2023 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 – 2025-03-31
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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 |
前年度の研究において、トポロジカル不変量が+1となるラビングパターンを周期的に配置することによって、安定状態から準安定状態への配向遷移が得られること、ラビングパターンである菱形の頂角に関して、配向遷移が得られる臨界値が存在することが明らかとなった。このような知見は、本デバイスにおける双安定メカニズムの考察において鍵となるものであり、当該年度は引き継ぎ本デバイスにおける双安定な液晶の配向状態の遷移挙動に関して、実験に基づきメカニズムの考察を行った。
実験ではまず、マイクロラビング処理を行った基板と垂直配向処理を行った基板を組み合わせることによって、ハイブリッド配向セル（セル厚：10μm、液晶：5CB）を作製した。ここで、マイクロラビングの菱形の頂角を極端に小さな角度（4°）に設定した。実際に電圧（約100 V、1 kHz、正弦波）を印加したところ、ノーマルチルト（NT、安定状態）からリバースチルト（RT、準安定状態）への遷移が確認でき、極端に小さな頂角であっても双安定な配向遷移が得られることが確認できた。さらに、一旦、準安定状態に遷移させた後、電圧を印加し除去する過程に応じてNTとRTの選択が可能であることが明らかになった。すなわち、印加電圧をゆっくり除去するとRTはそのまま保持され、急激に除去した場合にはNTへ遷移した。この初期配向（NT）の回復過程は小さな頂角の菱形パターンを導入した結果によるものであり、より具体的には、配向遷移メカニズムは以下の3つの要因によるものと考察した。１）頂角を小さくすることによって、NTのサブドメインが大きくなり、消滅時間が長くなった。２）マイクロラビングの幅を4μm程度と狭くすることによって、各々のサブドメイン間の距離が縮まり、サブドメインが融合しやすくなった。３）印加電圧の急激な除去によって液晶層に流動が生じ、サブドメインの融合が生じた。
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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
当初の研究計画にしたがって、2023年度は双安定な配向遷移挙動のメカニズムの考察を行った。2022年度の研究において、電圧を印加した際に生じる安定状態（ノーマルチルト）から準安定状態（リバースチルト）への遷移過程においては、異なるチルト方向のドメイン境界において生じるブロッホウォールが配向の安定化に寄与していると考察した。加えて、2023年度は、頂角の小さな菱形のラビングパターンを導入したときに発現する、電圧の印加除去によるリバースチルトからノーマルチルトへの回復遷移に関して、その遷移メカニズムを考察し、具体的に3つの要因が寄与することによって回復遷移が説明できると考察した。このように、ノーマルチルトからリバースチルトへの遷移だけでなく、リバースチルトからノーマルチルトへの回復遷移についても、遷移メカニズムにおいて定性的かつ具体的な説明を与えたことは評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021～2023年度の研究ではマイクロラビング処理を導入したハイブリッド配向液晶セルにおいて、ラビングパターンと得られる配向状態の関係において、特に双安定な配向遷移という観点から実験に基づいて考察を行ってきた。今後は、3年間の研究成果をさらに統合して考察し、遷移メカニズムの定量的な考察を試みる。すなわち、弾性自由エネルギーの考察などから、実際に得られる配向状態が理論的に説明可能なものかどうかについて、定量的な考察を行い、提示する遷移メカニズムに理論的な根拠づけを行う。
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| Causes of Carryover |
2023年度の研究において、マイクロラビングパターンの菱形の頂角を極端に小さくし、かつ電圧の印加除去過程を工夫することによって、リバースチルト（準安定状態）からノーマルチルト（安定状態）への電気的なスイッチングが可能であることが明らかとなった。また、その遷移メカニズムにおいて鍵となる3つの具体的かつ定性的な要因についても考察した。本デバイスは、電気的に切り替え可能な双安定液晶デバイスへの応用という実用的な価値があるため、2024年度はこれまでの研究成果を統合的にまとめ、学会発表や論文発表を行う。当該経費は発表費用として利用する。
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Research Products
(1 results)
