CC BY
11
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ ПЕРЕНАСТРАИВАЕМЫЕ СВЕТООРИЕНТИРУЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор кафедры информатики и компьютерного проектирования, e-mail: [email protected];
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; Российский Химико-Технологический Университет им.Д.И. Менделеева, Москва, Россия; 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20.
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с. учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии;
Московский государственный областной университет (МГОУ); 141014, Московская область, г.Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Ермакова Мария Вадимовна магистрант факультетаиИнженерная академия Российского университета Дружбы народов.
Предложен комплекс из жидкокристаллических композитов 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей и светоориентируемого слоя нематического жидкого кристалла, который с одной стороны ограничен поверхностью с покрытием, задающим приповерхностный угол наклона директора. Ориентация слоя регулируется в пределах от переориентированной под внешним влиянием до однородной заранее заданной. Рассмотрены перспективные приложения новых комплексных структур.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, светоориентируемые, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITE RECONFIGURABLE LIGHT-ORIENTED ELEMENTS
Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva Е.У., Mashchenko V.I.*, Ermakova M.V.* Department of Computer Science and Computer Engineering D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
The complex composites of liquid crystal 4-cyano-4-octyloxybiphenyl and borosilicate gels and setorientation layer of a nematic liquid crystal, which is restricted on one side surface with a coating that defines the surface angle of the Director. The orientation of the layer is adjusted in the range from reoriented under external influence to a uniform preset. Prospective applications of new complex structures are considered.
Keywords: optical anisotropy, light-oriented, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
В данной работе, являющейся продолжением [14], предложено комплексное использование управляемых полем жидкокристаллических (ЖК) композитных материалов и ЖК
светоориентируемых. Управление ориентацией мелких частиц достаточно освоено с помощью воздействия луча света (в том числе инфракрасного). Изучен механизм их ориентации, в том числе под влиянием электрического поля поляризованного света. Как отмечено в [5], мелкие частицы, при соблюдении ряда условий, ориентируются по электрическому полю луча света и могут вращаться при повороте плоскости поляризации. Для светоориентирования ЖК хорошо известен эффект «гость-хозяин» смесей ЖК с гораздо более длинными светоориентируемыми молекулами и симметричный эффект с тем же названием под воздействием поля[6,7].
Светоориентируемая ячейка ЖК
Длинные (по сравнению с молекулами нематического ЖК) светоориентируемые частицы предлагается добавлять в [1,4]. Под воздействием поляризованного луча, светоориентируемые частицы
придут к положению равновесия с упругими силами окружающего ЖК. Появится ориентационный эффект, подобный эффекту Керра, под действием луча поляризованного света, симметричный эффекту «гость-хозяин». Удобные для формирования в прозрачной среде геометрически упорядоченной системы лучей и регулирования их интенсивности матричные структуры рассмотрены в [1,4] на ЖК-композитной основе. Показана возможность пространственно-временной модуляции света (ПВМС) для светоориентирования на их основе. Можно без ориентации электрическим полем, задав поляризацию луча света перпендикулярно подложке слоя ЖК, ориентировать директор ЖК в плоскости, перпендикулярной подложке, таким образом, как это было бы весьма сложно достигнуть с помощью ориентирующего электрического поля электродов, и, в том числе, линейную зависимость (рис.1) угла наклона директора ЖК от координаты по толщине ячейки.
На рисунке 1 одна сторона ячейки ЖК покрыта ориентантом (другая сторона ячейки покрыта не ориентирующим слоем) и задан приповерхностный угол 0о наклона директора ЖК, в той же плоскости
что и поляризация луча (перпендикулярно подложке). Переориентируясь в луче света (с равномерной плотностью потока энергии) до угла бсошь затем до другой стороны, директор ЖК будет однородно ориентирован под углом 0соШ1-Переориентация (разность между 60 и 0сош1) растет с ростом толщины просвеченного слоя и с ростом интенсивности луча (для многих материалов ориентирующий луч инфракрасный).
При использовании матричных [1,4] светорегулирующих структур (с бокового торца слоя ЖК), чем больше рядов матрицы включено на полное пропускание, тем толще просвеченный слой
(рис1).
Рис.1. С ростом толщины слоя ЖК, подвергающегося ориентирующему излучению (оптическому или инфракрасному), возрастает разница между приповерхностным углом 90 и 0с„П8Ь который транслируется до другой стороны ячейки
Задав неравномерную (различную в смежных тонких слоях ЖК) интенсивность ориентирующего луча, получим соответствующее (обусловленное равновесием между ориентирующим влиянием луча и упругой реакцией ЖК, окружающего светоориентируемые частицы) ориентационное распределение. В результате будет как бы два слоя (как в двух смежных ячейках ЖК) - один с заданным распределением, другой однородный (с постоянным углом 0сошО. Это вполне актуально, т.к. две смежные ячейки конструктивно предусмотрены во многих устройствах, например, компенсатор и регулятор пропускания в пикселе ЖК индикатора (дисплея).
В данной работе предлагается еще и третья: слой ориентированного ЖК-композита 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе боросилоксанового (БС) геля [2-4], которые могут быть переориентированы [7] электрическим полем при нагревании композитов (требует включения соответствующих элементов в конструкцию) выше температуры плавления 8ОЦБ (выше 55°С). Резкое охлаждение ниже температуры плавления приводит к кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктур, с размерами от долей до десятков микрон.
Такое сочетание оптически анизотропных слоев позволяет получить весьма разнообразные оптические свойства. Если в качестве
быстропеременной среды рассматривать тонкий светоориентируемый слой, а в качестве медленно (в дискретные моменты времени) переориентируемого рассматривать ЖК-композит, то в небольшом диапазоне оптических (и емкостных - тоже связанных с ориентацией) свойств переменная составляющая может быть весьма
быстродействующая, перспективная для емкостных, дифракционных, фокусирующих элементов, оптических затворов.
Также следует отметить перспективность таких светоориентируемых ЖК структур в качестве светофильтров (в скрещенных или параллельных поляроидах) с быстро регулируемыми в ограниченных пределах и медленно (в дискретные моменты времени) переключаемыми в широком диапазоне спектральными характеристиками. Светоориентируемый слоистый ЖК элемент соответствует трем: регулятор интенсивности, светофильтр на три RGB поддиапазона (сразу для трех фотоэлементов) и линза ЖК[8] с регулируемыми характеристиками - знаком (собирающая/рассеивающая линза) и величиной фокусного расстояния.
Для линзы на рисунке 2 показана система ориентирующей подсветки. Внизу рисунка изображена матрица регуляторов подсветки (ЖК-композитных). Она расположена от линзы на фокусном расстоянии. На рисунке, снизу- вверх, направлен ориентирующий свет (в зависимости от используемых светоориентируемых добавок, он может быть инфракрасный). Его плоскость поляризации для каждой пропускающей луч матричной поры строго по радиусу линзы показана на рисунке 2. Фотоэлемент (заштрихован) находится в центре рисунка 2, в фокусе, в одной плоскости с матрицей (ее светорегулирующие поры расположены вокруг фотоэлемента). Падающий сверху фокусируемый на фотоэлементе свет проходит через слой ЖК и, как и подразумевается для ЖК линзы, собирается в фокусе.
Линза ЖК (ее радиальное сечение) показана на рисунке 3. Одна из сторон ЖК ячейки (линзы ЖК) покрыта ориентантом, задающим постоянный приповерхностный полярный угол - в радиальной плоскости (на рисунке 3 гомеотропная ориентация), другая сторона покрыта неориентирующим слоем. Ориентирующие лучи (инфракрасные) направлены снизу-вверх. Их интенсивность неравномерна (на рисунке 3 это отображено неравным количеством стрелок - лучей).
В радиальном сечении линзы ЖК [7,8], градиент фазовой задержки обусловлен тем, что матрица регуляторов (ЖК-композитных) ориентирующей подсветки задает градиентную интенсивность и соответствующую ориентацию.
I /
I I I I
/
/ / / / / / / /
tr
т
ш
Рис.2. Светоориентируемая линза ЖК. Матрица ЖК-композитных регуляторов внизу рисунка пропускает лучи ориентирующего света (возможно, инфракрасного) на рисунке снизу вверх. Фокусируемый свет падает сверху на линзу
ЖК в верхней части рисунка и собирается на фотоприемнике внизу (заштрихован) (слева) Рис.3. Светоориентируемая линза ЖК, ее радиальная плоскость. Нижняя поверхность имеет постоянный угол наклона директора ЖК (на рисунке гомеотропная ориентация). Градиентная радиально интенсивность ориентирующей подсветки приводит к радиальному градиенту фазовой задержки, обусловленному пространственно неравномерной
ориентацией директора в радиальном сечении линзы (справа)
Выводы
Предложены светоориентируемые нематические ЖК ячейки, одна сторона которых покрыта ориентантом, и комплексные структуры со слоями ЖК светоориентируемого и ЖК-композита, ориентируемого полем.
Показана их применимость как двойных (регулятор-компенсатор) и тройных (светофильтр-регулятор-компенсатор) элементов в дисплеях, применимость как трехцветных (RGB) оптических элементов в видеосистемах и дисплеях, применимость в фокусирующих, дифракционных и емкостных системах ЖК.
Предложены светоориентируемые линзы ЖК с регулируемым в широких пределах фокусным расстоянием.
Список литературы
1. Соломатин А.С. Светоориентируемые ячейки нематического ЖК с одной стороной, покрытой ориентантом //Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика.- 2018. - №2. - С. 21-33. DOI: 10.18384/2310-7251 -2018-2-21-33.
2. Мащенко В.И., Шашкова Ю.О., Соломатин А.С., Беляев В.В. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана// Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - №2. - С.34 - 45.
3. Мащенко В.И., Соломатин А.С., Шашкова Ю.О., Беляев В.В. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97-107. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107.
4. Соломатин А.С., Мащенко В.И., Шашкова Ю.О.,Беляев В.В. Особенности формирования микроструктуры и оптические свойства жидкокристаллических композитных твист-ячеек // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.53-63. 10.18384/2310-7251-2017-2-53-63.
5. Сойфер В. А. Нанофотоника и дифракционная оптика // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32. - №2. - С.110-118.
6. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред // СПб: СПб НИУ ИТМО. 2012. 99 с.
7. Невская Г.Е., Томилин М.Г. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. // Оптический журнал. -2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
8. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора. // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2016. - №3. - С.37-45. Б01: 10.18384/2310-7251-2016-3-37-45.
