Структурные и электрооптические характеристики капсулированных полимером сегнетоэлектрических жидких кристаллов

В.Я.Зырянов, С.Л.Сморгон, В.Ф.Шабанов,
Е.П.Пожидаев*, А.Л.Андреев*, И.Н.Компанец*,
W.Haase**, T.Weyrauch** Институт физики им. Л.В.Киренского РАН, 660036, Красноярск, Россия *Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, 117924, Москва, Россия **Darmstadt University of Technology, D-64287, Darmstadt, Germany

Представлен краткий обзор работ авторов по созданию и исследованию нового электрооптического материала - планарно-ориентированных пленок капсулированных полимером сегнетоэлектрических жидких кристаллов. Рассмотрены возможности оптимизации технологии изготовления и использования нового материала в различных оптоэлектронных устройствах.

1. Введение

Капсулированные полимером жидкие кристаллы (КПЖК) - новый электрооптический материал, который в последнее время начинает широко использоваться в различных оптоэлектронных устройствах [1-5]. Данный материал представляет собой полимерную пленку, внутри которой в виде изолированных капель или связанных между собой пор диспергирован жидкий кристалл. В основе практического использования КПЖК пленок лежит эффект регулируемого электрическим полем светорассеяния. Электрооптические устройства на основе КПЖК пленок имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогами на основе чистых жидких кристаллов: отсутствие поляроидов, высокая яркость, гибкость, простая и более дешевая технология изготовления, надежность в эксплуатации. Большая часть работ по КПЖК тематике относится к капсулированным нематическим и холестерическим жидким кристаллам [4,5].

В работах [6-8] были впервые предложены технология изготовления электрооптического материала на основе планарно ориентированных пленок капсулированных полимером сегнетоэлектрических жидких кристаллов (КПСЭЖК) и способ его использования для модуляции оптического излучения. Последующие работы авторов [9-21], а также других исследовательских групп [22-29] показали, что данный материал весьма перспективен для использования в дисплейной технике и оптоэлектронике, сочетая в себе перечисленные выше преимущества композитных пленок с высоким быстродействием, присущим сегнетоэлектрическим жидким кристаллам (СЭЖК).

В планарно ориентированных КПСЭЖК пленках капли жидкого кристалла диспергированы в полимерной матрице таким образом, что существует корреляция в ориентации всего ансамбля капель (директор во всех каплях направлен преимущественно в одном направлении в плоскости пленки). Для такой пленки, также как и для планарно-ориентированных пленок на основе нематиков [30] и холестериков [31-34], характерна большая анизотропия светорассеяния. Если показатель преломления n^ СЭЖК для света с плоскостью поляризации перпендикулярной директору (используем одноосное приближение) равен показателю преломления np полимера, то такая компонента излучения проходит через пленку практически не рассеиваясь. Напротив, компонента излучения, поляризованного параллельно директору, интенсивно рассеивается вследствие большого различия показателей преломления n|| и np.

Под действием биполярного электрического сигнала директор, так же, как и в чистых слоях СЭЖК, поворачивается на угол 2q, где q - угол наклона молекул к смектическим слоям. Такое изменение преимущественной ориентации директора во всем ансамбле капель СЭЖК лежит в основе эффекта регулируемого электрическим полем светорассеяния падающего на пленку плоско-поляризованного излучения.

2. Приготовление КПСЭЖК пленок.

Процесс приготовления планарно-ориентированных КПСЭЖК пленок можно разделить на два этапа: диспергирование капель ЖК в полимерной матрице и однонаправленная ориентация ансамбля капель. Такое деление достаточно условно, так как оба процесса могут происходить одновременно.

Диспергирование может производиться с использованием любой из известных методик [1-5]: химической полимеризации (PIPS), из раствора (SIPS), из расплава (TIPS), фотополимеризацией, эмульгированием и т.д.

Химическая полимеризация (PIPS). Характерный пример - эпоксидные компаунды в качестве полимерной матрицы. Вначале ЖК растворяются в смоле. Затем добавляют отвердитель. В процессе образования пространственно сшитой полимерной структуры ЖК выпадает из раствора в виде капель. Размер капель регулируется скоростью отверждения (количеством отвердителя, температурой и т.д.).

Полимеризация из раствора (SIPS). Для этого необходимо использовать полимер и ЖК, нерастворимые или частично растворимые друг в друге, но имеющие общий растворитель. Смесь полимера и ЖК растворяют, тщательно перемешивают, выливают на подложку и сушат. После испарения растворителя образуется дисперсная структура. Размер капель ЖК может регулироваться скоростью испарения растворителя.

Полимеризация из расплава (TIPS). Используются полимеры и ЖК, нерастворимые или частично растворимые друг в друге при комнатной температуре, но растворяющиеся друг в друге при высоких температурах. Готовится смесь ЖК и полимера, нагревается и перемешивается, образуя однородный расплав. При последующем охлаждении происходит разделение фаз. Величина капель ЖК может регулироваться скоростью охлаждения.

Фотополимеризация. ЖК растворяются в преполимере, который затем отверждается под действием светового излучения необходимой длины волны. Размер капель зависит от скорости отверждения. Вариантом данной методики является полимеризация матрицы при облучении пучком электронов.

Эмульгирование (инкапсулирование). В качестве полимерной матрицы часто используют поливиниловый спирт (ПВС). Вначале ПВС растворяют в воде. Затем добавляют ЖК, эмульгируют (ультразвуком или механическим перемешиванием), выливают на подложку и испаряют воду.

Иногда для одной и той же композиции ЖК-полимер можно использовать различные технологии капсулирования или их комбинацию.

Все способы создания планарно ориентированных КПЖК пленок, разработанные для нематиков и холестериков: метод механической деформации сдвига или растяжения [30,35], диспергирование под действием магнитного поля, направленного в плоскости пленки [36], фотоанизотропную полимеризацию в плоско поляризованном излучении [37] и др., можно столь же эффективно применять в случае сегнетоэлектрических смектиков [6-29].

Наиболее просто в лабораторных условиях реализуется ориентация ансамбля капель СЭЖК методом сдвиговой деформации. Для фото- или химически отверждаемых полимеров композитная пленка сдвигается посредством сдвига одной из подложек, между которыми размещена пленка, в момент полимеризации (отверждения) матрицы. Для термопластиков достаточно нагреть КПСЭЖК пленку до пластичного состояния, сдвинуть и затем охладить.

Представленные далее результаты получены для композиции широко используемого термопластичного полимера поливинилбутираля (ПВБ) и нескольких СЭЖК смесей, разработанных специально для капсулирования в Физическом институте РАН и Технологическом университете г. Дармштадта (Германия). Для получения планарно ориентированных КПСЭЖК пленок использовалась комбинация методов TIPS и PIPS с последующей сдвиговой деформацией пленки. Температуры фазовых переходов и некоторые физические характеристики использованных СЭЖК смесей перечислены ниже. 1. ЖКС-178. Температуры фазовых переходов: Cr - (-100C) - SmС* - (550C) - SmA - (690C) - Is. Угол наклона молекул q=270 и спонтанная поляризация РS=90х10-9 Кл/см2 при температуре 220С. Геликоид практически полностью раскручен. 2. ЖКС-309С. Температуры фазовых переходов: Cr - (-10C) - SmС* - (420C) - SmA - (910C) - Is. Угол наклона молекул q=260 и спонтанная поляризация РS=50,8х10-9 Кл/см2при температуре 200C, шаг геликоида p0=0,4 мкм. 3. ЖКС-285. Температуры фазовых переходов: Cr - (-20C) - SmС* - (570C) - SmA - (1120C) - Is, Угол наклона молекул q=260 и спонтанная поляризация РS=90х10-9 Кл/см2при температуре 200С, шаг геликоида p0=0,6 мкм. 4. ЖКС-340. Температуры фазовых переходов: Cr - (70C) - SmС* - (540C) - SmA - (860C) - Is, Угол наклона молекул q=22,50 и спонтанная поляризация РS=85,6х10-9 Кл/см2при температуре 200С. Геликоид компенсирован.

3. Показатели преломления.

Исследуемые сегнетоэлектрические ЖК смеси были разработаны с учетом необходимости согласования показателей преломления КПСЭЖК композиции (см.п.1.). В качестве примера на рис.1 представлены температурные зависимости показателей преломления поливинилбутираля и сегнетоэлектрического смектика ЖКС-178. Спиральная структура этого смектика практически раскручена, поскольку данный СЭЖК является рацемической смесью правых и левых изомеров. Это упрощает процесс измерения показателей преломления с использованием стандартных методов.

Измерения проводились на Аббе рефрактометре ИРФ-454Б для длины волны l=0,589 мкм. Методика измерений и точность аппаратуры не позволили определить отдельно три компоненты показателя преломления в СмС* фазе, поэтому показанная зависимость соответствует одноосному приближению, которое часто используется в практических приложениях. Как видно, во всем температурном диапазоне мезофазы наблюдается достаточно хорошее согласование показателя преломления полимера и перпендикулярной компоненты показателя преломления СЭЖК, причем в СмА фазе они практически совпадают. Аналогичное соотношение показателей преломления реализуется и для других СЭЖК смесей.

4. Текстура и ориентационная структура КПСЭЖК пленок.

Наиболее информативным методом экспериментального определения ориентационной структуры капель ЖК является исследование их текстурных картин с помощью поляризационного микроскопа. Для этого мы использовали специально приготовленные образцы планарно-ориентированной КПСЭЖК пленки, в которой капли жидкого кристалла располагались в один слой, не перекрывая друг друга, и имели достаточно большой размер.

Типичный вид микрофотографий текстурных картин, сделанный для одного из исследуемых образцов при различных углах ориентации в скрещенных поляризаторах показан на рис. 2a,b,c. Данный образец изготовлен с использованием сегнетоэлектрического смектика ЖКС-309С.

Анализ текстур показал, что существует два основных типа конфигурации директора в вытянутых каплях СЭЖК, диспергированных в ПВБ матрице. Для одного из них характерна текстура конфокальных доменов. При этом внутри капли СЭЖК может образоваться один фокально-конический домен (текстура 1, рис.2a,b,c), два домена (текстура 2, рис.2a,b,c, вершины расположены на концах короткой оси эллипсоида) и более (текстура 3, рис.2a,b,c). В каплях такого типа в общем случае наблюдаются две линии погасания (например, текстура 1, рис.2c), исходящие из точечного дефекта в вершине домена и параллельные, соответственно, поляризатору и анализатору. Линии погасания поворачиваются по отношению к эллипсоиду капли при вращении предметного столика микроскопа (текстура 1, рис.2a,b). Локализация точечного дефекта особенно отчетливо прослеживается при выключенном анализаторе. Текстура капли с несколькими доменами (текстура 3, рис.2a,b,c) выглядит подобно фрагменту плоского слоя СЭЖК с полигональной текстурой [38]. Топология ориентационной структуры капли СЭЖК с текстурой 1 (рис.2a,b,c) показана схематически на рис.3a. Здесь концентрические линии внутри эллипсоида показывают расположение смектических слоев в капле.

Во втором случае наблюдается текстура параллельных линий (текстура 4, рис.2a,b). Направление линий составляет небольшой угол по отношению к длинной оси эллипсоида. При вращении предметного столика этот угол не меняется, а линии либо сдвигаются, либо раздвигаются друг от друга. Капли находятся в максимально затемненном состоянии, когда их длинные оси ориентированы вдоль поляризатора или анализатора. Капли максимально просветляются, когда угол между их длинными осями и поляризатором (анализатором) составляет 450 (рис.2c). Точечные дефекты внутри капель отсутствуют. Топология ориентационной структуры таких капель показана на рис.3b. Смектические слои в среднем перпендикулярны длинной оси эллипсоида, но имеют волнообразную деформацию вдоль короткой оси. При этом направление преимущественной ориентации директора в плоскости пленки совпадает с направлением длинных осей капель (направлением ориентации КПСЭЖК пленки). Из всего разнообразия реализуемых внутри капель СЭЖК ориентационных структур только последний тип позволяет получить хорошие светотехнические характеристики (контраст, яркость, амплитуду модуляции светопропускания) электрооптических устройств. Для получения пленок, в которых весь ансамбль капель имеет такую конфигурацию директора, необходимо соответствующим образом оптимизировать состав композиции и технологию изготовления КПСЭЖК материала.

5. Конструкция КПСЭЖК модуляторов света.

В работах [8-12] предложена базовая конструкция модулятора света на основе планарно ориентированной КПСЭЖК пленки и описан принцип его работы. Устройство состоит из двух прозрачных подложек с прозрачными электродами на внутренних сторонах, размещенной между ними КПСЭЖК пленки, и, по крайней мере, одного поляризатора с внешней стороны сэндвича.

Случай размещения по разные стороны сэндвича двух поляризаторов в скрещенном или параллельном состоянии аналогичен ячейке Кларка-Лагервола [39]. КПСЭЖК пленка здесь играет роль фазосдвигающей пластины. Отличие лишь в более сложной процедуре определения величины фазовой задержки в оптически неоднородной среде и необходимости учета эффектов светорассеяния. КПСЭЖК модуляторы света такой конструкции исследованы в ряде работ [22-29] и в данном обзоре подробно обсуждаться не будут.

Более оригинальной является конструкция модулятора света с одним поляризатором (рис.4) [8-12]. Для простоты из всего ансамбля показана одна капля СЭЖК, а смектические плоскости внутри нее - без волнообразной деформации. Ось X совпадает с направлением ориентации КПСЭЖК пленки, плоскость ZY - с плоскостью смектического слоя. Директор в каплях под действием электрического поля ориентирован в плоскости пленки XY, составляя угол q с осью X. Если угол a между осью X и плоскостью поляризации света равен углу q (рис.4a), то пленка рассеивает нормально падающий на нее свет (см. п.1). При изменении полярности электрического поля (рис.4b) директор СЭЖК поворачивается на угол 2q. Если угол q = 450, то пленка становится практически прозрачной вследствие исчезновения градиента показателей преломления (см. п.1).

Таким образом, в данном случае КПСЭЖК пленка работает как поляризатор на основе анизотропии светорассеяния с возможностью поворота плоскости поляризации на угол 2q в азимутальном направлении посредством переключения полярности электрического поля. Для других значений углов a и q модуляция света будет также иметь место, но величина светотехнических параметров существенно изменится.

Необходимость использования поляризаторов (как правило, пленочных поляроидов, основанных на эффекте анизотропии поглощения света) в конструкции оптоэлектронных устройств ограничивает их функциональные возможности. Так, например, при модуляции света большой интенсивности (в проекционных дисплеях, в мощных лазерных установках) поляроидная пленка перегревается и теряет поляризующую способность. Замена поляроидов на призменные твердокристаллические поляризаторы не приводит к решению проблемы, так как в этом случае резко ограничивается рабочая апертура, увеличивается вес и стоимость изделия.

На рис.5 схематически показана разработанная авторами [13-16] конструкция бесполяроидного модулятора света на основе сдвоенной КПСЭЖК ячейки. КПСЭЖК пленки, размещенные в верхней и нижней ячейках, идентичны. При этом направления электрического поля в обеих ячейках взаимно противоположны. На рис.5a под действием поля директор СЭЖК в верхней и нижней пленке лежит в плоскости XY параллельно оси X. Свет, плоскость поляризации которого совпадает с осью Y, проходит через устройство не рассеиваясь (см. п.1). Другая компонента излучения, плоскость поляризации которой параллельна оси X, интенсивно рассеивается капельной дисперсией вследствие большого градиента показателей преломления. Таким образом, в этом состоянии устройство представляет собой систему параллельно сориентированных поляризаторов. Необходимо отметить, что направления КПСЭЖК пленок в обеих ячейках не совпадают друг с другом и с осью X. При изменении полярности электрического поля (рис.5b) директор СЭЖК переориентируется таким образом, что, оставаясь лежать в плоскости XY, он составит с прежним направлением (ось X) угол 2q. При этом директор в верхней и нижней ячейках повернется в разные стороны от оси X. Если использовать СЭЖК с углом наклона молекул q = 22,50, то угол между новыми положениями директоров в обеих ячейках составит 4q = 900. В этом случае КПСЭЖК устройство рассеивает свет любой поляризации, поскольку такая геометрия аналогична системе скрещенных поляризаторов. Дополнительным преимуществом данной конструкции модулятора является возможность использования широкого ассортимента коммерчески доступных СЭЖК смесей с углом наклона молекул q = 22,50, в отличие от экзотических СЭЖК с q = 450, требуемых для базового варианта (рис.4).

Другой вариант конструкции бесполяроидного модулятора света на основе бислойной КПСЭЖК пленки [13-15] показан на рис.6. Здесь каждый из слоев изготавливается и модифицируется в планарно ориентированное состояние отдельно. При этом для одного из слоев используется СЭЖК с положительным углом наклона молекул, а для другого - СЭЖК с отрицательным углом. Слои накладываются друг на друга так, чтобы обеспечивался оптический контакт, а угол между их направлением ориентации составлял 2q = 450. На рис.6a под действием электрического поля директоры СЭЖК в обоих слоях ориентированы параллельно друг другу. Как обсуждалось выше, такая система прозрачна для света с плоскостью поляризации, перпендикулярной оси X, но рассеивает параллельную компоненту света. При изменении полярности электрического поля директоры СЭЖК в обоих слоях будут ориентированы перпендикулярно друг другу, что обусловит рассеяние света любой поляризации (рис.6b). Для этой конструкции также оптимальная величина угла q = 22,50. Такое устройство по сравнению с предыдущим более компактно и проще в управлении, но требует тщательного подбора друг к другу двух СЭЖК композиций, так, чтобы они имели максимально близкие физические характеристики, но различный знак угла наклона молекул.

Возможна еще более простая схема построения бесполяроидного светомодулирующего КПСЭЖК устройства [13,15]. Однако она требует использования в качестве матрицы полимера с большой оптической анизотропией, например, жидкокристаллического полимера. Идея использования такой матрицы была ранее апробирована для композиции мономерного нематика и жидкокристаллического полимера [2,4,5]. В нашем случае в исходном состоянии (рис.7a) директор в ЖК полимере параллелен директору СЭЖК. Если подобрать состав композиции так, чтобы соответствующие компоненты (параллельная и перпендикулярная) показателей преломления полимерной матрицы и мономерного СЭЖК совпадали друг с другом, то такая среда будет оптически прозрачна. Воздействие электрического поля в общем случае приведет к разориентации оптической оси матрицы и СЭЖК а, следовательно, к рассеянию света. При этом полимерная матрица может играть пассивную роль, когда в ней отсутствуют эффекты переориентации под действием электрического поля, и активную роль, если ее оптическая ось меняет направление. В первом случае в электрическом поле эффект светорассеяния будет реализовываться лишь для части светового потока. Более оптимальным является использование в качестве матрицы сегнетоэлектрического ЖК полимера, причем с другим знаком угла наклона, чем у мономерного СЭЖК. Тогда, если q = 22,50 и для СЭЖК полимера, и для мономерного СЭЖК, воздействие электрического поля приведет к ортогональной ориентации оптических осей внутри капли и в матрице, и, следовательно, обусловит эффект светорассеяния всего светового потока. Следует отметить, что из вышеперечисленных конструкций лишь последний вариант конструкции модулятора света может обеспечить переключение из полностью прозрачного состояния в состояние светорассеяния для всего излучения.

6. Осциллограммы оптического отклика.

Типичный вид осциллограмм оптического отклика (рис.8) и их зависимость от геометрии ячейки покажем на примере однополяроидного (см. рис.4) КПСЭЖК модулятора. В данном случае для приготовления композитного материала использовался сегнетоэлектрический смектик ЖКС-285.

Переориентация образцов обеспечивалась биполярным электрическим полем прямоугольной формы. На рис.9 схематически показано относительное расположение отдельных элементов устройства, соответственно, для случая, когда плоскость поляризации света перпендикулярна направлению ориентации КПСЭЖК пленки (рис.9a, a=900), параллельна направлению ориентации (рис.9c, a=0) и для произвольной величины угла a (рис.9b).

Прежде всего, отметим, что процесс переориентации директора в каплях СЭЖК и изменение светопропускания КПСЭЖК пленок под действием электрических импульсов качественно отличаются от аналогичных процессов в КПЖК пленках на основе нематиков и холестериков. Для последних, как известно, реализуется квадратичный электрооптический эффект. При этом КПЖК пленка будет просветляться (если ??>0, а показатели преломления композиции согласованы, как указано в п.1) при включении и положительного, и отрицательного импульса. Линейный электрооптический эффект, имеющий место в КПСЭЖК пленках, снимает вырождение по направлению поля. То есть, если положительный импульс, например, приводит к увеличению прозрачности образца, то отрицательный импульс может привести к усилению светорассеяния.

Как видно (рис.8), при ?=45О форма кривой светопропускания практически такая же, как и форма управляющего сигнала. Положительному электрическому импульсу соответствует просветление КПСЭЖК пленки, отрицательному - ее переход в более рассеивающее состояние. Баланс между отклонением оптического отклика вверх или вниз от средней линии (состояния с выключенным электрическим полем) быстро нарушается и при уменьшении, и при увеличении угла ?.

Интересные особенности имеет оптический отклик при ?=0 и ?=900. В обоих случаях переориентация образца при переключении полярности приводит к оптически эквивалентным состояниям. То есть, директор СЭЖК, поворачиваясь по конусу, ориентируется под действием и положительного, и отрицательного электрического импульса в плоскости пленки под углом ? (рис9c, ?=0), либо под углом 900-? (рис.9a, ?=900) к плоскости поляризации света. Однако заметим, что и в этих случаях оптический отклик остается модулированным. Например, при ?=0 светопропускание образца при выключенном поле близко к 0, но под действием импульса электрического поля (и положительного, и отрицательного) равно примерно 0.18. Следует также обратить внимание на узкие пики, которые наиболее заметно проявляются при ?=900 в момент включения и выключения электрического поля. Длительность этих пиковых импульсов определяется временем переориентации СЭЖК.

7. Оптимизация светотехнических характеристик.

В данном разделе на примере однополяроидного (рис.4) КПСЭЖК модулятора проводится теоретический анализ и сравнение с результатами экспериментальных исследований зависимости основных светотехнических характеристик (контраста, яркости, амплитуды модуляции света) от геометрии ячейки и параметров композитного материала. Будем использовать следующие обозначения (см. рис.8). Светопропускание (отношение интенсивности прямо проходящего излучения к интенсивности падающего излучения) T1 соответствующее оптическому отклику во время действия положительного электрического импульса. Понятно, что, например, яркость дисплейных устройств будет в этом случае определяться светопропусканием T1 ячейки. Светопропускание T2 соответствует оптическому отклику во время действия отрицательного электрического импульса.

Светопропускание образца при выключенном поле - Т0. Минимальное светопропускание образца при выключенном поле Т0||. Данный параметр измеряется, когда плоскость поляризации света параллельна направлению ориентации КПСЭЖК пленки. Максимальное светопропускание образца при выключенном поле Т0^. В этом случае плоскость поляризации света перпендикулярна направлению ориентации КПСЭЖК пленки.

Амплитуда модуляции светопропускания - ?Т=(Т1-Т2). Контрастность - C=Т1/Т2. При экспериментальном определении этих величин легко ошибиться, особенно в области ??0 и ??900, перепутав, например, Т2 и Т0.

Параллельная компонента светопропускания - Т||. Для измерения этого параметра необходимо воздействовать на образец постоянным электрическим полем, величина которого достаточна для насыщения вольт-контрастной характеристики (ВКХ), а плоскость поляризации света ориентировать параллельно директору в каплях СЭЖК. Отсюда следует, что Т|| - это минимум на кривой зависимости Т2(?). Перпендикулярная компонента светопропускания - Т^. Этот параметр определяется аналогично, но плоскость поляризации света должна быть перпендикулярна директору. Следовательно, Т^ - это максимум на кривой зависимости Т1(?).

Необходимо отметить, что в общем случае параметры Т0|| и Т|| (Т0^ и Т^) имеют различную величину. Однако, как показала практика, для оперативной оценки функциональных возможностей изготовленных КПСЭЖК пленок можно в качестве приближенных значений использовать Т0|| и Т0^ вместо Т|| и Т^. Такая процедура позволяет обходиться без более трудоемких электрооптических измерений.

Соотношения, описывающие угловые зависимости при прохождении плоско поляризованного излучения через КПЖК пленку с анизотропией светорассеяния, аналогичны формулам, описывающим взаимодействие света с любым другим поляризатором, например с пленочным поляризатором (поляроидом) на основе анизотропии поглощения света. Симметрия задачи дает нам возможность ограничиться рассмотрением диапазона 0ё900 изменения величины угла a (рис.14). Для угла q возьмем диапазон 0ё450 изменения величины угла, который может встретиться в коммерчески доступных кристаллах. Ограничимся также технологически реальным изменением параметра оптической анизотропии Т||/Т^ в пределах 0,01ё0,5.

Если директор СЭЖК ориентирован под углом (a+q) к плоскости поляризации света (положение 1 на рис.9b), то реализуется максимальное светопропускание Т1. Причем (1)

Отсюда следует, что Т1 достигает максимального значения, равного Т^, если a+q=900, то есть, при a=900-q.

Для угла (a-q) (положение 2 на рис.9b) реализуется, соответственно, минимальное светопропускание Т2: (2)

Значения Т2 достигают минимума, равного Т|| при a=q. Из (1), (2) следует, что амплитуда модуляции светопропускания равна: Проводя тригонометрические преобразования, получаем [2]: (3) Отсюда следует, что положение максимума на кривой DТ(a) не зависит ни от угла q, ни от величины оптической анизотропии Т||/Т^ и наблюдается при a=450. Более сложная функциональная зависимость от угловых и материальных параметров наблюдается для контрастности: (4) Отсюда находим, что контрастность C достигает максимума при: (5) Необходимо обратить внимание, что угол am в (5) зависит не только от величины угла наклона молекул q, но и от анизотропии светопропускания образца. Сложный характер зависимости контрастности (4) от оптической анизотропии пленки и угла a наглядно иллюстрирует трехмерный график (рис.10), построенный для КПСЭЖК ячейки на основе ЖКС-285 (q=260). Видно, что условия максимума контрастности (значения am представлены штриховой линией) существенно зависят от величины Т||/Т^. Так, например, если Т||/Т^=0.5, то am=39.10, что значительно превышает величину угла q. Даже при использовании КПСЭЖК пленок с большой оптической анизотропией, позволяющей получить достаточно высокий контраст, необходимо учитывать, что am>q. Например, если Т||/Т^=0.1, то максимальное значение контрастности Cm=6.9 при am=29.90; если Т||/Т^=0.01, то Cm=62.8 при am=26.40. Однако, если отношение Т||/Т^ мало, то можно считать, что угол am@q. Из (4) следует, что для таких образцов максимальную величину контрастности КПСЭЖК устройства можно оценить с использованием приближенного выражения: (6)

Анализ особенностей оптического отклика КПСЭЖК ячейки с a=0, либо a=900 (рис.8) позволяет предложить данные геометрии (особенно с a=0) в основу несколько иного способа управления КПСЭЖК дисплеями. В это случае переключение оптического состояния будет производиться между уровнями Т0 и Т1=Т2. Понятно, что в этом случае КПСЭЖК ячейка будет работать так же, как и КПЖК ячейки на основе нематиков или холестериков, то есть, будет просветляться при включении электрического поля любой полярности. Из рис.8 видно, что для данного образца при этом можно достигнуть контрастности 23:1, но яркость устройства будет невысокой (Т1=Т2@0.18).

Эффект появления пиковых импульсов оптического отклика в геометрии a=900 можно использовать для создания быстродействующих КПСЭЖК модуляторов. Здесь максимуму импульса соответствует момент прохождения директором среднего положения (рис.9a). В этом случае светопропускание составляет величину Т^, тогда амплитуда модуляции светопропускания (максимальная высота импульса) будет равна: (7)

Если, например, использовать СЭЖК с q=450, то можно получить амплитуду DТ'=0.5(Т^-Т||).

На рис.11 показаны данные экспериментальных измерений и графики теоретических расчетов, соответственно, контрастности, компоненты светопропускания Т1 и амплитуды модуляции светопропускания для композитной пленки на основе ЖКС-285 с отношением компонент Т||/Т^=0.069. Как видно, корректность теоретического анализа подтверждается хорошим согласием экспериментальных и расчетных данных.

Соотношения (1)-(7) и данные графического анализа [20-21] являются основой для проведения целенаправленного выбора состава композиции, оптимизации технологии изготовления и геометрии электрооптических КПСЭЖК ячеек.

8. Зависимость светотехнических характеристик от температуры и величины электрического поля.

Как следует из вышесказанного, характерной особенностью планарно-ориентированных КПСЭЖК пленок является большая анизотропия светопропускания. На рис.12 показан типичный вид температурной зависимости величины компонент светопропускания, в данном случае измеренной для образца КПСЭЖК пленки на основе ЖКС-340.

Светопропускание перпендикулярной компоненты составляет 65ё70%. Для параллельной компоненты - 9ё11%. Отношение величины компонент при комнатной температуре составляет примерно 8:1. Величина поляризованных компонент и анизотропия светопропускания достаточно стабильна в пределах смектических C* и A фазы, но резко изменяются при переходе в изотропную фазу. Заметно проявляется осциллирующий характер, особенно для перпендикулярной компоненты светопропускания. Такой вид зависимостей обусловлен интерференционными эффектами в капельных дисперсиях, присущими не только КПСЭЖК пленкам, но и композитным материалам на основе ЖК других типов [40-43], если при измерениях используются когерентные источники излучения.

Осциллирующий вид температурной зависимости в КПСЭЖК пленках проявляется также для других светотехнических характеристик, например для контрастности и светопропускания T1 (рис.13). Интерференционные эффекты более явно выражены для монослойных (с расположением капель ЖК в один слой без перекрытия в проекции на плоскость пленки) образцов. В толстых образцах многократное перерассеяние света приводит к уменьшению осцилляций [43].

Если при измерениях использовать некогерентный источник излучения, например, лампу накаливания, то интерференционные эффекты ослабляются и зависимости сглаживаются. На рис.14 показана температурная зависимость амплитуды модуляции света КПСЭЖК пленкой на основе ЖКС-178 для трех значений напряжения. При записи температурной зависимости необходимо достижение насыщения вольт-амплитудной характеристики (ВАХ) во всем диапазоне измерений (рис.14a). В противном случае при нагревании будет наблюдаться аномальное увеличение амплитуды модуляции в СмС* фазе (рис.14b,c). Следует обратить внимание на стабильность амплитуды модуляции света (рис.14a) в широком диапазоне температур, что важно для практических приложений. Измерения при малом управляющем напряжении (рис.14c) позволяют с хорошей точностью определить температуру фазового перехода СмС*-СмА для капельной дисперсии СЭЖК.

Для этого же образца КПСЭЖК пленки на рис.15 показаны вольт-амплитудные характеристики (зависимости амплитуды модуляции света от приложенного напряжения) для нескольких температур. Зависимости имеют беспороговый характер. Напряжение насыщения U0.9 (рис.16) сильно зависит от температуры, уменьшаясь от 265В при комнатной температуре до 145В при 51.50С. В СмА-фазе в указанном диапазоне значений управляющего напряжения зависимости не достигают насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к разрушению образца вследствие электрического пробоя.

9. Бистабильность.

Эффекты бистабильности в композитных пленках [26,28,29] проявляют себя во многом аналогично случаю чистых монослоев СЭЖК [44-47], показывая принципиальную возможность разработки КПСЭЖК дисплеев с пассивно-матричной системой адресации.

В исследованных нами КПСЭЖК пленках эффект бистабильности имеет некоторые специфические особенности. На рис.17 приведены характерные осциллограммы оптического отклика композитной пленки на основе ЖКС-340 на биполярный электрический сигнал. Прежде всего, следует отметить, что после импульса электрического поля запоминается не то оптическое состояние, которое соответствует данному импульсу, а противоположное ему. Например, отрицательному электрическому импульсу соответствует минимальное светопропускание образца (рис.17). После окончания импульса КПСЭЖК пленка быстро переходит в просветленное состояние и запоминает его. Последующий положительный электрический импульс вызывает небольшое увеличение просветления. После импульса образец переходит в состояние с минимальным светопропусканием.

В промежутке между импульсами светопропускание пленки медленно релаксирует к среднему уровню. Скорость релаксации и, следовательно, амплитуда светопропускания образца в бистабильном состоянии (перед включением импульсов) сильно зависят от величины приложенного поля. Как видно (рис.18), эффект бистабильности в данном образце имеет пороговый характер и начинает проявляться лишь для величины поля большей 50В. Учитывая наличие процесса релаксации светопропускания после выключения импульса, согласно терминологии, предложенной в [47], более корректно будет говорить об эффекте псевдобистабильности в данном образце КПСЭЖК пленки.

Причиной инверсии оптического отклика, по-видимому, является наличие достаточно высокой концентрации иононосителей в исследуемой КПСЭЖК композиции. При включении электрического поля происходит объемное разделение зарядов и локализация их на поверхности капли СЭЖК. Это приводит к частичной компенсации внешнего электрического поля и проявляется в релаксации оптического сигнала во время действия импульса. После окончания импульса капли СЭЖК под действием электрического поля от поверхностных зарядов переориентируются в противоположное состояние. Аналогичный эффект наблюдался ранее в КПЖК пленках на основе нематиков [48-49].

Бистабильность в композитных пленках определяется составом и структурой капсулируемой СЭЖК смеси. Как видно (рис.19), в композиции с сегнетоэлектрической смесью ЖКС-309С, имеющей сильно закрученную ориентационную структуру, бистабильное состояние не реализуется вообще. Эффект бистабильности заметно проявляется лишь в КПСЭЖК пленках на основе сегнетоэлектриков с компенсированным геликоидом, либо с шагом спирали, существенно превышающим размер капли.

10. Быстродействие.

На рис.20 показаны типичные зависимости времени включения (реакции) и времени выключения (релаксации) КПСЭЖК пленки на основе ЖКС-285. Измерения проводились с использованием однополярного электрического импульса прямоугольной формы. Максимальная величина импульса соответствует напряжению насыщения для данного образца.

Качественный ход зависимости временных параметров от величины приложенного напряжения такой же, как и в чистых слоях СЭЖК [45-46]. В то же время, следует отметить, что время релаксации в КПСЭЖК пленках заметно меньше, чем в чистом монослое тех же СЭЖК [8]. Это объясняется более сильным суммарным воздействием сил поверхностного сцепления, возвращающих систему в исходное состояние.

11. Заключение.

Подводя итог комплексному анализу результатов теоретических и экспериментальных исследований, можно сделать следующие выводы. Новый композитный материал - планарно ориентированные КПСЭЖК пленки и оптоэлектронные устройства на их основе ни в чем не уступают своим близким аналогам, а по ряду эксплуатационных характеристик превосходят их. В сравнении с устройствами на основе чистых монослоев СЭЖК [44-46], прежде всего, следует отметить более простую и дешевую технологию изготовления. Число операций при производстве КПСЭЖК устройств уменьшается примерно вдвое и отпадает необходимость использования ряда дорогостоящих комплектующих, например, ориентантов и спейсеров. При этом надежность функционирования и стабильность светотехнических характеристик увеличиваются. Так, например, контрастность КПСЭЖК устройств после длительной работы не только не ухудшается, как это часто бывает в случае чистых монослоев СЭЖК, но и увеличивается примерно на 5ё7%.

Сравнительно более высокое управляющее напряжение для КПСЭЖК материалов не является препятствием к их практическому использованию. Исследования показали возможность изготовления КПСЭЖК пленок с напряжением насыщения 15ё20 В [21,27-29], что вполне соответствует требованиям стандартных систем адресации плоскопанельных дисплеев. В КПСЭЖК пленках также проявляются эффекты бистабильности, позволяющие реализовать пассивно-матричные схемы управления, стоимость которых примерно на порядок меньше активно-матричных систем адресации. Необходимо также подчеркнуть, что на сегодняшний день лишь два электрооптических материала - композитные пленки и жидкокристаллические полимеры позволяют создать оптоэлектронные устройства в гибком варианте. Но ЖК полимеры в этом плане не могут являться конкурентами КПСЭЖК пленкам, так как даже самые быстродействующие СЭЖК полимеры [50] имеют время переключения на два-три порядка больше, чем композитные пленки на основе мономерных СЭЖК.

Во столько же раз по параметрам быстродействия КПСЭЖК пленкам уступают композитные материалы на основе нематиков и холестериков [1-5]. Кроме того, если рассматривать возможность использования композитных ЖК материалов в качестве поляризационных фильтров на основе эффекта анизотропии светорассеяния, то лишь КПСЭЖК пленки позволяют сконструировать устройство электроуправляемого азимутального поворота плоскости поляризации проходящего излучения.

Работа финасировалась по гранту INTAS-97-1923.

Литература

  1. Ковальчук А.В., Курик М.В., Лаврентович О.Д. Капсулированные нематические жидкие кристаллы: новый класс устройств отображения информации// Зарубежная электроника.- 1989.- №5 -С. 44-58.
  2. Doane J.W.// Liquid Crystals, Applications and Uses. Ed. B.Bahadur, World Scientific.- 1990.- Chap.14.
  3. Doane J.W. Polymer-Dispersed Liquid Crystals: Boojums at Work// MRS Bulletin.- 1991.- Vol.16.- P. 22-28.
  4. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты.- Новосибирск: Наука, 1994.- 214 с.
  5. Liquid Crystals in Complex Geometries/ Ed. G.P.Crawford and S.Zumer.-Taylor&Francis, 1996.-500 p.
  6. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Electrooptics of polymer dipersed ferroelectric liquid crystals// IV International Top. Meet. on Optics of Liquid Crystals, Abstracts, Florida, 1991, P.70-71.
  7. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Light modulation by polymer dispersed ferroelectric liquid crystals, Summer European Liquid Crystals Conf., Abstracts, Vilnius, 1991, Vol.1, P.141.
  8. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф., Занин Н.В., Модуляция света ориентированной дисперсией сегнетоэлектрических жидких кристаллов// Препринт № 708Ф, Институт физики, Красноярск, 1991, 25 с.
  9. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Polymer Dispersed Ferroelectric Liquid Crystals as Display Materials// SID'92 Digest, 1992, Vol.23, P.776-777.
  10. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф. Модулятор света// ПТЭ, 1992, №6, С.209.
  11. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Light modulation by a planar-oriented film of a polymer-encapsulated ferroelectric liquid crystal// JETP Lett., 1993, Vol.57, No 1, P.17-20.
  12. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Electrooptics of polymer dispersed ferroelectric liquid crystals// Ferroelectrics, 1993, Vol.143, P.271-276.
  13. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Pozhidaev E.P. Polymer Dispersed Ferroelectric Liquid Crystal Light Valves, SID'94 Digest, 1994, Vol.25, P.605-607.
  14. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф. Модуляторы света на основе капсулированных полимером сегнетоэлектрических жидких кристаллов// Автометрия, 1994, №4, С.39-43.
  15. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F. Pozhidaev E.P. Light modulators based on polymer dispersed ferroelectric liquid crystals// Proceedings SPIE, 1995, Vol.2731, P.188-194.
  16. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф. Жидкокристаллическое устройство, Патент России № 2081443, МКИ G02F1/13.-Опубл. 10.06.97, Бюл. №16.
  17. Pozhidaev E.P., Smorgon S.L., Andreev A.L., Kompanets I.N., Zyryanov V.Ya., Shin S.T. Low voltage polymer dispersed ferroelectric liquid crystals// OSA TOPS, 1997, Vol.14 Spatial light modulators, P.94-101.
  18. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F., Pozhidaev E.P. Orientational structures of elongated droplets of ferroelectric liquid crystals in polymer matrix// Molecular Materials, 1998, Vol.9, No2, P.139-145.
  19. Pozhidaev E.P., Smorgon S.L., Andreev A.L., Kompanets I.N., Zyryanov V.Ya. Kompanets S.I. Low voltage and high optical quality polymer dispersed ferroelectric liquid crystal films// Ferroelectrics, 1998, Vol.212, P.153-160.
  20. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L., Shabanov V.F., Pozhidaev E.P., Andreev A.L., Kompanets I.N., Shin S.T. Optimization of the Contrast and Transmittance in One-Polarizer PDFLC Cells// Proceedings SID "Asia Display '98", Seoul, Korea, 1998, P.1037-1039.
  21. Зырянов В.Я., Сморгон С.Л., Шабанов А.В., Пожидаев Е.П. Оптимизация контраста, яркости и амплитуды модуляции света в электрооптических устройствах на основе капсулированных полимером сегнетоэлектрических жидких кристаллов// Письма в ЖТФ, 1998, Т.24, Вып.12, С.57-61.
  22. Kitzerow H.-S., Molsen H., Heppke G. Linear electro-optic effects in polymer-dispersed ferroelectric liquid crystals// Appl.Phys.Lett., 1992, Vol.60(25), P.3093-3095.
  23. Molsen H., Kitzerow H.-S., Heppke G. Antiferroelectric switching in polymer dispersed liquid crystals// Jpn.J.Appl.Phys., 1992, Vol.31, No8, P.L1083-L1085.
  24. Komitov L., Lagerwall S.T., Stebler B. et al. Polymer dispersed soft-mode smectic light modulator// The 14th Intern Liquid Crystal Conf., Abstracts, Pisa, 1992, Vol.11, P.168.
  25. Heppke G., Kitzerow H.-S., Molsen H. Electroclinic effect in a polymer-dispersed ferroelectric liquid crystals// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1993, Vol.237, P.471-476.
  26. Molsen H., Kitzerow H.-S. Bistability in polymer-dispersed ferroelectric liquid crystals// J.Appl.Phys., 1994, Vol.75, No1, P.710-716.
  27. Kitzerow H.-S. Polymer-dispersed liquid crystals - From the nematic curvilinear aligned phase to ferroelectric films// Liquid Crystals, 1994, Vol.16, P.1-31.
  28. Patel P., Chu D., West J.L. Bistable switching in polymer-dispersed ferroelectric smectic-C* displays// SID'94 Digest, 1994, Vol.25, P.845-847.
  29. C.M.Leader, W.Zheng, J.Tipping and H.J.Coles. Shear aligned polymer dispersed ferroelectric liquid crystal devices// Liquid Crystals, 1995, Vol.19, No4, p.415-419.
  30. Zyryanov V.Ya., Smorgon S.L. and Shabanov V.F. Elongated films of polymer-dispersed liquid crystals as scattering polarizers// Molecular Engineering, 1992, Vol.1, P.305-310.
  31. Зырянов В.Я., Пресняков В.В., Сморгон С.Л., Шабанов В.Ф. Электрооптические свойства и ориентационно-структурные превращения в ансамбле эллипсоидальных капель холестериков// Доклады РАН, 1997, Т.354, № 2, С.178-181.
  32. Сморгон С.Л., Пресняков В.В., Зырянов В.Я., Шабанов В.Ф. Устройство для поляризации и модуляции света// ПТЭ, 1997, № 1, С.164.
  33. Presnyakov V.V., Smorgon S.L., Zyryanov V.Ya., Shabanov V.F. Volt-contrast curve anisotropy in planar-oriented PDChLC films// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1998, Vol.321, P.259-270.
  34. Presnyakov V.V., Smorgon S.L., Zyryanov V.Ya., Shabanov V.F. Polyfunctional optoelectronic elements based on oriented PDCLC films// Proceedings SPIE, 1998, Vol.3348, P.98-102.
  35. West J.L., Doane J.W., Zumer Z., Liquid crystal display material comprising a liquid crystal dispersion in a thermoplastic resin// US Patent No 4,685,771, Int.Cl. G02F1/13, 1987.
  36. Margerum J.D., Lackner A.M., Ramos E. et al. Effects of off-state alignment in polymer dispersed liquid crystals// Liquid Crystals, 1989, Vol.5, No5, P.1477-1487.
  37. Nazarenko V.G., Reznikov Yu.A., Reshetnyak V.Yu., Sergan V.V., Zyryanov V.Ya. Oriented dispersion of liquid crystal droplets in a polymer matrix with light induced anisotropy// Molecular Materials, 1993, Vol.2, P.295-299.
  38. Coates D. and Gray G.W. The Structures and Microscopic Textures of Smectic Liquid Crystals// Microscope, 1976, Vol.24, No2, P.117-150.
  39. Clark N.A., Lagerwall S.T. Submicrosecond bistable electro-optic switching in liquid crystals// Appl.Phys.Lett., 1980, Vol.36(11), P.899-901.
  40. Зырянов В.Я., Пресняков В.В., Шабанов В.Ф. Эффект Фредерикса в капсулированных полимером каплях нематика// Письма в ЖТФ, 1996, Т.22, Вып.14, С.22-26.
  41. Шабанов А.В., Пресняков В.В., Зырянов В.Я., Ветров С.Я. Особенности процесса переориентации биполярных капель нематика с жестко фиксированными полюсами// Письма в ЖЭТФ, 1998, Т.67, Вып.9, С.696-700.
  42. Shabanov A.V., Presnyakov V.V., Zyryanov V.Ya., Vetrov S.Ya. Bipolar nematic droplets with rigidly fixed poles in the electric field// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1998, Vol.321, P.245-258.
  43. Presnyakov V.V., Zyryanov V.Ya., Shabanov A.V., Vetrov S.Ya. Friedericksz threshold in bipolar nematic droplets with rigidly fixed poles// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1999, (in press).
  44. Блинов Л.М., Береснев Л.А. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы// УФН, 1984, Т.143, Вып.3, С.391-428.
  45. Beresnev L.A., Blinov L.M., Osipov M.A. and Pikin S.A. Ferroelectric liquid crystals// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1988, Vol.158A, Р.3-150.
  46. Лосева М.В., Пожидаев Е.П., Рабинович А.З., Чернова Н.И., Иващенко А.В. Сегнетоэлектрические жидкие кристаллы// Итоги науки и техники (ВИНИТИ), серия "Физическая химия", 1990, Т.3, 192 с.
  47. Панарин Ю.П., Пожидаев Е.П., Барник М.И. Бистабильность в сегнетоэлектрических жидких кристаллах// Молекулярные материалы, 1991, Т.1, №1/2, С.38-53.
  48. Афонин О.А., Названов В.Ф., Новиков А.В. Модуляция на удвоенной частоте в капсулированных полимером нематических жидких кристаллах// Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, №6, С.33-37.
  49. Zhuikov V.A., Shabanov V.F., Zharkova G.M., Vladimirov V.M. Electrooptic effects in encapsulated liquid crystals// Mol.Cryst.Liq.Cryst., 1990, Vol.179, P.377-381.
  50. Yuassa K., Uchida S., Sekiya T., Hashimoto K., Kawasaki K. Electrooptical Properties of Ferroelectric Liquid Crystalline Polymers// Ferroelectrics, 1991, Vol.122, P.53.