2022 Fiscal Year Research-status Report
Bistability of liquid crystal bulk induced by topological surface alignment patterns
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21K04867
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
本間 道則 秋田県立大学, システム科学技術学部, 准教授 (90325944)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 液晶 / 双安定 / マイクロラビング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初、種々のトポロジカル不変量のラビングパターンを有する液晶セルを作製し、双安定性とトポロジカル不変量の関係についての定量的な考察を目指していたが、2021年度はトポロジカル不変量が+1のラビングパターンについての検討に留まった。しかし、2022年度の研究では、3つのサブドメインにおけるラビング角の組み合わせや、周期的なラビングパターンにおけるユニットセルの形状が双安定性の発現に対して決定的な影響を与えることなど、興味深い知見が得られた。さらに、ユニットセル内のサブドメインの境界線の長さを組み込んだエネルギーモデルにより、双安定性の発現の挙動がおおむね説明できることを示した。このことは、双安定性の発現機構に関して、弾性エネルギーの視点から十分説明可能であることを明示しており、今後に向けて前向きな研究成果であると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、引き続きトポロジカル不変量が+1となるラビングパターンを有する液晶セルについて検討を推し進め、弾性エネルギーの観点から配向遷移のメカニズムの解明を試みる。さらに、このような考察により得られた配向遷移メカニズムについて、ラビングパターンのトポロジカル不変量が異なる場合に拡張して適用できるかどうかについても、実験結果と組み合わせながら考察を進める。加えて、安定な双安定スイッチングが可能なマイクロパターンの形状やサイズについての検討を進める。
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