CC BY
8
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫДЛЯ ОПАЛОВЫХ СТЕКОЛ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор, e-mail: Sotrudnica_UNC@mail.ru
Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент
Кафедра 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 факультета Инженерная Академия Российского Университета Дружбы Народов
Для опаловых стекол разработанына основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей светофильтрующие многоцветные оптические элементы. Предложены оригинальные (с регулируемой заметностью на фоне) анизотропные оптические конструкции. Показана их актуальность в качестве элементной базысредств маскировки от оптико-электронных средств. Предложены рекламно-информационные средства и осветительное оборудование с их использованием.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, опалесценция, светофильтры, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITES FOR OPAL GLASSES
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
Light-filtering multicolored optical elements have been developed for opal glasses based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels. Original (with adjustable visibility on the background) anisotropic optical structures are proposed. Their relevance as an element base of masking means from optoelectronic means is shown. Advertising and information tools and lighting equipment with their use are offered.
Keywords: optical anisotropy, opalescence, light filters, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Прозрачные среды с рассеивающими (преломляющими) заданные спектральные диапазоны пространственно дискретно
распределенными включениями (областями, доменами, частицами) актуальны в различных по назначению покрытиях, в том числе стремящихся быть малозаметными на фоне, то есть демонстрировать заданное сочетание
светорассеивающих свойств для широкой совокупности спектральных диапазонов (возможно, как оптического, так и инфракрасного).
В настоящее время интенсивно развиваются средства визуального отображения информации, в том числе светорассеивающие - проекционные экраны, дисплеи, работающие при естественном освещении. В их конструкции также могут быть применены предлагаемые в данной работе сочетания светорассеивающих и управляемо
светофильтрующих материалов.
В данной работе, являющейся продолжением [13], предлагается перенастраиваемое в дискретные
моменты времени покрытие с заданным светорассеиванием на основе постоянной составляющей - опалового стекла и регулируемой составляющей - жидкокристаллических (ЖК) композитов.
Рассеивание и пропускание света прозрачной средой с дискретными включениями
Для придания прозрачной среде светорассеивающих свойств (глушение стекла) в среде присутствуют частицы красителя (так называемого глушителя), показатель преломления которых отличается от основной среды (стекла). Светорассеяние определяется комплексом их характеристик и в том числе размерами.
Включения до 10 тц не заметны. Превышающие 10 тц частицы приводят к рассеиванию света (конус Тиндаля), при этом визуально стекло кажется прозрачным. Неоднородности размером близким к 100 тц приводят к опалесценции - заметному, хотя и слабому, помутнению стекла, считающемуся признаком глушения, и придают стеклу анизотропные спектрально-светорассеивающие
свойства: стекло желтое на просвет и синее в рассеянном на большие углы свете (при боковом освещении), по закону Рэлея рассеивая свет различных длин волн неодинаково на малых частицах. Такие стекла - опаловые, при малой толщине опаловость стекла не заметна. Спектрально анизотропные светорассеивающие свойства зависят от спектра поглощения материала частиц, так, например, при добавлении в опаловое стекло ~0,001%закиси кобальта усиливается интенсивность рассеянного вбок синего света, а также более спектрально равномерно пропускание (не желтый прошедший свет).
При размерах включений в стекле 100-200 тц рассеяние света вполне отчетливое и усиливается с ростом размеров частиц вплоть до 0,1 мм. Количество частиц в сильно заглушенных (молочного цвета) стеклах достигает 100 000 частиц на кубический миллиметр. С ростом степени рассеяния, сокращается количество света, достигающее окрашенной (светофильтрующей) подложки и затем проходящего еще раз через стекло, рассеиваясь уже как совокупность цветов дискретного спектра подложки. Таким образом, для соответствия фону обеспечивается как рассеивание падающего света (имитация рассеивающей с заданными характеристиками пыли на естественной поверхности), так и полосовой (дискретный) спектр рассеянного подложкой света, рассеивающийся еще раз (имитация растительности, минеральных разноцветных поверхностей под слоем пыли).
Работа[1] посвящена синтезу и исследованию новых составов опаловых стекол.
Светофильтры
На основе нематических жидких кристаллов (ЖК) и ЖК-композитов в данной работе, являющейся продолжением [1-3], в качестве светофильтрующей подложки под прозрачным (опалесцирующим) стеклом - между стеклом и металлической поверхностью, на которой укреплены все оптически прозрачные слои - предложены регулируемые приложением электрического поля [4,5] оптические элементы.
Светофильтрующие свойства рассмотрены для слоя (ячейки) нематического ЖК с планарной ориентацией в скрещенных поляризаторе и анализаторе, при плоскости ориентации директора ЖК на 45° к поляризатору, с показателем преломления обыкновенным no=1.5 и показателем преломления необыкновенным ne=1.65, в сравнении с цветами RGB. Красный в RGB имеет длину волны Х=650 нм, зеленый имеет длину волны Х=530 нм, синий имеет длину волны Х=460 нм.
В скрещенных поляроидах. Как показано на рис.1, ячейка с толщиной слоя ЖК L=19.7 мкм обеспечивает распределение пропускания от длины волны, соответствующее светофильтру на три RGB цвета. Светофильтр имеет максимумы пропускания на 657 нм (красный), на 537 нм (зеленый), на 454 нм (синий).
В параллельных поляроидах. Как показано на рис.2, ячейка с толщиной слоя ЖК L=21.45 мкм обеспечивает распределение пропускания от длины волны, соответствующее светофильтру на три RGB цвета. Светофильтр имеет максимумы пропускания на 643 нм (красный), на 537 нм (зеленый), на 460 нм (синий).
420 460 500 540 580 620 660)., ни
420 460 500 540 580 620 660^нм
Рис.1. Распределение интенсивности пропускания нормально падающего луча света от длины волны.
Скрещенные поляроиды. Толщина слоя ЖК 19,7 мкм.
Рис.2. Распределение интенсивности пропускания нормально падающего луча света от длины волны.
Параллельные поляроиды. Толщина слоя ЖК 21,45 мкм.
Можно обеспечить приложенным полем [4] приведение слоя ЖК в ориентационную конфигурацию, оптически эквивалентную, как видно из вышеприведенных примеров, произвольно заданному набору цветовых (спектральных) характеристик, и в том числе, заданной заранее комбинации интенсивностей RGB цветов, то есть так, как это делается в дисплейной технике. Регулирование оптических свойств К долговременному фиксированию полученных микроструктур- кристаллизации ЖК, с размерами от долей до десятков микрон, приводит резкое охлаждение ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля[2,3]ниже температуры плавления.
Электрическим полем могут быть
переориентированы [4] под другое светофильтрующее состояние при нагревании композитов (требует включения соответствующих элементов в конструкцию) выше температуры плавления 8ОЦБ (выше 55°С). Светофильтры аналогично могут быть перерегулированы под другой набор полос пропускания (перекрашены в другой цвет).
Как вариант, можно под прозрачным стеклом располагать слой ПДЖК (полимерно-дисперсные ЖК) [5] с соответствующими размерами (см. выше про опаловые стекла и структуры в них) ЖК структур, и тогда можно управлять их светорассеивающими свойствами, а уже под слоем с
ПДЖК располагать слой с управляемыми (перенастраиваемыми) светофильтрами на основе ЖК-композитов. Кроме того, упомянутые выше новые ЖК-композиты как раз и есть аналог ПДЖК, дискретно перенастраиваемый и в настроенном состоянии энергонезависимый, как и светофильтры на их основе.
Таким образом, возможно приводить окраску поверхности (например, летательного аппарата на малой высоте - на фоне поверхности) в максимальное соответствие характерным цветам и геометрическим формам цветных пятен на фоновой поверхности в режиме постоянной малозаметности для оптико-электронных систем. Под конкретные (явно преобладающие) оптические свойства фона подбирается оптимальное сочетание частично прозрачного (опалового) стекла с
предопределенными характеристиками и
управляемого цветного (светофильтрующего) слоя под ним.
В сочетании с бортовой видеосистемой, анализирующей естественный фон, можно обеспечить, чтобы под несколькими разными углами обзора определенный участок поверхности сливался с фоном на каждом из направлений обзора (казался как бы прозрачным).
Можно применять перекрашиваемые таким образом элементы (крупные пиксели) для больших рекламных экранов, в том числе таких, на которых под разными углами обзора видно разное содержание (информация). Функционируют в рассеянном (солнечном) свете, а ночью можно подсвечивать их извне. Время смены информации составляет порядка нескольких секунд. Также может быть востребовано в осветительной технике для специальных светотехнических режимов.
Кроме того, можно использовать такого рода сочетания верхнего светорассеивающего и нижнего управляемо светофильтрующего
(перекрашивающегося) слоя в уличных экранах, отображающих визуальную информацию при естественном свете (ночью просто освещать их).
Сами по себе светорассеивающие слои перспективны для проекционных экранов, эксплуатируемых как в помещениях, так и на улице, в том числе, как при естественном свете, так и при искусственном освещении, а также в рекламных элементах и вывесках, выгодно обыгрывающих, например, освещение фарами проезжающих автомобилей.
Выводы
Разработаны светофильтрующие элементы, основанные на ориентированных ЖК-композитах4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля,в сочетании с опаловым стеклом с предопределенными характеристиками (или в сочетании с ПДЖК) позволяющие управлять анизотропными светорассеивающими свойствами поверхностного покрытия.
Предложены возможные варианты
использования новых материалов с управляемым анизотропным светорассеиванием в
цветомаскирующих покрытиях, рекламно-информационных экранах, осветительном
оборудовании.
Отмечены значительные перспективы
применения предложенных в данной работе двухслойных анизотропных спектрально
светорассеивающих систем в средствах отображения визуальной информации различного назначения.
Материалы на базе опаловых стекол и исследованных ЖК-композитов могут быть использованы в проекционной и дисплейной технике, оптоэлектронике.
Список литературы
1. Царева Е.В. Ювелирные эмали для благородных металлов: дис. канд. техн. наук. - М, 2012. - С. 62-63.
2. 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.
3. 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
4. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
5. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
