38
Nonlocal effects in models of liquid crystal materials Nigel Mo6ram Department of Mathema:cs and Sta:s:cs University of Strathclyde (Ma6 Neilson, Andrew Davidson, Michael Grinfeld, Fernando Da Costa, Joao Pinto)

Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Nonlocal, differential equations, liquid crystals, bistable liquid crystal displays, modelling, theory

Citation preview

Page 1: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  effects  in  models  of  liquid  crystal  materials  

Nigel  Mo6ram  

Department  of  Mathema:cs  and  Sta:s:cs  

University  of  Strathclyde  

(Ma6  Neilson,  Andrew  Davidson,  Michael  Grinfeld,  Fernando  Da  Costa,  Joao  Pinto)  

Page 2: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  liquid  crystal  materials  

The  liquid  crystalline  state  of  ma6er  is  an  intermediate  phase  between  the  isotropic  liquid  and  solid  phases.    

1  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  material  can  flow  as  a  liquid  but  retains  some  anisotropic  features  of  a  crystalline  solid.    

Page 3: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  liquid  crystal  phases  

The  liquid  crystal  can  exhibit  two  types  of  order:  

•   Orienta:onal  order,  where  molecules  align,  on  average,  in  a  certain  direc:on    

•   Posi:onal  order,  where  density  varia:ons  lead  to  a  layered  structure  

2  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  vast  majority  of  liquid  crystal  based  technologies  use  nema:c  liquid  crystal  materials.  

Page 4: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  the  director  

The  average  molecular  orienta:on  provides  us  with  a  macroscopic  dependent  variable  which  can  be  used  to  build  a  con:nuum  theory  of  nema:c  liquid  crystals.    

3  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  main  dependent  variables  will  therefore  be  the  director  n  and  the  fluid  velocity  v.      

Other  dependent  variables  can  include  the  electric  field  E,  the  amount  of  order  S  and  densi:es  of  ionic  impuri:es.    

Page 5: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  elas:city  

One  of  the  main  differences  between  isotropic  fluids  and  liquid  crystals  is  their  ability  to  maintain  internal  stresses,  due  to  elas:c  distor:ons  of  the  director  structure.  

4  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  presence  of  such  distor:ons  will  be  modelled  through  the  inclusion  of  an  elas:c  energy.    

Classic  elas:c  distor:ons  include  splaying,  twis:ng  and  bending  of  the  director.  

Page 6: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  dielectric  effect  

•  Since  each  molecules  contains  small  dipoles,  or  distributed  charges,  they  are  polarisable  in  the  presence  of  an  electric  field.    

•  This  polarisability  is  different  along  the  major  and  minor  axes  of  the  molecules.    

•  The  difference  in  permiYvi:es  is  measured  by  the  dielectric  anisotropy  

5  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

In  order  to  minimise  the  electrosta:c  energy,  a  molecule,  or  group  of  molecules,  will  reorient  to  align  the  largest  permiYvity  along  the  field  direc:on.  

Page 7: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  flexoelectric  effect  

•  The  dielectric  effect  can  reorient  liquid  crystal  molecules  in  one  way  only.  

•  The  flexoelectric  effect  has  different  effects  depending  on  the  direc:on  of  the  electric  field.  

6  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

If  molecules  contain  dipoles  and  shape  anisotropy  then  different  distor:ons  are  produced  depending  on  the  direc:on  of  the  field.    

Page 8: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  flow  effects  

•  Director  rota:on  and  fluid  flow  are  coupled,  with  director  rota:on  inducing  flow  and  visa  versa.    

•  The  viscosity  is  also  dependent  on  the  director  orienta:on.    

7  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

In  total  there  are  five  independent  viscosi:es  in  a  nema:c  liquid  crystal.    

(up  to  23  viscosi:es  in  a  smec:c  liquid  crystal)    

Page 9: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  surface  anchoring  

•  The  interac:on  between  liquid  crystal  molecules  and  the  bounding  substrates  is  an  extremely  important  aspect  of  liquid  crystal  devices.  

•  Surface  treatments  (mechanical  and  chemical)  can  induce  the  liquid  crystal  molecules  to  align  parallel  or  perpendicular  to  the  substrate  normal.  

8  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  strength  of  this  interac:on  is  measured  by  a  surface  anchoring  strength    

Page 10: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  liquid  crystal  displays  

Standard  liquid  crystal  displays  consist  of  liquid  crystal  material  sandwiched  between  electrodes,  treated  substrates  and  op:cal  polarisers.    

9  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  applica:on  of  an  electric  field  across  the  liquid  crystal  causes  reorienta:on.  

Page 11: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  liquid  crystal  displays  

• When  a  field  is  applied  the  director  reorients  to  align  with  the  field.    

• When  the  field  is  removed  the  surface  anchoring  dominates  and  the  director  structure  relaxes  to  the  original  orienta:on.  

10  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

•  This  effect  can  change  the  transmission  of  light  through  the  device.    

• When  this  effect  is  pixellated  (and  with  the  addi:on  of  colour  filters)  a  display  can  be  produced.  

Page 12: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  ZBD  display  

•  The  Zenithal  Bistable  Device  contains  a  structured  surface  which  leads  to  two  dis:nct  director  structures,  one  of  which  contains  defects.  

11  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

•  These  two  states  are  op:cally  dis:nct.  •  If  we  can  switch  between  these  two  states  we  can  maintain  a  sta:c  image  without  the  need  to  supply  power.    

Ver:cal     Hybrid  Aligned  Nema:c  (HAN)  

Page 13: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Introduc:on  –  tV  plots  

•  If  we  apply  a  voltage  pulse  of  V  volts  for  τ  milliseconds  we  can  switch  between  the  two  states.      

12  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

•  These  plots  are  known  as  τV  plots  and  are  used  to  op:mise  the  device.        

Ver:cal  to  HAN    HAN  to  Ver:cal  

Page 14: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

A  simplified  model  

•  Our  model  simplifies  the  complicated  2d  structure  and  mimics  the  bistable  surface  with  a  surface  energy  which  has  two  stable  states.    

13  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 15: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

A  simplified  model  

• We  now  have  an  evolving  1d  distor:on  structure.    

•  The  director  and  electric  field  are  func:ons  of  the  distance  through  the  device  and  :me.    

14  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 16: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Solving  Maxwell’s  equa:ons  

The  electric  field  must  sa:sfy  Maxwell’s  equa:ons  

The  first  of  these  introduces  the  electric  poten:al  U(z,t)    

and  the  second,  with  an  appropriate  cons:tuta:ve  equa:on,  leads  to,      

15  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 17: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Solving  Maxwell’s  equa:ons  

The  first  term  is  the  due  to  the  dielectric  effect  and  it  is  simply  the  orienta:on  of  the  director  that  enters  this  term    

the  second  is  from  the  flexoelectric  effect  where  gradients  of  the  director  orienta:on  are  important.  

This  equa:on  can  be  solved  to  give,  

where,  

16  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 18: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Director  angle  equa:on  

The  director  angle  θ(z,t)  is  governed  by  the  equa:on,  

where  the  leg  hand  side  term  derives  from  the  dissipa:on  due  to  rota:on  of  the  director,  

the  K  terms  are  due  to  elas:city  

the  E13  term  is  due  to  flexoelectricity  the  Δε  term  is  due  to  the  dielectric  effect  

17  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 19: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Boundary  condi:ons  

At  the  upper  surface  (z=d)  the  director  is  (usually)  assumed  to  be  fixed,  

whereas  on  the  lower  surface  (z=0)  the  director  angle  obeys,  

where  the  leg  hand  side  term  derives  from  the  dissipa:on  at  the  surface,    

the  K  terms  are  from  elas:c  torques  

the  E13  term  is  due  to  flexoelectricity  the  W0  term  is  due  to  the  bistable  anchoring  (                                  and                          have  the  same  energy)    

18  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 20: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on  

We  first  remove  the  nonlocal  effect  of  the  electric  field  and  consider  a  simpler  set  of  equa:ons  

where  E  is  now  a  constant  electric  field  value.  

The  flexoelectric  term  in  the  boundary  condi:on  at  z=0  is  simply  modifying  the  surface  poten:al.    

If  E>0  this  term  pushes  the  director  towards  θ=0  and  if  E<0  towards  θ=π/2.  

19  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 21: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on  

We  now  nondimensionalise  and  rescale,  

20  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 22: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on  

…leading  to  the  following  equa:ons  

We  can  consider  the  linear  stability  of  the  ver:cal  solu:on  u=π/2  and  find  constraints  on  the  stability  which  depend  on  the  flexoelectric  parameter.    

Perhaps  more  interes:ng  is  an  analysis  of  the  sta:onary  problem    

21  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 23: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on  

We  want  to  inves:gate  the  solu:on  structure  as  we  vary  the  electric  field  parameter  η.    

To  do  this  we  remove  the  field  dependence  in  the  interior  equa:on  using    

so  that    

22  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 24: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on  

For  σ=+1  we  consider  the  phase  plane  defined  by      

and  the  intersec:on  of  the  ini:al  manifold  

with  the  isochrone                  which  is  defined  by  the  set  of  points  

which  sa:sfy  

where                                                                              is  the  first  integral  of  the  pendulum  equa:on  above.  

23  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 25: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on,                              ,          ……..    

24  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

(If  E>0  flexo  pushes  the  director  towards  θ=0  and  if  E<0  towards  θ=π/2)  

Page 26: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on,                              ,          ……..    

25  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

(If  E>0  flexo  pushes  the  director  towards  θ=0  and  if  E<0  towards  θ=π/2)  

Page 27: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on,                              ,          ……..    

26  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

(If  E>0  flexo  pushes  the  director  towards  θ=0  and  if  E<0  towards  θ=π/2)  

Page 28: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Constant  field  approxima:on,  ………                                

27  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

For  sufficiently  large  β  and  κ    

(If  E>0  flexo  pushes  the  director  towards  θ=0  and  if  E<0  towards  θ=π/2)  

Page 29: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

We  now  numerically  solve  the  full  equa:ons,  

where,  

with                                                on          on  z=d  

and                                on  z=0  

28  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Page 30: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

29  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

A  more  realis:c  voltage  profile  is  a  bipolar  pulse    

Page 31: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

30  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

If  we  apply  such  a  pulse  we  obtain  a  more  complicated  τV  diagram  

Since  Δε<0  we  would  assume  that  Ver:cal  to  HAN  switching  is  easier.    However,  if  V<0  flexo  pushes  towards  HAN  and  if  V>0  towards  Ver:cal    

Page 32: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

31  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Consider  four  different  voltage  values,  for  long  pulse  :mes,  and  look  at  the  director  profiles  at  points  A,  B,  C,  D  during  the  applica:on  of  the  voltage.  

Page 33: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

Start  in  the  HAN  state  and  apply  pulse  

Δε<0  pushes  bulk  to  θ=0.    

for  V<0  flexo  pushes  to  θ(0)=0    

for  V>0  flexo  pushes  to  θ(0)=π/2    

32  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

black  red  

green  

blue  

 nega:ve  V  on                              posi:ve  V  on                

H-­‐>V  

H-­‐>V  

Page 34: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

Start  in  the  Ver6cal  state  and  apply  pulse  

Δε<0  pushes  bulk  to  θ=0.    

for  V<0  flexo  pushes  to  θ(0)=0    

for  V>0  flexo  pushes  to  θ(0)=π/2    

33  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

black  red  

green  

blue  

 nega:ve  V  on                              posi:ve  V  on                

V-­‐>H  

Page 35: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

The  high  voltage  anomaly  

We  would  expect  the  80V  case  to  behave  as  the  50V  case.    

We  think  the  difference  at  z=d  affects  the  field  at  z=0  through  the  nonlocal  terms  

34  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

black  red  

green  

blue  

 nega:ve  V  on                              posi:ve  V  on                

H-­‐>V  V-­‐>H  

H-­‐>V  

Page 36: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

35  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

The  nonlocal  region  can  be  significant  when  elas:city  increases  

or  when  anchoring  at  z=d  decreases  

Page 37: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Nonlocal  and  dynamic  effects  

36  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

Including  flow  can  lead  to  overlaps  (slower  transients)  and  gaps  (other  solu:ons)      

Page 38: Nonlocal effects in models of liquid crystal materials

Summary  

37  3rd  June  2010  EPANADE  –  N.J.  Mo6ram,    University  of  Strathclyde  

•  Liquid  crystal  devices  offer  a  rich  source  of  interes:ng  (mathema:cal  and  technological)  problems.    

• Most  of  these  stem  from  the  boundary  condi:ons…      

surface  dissipa:on  nonlocal  terms  

bistability  elas:c  torques