Введение к работе
Актуальность темы. Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК), благодаря своим олектрооптическим свойствам, представляют большой практический интерес при создании различных устройств оптоэлектроники, работающих на оптических эффектах, сопровождающих переориентацию их молекул под влиянием электрических полей. Совершенствование и создание новых устройств отображения информации на основе ХЖК (полноцветные и чернобелые дисплеи на ХЖК. световые затворы, модуляторы света) повышают требования к используемым материалам. Увеличение обьема отображаемой информации предполагает малые времена срабатывания жидкокристаллических (ЖЮ устройств, повышенный контраст, стабильность их работы при приложении электрического поля. Важнейшей проблемой для устройств отображения информации на ЖК является также увеличение угла зрения. В настоящее время используемые ЖК-материалы не обеспечивают требуемый набор эксплуатационных параметров а именно, температура существования мезофазы от -40" цо 100" С. диэлектрическая анизотропия от 6 до 17, оптическая анизотропия от 0.] до 0.3 и вязкость ниже 30 сП. Поиск новых материалов приводит к необходимости получения все более сложных соединений, синтез которых включает от 6 до 12 стадий с использованием высоких давлений, температур и последующим сложным выделением необходимых соединений. Это приводит к сильному удорожанию как самих материалов, используемых в оптозлектронных устройствах, так и самих устроііств. Таким образом, совершенствование ЖК-материалов чисто химическим путем не отвечает современным требованиям промышленности.
Разработка композитных материалов - один из возможных способов решения целого ряда проблем. Такие материалы представляют собой новый класс анизотропных сред, содержащих ЖК и полимерную матрицу [lj. Наличие в материале межфазной границы ЖК - полимер должно определенным образом влиять на электрооптические свойства ЖК. Возможность применения подобных материалов в оитоэлектронных устройствах требует экспериментального и теоретического исследования оптических свойств и оптических эффектов, возникающих в ЖК-композитах при переориентации ЖК-молек_\.т в электрическом поле. В связи с этим, поиск более простых технологических подходов к целенаправленному синтезу новых материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а также изучение способов влияния на свойства ЖК-материалов является важной актуальной физической задачей.
Целью работы является разработка и исследование ЖК-комиозитов с планарной текстурой индуцированных ХЖК, стабилизированной сетчатым полимером, которые могут быть использованы в качестве электрооптического мл триала для устройств отображения информации.
Для досшжения поставленной цели решались следующие задачи:
отработка технологии получения ЖК-композитов, содержащих индуцированный ХЖК и сетчатый полимер с использованием фазового рінделеиия ХЖК и полимера при испарении растворителя;
экспериментальное исследование морфологии композитной системы индуцированный ХЖК - полимерная сетчатая матрица, в зависимости от соотношения компонентов системы;
экспериментальное исследование селективного пропускания света ЖК-композитами с индуцированной холестерической спиралью, стабилизированной сетчатым полимером. Сравнение результатов, полученных экспериментальным путем и численными методами;
- экспериментальное исследование электрооптических и динамических
свойств композитной системы индуцированный ХЖК - полимерная
сетчатая матрица.
Научная новизна работы:.
!. Разработан метод формирования ЖК-композита, с НЖК (смесь цианобифенилов и алкилоксицианобифенилов с температурным диапазоном мезофазы -І01' до -/58.5''), оптически активной добавкой (члены ряда 1R,4R-2-(-4-фенилбензилиден)-п-мснтан-3-онов с варьируемой длиной терминального алкнлыюго заместителя) в диапазоне концентраций 5-13% (по массе НЖК) и полимером с разветвленной структурой (поливинилпирролидоном). Показано, что при концентрациях полимера 2-10% реализуется ЖК-композит с планарной текстурой индуцированного ХЖК. стабилизированной полимерной сеткой, а при концентрациях 30-50% - полимерная пленка с диспергированными в ней каплями ХЖК.
2 Впервые методами электронной, оптической поляризационной микроскопии исследованы морфология и текстуры ЖК-композитов с малым содержанием полимера (2-10%), полученных методом фазового разделения при испарении растворителя. Показано, что. меняя соотношения компонентов, режим технологического процесса, в ЖК-композите реализуется объемная разветвленная сетка с регулируемыми размерами структурных элементов.
-
Получены новые экспериментальные результаты по исследованию эффекта селективного пропускания света ЖК-композитами, содержащими индуцированный ХЖК и разветвленную полимерную сетку в его объеме Показано, что селективное пропускание света данным типом ЖК-композитов (при концентрации полимера 2-10%) описывается в рамках теории Брэгговекой дифракции света для непоглощающих ХЖК.
-
Получены новые экспериментальные результаты по исследованию электрооптического эффекта в ЖК-композитах на основе индуцированного ХЖК и сетчатого полимера (2-10%). Показано, чго данный тип ЖК-композитов може г быть использован в качестве электрооптического материала для световых, затворов с обратной модой, работающих на эффекте управляемою электрическим полем светорассеяния индуцированных ХЖК. Электрооптические характеристики ЖК-композита определяются величиной приложенного поля, свойствами ХЖК и плотностью полимерной сетки.
Практическая ценность работы. Разработан новый материал на основе идуцированных ХЖК с планарной текстурой, стабилизированной полимерной пкой, характеризуемый следующими параметрами: контрастом (10+20):1, эеменами оптического отклика на приложенное переменное электрическое оле 0.6+0.8 мс. временами релаксации 5+8 мс. углом зрения 34и-45, лравляюшим напряжением 20+30 В. Данный материал перспективен для рименения в управляемых электрическим полем световых затворах.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается эспроизводимостью в экспериментах, применением стандартной аппаратуры, нализом погрешностей измерений и удовлетворительным согласованием с кспериментальными литературными данными.
На защиту выносятся следующие основные положения: . На формирование ЖК-композита на основе ХЖК с индуцированной спиралью и сетчатым полимером с требуемой структурой влияют, соотношение его составляющих (ЖК 90-98%, полимер 2-10%); условия проведения процесса фазового разделения при испарении растворителя (температура процесса, параметры растворимости компонентов);
степень упорядоченности жидких кристаллов. . Величина эмпирического спектрального параметра порядка S пленарной текстуры индуцированного ХЖК уменьшается с 0.93 до 0.8 вследствие увеличения несовершенства планарной текстуры, вызванного увеличением концентрации полимера в ЖК-композите от 0 до 10%. . Селективное пропускание света ЖК-композитами с планарной текстурой индуцированных ХЖК, стабилизированных полимерной сеткой, описывается в рамках теории Брэгговской дифракции света на периодической структуре ХЖК с учетом функций распределения по углу ориентации и шагу холестерических спиралей I. Наличие полимерной сетки в ЖК-композитах приводит к увеличению энергии сцепления на границе индуцированный ХЖК - полимер и к дополнительной деформации ХЖК Как следствие, увеличиваются пороговые напряжения для получения свсторассеиваюшего состояния до 15 и 24 В в ЖК-компонпах толщиной 10 мкм с концентрацией полимера 2 и 5% соответственно. >. Вследствие введения объемной ориентации индуцированного ХЖК, дополнительно к поверхностной, снижаются времена отклика ХЖК на приложение импульса напряжения с 1.5 мс до 0.8 - 0.6 мс, времена релаксации ХЖК - с 17 мс до 8 - 5мс. Для ЖК-композитов толщиной 10 мкм с содержанием полимера 2-5% характерно увеличение угла зрения от 34 до 45"
Личный вклад автора. Все основные результаты экспериментальных исследований, на которых базируется диссертация, получены автором. Во всех заботах, написанных в соавторстве, диссертант принимал участие в интерпретации результатов.
Апробации работы'. Основные результаты работы докладывались на 3-й Международной на\чно-техннческой конференции «Актуальные проблемы электронного нриборостоения АПЭП-96» (Новосибирск, 1996), на 2-ой Международной конференции "Nonlineai Optics of Liquid and Photorefractive Crystals" (Партенит. Крым, Украина, 1997), -4-ой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостоения АПЭП-98» (Новосибирск, 1998). 17* International Liquid Crystal Conference (Strasbourg, France, 1998), 16-ой Межреспубликанской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности (Новосибирск, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ в отечественной и зарубежной печати, список которых приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 128 страниц текста. 47 рисунков, и 103 наименования литературы.
