ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ТЕРМОДАТЧИКА Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК: 535.3+535.5+535.8

Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Зякин В.Э., Мащенко В.И., Тарасова М.А ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ТЕРМОДАТЧИКА

Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор, e-mail: Sotrudnica UNC@mail.ru

Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент

Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент

Зякин Вячеслав Эдуардович, магистрант 1-го года обучения

Кафедра Информатики и Компьютерного Проектирования

Тарасова Мунира Акбаровна, аспирант, младший научный сотрудник кафедры биоматериалов Российский Химико-Технологический Университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская площадь, д.9

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.

Разработан имеющий прикладное значение, например, при проектировании емкостных термодатчиков жидкокристаллический композит на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей, показана актуальность его диэлектрических свойств для электронно-измерительных устройств.

Ключевые слова: оптическая анизотропия, диэлектрические свойства, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.

LIQUID CRYSTAL COMPOSITES FOR A CAPACITIVE TEMPERATURE SENSOR

Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva H.V., Zyakin V.E. Mashchenko V.I.*, Tarasova M.A. 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

A liquid-crystal composite based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels has been developed that has applied significance, for example, in the design of capacitive thermal sensors. The relevance of its dielectric properties for electronic measuring devices is shown.

Keywords: optical anisotropy, dielectric properties, borosiloxane gels, liquid crystal composites.

Введение

Оригинальные нематические

жидкокристаллические (ЖК) композиты предложено использовать в емкостных измерительных приборах, в частности, в термодатчиках, в данной работе, являющейся продолжением [1-6]. Изменение диэлектрических свойств (диэлектрический отклик) ЖК материалов при изменении температуры в значительной степени связан с реакцией ЖК среды на электрическое поле, в связи с чем возникают некоторые ограничения на подаваемые электрические сигналы.

Емкостный термодатчик

Мостовым методом [7] измеряется величина диэлектрической проницаемости е. Теория Майера-Мейера [8,9] обычно используется для ее описания. Зависимость анизотропии Де(Т) в широком диапазоне температуры при Т<Тм - 10К имеет квазилинейный вид (Де=е||-е- где е|| и е- - параллельная и

перпендикулярная составляющие диэлектрической проницаемости, соответственно, в данном термодатчике ЖК с положительной диэлектрической анизотропией Де>0), ее крутизна растет при T^Tni. С ростом дипольного момента молекулы величина Де увеличивается и для ряда НЖК может достигать +90.

Необходимо выбирать для емкостных ЖК датчиков температуры НЖК с определенным сочетанием характеристик: высокой крутизной зависимости Де(Т); большим значением Де; широким температурным интервалом мезофазы. Для примера, рассмотрим установку на базе платы аналогового входа-выхода DAC-NI PCI-6281, National Instruments, США. На рис. 1 показана электрическая схема ячейки. Ячейки состоят из двух стеклянных подложек с зазором 20 мкм (рис.2). Недостаток термодатчика -склонность ЖК изменять ориентационное распределение директора при внешних полях (магнитном и электрическом), вибрациях.

1-1» 1

ш |-* оит сз

1 г г

Рис.1. Электрическая схема комбинированной ЖК ячейки.

ОЁластьс вертикально^ □риен-эцией .КК

Прсвр энный

ЭЛ Е К.-р ЕД ГТ рС

Кре н и и □ р гэн ич вон пс-крь тие длч вертикальней ориен_ацииЖК

Бл агт ь с планарн^и □ р и е нт эци в й ЖК.

рЕБрэчнь и лектрод гтс-лб!^

Фито-с-р и е нт и руюц ее

□к рыти е дл ч пл эн эр н о-й ориентации .-НН

■СлойЖК.

Пвдложка

Рис.2. Конструкция комбинированной ЖК ячейки.

Ограничения, накладываемые на эксперимент, обусловлены тем, что ЖК не должен успеть переориентироваться настолько существенным образом, чтобы это повлияло на его диэлектрические свойства. Пороговое напряжение

переориентирования Vth=2л(Kll/eoДe)1/2, где ео -диэлектрическая постоянная, К11 - коэффициент упругости. Средняя величина подаваемого напряжения должна быть меньше порогового. На ячейку подается короткий сигнал с постоянным напряжением (то есть прямоугольной формы). Продолжительность сигнала т должна быть достаточна для зарядки ЖК ячейки-конденсатора. Однако, во избежание изменения ориентации ЖК, сигнал короче 1 мс. Время заряда ЖК ячейки-конденсатора t=RC, где С=10 нФ - емкость, R<1 кОм - сопротивление электродов. Следовательно, должен подаваться электрически симметричный

прямоугольный сигнал с т = 100 мкс. Обозначим Ущ - амплитуда входного сигнала, Уоит - выходного. Емкости конденсаторов определяются

диэлектрическими свойствами ЖК. С2 и С3 зависят от е||, С1 и С4 зависят от е^, зависимость диэлектрических свойств и, соответственно, отклика ЖК ячеек Аи от температуры представлена в [1, 5, 6].

Vоит

-V,

£п + £,

ш

, (1)

С = С =

4

^0 ^

С 2 С3

а , (2) 8„8п £

а

(3)

При нагревании ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ)

на основе БС-геля, структуры из ориентированных кристаллитов, выше температуры плавления 8ОЦБ (55°С), переходят в ЖК-фазу, что перспективно для задания диэлектрических свойств ячеек ЖК, корректируя их ориентационное распределение директора ЖК прилагаемым полем [10]. Резкое охлаждение ниже температуры плавления приводит к кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктур. Для перехода между режимами, необходимо конструктивно предусмотреть возможности нагрева и охлаждения.

Таким образом, появляется возможность не ограничиваться, как показано выше, временем и напряжением импульса менее порога переориентации, что выгодно для использования в ряде систем считывания сигнала с термодатчика, подверженных шумам (наводкам) в протяженных кабелях, проведенных к пространственно распределенным термодатчикам. Также и диэлектрические свойства могут быть оптимизированы к поддиапазону температуры, актуальному в текущий момент, с целью повысить крутизну зависимости возвращаемого датчиком сигнала от температуры, то есть точность измерения. Также следует отметить резкое повышение допустимого уровня внешних полей и вибраций без снижения точности датчика.

Выводы

Разработана основанная на ориентированных ЖК-композитах 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля конструкция, позволяющая управлять диэлектрическими свойствами ЖК ячеек, в том числе в составе датчика температуры. Предложенный термодатчик значительно устойчивее к внешним полям, вибрациям, может адаптироваться к заданному поддиапазону температур и измерять в нем с повышенной точностью. Материалы на базе исследованных ЖК-композитов могут быть использованы в измерительной и дисплейной технике и оптоэлектронике.

Список литературы

1. Соломатин А.С. Влияние пространственного ориентационного распределения директора жидкого кристалла на диэлектрические свойства ячейки ЖК / А.С. Соломатин, В.В.Беляев, Д.О.Рыбаков // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2016. -№3. - С.96 - 110. Б01: 10.18384 / 2310-7251-2016-3-96110.

2. Соломатин А.С. Особенности формирования микроструктуры и оптические свойства жидкокристаллических композитных твист-ячеек / А.С. Соломатин, В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - №2. - С.53 - 63. DOI: 10.18384/2310-7251 -2017-2-53-63

3. Мащенко В.И. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана / В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, А.С. Соломатин, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.34 - 45.

4. Мащенко В.И. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе / В.И. Мащенко, А.С. Соломатин, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. DOI: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107

5. Муравский Ан.Ал. Жидкокристаллический емкостной датчик температуры / Ан.Ал. Муравский, Ал.Ан. Муравский, В.В. Беляев, Д.О. Рыбаков, В.Г. Мазаева, А.С. Соломатин, Д.Н. Чаусов, В.М. Шошин, Ю.П. Бобылев // Вестник МГОУ. Серия Физика-Математика. - 2014. - №1. - С.40-47.

6. Belyaev V. Dielectric properties of liquid crystals for display and sensor applications / V. Belyaev, D.Chausov, A.Kurilov, D.Rybakov, A. Solomatin, A. Murauski, A. Murauski, V.Chigrinov // Journal of the Society for Information Display. - 2015. - V.23. - I.9. -P. 403 - 409. DOI: 10.1002 / jsid.352

7. Гребенкин М.Ф., Иващенко А.В. Жидкокристаллические материалы. M.: Химия, 1989. 288 с.

8. Maier W., Meier G. Eine einfache Theorie der dielektrischen Eigenschaften homogen orientierter kristallinglüssiger Phasen des nematischen Typs / G. Meier, W. Maier // Z. Naturforsch. - 1961. №16a. -P.262.

9. Maier W., Meier G. Hauptdielektrizitatskonstanten der kristallinglüssiger Phasen des nematischen Typs / G. Meier, W. Maier // Z. Naturforsch. - 1961. №16a. -P.470.

10. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.