Жидкокристаллические композиты с индуцированной холестерической спиралью, стабилизированной сетчатым полимером тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

- С КОП ИС1

На правах рукописи

Самсонова Ирина Викторовна

ИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ С ИНДУЦИРОВАННОЙ ХОЛЕСТЕРИЧЕСКОЙ СПИРАЛЬЮ, СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ СЕТЧАТЫМ ПОЛИМЕРОМ

О ] .04.10 - физика полупроводников н диэлектриков

Автореферат

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических паук

Новосибирск. 2000

Работ выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук, с.н с. Жаркова Г.М

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Невская Г.Е.

кандидат физико-матемашческич наук. с.н.с. Наливайко В.И.

Ведущая организация:

Институт физики им. Л В Киренского СО РАН, г.Красноярск

Защита диссертации состоится Ус-? 2000 г. в ^^ часов на заседании диссертационного Совета Д 063.34 11 по техническим наукам при Новосибирском государственном техническом университете по адресу 630092. г.Новосибирск, пр. К. Маркса. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного универсигета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просьба направлять в адрес диссертационного Совета.

Автореферат разослан _ ___ 2000г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук —,—..____Берлинский A.C.

1 уш-0^.6-036, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК), благодаря своим электрооптическим 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 0.1 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. Ого приводит к сильному удорожанию как самих материалов, используемых в оптоэлсктронных устройствах, так и самих устройств. 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 [1]. Наличие в материале межфазной границы ЖК - полимер должно определенным образом влиять на электрооптические свойства ЖК. Возможность применения подобных материалов в оитоэлектромных устройствах требует экспериментального и теоретического исследования оптических свойств и оптических эффектов, возникающих в ЖК-композитах при переориентации ЖК-молекул 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.

Целыо работы является разработка и исследование ЖК-комиозитов с планарной текстурой индуцированных ХЖК, стабилизированной сетчатым полимером, которые могут быть использованы в качестве электрооптического матриала для устройств отображения информации.

Для досI ижения поставленной цели решались следующие задачи:

- отработка технологии получения ЖК-композитов, содержащих индуцированный ХЖК и сетчатый полимер с использованием фазового р;нде.'1еиия 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-композита.ми 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 -101' до -/58.51'), оптически активной добавкой (члены ряда 2-(-4-фенилбензилиден)-п-мснтан-3-онов с варьируемой длиной терминального алкильного заместителя) в диапазоне концентраций 5-13% (по массе НЖК) и полимером с разветвленной структурой (поливинилпирролидоном). Показано, что при концентрациях полимера 210% 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 м&тым 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.

3. 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 непоглощаютцих ХЖК.

4. Получены новые экспериментальные результаты по исследованию электрооптического эффекта в ЖК-композитах на основе индуцированного ХЖК и сетчатого полимера (2-10%). Показано, что данный тип ЖК-композитов может 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 лдуцированмых ХЖК с планарной текстурой, стабилизированной полимерной я кой, 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°, гтравляюшим 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 Б гиганарной текстуры индуцированного ХЖК уменьшается с 0.93 до 0.8 вследствие увеличения несовершенства гтланарнои текстуры, вызванного увеличением концентрации полимера в ЖК-композите от 0 до 10°о. . Селективное пропускание света ЖК-композитами с пленарной текстурой индуцированных ХЖК, стабилизированных полимерной сеткой, описывается в рамках теории Брэгтовской 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 свсторассеивающего состояния до 15 и 24 В в ЖК-компо¡птах 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, па которых базируется диссертация, получены автором. Во всех заботах, написанных в соавторстве, диссертант принимал участие в и н тер п рета ц и и ре ?у л ы а то в.

Апробации работы'. Основные результаты работы докладывались на 3-й Международной на\ чпо-технической конференции «Актуальные проблемы электронного ириборостоения АГ1ЭП-96» (Новосибирск, 1996), на 2-ой Международной кон<|)еренции "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). 17lh 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту. Выделены новые результаты, отмечена практическая значимость работы. Приведено краткое описание диссертации по главам.

В первой главе приводя!Ся обшие сведения о ХЖК. Кратко рассмотрены (§1.1) структура и текстуры ХЖК. оптические свойства холестерической мезофазы и электрооптический эффект ($1.2) в ХЖК с положительной диэлектрической анизотропией (Д<:>0) в отсутствие тока. Приведен обзор рабог по структурным и электроогпнческим свойствам ЖК-композитов, содержащих высокую концентрацию полимера (30-60%) [1]. Такие материалы, полученные разными способами фазового разделения ЖК и полимера, характеризуются следующими электрооптическими параметрами: контрастом (отношение пропускания света в прозрачном состоянии к пропусканию в светорассеивающем состоянии) от 50:1 и выше, временами включения и релаксации от нескольких мс до 50 мс. Основной недостаток таких материалов: высокие управляющие напряжения - 100 В и более для толщин порядка 10 мкм. С другой стороны, такие материалы характеризуются углом зрения (угол наблюдения относительно нормали к плоскости ячейки с ЖК-компознто.м) порядка 30" и более только для одного состояния -прозрачною (в поле) Кроме того, при использовании жидкокристаллических полимеров. близких по химической структуре к применяемым низкомолекулярным ЖК,'.возникает проблема фазового разделения ЖК и полимера в таких системах при высоких копией фациях последнего Поэтому представляют интерес ЖК-компози ты с малым содержанием полимера (1-10%). В литературе описан способ получения подобных материалов методом фотополимеризации [2]. Недоступность материалов, указанных в литературе, и

евозможность проверки достигнутых характеристик определяют еобходимость поиска альтернативных способов формирования ЖК-омпозитов, простых и дешевых при изготовлении на основе отечественного ырья, исследования их свойств и получения материалов с требуемыми тектроопти чески ми характеристиками.

На основании обзора литературных данных сформулированы основные щачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена технологии получения ЖК-композитов с панарной текстурой, стабилизированной полимерной сеткой и исследованию х структуры методами оптической и электронной микроскопии. Выбор сходной ориентации ХЖК определяется перспективностью применения таких атериалов в устройствах с регулируемым светорассеянием.

В качестве метода формирования ЖК-композита выбран метод фазового ззделения ЖК и полимера при испарении растворителя. Для получения ЖК-эмпозитов выбран высокомолекулярный полимер поливинилпирролидон с 13ветвленной структурой (молекулярный вес 360 ООО - 1 ООО ООО), со тчением показателя преломления я =1.52, близким к среднему показателю

эеломления ХЖК >7 =1.6.Выбор ХЖК обоснован следующими юбражениями. Традиционно применяемые ХЖК для этих целей (эфиры шестерика) характеризуются высокой вязкостью, сильно выраженной :мпературной зависимостью их свойств. В связи с этим, были разработаны щуцированные ХЖК, на основе НЖК (смесь цианобифенилов и ссиалкилцианобифенилов) и оптически активной добавки (ХД). Введение ¡большого количества оптически активной добавки индуцирует спиральную руктуру в исходном НЖК. В качестве оптически активных добавок были 1браны новые производные 1Я,4Я-2-(-4-фенилбензилиден)-п-ментан-3-она >БМ), содержащие 4-алкилоксизаместитель различной длины в терминальном ¡нзольном кольце (ЮФБМ - 60ФБМ)*. Выбор данных добавок определялся ; высокой изоморфностью к жидким крист&тпам и возможностью получения с ; помощью материалов, селективно рассеивающих свет в видимом и ближнем < диапазоне (при концентрациях 8-16%).

В результате экспериментального исследования обоснован выбор мпонентов и их соотношений, а также способ получения ЖК-композитов ¡тодом фазового разделения ЖК и полимера при испарении растворителя ганол) (§2.1 и 2.2).

Образец ЖК-композита для исследований в оптическом ляризационном микроскопе (МИН 8) представляет собой планарно иентированный слой индуцированного ХЖК с распределенной по его объему лимерной сеткой, заключенный между двумя параллельными раничивающими поверхностями (стеклами) на внутренние поверхности торых нанесены прозрачные проводящие слои оксида индия (так называемые

* Оптически активные добавки любезно предоставлены д.х.н. Кутуля А., Институт монокристаллов HAH Украины, Харьков.

20 мкм Юмкм

Рис. 1. Планарная текстура нндуиированного Рис 2 Текстура капель индуцированного ХЖК, стабилизированного сетчатым ХЖК в полимерной пленке. Скрещенные полимером Содержание полимера 10% поляризаторы Толщина пленки 12 мкм Толщина слоя 10 мкм Скрещенные поляризаторы

1ТО-покрытия). Толщина слоя ЖК-композта составляет 10 мкм. Типичная текстура ХЖК с полимерной сеткой представлена на Рис.1. Введение полимера в концентрации' 2-10% приводит к образованию многодоменной системы. Формируется так называемая несовершенная планарная текстура ХЖК [3]. Вследствие используемой технологии образуются большие «ячейки» полимерной сетки и с увеличением полимерной концентрации от 2 до 10% их размеры (следовательно, и размеры холестерических доменов) уменьшаются не очень значительно. При полимерной концентрации 2% размеры доменов ХЖК составляют 80-30 мкм с наибольшей долей доменов порядка 60 мкм. Для концентрации полимера 5 и 10% диапазон размеров холестерических доменов уменьшается до 60-20 мкм и 50-10 мкм соответственно. При этом средний размер холестерических доменов составляв 35 и 20 мкм для концентраций полимера в ЖК-компози'те 5 и К)0., соответственно. При дальнейшем увеличении концентрации полимера до 30-50% формируется твердая полимерная матрица с диспергированными в ней каплями ХЖК (Рис.2). Используемый полимер обеспечивает тангенциальные граничные условия. Полимерная пленка с капсулированным ХЖК представляет отдельный класс ЖК-композитов и далее не рассматривается.

Степень разветвленности полимерной сетки и средний диаметр полимерных нитей являются параметрами. которые определяют электрооптические свойства ХЖК. Чем больше развегвлснность сетки и меньше диаметр полимерных нитей, тем больше поверхностных границ взаимодействия 1 ХЖК - полимер. По результатам исследований планарных текстур ЖК-композитов методом оптической микроскопии сделан вывод, что

полимерные нити, образующие ячейки сетки имеют средний диаметр порядка 5 - I мкм, причем оценить-толщину тех нитей, диаметр которых порядка 1 мкм, практически невозможно из-за ограничения оптической системы поляризационного микроскопа. Поэтому структура полимерной сетки исследовалась методом электронной микроскопии. Изображения фрагментов полимерной сетки, полученных с помощью электронного микроскопа, показаны на Рис.3. По результатам исследований структуры полимерной сетки можно заключить, что диаметр наиболее тонких нитей порядка 0.5 мкм. В результате удаления ХЖК некоторые отдельные полимерные нйти стягиваются, образуя нити большего диаметра. Подобный эффект увеличения диаметра полимерных нитей достаточно часто наблюдается при подготовке образцов, о

450 >1») 10мкм

а б

Рис.3. Фрагменты полимерной сетки. Изображения получены методом электронной икроскопии. ЖК отсутствует, (а) - фрагмент полимерной ячейки, прикрепленной к одной 1 опорных поверхностей, (о) - фрагмент полимерной ячейки с разными диаметрам)! химерных нитей |

:м сообщается различными авторами [2, 4]. Тем не менее, метод электронной икроскопии. остается одним из распространенных методов исследования эрфологии. полимерной сетки для ЖК композитов с малым содержанием )лимера.

В третьем главе представлены результаты измерений спектральных рактеристик ЖК-композитов с планарной текстурой, стабилизированной шимерной сеткой. Также представлены результаты экспериментального следования влияния компонентов ЖК-композита на температурные границы

холестеричекой фазы, стабильность и степень ориентационного упорядочен1 планарного слоя ХЖК.

В §3.1 описаны составы исследуемых ЖК-композитов, методи! измерения спектральных характеристик ЖК-композитов, оценка погрешност< результатов измерений. Влияние полимерной сетки на спектральнь характеристики ЖК-композитов оценивается по изменению спектрально) параметра порядка Б [3], который представляет собой отношение полуширин пика кривой селективного пропускания квазиоднородного образца полуширине экспериментальной кривой селективного пропускания.

Для данных исследований были разработаны составы, обеспечиваюиц селективное пропускание света в видимой области спектра.

В §3.2 приведены спектральные характеристики пропускания с в с индуцированных ХЖК (Рис.4), по которым определена закручивают; способность р используемых ХД и степень упорядоченности планарнс текстуры этих ХЖК без полимерной добавки в образцах (Таблица 1). Показан! что алкилоксизамешенные ХД (10ФБМ-60ФБМ) в рассматриваемом диапазон концентраций (8-16%) обеспечивают высокую степень упорядочения ХШ Добавление ХД в концентрации 11.5-16% позволяет получать индуцированны ХЖК с областью селективного пропускания света в видимом диапазоне дли волн. Параметр, характеризующий область селективного рассеяния света - длина волны максимума селективного пропускания ЖК-композита.

В §3.2 также приведены результаты исследований влияния полимера н фазовые переходы. В результате исследований холестерико - изотропног перехода методом поляризационной микроскопии установлено (с точностью д 0.2°), что ориентационное упорядочение ХЖК-молекул в ЖК-композит сохраняется при температуре, превышающей температуру фазового переход ХЖК - изотропная жидкость для индуцированного ХЖК без полимерг Температура, соответствующая состоянию, когда ХЖК в объеме отдельн взятого домена находится в изотропной фазе, повышается на |" и 2 соответственно для ЖК-композитов, содержащих 5 и 10% полимер соответственно. Таким образом, сетчатый полимер расширяет температурны границы холестерической фазы.

В §3.3 показано, что внедрение полимерной сетки (2-10%) в объем ХЖ1 приводит к образованию несовершенной планарной текст) ры. При повышени: концентрации полимерной добавки в ЖК-компоипе увеличиваете асимметричность пика селективного пропускания и уменьшается его амплитуд вследствие уменьшения упорядоченности исходной планарной текстуры. Это' факт подтверждается снижением спектрального параметра порядка Б вычисленного па спектрам селективного пропускания (Таблица 2). ЖК композиты характеризуются наличием несовершенной планарной текстуры ш всему образцу.

В четвертой главе проведены расчеты коэффициента селективной пропускания несовершенной планарной текстуры индуцированного ХЖК ) видимом диапазоне длин волн в рамках Брэгговской теории взаимодействи) света с холестерической средой Полученные экспериментально спектры

1,0

ч о 0,9

I 6 0,8

0>

X га 0,7

>»

о о. с: 0,6

0,5

1° 1

* о

♦hi8*

ФБМ ТОФБМ 2 0ФБМ

5 0ФБМ

6 0ФБМ

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны >• , нм

Рис. 4. Коэффициент пропускания (Т) планарной текстуры индуцированного ХЖК. Состав ХЖК: нематическая смесь и ХД: ФБМ, ЮФБМ, 20ФБМ, 50ФБМ, 60ФБМ. Толщина слоя 20 мкм. На стеклах нанесен ориентирующий слой ГЕВА. Измерения Т(/.) проведены при нормальном палении неполяризованного света на образец.

Таблица 1

Влияние использованных ХД на оптические характеристики индуцированных ХЖК.

ХД -Р, мкм"'хмол.дол"' S* (ПВА слой) S* (ITO-покрытие)

Нематическая смесь

ФБМ 32.3 09 0.84

ЮФБМ 33.5 0.91 0.90

20ФБМ 32.6 0.92 0.91

50ФБМ . 35.4 0.94 0.92

60ФБМ 34.7 0.93 0.92

* Спектральный параметр порядка

Таблица 2

Спектральный параметр порядка .9 ЖК композитов Состав, нематическая смесь, ХД 60ФБМ. Концентрация ХД и полимера указана в таблице.

Концентрация S, 13 мае. % ХД S, 8 мае % ХД S, 13 мае. % ХД

ПВП, мае %

(ITO-покрытие) (ITO-покрытие) (ПВА-покрытие)

>.,„.,4=615+5 нм Х„т=940±5 нм Я.,шч=620±5 нм

0% 0.92 0 93 0.93

2% 0.85 0 85 0.86

5% 0.81 0 82 0.83

10% 0.78 0.78 0 8

селективного пропускания света образцами ЖК-композитов с различным содержанием полимера (для. случая нормального падения неполяризованного света на образец) сравниваются с результатами численных расчетов.

В §4.1 кратко рассмотрены особенности взаимодействия света с холестерической средой. ' Вводятся следующие упрощения: однократное рассеяние света в слое ХЖК, отсутствие отражения света на границах ХЖК, малость параметра диэлектрической анизотропии 8 ХЖК.. В-соответствии с решениями уравнений Максвелла для совершенной планарной текстуры непоглощающего ХЖК и с учетом сделанных упрощений, для случая распространения света вдоль оптической оси, коэффициент селективного отражения света с дифрагирующей поляризацией, используемый далее для численных расчетов, имеет вид [3]:

_/2sin2r¿ Щк-А2 I т)2+52 sin2 к-d'

где к~ = х~т —- ----/ с, с - скорость света, d - толщина

VI+ Р ±л/4Я- fS2

слоя ХЖК, Л = г/2/, т = , р - шаг спирали, ё=~—— - параметр

/ /о £■, + е2

диэлектрической анизотропии ХЖК, £ - + ¿'2-, s¡, ¿\ - еъ, ¿г, , ¿r2, £3 ~ главные

значения тензора диэлектрической проницаемости ХЖК. Соответственно, Т* = 1 - R*, где 7'+ - коэффициент пропускания волны с дифрагирующей поляризацией. В рассматриваемом приближении волна с недифрагирующей поляризацией отражения не испытывает, т.е. R' = О Т~ - 1, а Т* « О, R+ « 1.

В случае неполяризованного падающего света: Rtm = + + Я") ~ 0.5, Тш = + Т-) ~ 0.5. Дифракционная природа отражения света в ХЖК проявляется только в частотном интервале: ^^/г - — < а < ——, где

/ 2 71С

й)в = тс/ г- - Брэгговская частота (Яв =-т=).

/2ые ü>r*]e

В §4.2 описан подход к расчету коэффициента отражения света для экспериментальных ЖК-композитов, представляющих собой несовершенную пленарную текстуру, степень несовершенства которой контролируется полимерной концентрацией. Численные расчеты коэффициентов отражения света проводились в предположении однослойной системы, когда падающий нормально на поверхность образца свет, проходя через образец с ЖК композитом, содержащим полимер или без него, пересекает на своем пути только один домен. Суммарная интенсивность отраженного света от образца определяется путем усреднения интенсивностей отраженного света от

отдельных доменов с учетом соответствующих функций распределения. Предполагается, что отклонение холестерических осей каждого домена от нормали к поверхности образца меньше, чем угловая ширина кривой дифракционного отражения совершенного ХЖК [5]. Пренебрегая отражением света на границах ХЖК коэффициент отражения И от ансамбля доменов при нормальном падении неполяризованного света имеет вид:

- я = Ц-ят/(е)8(р^р,. - (2)

вр

где где Яип - коэффициент отражения для отдельного домена в предположении совершенной планарной текстуры, /(©), Р) - функции распределения по углу ориентации оси холестерической спирали и шагу спирали домена соответственно. Параметры этих функций определяются феноменологически [6]. Функция распределения по углу ориентации осей холестерических спиралей для несовершенной планарной текстуры определяется как:

/(9) = А, 1 1 (3)

(г, ст,

л

2

где {/(©>/0 = 1. В исследуемых образцах, для планарной текстуры ХЖК без

-Л

2

полимерной добавки в (3) А2= 0. При увеличении концентрации полимера в образце увеличивается угол отклонения осей холестеричеких спиралей отдельных доменов от нормали, что характеризуется параметрами <т, и <т, в (3). При наличии полимера в образце отклонение экспериментальной спектральной характеристики от теоретической минимшшно при использовании в (3) двух слагаемых, с параметрами .4,, А2, <7,, аг. Функция распределения по шагу спирали определяется как:

ехр-^»)2

V /2сг,2,1

•

где J^,'(/>)y,/, = 1, Р„ - шаг спирали для совершенной планарной текстуры.

о

Для непоглощающего ХЖК коэффициент пропускания света определялся как Т = 1- И.

Экспериментально измерялись спектры селективного пропускания света ЖК композитов с различной концентрацией полимера. В (§4.3) приведены результаты сравнения численных расчетов с экспериментальными данными. Расчеты выполнены для образцов ЖК композитов с планарной текстурой при наличии ориентирующего покрытия (ПВА). Параметры, используемые в расчетах приведены в Таблице 3, а расчетные и экспериментальные зависимости коэффициентов пропускания света приведены на Рис.5.

Таблица:

Параметры, используемые в расчетах коэффициента селективного пропускания пленарной текстуры ЖК-компсшгга. 1\,=370нм, 5-0.18. Состав ХЖК: смесь НЖК и ХД60ФБМ(13%).

% ПВП в ЖК композите а| а2 с2

0 0.4 0 0.05° - 0.005Р0"

2 0.2 0.2 0.13й 0.25° О.ООбРо

10 0.2 0.2 025" 0.5° О.ООбРо

Показано, что полученные экспериментальные результаты описываютс в рамках теории Брэгговской дифракции света на периодической структур ХЖК.

Предложенный расчет коэффициентов пропускания для этих Ж] композитов хорошо описывает полученные экспериментальные результаты может быть использован для прогнозирования оптических характеристик подобных ЖК композитах.

В пятой главе рассмотрены электрооптические свойства ЖК композитов с планарной текстурой, стабилизированной полимерной сетко! Исследованы вольт-контрастные характеристики, динамические свойств; угловые характеристики рассеяния света ЖК-композитами в диапазон концентраций полимера 0-10%. Наибольший практический интере представляют собой материалы, прозрачные для видимого света. Поэтому дл исследования электрооптических характеристик был выбран ЖК-композит индуцированным ХЖК, с Я,шч=940 нм. Диэлектрические параметры ХЖ (смесь НЖК и оптически активной добавки 60ФБМ (8%)): ец«17.9, ех«6.' среднее значение электропроводности ст~10"8 Ом"'м'\ Диэлектрическг проницаемость полимера (поливинилпирролидона) е„=3.5, электропроводное!

0'°0м'м'. Описаны методики измерения пропускания, угловы характеристик пропускания и динамических характеристик ЖК-композито: даны.оценки погрешностей измерения этих величин. Измерения пропускала проводились в малом апертурном угле (0.5°). За время включения принималос время нарастания сигнала до уровня 90% сигнала насыщения (такл). Врек-спада, - время снижения сигнала до 10% максимального значения (тВЫКл)-

В §5.2 описан электрооптический эффект. Физика рассматриваемо! эффекта заключается в изменении сечения рассеяния света при переориентаци индуцированного ХЖК в электрическом поле. В ЖК-композитах с малым концентрациями полимера (2-10%), рассеянием света, вносимым полимернс сеткой, можно пренебречь. Наличие полимерной сетки в ЖК-композигс приводит к увеличению энергии сцепления на границе ХЖК- полимер и дополнительной деформации ХЖК, вследствие чего возрастает пороговс напряжение, по сравнению с напряжением для ячейки с ХЖК без полимер Для ЖК композита с концентрацией полимера 2% и 5% пороговое напряжет перехода в светорассеивающее состояние увеличивается на 3 и 12 В

1 0

0.9

ч 0 8

а>

0 7

X

о Об

чi 0.5

X со 0.4

О 0.3

п о 0.2

О.

с; 0.1

0.0

pWi'.i..,:

\

.»ЯХ"*""""-

f

»»ЛмгжГ

' 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм

¡■¿¿Ate**»»

—

* (2) 2% ПВП

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм

о®

"^««Вж»«

-о-(1) • (2) 10% П8П

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны, нм

Рис.5. Расчетная (I) и экспериментальная (2) спектральные зависимости коэффициента пропускания пленарной текстуры ЖК композита для трех концентраций полимера: а-0%. 6-2%, с-10%. Ориентирующий слой ПВА. Толщина ЖК композита Юмкм.

соответственно, по сравнению с ХЖК-яченкой без полимера, и составляет 15 и 24 В при толщине 10 мкм (Рис.6). При значительном увеличении напряжения (до 48 и 65 В для концентраций полимера 2 и 5% соответственно) происходит раскрутка холестерической спирали и образование нолевой гомеотропно-нематической структуры, таким образом, светорассеиваюшее состояние вновь переходит в прозрачное. Этот переход для ЖК-композитов с концентацией полимера 2 и 5% не показан на Рис.6, т.к. приложение высокого напряжения, переводящего ЖК-композит в прозрачное состояние, приводит к разрыву полимерной сетки и для данного типа ЖК компоппов является нерабочим. Сравнение зависимостей пропускания света ог приложенного напряжения для чистых ХЖК и ЖК-композитов показывает, что наклон кривой пропускания для ЖК-композитов уменьшается, что можно объяснить различной степенью упорядочения пленарной текстуры ХЖК. Снижение крутизны характеристики пропускания при увеличении концентрации полимера в ЖК-композите облегчает реализацию шкапы серости изображения. Это означает, что данный тип ЖК-композитов является перспективным материалом для создания телевизионных экранов на активных матрицах [7]. Необходимо отметить, что к ЖК-материапам для активной матрицы предъявляется требование низкой удельной электропроводности (ст<10"'' Ом 'м"1).

Динамика ( переориентации ХЖК определяется балансом диэлектричекого, упругого и вязкого моментов при неизменных граничных условиях. По результатам емкостных измерений сделан вывод о том, что диэлектрические,проницаемости (ец и £1) ХЖК не изменяются при введении полимера. Можно принять, что вязкость ХЖК также не изменяется в процессе формирования ЖК-композита методом фазового разделения при испарении растворителя, что подтверждается близкими темпера гурами фазовых переходов вЖК композитах и чистых ХЖК.

Режим измерений динамических характеристик соответствует

У»Г|2 где / - частота электрического поля, время Максвелл-

Вагнеровской релаксации, для ХЖК Г|=:15 мс, для полимера Г2я=30 мс. Времена отклика (т„к1) и релаксации (т,шк1) ХЖК измерялись при приложении прямоугольного импульса напряжения длительностью 1мс и амплитудой 20 и 30 В для ЖК-композитов с 2 и 5"и полимера соответственно. На Рис.7 приведены электрооптические отклики Ж К композитов с концентрацией полимера 2 и 5%. Времена срабатывания ХЖК-ячейки без полимера не показаны на Рис.7, т.к. ХЖК не успевает среагировать на приложение импульса длительностью 1мс. При увеличении полимерной концентрации ти1Ст и Твыщ, уменьшаются вследствие уменьшения размеров холсс терических доменов. Как видно из Рис:7, релаксация происходит в два лапа : первый - быстрый процесс, второй - медленный процесс релаксации к исходной ориентации. Для ЖК-композитов с 2% полимера наблюдается двухмодовый процесс релаксации. Для ЖК-композитов с концетрацией полимера 5% наблюдается одномодовый процесс релаксации.

С увеличением концешрашш полимера происходиI увеличение угла эазориентации холестеричекнх спиралей тписикмыш нормали к ячейке с ЖК-шмпозитом, что приводит к увеличению рассеяния света ЖК-композитом. Угловые измерении пропускания свеш ЖК'-комноппамп подтверждают этот |)акт. Для ЖК-комиоштов при увеличении концентрации полимера с 2 до 5% /гол наблюдения ошосителыю нормали к плоскоеI и обрата (угол зрения) увеличиваемся 01 34' ю 45"

Варьир\ я еоскт ЖК-киммтша тлтииой 1(1 мкм. можно получить следующие характеристики маюрпала, \ праиляичппе напряжения 20-30 В; зремя от клика 0 6-0 8 мс; время релаксации 5-8 мс. кошраст от 10 I до 20 I

1,0 г,

0,0 '---'-1------'--------

0 10 20 30 40 50

Напряжение В

'пс 6 Зависимость протекания ЖК-компоппок с копией I р.щиеп полимера 0, 2 и 5% от филожепного напряжения Толщина ЖК"- компоинои Ю мкч

Т, от н ел

ис 7 Олеироошичесыш отклик ЖК-компо ;м м I мищеп I ранней полимера 2 и 5% на рямоугольнып импульс напряжения .гпислмштии I ме и амплпулой 20 и 30 В лотпетечнеино Молшнна ЖК-комтчпш И> мкм I принчек.ише ()|клпк (1) лля ЖК-омгюппа с 20« полимера (2) с 5".

В заключении приводятся основные результаты и выводы:

1. Получены новые ЖК-композиты с регулируемым шагом спирали и параметрами полимерной сетки на основе НЖК, оптически активной добавки класса 1 К,4К-2-(-4-фенилбензилнден)-п-ментан-3-онов с алкнльным заместителем и полимера с разветвленной структурой, -поливинилпирролидона.

2. По результатам исследований структуры ЖК-композитов методом оптической микроскопии установлено, что введение полимерной сетки в объем ХЖК приводит к нарушению совершенной планарной текстуры ХЖК. Анализ результатов исследований структуры полимерной сетки показал, что полимер обладает разветвленной структурой, что обеспечивает увеличение границ взаимодействия ХЖК - полимер.

3. Теоретически и экспериментально исследовано селективное пропускание света несовершенной планарной текстурой ХЖК в композите, содержащем объемную полимерную сетку. Показано, что полученные экспериментальные результаты описываются в рамках существующей теории Брэгговской дифракции света на периодической структуре ХЖК. Предложенный расчет коэффициентов пропускания для этих ЖК-композитов хорошо описывает полученные экспериментальные результаты и может быть использован для прогнозирования оптических характеристик подобных ЖК-композитов.

4. Исследованы электрооптические свойства ЖК-композитов на основе ХЖК с планарной текстурой, стабилизированной сетчатым полимером. Показано, что при подаче электрического импульса напряжения на ЖК-композит, содержащий объемную полимерную сетку, ХЖК переориентируется дважды: при низких напряжениях - из прозрачного состояния (планарная текстура) в рассеивающее (фокально-коническая текстура), при более высоких - вновь в прозрачное (гомеотропно-нематическая текстура).

5. Исследованный тип ЖК-композитов может быть использован в оптических световых затворах с обратной модой, работающих па эффекте переориентации ХЖК при низких напряжениях (20-30 В), с временами включения и выключения порядка 0.6-0.8 мс и 5-8 мс соответственно, для толщин 10±1 мкм. Введение объемной ориентации ХЖК обеспечивает получение ЖК-композитов с контрастом от 10:1 до 20:1 и углом зрения от 34" до 45" при содержании полимера в диапазоне концентраций 2-5%. Для ЖК композитов е 5% полимера реализуется контраст 7:1 при увеличении углов наблюдения до 55". Применение данного типа ЖК композитов не требует использований поляроидов в оптической системе.

Работа выполнена а рамках Программы ('О РАН «Молекулярная электроника».

Список публикаций но теме диссертации:

1 Жаркова Г М.. Самсонова ИВ.. Ку гуля Л.А . Пащенко ВВ.. Стрельцов С.Д., Хачатурян В М. Селективное отражение света индуцированными холестерикамп. прошитыми полимерной ceiKoii (функциональные материалы 2000 Т.7. № I. С. 126-131

2 Zliarkova G.M.. Samsonova I.V.. Sireltsov S.-V. kluichaturyan V.M. Effect of polymer concentration on the structure of cholestei ic liquid crystal composites and their scattering properties Mol. C'rvst and Liq. Crvsi 1999 Vol. 331 P. 533540

3 Zliarkova G.M.. Strel'tsov S.A . Khachaturyan V M„ Samsonova l.V Selective reflection of light from aqueous dispersions of encapsulated cholesteric liquid crystals . Ibid. P 635-6-12

-J Zliarkova G.M., Samsonova l.V.. Streltzov S.\. Khachaturyan VM.. Kutulva LA.. Vashchenko V.V. «Liquid crystal composite-! with PSCT» ■ Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals II Ы. G V. Klimusheva, Proceedings of SPII:. 1998. Vol. 348S. P. 97-103

5 Самсонова II В., Жаркова Г.М . Стрельцов СЛ. Хачатурян В М. Исследование оптического отклика жидкокристаллических композитов при и\ переориентации •'-' 16 Межресн. конф. по чист. методам решения задач теории упругости и пластичности Сб. науч тр РАН. Сиб. отд-ние ИТПМ Новосибирск. 1999. С. 152-156

6 Жаркова Г.М, Самсонова ИВ.. Стрельцов СЛ.. Хачатурян В.М. Экспериментальное исследование рассеяния света полимерно-жкдкокристатлическими композитами с ра¡личной структурой для устройств отображения информации Тр 4 международной научно-технической конференции «АПЭП-98». Т 6. Новосибирск. 1998. С. 29-33.

7. Жаркова Г М . Самсонова 11.В.. Стрельцов С Д.. Хачатурян В.М.. Штейнберг И LL1 , Трубетскон А.В. Жидкокристаллический viaiepnan па основе стабилизированной иоллмером холестерическон текстуры для устройств отбражения трехмерных объектов Тр 3 международной научно-технической конференции «АПЭП-96» I 4 Новосибирск. 1996. С. 11-19.

8. Zliarkova G.M.. Samsonova l.V.. Strel'tsov S Д.. Khachaturyan VM. Effect of polymer concentration on the structure of choleretic liquid ciystalline composites and its scattering properties Program and Abstract book: the I7'1' ILCC. Strasbourg, I998.V-I22.

<3 Zliarkova G.M.. Samsonova l.V.. Traehkeev S.I . Khachaturyan V.M. Application of elastic Frank theory to description of composite containing nematic liquid crystal and polymer dopant Ibid P-123.

10 Zliarkova G.M . Samsonova l.V.. Stieltsov S Д.. and Shieinbeig I.Sh LC material studies for 3D-image devices with the PSCT Program and Abstract book: the 16'" ILCC Keul. Ohio. 1996 P-53.

Список' ни! iipvcMoii in юра i vpi.i:

1. Жаркова Г.М.. Сопнп A.C. Жидкокрисилдические композиты. Новосибирск: Наука. 1994 - 2 I 6с.

2. D-К. Yang. L.-C. Chien. Y.K Fung Polyinci-Mainli/ed cholestenc textures. Materials and applications Liquid crystals in complex geometries formed by polymer and porous netwoiks 1 eds. G P. Crawford and S /inner. Loudon: Taylor & Francis. 1996. Chapter 5. P 103-142

3 Беляков В.А.. Соиип A.C Опшка холесчеричсских жидких кристаллов. М.: Наука. I9S2 -360с.

4. Britim М.. Mitchell G.K. Evolution of netwoik Muictuie m polymer-stabilised liquid crystals //Mol Cryst. Liq. Cryst 1999. Vol. 329 P 145-152'

5. Беляков В.Д.. Осадчий С М.. Короткое В.А Оптика несовершенных холестерических жидких кристаллов. Кристаллография 1986. Т. 31. вып. 3. С. 522-527.

6. John W.D.St.. Fritz W.I., Lit Z.J.. Yang D.-K Bragg reflection from cholesteric liquid crystals V Physical Rev iew E. 1995 Vol 51 №2 P. 1191-1198.

7. Cvxapnep A.C. Жидкокристаллические иидикаюры. VI : Радио и связь, 1991. 256с.

1S

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ПОЛИМЕРОМ, - НОВЫЙ КЛАСС АНИЗОТРОПНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ

1.1. Общие сведения о ХЖК.».

1.2. Электрооптические свойства ХЖК.

1.3. Композитные материалы на основе ЖК и полимерной матрицы.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТНОЙ СИСТЕМЫ ХЖК - ПОЛИМЕРНАЯ СЕТКА

2.1. Обоснование и выбор материалов для ЖК-композитов.

2.2. Получение ЖК-композитов.

2.3. Структура ЖК-композитов с планарной текстурой ХЖК, стабилизированной полимерной сеткой.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОГО (БРЭГГОВСКОГО) РАССЕЯНИЯ СВЕТА ЖК-КОМПОЗИТАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ ХЖК И ПОЛИМЕРНУЮ СЕТКУ

3.1. Методика исследования оптических свойств ЖК-композитов и оценка погрешностей измерений.

3.2. Экспериментальное исследование влияния хиральных добавок и полимера ПВП на температурные границы холестерической фазы, стабильность и степень ориентационного упорядочения планарного слоя индуцированных ХЖК.

3.3. Влияние концентрации полимера на селективное пропускание (отражение) света ЖК-композитами.„.

3.4. Выводы к главе 3.:.

Глава 4. РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТОВ СЕЛЕКТИВНОГО ПРОПУСКАНИЯ СВЕТА ЖК-КОМПОЗИТАМИ С ПЛАНАРНОЙ ТЕКСТУРОЙ ХЖК, СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ СЕТКОЙ

4.1. Брэгговская дифракция света на периодической структурфнепоглощающего ХЖК.

4-2. Расчет коэффициентов селективного пропускания света ЖК-композитами с учетом полимерной сетки, распределенной в объеме ХЖК.

4.3. Сравнение расчетных и экспериментальных спектральных зависимостей коэффициентов пропускания света ЖК-композитами с концентрацией полимера 0-10%.

4.4. Выводы к главе

Глава 5. ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКЙЕ СВОЙСТВА ЖК-КОМПОЗИТОВ С ПЛАНАРНОЙ ТЕКСТУРОЙ ХЖК, СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ ПОЛИМЕРНОЙ СЕТКОЙ

5.1. Методика измерений электрооптических характеристик ЖК-композитов.

Оценка погрешности экспериментальных измерений.—.

5.2. Влияние концентрации полимера на основные электрооптические характеристики ЖК-композитов.,.

5.3. Динамические характеристики ЖК-композитов.

5.4. Основные электрооптические параметры ЖК-композитов.

5.5. Выводы к главе 5.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК), благодаря своим электрооптическим 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 объема отображаемой информации предполагает малые времена срабатывания жидкокристаллических (ЖК) 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° до 100° С, диэлектрическая анизотропия от 6 до 17, оптическая анизотропия от 0.1 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 оптоэлектронных устройствах, так и самих устройств. 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 [1]. Наличие в материале межфазной границы ЖК - полимер должно определенным образом влиять на электрооптические свойства ЖК. Возможность применения подобных материалов в оптоэлектронных устройствах требует экспериментального и теоретического исследования оптических свойств и оптических эффектов, возникающих в ЖК-композитах при переориентации ЖК-молекул 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 задачей.

Целью работы является разработка и исследование ЖК-композитов с планарной текстурой индуцированных ХЖК, стабилизированной сетчатым полимером, которые могут быть использованы в качестве электрооптического материала для устройств отображения информации.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- отработка технологии получения ЖК-композитов, содержащих индуцированный ХЖК и сетчатый полимер с использованием фазового разделения 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:.

1. Разработан метод формирования ЖК-композита, с НЖК (смесь цианобифенилов и алкилоксицианобифенилов с температурным диапазоном мезофазы -10° до +58.5°), оптически активной добавкой (члены ряда 111,411-2-(-4-фенилбензилиден)-п-ментан-3-онов с варьируемой длиной терминального алкильного заместителя) в диапазоне концентраций 5-13% (по массе НЖК) и полимером с разветвленной структурой (поливинилпирролидоном). Показано, что при концентрациях полимера 210% 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.

3. 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 Брэгговской дифракции света для непоглощающих ХЖК.

4. Получены новые экспериментальные результаты по исследованию электрооптического эффекта в ЖК-композитах на основе индуцированного ХЖК и сетчатого полимера (2-10%). Показано, что данный тип ЖК-композитов может быть использован в качестве электрооптического материала для световых затворов, работающих на эффекте управляемого электрическим полем светорассеяния индуцированных ХЖК.

Электрооптические характеристики ЖК-композита определяются величиной приложенного поля, свойствами ХЖК и количеством введенного в композит полимера.

Практическая ценность работы. Разработан новый материал на основе индуцированных ХЖК с планарной текстурой, стабилизированной полимерной сеткой, характеризуемый следующими параметрами: контрастом (104-20): 1, временами оптического отклика на приложенное переменное электрическое поле 0.64-0.8 мс, временами релаксации 54-8 мс, углом зрения 34°-45°, управляющим напряжением 204-30 В. Данный материал перспективен для применения в управляемых электрическим полем световых затворах.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается воспроизводимостью в экспериментах, применением стандартной аппаратуры, анализом погрешностей измерений и удовлетворительным согласованием с экспериментальными литературными данными.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. 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.

2. Величина эмпирического спектрального параметра порядка 8 планарной 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%.

3. 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.

4. 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 светорассеивающего состояния до 15 и 24 В в ЖК-композитах толщиной 10 мкм с концентрацией полимера 2 и 5% соответственно.

5. 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 работах, написанных в соавторстве, диссертант принимал участие в интерпретации результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 3 Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостоения АПЭП-96» (Новосибирск, 1996), на 2 Международной конференции "Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals" (Партенит, Крым, Украина, 1997), 4 Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостоения АПЭП-98» (Новосибирск, 1998), 17th International Liquid Crystal Conference (Strasbourg, France, 1998), 16 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.

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.

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Получены новые ЖК-композиты с регулируемым шагом спирали и параметрами полимерной сетки на основе НЖК, оптически активной добавки класса 1К,4К-2-(-4-фенилбензилиден)-п-ментан-3-онов с алкильным заместителем и полимера с разветвленной структурой, -поливинилпирролидона.

2. По результатам исследований структуры ЖК-композитов методом оптической микроскопии установлено, что введение полимерной сетки в объем ХЖК приводит к нарушению совершенной планарной текстуры ХЖК. Анализ результатов исследований структуры полимерной сетки показал, что полимер обладает разветвленной структурой, что обеспечивает увеличение границ взаимодействия ХЖК - полимер.

3. Теоретически и экспериментально исследовано селективное пропускание света несовершенной планарной текстурой ХЖК в композите, содержащем объемную полимерную сетку. Показано, что полученные экспериментальные результаты описываются в рамках существующей теории Брэгговской дифракции света на периодической структуре ХЖК. Предложенный расчет коэффициентов пропускания для этих ЖК-композитов хорошо описывает полученные экспериментальные результаты и может быть использован для прогнозирования оптических характеристик подобных ЖК-композитов.

4. Исследованы электрооптические свойства ЖК-композитов на основе ХЖК с планарной текстурой, стабилизированной сетчатым полимером. Показано, что при подаче электрического импульса напряжения на ЖК-композит, содержащий объемную полимерную сетку, ХЖК переориентируется дважды: при низких напряжениях - из прозрачного состояния (планарная текстура) в рассеивающее (фокально-коническая текстура), при более высоких - вновь в прозрачное (гомеотропно-нематическая текстура).

5. Исследованный тип ЖК-композитов может быть использован в оптических световых затворах с обратной модой, работающих на эффекте переориентации ХЖК при низких напряжениях (20-30 В), с временами включения и выключения порядка 0.6-0.8 мс и 5-8 мс соответственно, для толщин 10±1 мкм. Введение полимерной сетки обеспечивает получение ЖК-композитов с контрастом от 10:1 до 20:1 и углом зрения от 34° до 45° при содержании полимера в диапазоне концентраций 2-5%. Для ЖК композитов с 5% полимера реализуется контраст 7:1 при увеличении углов наблюдения до 55°. Применение данного типа ЖК композитов не требует использования поляроидов в оптической системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: Наука, 1994. 216 с.

2. Чистяков И.Г. // УФН. 1966. Т.89. С. 563.

3. Сонин А.С. Введение в физику жидких кристаллов. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. 320 с.

4. Лукьяченко Е.С., Козунов В.А., Григос В.И. Ориентация нематических жидких кристаллов // Успехи химии. 1985. Т.54. вып. 2. С.214 238.

5. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир. 1977. 400 с.

6. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристаллов. Монография. Главная редакция физико- математической литературы издательства "Наука", М. 1978. 368 с.

7. Блинов Л.М. Электро- и магнитооптика жидких кристаллов. Главная редакция физико- математической литературы издательства "Наука", М. 1978. 384 с.

8. Сухариер А.С. Жидкокристаллические индикаторы. М.: Радио и связь, 1991. 256 с.

9. Elser W., Ennulat R.D. Selective reflection of cholesteric liquid crystals // Advances in Liquid Crystals. N.Y.: Acad. Press. 1976. V.2. P. 73 172.

10. Ю.Жаркова Г.М., Хачатурян B.M. Термографическое исследование бинарных систем некоторых жидких кристаллов // Изв. СО АН СССР. Сер. Техн. наук. 1976. Вып. 1, N 3. С.102 104. ll.L.A. Kutulya.Chiral organic compounds in the induced cholesteric mesophases //

11. Proceedings of SPIE. 1988. V. 3488. P. 84 96 12.Smits E., Engberts J.B.F.N., Kellogg R.M. cholesteric Carbohydrate Liquid Crystals Incorporating an Intact Glucopyranose Moiety // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1997. Vol. 299. P. 427-432.

12. Ruxer J.M., Solladie G., and Candau S. Helical twisting power of chiral substituted dibenzo lb,fl 1,4 diazocines in nematic liquid crystals // Mol. Cryst. Liq. Cryst. Vol. 41. P. 109-114.

13. Kozawaguchi H. and Wada W. Helical twisting power in cholesteric liquid crystal mixtures // Japanese Journal of Applied Physics. 1975. Vol. 14. N. 5. P.651 -660.

14. Tsukamoto M., Ontsuka Т., Morimoto K., Murakami Y. Pitch and sense of helix in mixtures of optically active azo or azoxy compounds and nematic liquid crystal // Japanese Journal of Applied Phycs. 1975. Vol. 9. P. 1307 1312.

15. Чистяков И.Г., Горина И.И., Рубцова М.Ю. Оптические свойства многокомпонентных холестерических систем // Кристаллография. 1977. Т. 22. вып. 1. С.149 154.

16. Pindak R.S., Huang С.С., Но J.T. The intrinsic pitch of cholesteryl nonanoate // Solid state communications. 1974. Vol. 14. P. 821 825.

17. Bak C.S., Labes M.M. Analysis of pitch-concentration dependences in some binary and ternary liquid crystal mixtures // The Journal of Chemical physics. V. 63. N. 2. P. 805- 808.

18. Жаркова Г.М., Мамаев В.П., Фокин Е.П., Хачатурян В.М. Оптические свойства системы полимер жидкие кристаллы - производные пиримидина // Изв. СО РАН СССР. Сер. тех. наук. 1984. вып. 3. С. 3-6.

19. Pat. 3.619.254. US, МКИ B44dl/14. Thermometric articles/ F.Davis. Publ.18.03.69.

20. Suto H., Nakajima A. // Colloid. Polym. Sci. 1974. V. 252. P. 294 297.

21. A.C. 531835 СССР, МКИ С09Д 5/26. Термохромная паста/ А.П. Махотоло, С.В. Шевчук, В.П. Ткаченко, В.Г. Тищенко. Опубл. 15.10.76. Бюл. N 38.

22. Pat. N. 3. 872. 050. US, G02S 1/16. Polyurethane liquid crystal dispersion system and devices / W.J. Benton, J.R. Quigley. Publ. 18.03.75.

23. Pat. 7443.269 Japan, G02S 1/16. Shaped articles of synthetic high polymer having selectively scattering properties / D. Ono, T. Sawa, N. Tokuyama. Publ. 14.12.70.

24. Шевчук С.В. Махотило А.П., Тищенко В.Г. // Холестерические жидкие кристаллы. Новосибирск: Ин-ттеор. и прикл. Механики. 1976. С. 67.

25. Свойства и применение жидкокристаллических индикаторов / Под ред. ЖарковойГ.М. Новосибирск: Ин-ттеор. и прикл. механики. 1980.

26. Сонин А.С. // 1 Всесоюз. симп. по жидкокристаллическим полимерам. Черноголовка: Отд. Ин-та химической физики. 1982. С. 14.

27. Kitzerow H.S. Polymer-dispersed liquid crystals. From the nematic curvilinear aligned phase to ferroelectric films // Liquid Crystals. 1994. V. 16. N 1. P. 1-31.

28. Doane J.W., Vaz N, Wu B.-G., Zumer S. Field controlled scattering from nematic microdroplets // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 48. P. 269-271.

29. Doane J.W. Liquid Crystals Applications and Uses / Ed. B. Bahadur. V. 1. P.361.

30. Kitzerow H.S., Molsen H., Heppke G. // Appl. Phys. Lett. 1992. V. 60. P. 3093. 32.Skarp K., Handschy M.A. //Mol Cryst. Liq. Cryst. 1988. Vol. 165. P. 439.

31. Graighead H.C., Cheng J., Hackwood S. // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 40. N 1. P.22.

32. Fergason J.L. Pat. USA. 1984. N 4. 435. 047.

33. Drzaic P.S. // J. Appl. Phys. 1986. V. 60. N 6. P. 2142.

34. DrzaicP.S.//Liquid Cryst. 1988. V. 3. N 11. P. 1543.

35. Drzaic P.S. //Proc. SPIE. 1989. V. 1080. P.ll.

36. West J.L. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1988. Vol. 157. P. 427

37. West J.L. // ACS Symp. Liquid Crystalline Polymers. N.Y.: Chem. Soc. 1990. Ser. 435. P. 475.

38. Doane J.W., Golemme A., West J.L., Whitehead J.B., Wu B.G. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1988. Vol. 165. P. 511.

39. Kelly S.M. Anisotropic Networks, Elastomers and Gels // Liq.Cryst. 1996. Vol. 6. N4. P. 1-6.

40. Broer D.J., Gossink R.G., Hikmet R.A.M. Oriented polymer networks obta-ined by photopolymerization of liquid-cristalline monomers // Die Angewand te Makromolekulare Chemie. 1990. V. 183. P. 45 66.

41. Hikmet R.A.M. Anisotropic gels and plasticized networks formed by liquid crystal molecules // Liq.Cryst. 1991. Vol. 9. No. 3. P. 405 416.

42. Eichenlaub N., Crawford G.P. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999. Vol. 329. P. 465 -472.

43. Kitzerow H.S., Crooker P.P. // Liq.Cryst. 1993. Vol. 13. No. 1. P. 31 43.

44. Kitzerow H.S., Crooker P.P.,Heppke G. // Liq. Crystals. 1992. V.12. P.49.

45. Bajc J., Crooker P.P., Zumer S. Chiral Nematic Liquid Crystal Droplets // Liq.Cryst. 1997. Vol. 7. No. 3. P. 1-6.

46. HikmetR.A.M., ZwerverB.H. //Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1991. Vol. 200. P. 197.

47. Blinc et al. // Liquid crystals in complex geometries formed by polymer and porous networks / Eds. G.P. Crawford and S. Zumer. London: Taylor & Francis, 1996.

48. Yang D.K., Doane J.W. // SID Dig. 1992. P. 759.

49. Stannarius R„ Crawford G.P., Chien L.C. Doane J.W. // J. Appl. Phys. 1991. V.70. P. 135.

50. Nakata T., Gotoh T., Satoh M. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1997. Vol. 299. P. 389 -394.

51. Dierking I., Kosbar L.L., Afzali-Ardakani A., Lowe A.C., Held G.A. // J. Appl. Phys. 1997. V.81.N7.P. 3007-3014.

52. Liu A. J. Morphology development in Liquid -Cristal/Polymer Mixtures // Liquid Crystals today. 1997. V. 7. N4. P. 1-7.

53. A.Jakli, L.Bata, K.Fodor-Csorba, L.Rostas and L.Noirez. Structure of polymer networks dispersed in liquid crystals: small angle neutron scattering study // Liq. Cryst. 1994. V. 17. P. 227-234.

54. Dierking I., Kosbar L.L., Lowe A.C., Held G.A. // Liquid Crystals. 1998. V. 24. N 3. P. 387-406.

55. Yang D.-K., Chien L.-C and Doane J.W. Cholesteric liquid crystal polymer dispersion for haze-free light shutters // Appl. Phys. Lett. 1992. 60. P. 3102-3104.

56. Гребенкин М.Ф., Иващенко A.B. Жидкокристаллические материалы. M.: Химия. 1989. 288 с.

57. Мегк Liquid Crystals. BDH. Liquid crystal mixtures for electro-optic displays. 1992.

58. HornR.G. //J. Phys. (Paris). 1978. Y.39. P. 167.

59. Balzarini D.A., Dunmur d.A., Paffy-Muhoray P. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1984. Vol. 102. P. 35.63.1mai M., Naito H., Okuda M. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1995. Vol. 262. P. 267 -274.

60. Scharkowski A., Crawford G.P., Zumer S., Doane J.W. // J. Appl. Phys. 1993. V.73.P. 7280-7287.

61. Коньяр Ш. Ориентация нематических жидких кристаллов и их смесей. Минск:Университетское из-во. 1986. 101 с.

62. Ващенко В.В., Кутуля JI.A. Заявка на патент. Приоритет 30.03.99. N 99031775.

63. Kutulya L., Vashchenko V., Semenkova G., Shkolnikova N. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999. Vol. 331. P. 583 591.

64. Кутуля JI.A., Немченок И.Б., Хандримайлова T.B. // Кристаллография. 1990. Т. 35. С. 1234-1241.

65. Рабинович В.А. Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Справ. Изд. Л.: Химия, 1991. 432 с.

66. Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. М.: Химия. 1976.414 с.

67. Сидельковская Ф.П. Химия N-винилпирролидона и его полимеров. М.: "Наука", 1970. 148 с.

68. Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. М.: Химия, 1980. 216 с.

69. Кубо С. Микрокапсулирование жидких кристаллов // Михон инсацу гаккан ротбуки. 1973. N 3. Т.14. С.94 98.

70. Zharkova G.M., Strel'tsov S.A., Khachaturyan V.M., Samsonova I.V. Selective reflection of light from aqueous dispersions of encapsulated cholesteric liquid crystals // Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 1999. Vol. 331. P. 635-642

71. Zharkova G.M., Samsonova I.V., Streltsov S.A., Khachaturyan V.M. Effect of polymer concentration on the structure of cholesteric liquid crystal composites and their scattering properties //Mol. Cryst. and Liq. Cryst. 1999. Vol. 331. P. 533540.

72. Brittin M., Mitchell G.R. Evolution of network structure in polymer-stabilised liquid crystals // Mol. Ciyst. Liq. Cryst. 1999. Vol. 329. P. 145-152.

73. Князев Б.А., Черкасский B.C. Начала обработки экспериментальных данных.// НГУ. Новосибирск, 1996. 93с.

74. Беляков В.А., Сонин А.С. Оптика холестерических жидких кристаллов. М.: Наука. 1982.-360с.

75. Де Же В. Физические свойства жидкокристаллических веществ. М.: «Мир», 1982.- 152с.

76. Кутуля JLA., Семенкова Г.П., Ярмоленко С.Н. и др. // Кристаллография. 1993. -Т. 38. № 1. - С. 183-191.

77. Gray G.W. Molecular structure and properties of liquid crystals. London; New York: Acad. Press, 1962. 314 p.

78. Жаркова Г.М., Самсонова И.В., Кутуля JI.А., Ващенко В.В., Стрельцов С.А., Хачатурян В.М. Селективное отражение света индуцированными холестериками, прошитыми полимерной сеткой // Функциональные материалы. 2000. Т.7. № 1. С. 126-131.

79. Yarmolenko S.N. Kutulya L.A., Vashchenko V.V., L.V. Chepeleva // Liq.Cryst. 1994. V. 16. N5. P. 877 -882.

80. Ващенко В.В. Стереохимия реакций енолятов «-ментан-3-онов и их 2-арилиденпроизводных с электрофильными реагентами. Дис. . канд. хим. наук Харьков. 1997.149 с.

81. Crawford G.P., Doane J.W., Zumer S. Captured orientational order in polymer network assemblies //Liq.Cryst. 1995. Vol. 5. No. 1. P. 8-11.

82. Benmouna F., Maschke U., Coqueret X., Benmouna M. Mixtures of Polymer Networks and Nematic Liquid Crystals // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999. Vol.330. P. 475-482.

83. Fung Y.K., Yang D.K., Sun Y., Chien L.C. et al. Polymer networks formed in liquid crystals // Liq. Cryst. 1995. V.19. P.797.

84. Kutulya L.A., Yarmolenko S.N., Chepeleva L.V., et al. // Program and Abs. Book : the 15 ILCC. Budapest. Hungary. 1994. V. 1. P. 105/

85. Zharkova G.M., Naumenko S.V., Trashkeev S.I., Khachaturian V.M. // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1990. Vol.192. P. 143-147.

86. John W.D.St., Fritz W.J., Lu Z.J., Yang D.-K. Bragg reflection from cholesteric liquid crystals // Physical Review E. 1995. Vol. 51. № 2. P. 1191-1198.

87. Беляков В.А. Дифракция мессбауэровского гамма-излучения на кристаллах // Успехи физических наук. М.: Наука, 1975. Т.115. вып.4. С. 553-601.

88. Джеймс Р. Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Ивероновой. М. : ИЛ. 1950.

89. Гуревич И.И. Тарасов JI.B. Физика нейтронов низких энергий. М. : Наука. 1965.

90. В.А.Беляков, В.Е.Дмитриенко, В.П.Орлов. Оптика холестерических жидких кристаллов. -М.: Наука, 1979, т.127, вып.2, с. 221-261.

91. Беляков В.А., Осадчий С.М., Коротков' В.А. Оптика несовершенных холестерических жидких кристаллов. Кристаллография. 1986. Т. 31, вып. 3. С. 522-527.

92. Плотников B.C., Варфоломеев Д.И., Пустовалов В.Е. Расчет и конструирование оптико-механических приборов. М.: Машиностроение. 1983.256с.

93. P.G. de Gennes // C.R. Acad. Sci. 1968. B266. P. 15.

94. P. Chatelain. // Acta Cryst. 1948. V. 1. P. 315.

95. Жаркова Г.М. Термоиндикаторные пленки на основе жидких кристаллов // Свойства и применение жидкокристаллических индикаторов / Под ред. Жарковой Г.М. Новосибирск: Ин-ттеор. и прикл. механики. 1980. С. 3-16.

96. Takizawa К., Kikuchi Н., Fujikake Н., Namikawa Y., Tada К. Polymer-dispersed liquid crystal light valves for projection display // Optical engineering. 1993. V. 32. P.1781 1791.

97. Zharkova G.M., Samsonova I.V., Streltsov S.A., and Shteinberg I.Sh. LC material studies for 3D-image devices with the PSCT // Program and Abstract book: the 16th ILCC. Kent, Ohio, 1996. P-53.

98. Doane J.W., West J.L., Whitehead J.B., Fredley D.S. // SID 91 Digest.