Hoe beïnvloedt de verhouding lengte/breedte de fasetransities in systemen van harde cilindrische deeltjes?

De studie van fasetransities in systemen van harde sferocilinders (HSC’s) als functie van de verhouding tussen lengte (L) en diameter (D) levert inzicht in het complex gedrag van vloeibare kristalstructuren. Uit uitgebreide Monte Carlo (MC) simulaties blijkt dat bij lage dichtheden de relaxatietijd toeneemt naarmate de dichtheid toeneemt, maar dat deze relaxatietijd plotseling daalt tot bijna nul rond een kritieke gereduceerde dichtheid ρ* = 0,56. Dit markeert het ontstaan van smectische ordening, een fase waarin de deeltjes lagen vormen met een zekere mate van ordening langs één richting.

De fasediagrammen tonen verder aan dat bij verhoging van L/D boven de 3 de translatiebewegingen van de HSC’s gefaseerd bevriezen bij de overgang van de nematische fase naar de vaste kristallijne fase. Tussen de smectische en kristallijne fasen verschijnt bij L/D > 3 een kolomvormige fase, die een tussenvorm is waarin de deeltjes zich ordenen in kolommen. Interessant is dat in de limiet L/D → ∞ het vaste stadium vrijwel verdwijnt, wat suggereert dat extreem langwerpige deeltjes vooral vloeibare kristalstructuren vertonen.

De overgang van de nematische naar smectische (N-Sm) fase verloopt doorgaans continu, met een lichte afhankelijkheid van L/D, waarbij de overgangsdichtheid afneemt van ρ* = 0,5 voor L/D = 1 naar ρ* = 0,39 in de limiet van oneindige aspect ratio. De overgang tussen smectische en kolomvormige fasen verandert daarentegen van eerstorde naar continu naarmate L/D toeneemt tot oneindig.

Uit verdere NPT MC simulaties voor L/D tussen 3 en 5 volgt dat bij grotere aspect ratio’s de smectische A-fase (Sm A) de eerste stabiele vloeibare kristalfase is. De overgang van isotrope naar smectische fase is eerste-orde, wat een belangrijk nieuw inzicht is in vergelijking met eerdere studies. Bovendien is bij L/D = 3,2 een directe overgang van isotrope naar smectische A-fase gevonden, terwijl bij L/D = 4 de smectische A-fase voorafgegaan wordt door een nematische fase. Dit leidt tot een complex fasetriangel waarin de isotrope, nematische en smectische fasen elkaar ontmoeten.

De invloed van de vorm van de deeltjes blijkt eveneens cruciaal voor het karakter van de fasetransities. Simulaties van harde helicale deeltjes, opgebouwd uit aaneengeschakelde harde bolletjes, tonen dat de aanwezigheid van heliciteit de overgang van isotroop naar nematisch (IN) beïnvloedt. Kleinere pitchwaarden verschuiven de overgang naar hogere dichtheden. Daarbij vertonen de berekeningen van theorieën gebaseerd op Onsager en Parsons-Lee goede overeenstemming met simulaties voor lineaire ketens, maar voor sterk helicale structuren wijkt de theorie aanzienlijk af, wat de complexiteit van de interacties onderstreept.

Het is bovendien van belang dat de lezer beseft dat de getoonde fasetransities en fasediagrammen het resultaat zijn van ideale modellen waarbij thermodynamische evenwichten in gesloten systemen worden onderzocht. In praktijk kunnen kinetische barrières, polydispersiteit en externe velden de stabiliteit en de vorming van deze fasen aanzienlijk beïnvloeden. Verder speelt de lengte van de simulatie en de grootte van het systeem een rol in de nauwkeurigheid van de waargenomen fasetransities, zoals blijkt uit afwijkingen in ordeparameters in kleine systemen.

Endtext

Hoe de Freedericksz-configuratie de prestaties van STN-LCD's beïnvloedt

De Freedericksz-configuratie wordt bereikt door de verhoging van de pretilthoek (θ) en een afname van de verhouding d/p. Deze configuratie is cruciaal voor het bereiken van de gewenste optische eigenschappen in STN-LCD's. De twisthoek (Φ) speelt hierbij een belangrijke rol, en de verschillende parameters, zoals de dikte van de LC-laag, de anisotropie van de dielektrische constante (Δn), en de verhouding d/p, beïnvloeden de prestaties van het display aanzienlijk.

STN-LCD's gebruiken een substratenconfiguratie die vergelijkbaar is met die van TN-LCD's, maar ze behalen een hogere twist door het gebruik van chirale dopanten die in de vloeibare kristallen zijn opgelost. Dit zorgt voor een aanzienlijke verbetering in de optische prestaties, met name wat betreft het contrast en de helderheid. De richting van de wrijvingslagen op de voor- en achtersubstraten is afhankelijk van de twisthoek, en de polarisatieassen van de voor- en achterpolarisatoren worden ingesteld onder een hoek van 30 tot 60° ten opzichte van de wrijvingsrichting om het contrast en de helderheid te optimaliseren.

De transmissie van een STN-LCD kan voor een cel met nul pretilthoek en polariseerders die onder een hoek van 45° ten opzichte van de wrijvingsrichtingen zijn uitgelijnd, worden uitgedrukt met behulp van de formule (10.7). Onder verschillende twisthoeken (Φ van 180° tot 270°) werd de transmissie gemeten, en het werd waargenomen dat de retardatiewaarde voor een twisthoek van 240° ongeveer twee keer zo groot was in vergelijking met de eerste minimumtoestand van een TN-display. Dit betekent dat voor een STN-display met Φ = 240° een LC-mengsel met een laagdikte d = 6 μm en Δn = 0.14 nodig zou zijn, terwijl voor een TN-display Δn = 0.088 vereist zou zijn.

Er werd vastgesteld dat bij het aanleggen van een spanning de kantelhoek van de directoren in het midden van de cel sneller toenam dan in de gebieden nabij de substraten. Dit komt doordat de polariseerankering in de cel zwakker is in de centrale delen, waardoor de directoren daar gemakkelijker door het externe veld kunnen worden gedraaid. De kantelhoek bereikte een verzadigingswaarde na ongeveer 40 ms, wat betekent dat de kantelhoek vrijwel onveranderd bleef nadat de spanning was ingeschakeld. De twisthoek bleef ongeveer 20 ms na het inschakelen van de spanning onveranderd.

Verder werd onderzocht hoe de stabilisatie van lang-pitch STN-structuren de prestaties van STN-LCD's kan verbeteren. Verschillende varianten van LCD's, zoals twisted hybrid aligned (THA), hybrid twisted nematic (HTN), en reverse twisted nematic (RTN), zijn ontwikkeld om de drempelspanning en de verzadigde spanning te verlagen. In het bijzonder werd de lang-pitch super-twisted nematic (LPSTN) LCD ontwikkeld, die een grote vermindering van zowel de drempel- als verzadigde spanningen vertoont in vergelijking met TN-LCD's van hetzelfde LC-materiaal. Het is een opmerkelijk kenmerk van LPSTN-LCD's dat ze onder hoge spanning kunnen worden omgevormd naar een TN-structuur.

Naast de technische aspecten van STN-LCD's is het belangrijk om de rol van de temperatuur te begrijpen. Onder invloed van temperatuur kunnen de eigenschappen van het LC-materiaal veranderen, wat op zijn beurt de elektro-optische eigenschappen van het display beïnvloedt. Dit werd gedemonstreerd door temperatuurmetingen van de laagste onderhoudspanning voor verschillende celdiktes en chirale pitchlengtes, waarbij werd waargenomen dat de RTN-structuur begon af te nemen nabij 343 K.

Het begrijpen van de stabiliteit en dynamische reacties van STN-LCD's is essentieel voor de ontwikkeling van efficiëntere en krachtigere displays, vooral in toepassingen die hoge informatie-inhoud vereisen. Het is belangrijk dat ingenieurs de complexiteit van deze systemen in overweging nemen, zoals de effecten van de twisthoek, de verhouding d/p, de pretilthoek en de temperatuur, om optimale prestaties te bereiken en energieverbruik te minimaliseren.