Фотоориентация и фотопаттернинг: Новая жидкокристаллическая технология для дисплеев и фотоники

Цели. С конца XX века жидкие кристаллы занимают лидирующее положение среди рабочих материалов для дисплейной индустрии. В частности, это стало возможным благодаря достижениям в области управления поверхностной ориентацией в тонких слоях жидких кристаллов, необходимой для задания исходной ориентационной структуры слоя в отсутствие электрического поля. Работа большинства жидкокристаллических дисплеев основана на электрооптических эффектах, возникающих за счет изменения исходной ориентации слоев при включении электрического поля и обратной релаксации ориентационной структуры под действием поверхностей после выключения электрического поля. По этой причине высокое качество поверхностной ориентации напрямую влияет на технические характеристики жидкокристаллических дисплеев. Используемая в настоящее время в дисплейной индустрии традиционная технологии натирания подложек имеет ряд недостатков, связанных с образованием на подложках статического заряда и загрязнением поверхности микрочастицами. В данном обзоре рассмотрена альтернативная технология фотоориентации жидких кристаллов на поверхности с использованием материалов, чувствительных к поляризации электромагнитного излучения. Также описаны различные приложения с использованием фоточувствительных азокрасителей в качестве фотоориентируемых материалов.

Результаты. Альтернативная технология фотоориентации позволяет создавать ориентацию жидких кристаллов на поверхности без механического воздействия, а также контролировать силу сцепления жидкого кристалла с поверхностью подложек. Это обеспечивает преимущество использования технологии фотоориентации в дисплейной индустрии и в фотонике, где применение технологии натирания крайне затруднительно. На примере электронной бумаги с фотоинертной и фоточувствительной поверхностями рассмотрен механизм оптической перезаписи изображения. Описаны различные варианты использования технологии фотоориентации в жидкокристаллических устройствах фотоники, обеспечивающих управление световыми пучками. В частности, рассмотрены переключатели, контроллеры и вращатели поляризации, оптические аттенюаторы, переключаемые дифракционные решетки, поляризационные анализаторы изображения, жидкокристаллические линзы, а также ферроэлектрические жидкокристаллические дисплеи с повышенным быстродействием.

Выводы. Технология фотоориентации и фотопаттернинга жидких кристаллов является многообещающей для новых приложений в области дисплеев и фотоники. Технология может быть использована для вращения поляризации света; дифракции, управляемой напряжением; быстрого переключения показателя преломления жидкого кристалла; ориентации жидких кристаллов в супертонких фотонных дырах, на искривленных и 3D поверхностях; и многого другого. 

1. Ichimura K. Photoalignment of Liquid-Crystal Systems. Chem. Rev. 2000;100(5):1847-1873. https://doi.org/10.1021/cr980079e

2. Schadt M., Seiberle H., Schuster A. Optical patterning of multidomain liquid-crystal displays with wide viewing angles. Nature. 1996;381(6579):212-215. https://doi.org/10.1038/381212a0

3. O’Neill M., Kelly S.M. Photoinduced surface alignment for liquid crystal display. J. Phys. D: Appl. Phys. 2000;33(10):R67-R84. https://doi.org/10.1088/00223727/33/10/201

4. Gibbons W.M., Shannon P.J., Sun S.-T., Swetlin B.J. Surface-mediated alignment of nematic liquid crystals with polarized laser light. Nature. 1991:351(6321):49-50. https://doi.org/10.1038/351049a0

5. Chatelain P. Sur l’orientation des cristaux liquides par les surfaces frottées. Bulletin de Minéralogie. 1943;66(1-6):105-130 (in French). https://doi.org/10.3406/bulmi.1943.4528

6. Janning J.L. Thin film surface orientation for liquid crystals. Appl. Phys. Lett. 1972;21(4):173-174. https://doi.org/10.1063/1.1654331

7. Chigrinov V.G., Kozenkov V.M., Kwok H.S. Photoalignment of Liquid Crystalline Materials: Physics and Applications. Wiley; 2008. 248 p.

8. Yaroshchuk O., Reznikov Y. Photoalignment of liquid crystals: Basics and current trends. J. Mater. Chem. 2012;22(2):286-300. https://doi.org/10.1039/C1JM13485J

9. Nishikawa M., Taheri B., and West J.L. Mechanism of unidirectional liquid-crystal alignment on polyimides with linearly polarized ultraviolet light exposure. Appl. Phys. Lett. 1998;72:2403-2405. https://doi.org/10.1063/1.121390

10. Gong S., Kanicki J., Ma L., Zhong J. Ultraviolet-light induced liquid-crystal alignment on polyimide films. Jpn. J. Appl. Phys. 1999;38:5996-6004. https://doi.org/10.1143/JJAP.38.5996

11. Dyadyusha A.G., Marusii T.Ya., Reznikov Yu.A., Khizhnyak A.I., Reshetnyak V.Yu. Orientational effect due to a change in the anisotropy of the interaction between a liquid crystal and a bounding surface. JETP Lett. 1992;56:17-21.

12. Chigrinov V.G., Kwok H.S. Photoalignment of liquid crystals: applications to fast response ferroelectric liquid crystals and rewritable photonic devices. In: Progress in Liquid Crystal Science and Technology: in Honor of Shunsuke Kobayashi’s 80th Birthday. Singapore: World Scientific; 2013. p. 199-226. https://doi.org/10.1142/9789814417600_0009

13. Chigrinov V.G. Liquid Crystal Photonics. Nova Science Publishers; 2014. 204 p. ISBN: 978-1-62948-315-3

14. Xu P., Chigrinov V., Kwok H.S. Optical analysis of a liquid-crystal switch system based on total internal reflection. J. Opt. Soc. Am. A. 2008;25(4):866-873. https://doi.org/10.1364/JOSAA.25.000866

15. Muravsky A., Chigrinov V. Optical switch based on nematic liquid crystals. IDW’05 Digest; 2005. 223 p.

16. Maksimochkin A.G., Pasechnik S.V., Tsvetkov V.A., Yakovlev D.A., Maksimochkin G.I., Chigrinov V.G. Electrically controlled switching of light beams in the plane of liquid crystal layer. Opt. Commun. 2007;270:273-279. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2006.09.014

17. Zhuang Z., Suh S.W., Patel J.S. Polarization controller using nematic liquid crystals. Opt. Lett. 1999;24:694. https://doi.org/10.1364/OL.24.000694

18. Ertman S., Srivastava A.K., Chigrinov V.G., Chychłowski M.S., Woliński T.R. Patterned alignment of liquid crystal molecules in silica micro-capillaries. Liq. Cryst. 2013;40(1):1-6. https://doi.org/10.1080/02678292.2012.725869

19. Du F., Lu Y.-Q., Wu S.-T. Electrically tunable liquid-crystal photonic crystal fiber. Appl. Phys. Lett. 2004;85(12):2181-2183. https://doi.org/10.1063/1.1796533

20. Haakestad M.W., Alkeskjold T.T., Nielsen M.D., Scolari L., Riishede J., Engan H.E., Bjarklev A. Electrically tunable photonic bandgap guidance in a liquid-crystal-filled photonic crystal fiber. IEEE Photonic. Tech. L. 2005;17(4):819821. https://doi.org/10.1109/LPT.2004.842793

21. Scolari L., Alkeskjold T.T., Riishede J., Bjarklev A., Hermann D.S., Anawati, Nielsen M.D., Bassi P. Continuously tunable devices based on electrical control of dualfrequency liquid crystal filled photonic bandgap fibers. Opt. Express. 2005;13(19):7483-7496. https://doi.org/10.1364/OPEX.13.007483

22. Valyukh I., Arwin H., Chigrinov V., Valyukh S. UVinduced in-plane anisotropy in layers of mixture of the azodyes SD-1/SDA-2 characterized by spectroscopic ellipsometry. Phys. Status Solidi C. 2008;5(5):1274-1277. https://doi.org/10.1002/pssc.200777881

23. Cimrova V., Neher D., Hilderbrandt R., Hegelich M., von der Lieth A., Marowsky G., Hagen R., Kostromine S., Bieringer T. Comparison of the birefringence in an azobenzene-side-chain copolymer induced by pulsed and continuous-wave radiation. Appl. Phys. Lett. 2002;81:1228. https://doi.org/10.1063/1.1499766

24. Kiselev A.D., Pasechnik S.V., Shmeliova D.V., Chopik A.P., Semerenko D.A., Dubtsov A.V. Waveguide Propagation of Light in Polymer Porous Films Filled with Nematic Liquid Crystals. Advances in Condensed Matter Physics. 2019;1539865. https://doi.org/10.1155/2019/1539865

25. Presnyakov V., Asatryan K., Galstian T., Chigrinov V. Optical polarization grating induced liquid crystal microstructure using azo-dye command layer. Opt. Express. 2006;14:10558-10564. https://doi.org/10.1364/OE.14.010558

26. Wang X.Q., Srivastava A.K., Fan F., Zheng Z.G., Shen D., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Electrically/optically tunable photo-aligned hybrid nematic liquid crystal Dammann grating. Opt. Lett. 2016;41:5668-5671. https://doi.org/10.1364/OL.41.005668

27. Luo D., Dai H.T., Sun X.W. Polarization tunable circular Dammann grating generated from azodye doped nematic liquid crystals. Proceedings of SPIE. 2011;7934:79340H. https://doi.org/10.1117/12.874139

28. Luo D., Sun X.W., Dai H.T., Demir H.V. Polarizationdependent circular Dammann grating made of azo-dye-doped liquid crystals. Appl. Opt. 2011;50(15):2316-2321. https://doi.org/10.1364/AO.50.002316

29. Wang X., Wu S., Yang W., Yuan C., Li X., Liu Z., Tseng M., Chigrinov V.G., Kwok H., Shen D., Zheng Z. LightDriven Liquid Crystal Circular Dammann Grating Fabricated by a Micro-Patterned Liquid Crystal Polymer Phase Mask. Polymers. 2017;9:380. https://doi.org/10.3390/polym9080380

30. Zhao X., Bermak A., Boussaid F. A low cost CMOS polarimetric ophthalmoscope scheme for cerebral malaria diagnostics. IFIP Advances in Information and Communication Technology. 2012;379 AICT:1-9. https://doi.org/10.1007/9783-642-32770-4_1

31. Slussarenko S., Murauski A., Du T., Chigrinov V., Marrucci L., Santamato E. Tunable liquid crystal q-plates with arbitrary topological charge. Opt. Express. 2011;19(5):40854090. https://doi.org/10.1364/OE.19.004085

32. Wei B.-Y., Liu S., Chen P., Qi S.-X., Zhang Y., Hu W., Lu Y.-Q., Zhao J.-L. Vortex Airy beams directly generated via liquid crystal q-Airy-plates. Appl. Phys. Lett. 2018;112(12):121101. https://doi.org/10.1063/1.5019813

33. Aizawa M., Ota M., Hisano K., Akamatsu N., Sasaki T., Barrett C.J., Shishido A. Direct fabrication of a q-plate array by scanning wave photopolymerization. J. Opt. Soc. Am. B: Optical Physics. 2019;36(5):D47-D51. https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.000D47

34. Huang Y.-H., Li M.-S., Fuh A.Y.-G. The application of liquid crystal q-plates for modulating Gaussian Beam. Proceedings of the International Display Workshops. 2013;1:196-197.

35. Wang X., Srivastava A., Chigrinov V., Kwok H. Switchable Fresnel lens based on micropatterned alignment. Opt. Lett. 2013;38:1775-1777. https://doi.org/10.1364/OL.38.001775

36. Lin L.-C., Jau H.-C., Lin T.-H., Fuh A.Y.-G. Highly efficient and polarization-independent Fresnel lens based on dye-doped liquid crystal. Opt. Express. 2007;15(6):2900-2906. https://doi.org/10.1364/OE.15.002900

37. Lin L.-C., Cheng K.-T., Liu C.-K., Ting C.-L., Jau H.-C., Lin T.-H., Fuh A.Y.-G. Fresnel lenses based on dyedoped liquid crystals. Proceedings of SPIE. 2008;6911:69110I. https://doi.org/10.1117/12.762550

38. Huang Y.-H., Huang S.-W., Chu S.-C., Fuh Y.-G. High-efficiency Fresnel lens fabricated by axially symmetric photoalignment method. Appl. Optics. 2012;51(32):77397744. https://doi.org/10.1364/AO.51.007739

39. Wang X.Q., Fan F., Du T., Tam A.M., Ma Y., Srivastava A.K., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Liquid crystal Fresnel zone lens based on single-side-patterned photoalignment layer. Appl. Opt. 2014;53:2026-2029. https://doi.org/10.1364/AO.53.002026

40. Wang X.Q., Yang W.Q., Liu Z., Duan W., Hu W., Zheng Z.G., Shen D., Chigrinov V.G., Kwok H.S. Switchable Fresnel lens based on hybrid photo-aligned dual frequency nematic liquid crystal. Opt. Mater. Express. 2017;7:8-15. https://doi.org/10.1364/OME.7.000008

41. Tam A.M.W., Fan F., Du T., Hu W., Zhang W., Zhao C., Wang X., Ching K.L., Li G., Luo H., Chigrinov V.G., Wen S., Kwok H.S. Bifocal Optical-Vortex Lens with Sorting of the Generated Nonseparable Spin-Orbital Angular-Momentum States. Phys. Rev. Applied. 2017;7:034010. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.034010

42. Duan W., Chen P., Ge S.-J., Wei B.-Y., Hu W., Lu Y. Helicity-dependent forked vortex lens based on photopatterned liquid crystals. Opt. Express 2017;25(13):1405914064. https://doi.org/10.1364/OE.25.014059

43. He Z., Lee Y.-H., Chen R., Chanda D., Wu S.-T. Switchable Pancharatnam-Berry microlens array with nanoimprinted liquid crystal alignment. Opt. Lett. 2018;43(20):50625065. https://doi.org/10.1364/OL.43.005062

44. Zhan T., Xiong J., Lee Y.-H., Wu S.-T. Polarizationindependent Pancharatnam-Berry phase lens system. Opt. Express. 2018;26(26):35026-35033. https://doi.org/10.1364/OE.26.035026

45. Duan W., Chen P., Ge S.-J., Liang X., Hu W. A fast-response and helicity-dependent lens enabled by micro-patterned dual-frequency liquid crystals. Crystals. 2019;9(2):111. https://doi.org/10.3390/cryst9020111

46. Li S., Liu Y., Li Y., Liu S., Chen S., Su Y. Fast-response Pancharatnam-Berry phase optical elements based on polymerstabilized liquid crystal. Opt. Express. 2019;27(16):2252222531. https://doi.org/10.1364/OE.27.022522

47. Ren J., Wang W., Yang W., Yuan C., Zhou K., Li X., Tam A.M., Meng C., Sun J., Chigrinov V., Kwok H., Wang X., Zheng Z., Shen D. Micro-patterned liquid crystal Pancharatnam–Berry axilens. Chin. Opt. Lett. 2018;16:062301. https://www.osapublishing.org/col/abstract.cfm?uri=col-16-6-062301

48. Zhou Y., Yin Y., Yuan Y., Lin T., Huang H., Yao L., Wang X., Tam A.M.W., Fan F., Wen S. Liquid crystal Pancharatnam–Berry phase lens with spatially separated focuses. Liq. Cryst. 2019;46(7):995-1000. https://doi.org/10.1080/02678292.2018.1550820

49. Ke Y., Liu Y., Zhou J., Liu Y., Luo H., Wen S. Optical integration of Pancharatnam-Berry phase lens and dynamical phase lens. Appl. Phys. Lett. 2016;108(10):101102. https://doi.org/10.1063/1.4943403

50. Chen H.-T., Taylor A.J., Yu N. A review of metasurfaces: Physics and applications. Rep. Prog. Phys. 2016;79(7):076401. https://doi.org/10.1088/00344885/79/7/076401

51. Lagerwall S.T. Ferroelectric and Antiferroelectric Liquid Crystals. Weinheim: Wiley-VCH; 1999.

52. Favalora G.E., Napoli J., Hall D.M., Dorval R.K., Giovinco M.G., Richmond M.J., Chun W.S. 100 million-voxel volumetric display. Proceedings of SPIE. 2002;4712:300-312. https://doi.org/10.1117/12.480930

53. Nagaraj M., Panarin Y.P., Manna U., Vij J.K., Keith C., Tschierske C. Electric field induced biaxiality and the electrooptic effect in a bent-core nematic liquid crystal. Appl. Phys. Lett. 2010;96(1):011106. https://doi.org/10.1063/1.3280817

54. Kim D.-W., Yu C.-J., Lim Y.-W., Na J.-H., Lee S.D. Mechanical stability of a flexible ferroelectric liquid crystal display with a periodic array of columnar spacers. Appl. Phys. Lett. 2005;87(5):051917. https://doi.org/10.1063/1.2007856

55. Kumar A., Prakash J., Deshmukh A.D., Haranath D., Silotia P., Biradar A.M. Enhancing the photoluminescence of ferroelectric liquid crystal by doping with ZnS quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2012;100(13):134101. https://doi.org/10.1063/1.3698120

56. Shi L., Ma Y., Srivastava A., Chigrinov V., Kwok H.S. Field Sequential Color Displays based on Reflective Electrically Suppressed Helix Ferroelectric Liquid Crystal. SID – 2015 International Symposium. 2015; San Jose, CA, USA.

57. Srivastava A.K., Shi L., Kwok H.S. Modern display applications based on ESH ferroelectric liquid crystals. Proceedings of the International Display Workshops. 2018;1:62-65.