitic (rod‐like) mesogens    

Disk‐like

discotic

Bend‐shape

banana

Board‐like

sandic

NCTU/Display Institute

21

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Calamitic (rod (rod‐‐like)  like) mesogens mesogens are the best known and most  widely occurring class of liquid crystals . . . .

• High orientational order  • Random positional order Cholesteric

Nematic

• Both orientational and positional order

Smectic Smectic C* NCTU/Display Institute

22

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

11

10/27/2012

“Optically active” compound into an LC matrix producing mesophases with a helical structure Nematic

Non‐chiral

Chiral nematic (cholesteric) Chiral

* Photo Adopted from “Organic Chemistry‐Biological Approach” 

* Derived from the Greek term “chiros” (hand) NCTU/Display Institute

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

23

LC materials dependent on orientation…

Isotropic

Anisotropic

Physical and optical properties are  invariant with orientation

Physical and optical properties depend  on orientation

n = optical anisotropy (birefringence) = ne ‐ no  = dielectric anisotropy = ll ‐  ┴

Molecular reorientation induced by electromagnetic and  optical fields can produce large effects NCTU/Display Institute

24

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

12

10/27/2012

Nematic Liquid Crystals

NCTU/Display Institute

25

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Basic LC Optics An incoming light beam is split into  two components, one that follows  Snell’s law of refraction, called the  y y ordinary ray, and one that does not,  called the extraordinary ray.

Principle

The phase difference, , is

Illustration of the indicatrix of a uniaxial,  optically positive (left) and optically negative  (right) material. NCTU/Display Institute

26

 is the angle between the optic axis and the  direction of light propagation Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

13

10/27/2012

Light propagation in  Light propagation in Nematics Nematics Uniaxial

Biaxial

n1K22

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

18

10/27/2012

Order Parameter Related Parameters

Nomenclature                        Parameter  Elastic Constant K11

()

S2 n   

Birefringence Dielectric Anisotropy Magnetic Anisotropy  Viscosity Anisotropy

NCTU/Display Institute

proportional to

S S S S

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

37

Classes of Materials Small molecules : CH3CH2CH2CH2CH2

CN

Polymers : Main chain

Side chain

CH2

CH O

n

(CH2)5

NCTU/Display Institute

38

CN

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

19

10/27/2012

Examples

NCTU/Display Institute

39

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Material requirements for AM AM--LCDs

NCTU/Display Institute

40

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

20

10/27/2012

Examples

NCTU/Display Institute

41

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Chiral Nematic Liquid Crystals

NCTU/Display Institute

42

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

21

10/27/2012

Selective Reflection

Left-Handed Circularlyy Polarixed Light, = R

Unpolarized Incident Light

substrate CLC film substrate

Unpolarized Light, =  R

NCTU/Display Institute

43

Right-Handed Circularly Polarixed Light, = R

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Electric field vector in CLC The handedness of light can be defined based on the observer’s position. We adopted the definition where the  We adopted the definition where the observer looking into light source observer looking into light source..

Clockwise Right‐handed Right‐

Counter‐‐clockwise Counter Left‐‐handed Left

Clockwise : right‐‐handed circularly polarized light Clockwise : right NCTU/Display Institute

44

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

22

10/27/2012

Light propagation in CLCs  Light ‘sees’ constant refractive index : transmitted

See constant refractive index

See periodic refractive index change See periodic refractive index change

reflected Light ‘sees’ constant Light ‘sees’  constant changed refractive index : reflected NCTU/Display Institute

45

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Optical properties

The optic axis of nematics is defined as:

n = ne,n‐no,n

The optic axis of CLC is defined to lie along its  helectrical axis: ne, ch = no, n no, ch = [1/2(ne, n2 + no, n2)]1/2

NCTU/Display Institute

46

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

23

10/27/2012

Pitch Determination  Grandjean Wedge

Picture from Texture of liquid Crystal

Cano geometry  between a planar substrate and a lens

SEM

Each black or white strip is  p/2 p/2 NCTU/Display Institute

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

47

Structure and selective reflection property of CLCs 0.30

c = p n

1/2 p

n= O.D.

0.20

n  c = n

ne + n o 2

 n = ne n o

  = FWHM

0.10

  2  



 n  ave 

 n  ave    

1 sin  i sin  s     sin 1   c  nave p cos  sin 1   i: incident; s: scattering angles Ref: J. L. Fergason;  Mol. Cryst 1, pp 293‐‐307, (1996) Ref: J. L. Fergason;  Mol. Cryst 1, pp 293

for normal incidence: i and s = 0

600

 R800  nm ,

1000

1200

If thickness of film much greater than p, the bandwidth can be approximated as following:

c  nave p

 

And bandwidth of light, , centered about c is:

  np  ne ,n  no ,n  p NCTU/Display Institute

0.00 400

48

n c nave Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

24

10/27/2012

Reflectivity for CLCs

J. C. Lee, et. al. J. Appl. Phys 68 J. C. Lee, et. al. J. Appl. Phys  68, pp6523 , pp6523‐‐6525 NCTU/Display Institute

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

49

Manipulate Selective Reflection by Adjusting Pitch 4 m

4 m

100

8 m

80

80

60

60 100 / 0

76 / 24

66 / 34

40

40

20

20

0 300 NCTU/Display Institute

500

700 900 1100 W avelength, nm 50

1300

Reflectance, %

T ransmittance, %

100

0 1500 Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

25

10/27/2012

Cholesteric LCs as Reflecters LCs as Reflecters Cholesteric Bistable Displays

Kodak’s flexible display

Kent Display Inc. http://www.kentdisplays.com/corporate/print/B‐&‐W‐ Chlolesteric‐LCD.htm

NCTU/Display Institute

51

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Smectic Liquid Crystals

NCTU/Display Institute

52

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

26

10/27/2012

Smectic Mesophase

Textures of Liquid Crystals, Ch 1, Wiley NCTU/Display Institute

53

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

The Hexatic The  Hexatic Smectic Phases ( Phases (SmB SmB, , SmI SmI, , SmF SmF))

Model structure of  (a) the orthogonal Sm B phase,  (a) the orthogonal Sm B phase, (b) the Sm I phase being tilted  towards the apex of the hexagon,  (c) the Sm F phase being tilted  towards the side of the hexagon.  (The soft crystal B, J, and K  phases have a similar structure,  only with positional order being  l long range.) )

NCTU/Display Institute

54

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

27

10/27/2012

Smectic A and C

SmA

S C SmC Chiral dopant

Chiral dopant

SmA* NCTU/Display Institute

SmC* 55

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Ferroelectricity (鐵電性 鐵電性))

Chiralitiy

NCTU/Display Institute

56

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

28

10/27/2012

Spontaneous Polarization (PS)  R. B. Meyer and coworkers* in 1975, where it was deduced from  symmetry considerations that all chiral tilted smectic phases exhibit a  (local) spontaneous polarization PS, and thus show pyroelectricity. * R. B. Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki, P. Keller, J. Phys. Lett., 36, (1975), L69.

In the case where this spontaneous polarization can be reoriented  between two stable states by application of an electric field, we call :  ferroelectricity.

Note:  Solid ferroelectric materials :102~103 nC/cm2, Δn= 0 FLC: 0~102 nC/cm2, Δn≠0 NCTU/Display Institute

57

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

The Ferrolectricity The  Ferrolectricity of Smectic of Smectic C*

NCTU/Display Institute

58

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

29

10/27/2012

Sign of Spontaneous Polarization

“━” compound

  z n



“+” compound



Ps

Ps

J. W. Goodby J. Am. Chem. SOC., 1986, 108, 4729‐4735 NCTU/Display Institute

J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 4736‐4742 Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

59

Measuring Spontaneous Polarization In addition to the electrooptic response, the reversal of the direction of  the spontaneous polarization also causes a characteristic current  response, as shown in following figure for an applied triangular electric response, as shown in following figure for an applied triangular electric  field, which can be used to determine the value of Ps*. *K. Miyasato, S. Abe, H. Takezoe, A. Fukuda, E. Kuze, Jpn. J. Appl. Phys. Lett., 22, (1983),  L661.

Typical polarization reversal current  response (solid line) to an applied  electric triangular field (dashed line).  Integration of the peak area allows Integration of the peak area allows  a determination of the spontaneous  polarization PS.

NCTU/Display Institute

60

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

30

10/27/2012

Ferroelectric Liquid Crystals

• The spontaneous polarization  (Ps) is primarily dependent on a  coupling between the local  diploes at, or in the asymmetric  centers of the molecules.

R. B. Meyer, L. Liebert, L. Strzelecki, P. Keller, J. Phys. Lett. NCTU/Display Institute 61 36, L69 (1975)

Dr. HuangHuang-Ming Philip Chen

Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal (SSFLC) In 1980, Clark and Lagerwall demonstrated that confinement of a SmC*  liquid crystal to cells with a gap smaller than the pitch of the helical  superstructure (d