Электрооптический отклик пленок капсулированного полимером нематика с коническими граничными условиями

Введение. Пленки капсулированного полимером жидкого кристалла (КПЖК) состоят из капель жидкого кристалла, диспергированного в полимерную матрицу [1; 2]. В последнее время большое внимание уделяется ЖК композитам в связи с их широкими возможностями применения в электрооптических устройствах, таких как умные окна, оптические датчики, гибкие устройства отображения информации и пр. [3; 4]. Разрабатываются новые композитные материалы с улучшенными оптическими характеристиками и уменьшенными управляющими напряжениями [5; 6]. Оптические свойства таких материалов зависят от исходной конфигурации директора (единичного вектора, ориентированного вдоль длинных осей молекул жидкого кристалла), формирующейся в каплях, изменяя которую воздействием внешних факторов (однонаправленным растяжением пленки [7–9], изменением температуры [10], приложением электрического поля [3]) можно управлять светопропусканием всей пленки. Так, в исходном состоянии градиент показателей преломления между полимерной матрицей n _p и необыкновенным показателем преломления жидкого кристалла n e приводит к интенсивному светорассеянию падающего света. При включении электрического поля, направленного перпендикулярно плоскости образца, директор ЖК ориентируется вдоль поля и пленка переходит в прозрачное состояние при условии, что показатель преломления полимера n _p равен обыкновенному показателю преломления ЖК n _o.

На сегодняшний день хорошо изучен электрооптический отклик КПЖК пленок, в которых на межфазной границе директор ориентирован перпендикулярно (гомеотропные граничные условия) [11] и параллельно [12; 13] (тангенциальные граничные условия) поверхности капли. Напряжения, требуемые для переключения КПЖК пленок с такими граничными условиями в прозрачное состояние, на сегодняшний день составляют десятки и сотни вольт, что заметно больше значений, требуемых для современных ЖК устройств. Улучшить электрооптические характеристики ЖК композитов можно различными способами, например при добавлении в ЖК дихроичного красителя (эффект гость – хозяин) увеличивается контрастное отношение образцов, при этом управляющие поля не меняются [11]. В работе [5; 6] введение в ЖК хиральной добавки и фотосшиваемого полимера позволило уменьшить управляющие поля.

В КПЖК пленках, в которых для нематика задаются конические граничные условия (директор на межфазной границе капель ориентирован под углом 40º к нормали к поверхности)

формируется аксиал-биполярная конфигурация директора [14]. Капли с такой конфигурацией под действием электрического поля стремятся сориентироваться осью симметрии вдоль приложенного поля, а процесс переориентации оси симметрии носит пороговый характер. При этом величина порогового поля в несколько раз меньше порогового поля, необходимого для переориентации аналогичных капель с биполярной ориентационной структурой, которая формируется при тангенциальных граничных условиях [15]. Однако макроскопические оптические свойства КПЖК пленок с коническими граничными условиями и их изменение при воздействии электрического поля на сегодняшний день практически не исследованы.

В данной работе исследован электрооптический отклик КПЖК пленок с каплями нематика, имеющими аксиал-биполярную ориентационную структуру поля директора, в случае, когда электрическое поле приложено перпендикулярно плоскости пленки.

Материалы и методы. Были изучены КПЖК пленки на основе нематической смеси ЛН-396 (Белорусский государственный технологический университет), диспергированной в полимерную матрицу, в качестве которой использовался полиизобутилметакрилат (ПиБМА) (Sigma). Образцы были изготовлены по смешанной технологии SIPS и TIPS [2; 16] с весовым соотношением ЛН – 396 : ПиБМА = 60 : 40. На первом этапе гомогенная смесь нематика / полимера / этилацетата наносилась на стеклянную подложку, покрытую ITO электродом и высушивалась до полного удаления растворителя этилацетата. В результате происходило фазовое разделение и формирование композитной КПЖК пленки. Далее на части подложки, не покрытой композитной пленкой, располагались тефлоновые спейсеры. Для получения образцов с различной толщиной КПЖК пленки использовались спейсеры толщиной 5, 10, 20 или 30 мкм. Композитная пленка и тефлоновые спейсеры накрывались второй стеклянной пластиной с прозрачным ITO электродом, и полученная ячейка помещалась под пресс, нагревалась до 70 °С и выдерживалась при этой температуре в течение 30 мин. После нагревания вышеописанная ячейка извлекались из пресса и охлаждались до комнатной температуры в течение 1 мин.

Исследование электрооптического отклика проводилось на типовой установке. Луч от He-Ne лазера (Linos) с длиной волны λ = 632,8 нм использовался в качестве источника излучения. Коэффициент пропускания КПЖК пленок измерялся с помощью кремниевого фотодетектора PDA100A-EC (Thorlabs). Сигнал с фотодетектора регистрировался цифровым мультиметром 34465A (KEYSIGHT Technologies). Рассеянное на образцах излучение задерживалось диафрагмой с угловым размером 50 мин., что позволяло регистрировать только прямо проходящий свет. На КПЖК ячейку подавалось переменное напряжение с частотой 1 кГц от генератора сигналов Г3-123. Морфология образцов и оптические текстуры капель нематика исследовались с помощью поляризационного оптического микроскопа (POM) AxioImager.M1m (CarlZeiss). Для микроскопических исследований процесса отклика капель на электрическое поле был изготовлен образец с толщиной спейсеров 30 мкм и средним размером капель 7,2 мкм. Для этого на заключительной стадии процесса изготовления образец охлаждался до комнатной температуры в течение 60 мин.

Электрооптический отклик КПЖК пленок. На рис. 1 показаны фотографии участка образца композитной пленки с каплями ЖК, имеющими средний размер 7,2 мкм. В исходном состоянии биполярные оси капель во всем объеме пленки ориентированы хаотично, что способствует интенсивному рассеянию падающего на них излучения (рис. 1, a). Образец изучался в неполяризованном свете, при этом видно, что различные отдельные капли по-разному рассеивают свет. Данный эффект связан с различной ориентацией осей симметрии структуры капель относительно нормали к плоскости пленки (направлению наблюдения) [14]. Соответственно, минимальное рассеяние будет наблюдаться на каплях, у которых биполярная ось параллельна оси наблюдения, и наоборот, максимально рассеивать свет будут капли с осью симметрии, лежащей в плоскости образца. Характер отклика капель напрямую зависит от ориентации биполярной оси по отношению к прикладываемому полю, которое параллельно направлению наблюдения. Если угол между полем и осью капли отличен от 90°, то процесс отклика является практически безпороговым и уже при малых полях происходит переориентация биполярной оси (рис. 1, b). При этом чем больше приложенное напряжение, тем сильнее капли ориентируются по полю (рис. 1, c). И, наоборот, при ортогональной ориентации биполярной оси капли по отношению к прикладываемому полю, процесс переориентации носит пороговый характер, при этом начало процесса переориентации происходит при напряжениях, вызывающих практически полную переориентацию капель с исходно неортогональной ориентацией оси симметрии (рис. 1, d).

При изготовлении ячеек для электрооптических исследований скорость охлаждения образцов была выше, что способствовало уменьшению среднего размера капель до значения 2,1 мкм. При этом исходное распределение ориентации биполярных осей капель в образцах было аналогично описанному выше и показанному на рис. 1. Как следствие, описанный процесс отклика на электрическое поле ансамбля капель ЖК проявляется и в электрооптическом отклике исследуемых образцов.

Рис. 1. Фотографии КПЖК пленки, сделанные при приложении электрического напряжения U = 0 В ( a ), 5 В ( b ), 7 В ( c ), 10 В ( d )

Fig. 1. Photos of the PDLC film taken at the applied voltage U = 0 V ( a ), 5 V ( b ), 7 V ( c ), 10 V ( d )

Описанный выше характер отклика на электрическое поле ансамбля капель ЖК проявляется соответствующим образом и в макроскопическом электрооптическом отклике исследуемых образцов. На рис. 2, a представлены зависимости светопропускания T образцов от величины приложенного напряжения U. Светопропускание Т определялось как отношение интенсивности I света, прошедшего через образец, к интенсивности I0 падающего излучения: Т = (I / I0). Из зависимостей видно, что изменение светопропускания при приложении напряжения практически безпороговое. При воздействии относительно малых напряжений происходит незначительное увеличение светопропускания, затем происходит резкое возрастание коэффициента T с ростом U, после чего процесс изменения замедляется и выходит на насыщение. Так, уровень пропускания 10 % от максимального значения коэффициента Tmax достигается при напряжениях U10 = 1,8 В для образца с толщиной спейсеров 5 мкм, а в 30 мкм образце U10 = 8,0 В. Видно, что с увеличением толщины образца d напряжение U10 возрастает (рис. 2, b), при этом для образцов толщиной от 10 до 30 мкм наблюдается практически линейная зависимость U10(d).

Для всех исследуемых образцов характерным являются низкие значения напряжения, при котором достигается максимальное светопропускание (рис. 2). Так, уровень пропускания 90 % от T max достигается при напряжениях U 90 = 4,8 В для образца с толщиной спейсеров 5 мкм, а в 30 мкм образце U 90 = 12,0 В. При этом с ростом толщины образцов d происходит увеличение напряжения U 90 , однако величина отношения U 90 / d монотонно уменьшается с ростом d . Исследуемые образцы характеризуются высоким значением максимального коэффициента пропускания. Так, T max = 91 % для образца толщиной 5 мкм, и T max = 84 % при толщине спейсеров 30 мкм. Это позволяет добиваться значительной величины контрастного отношения CR = Т max / Т min ( Т min – коэффициент пропускания образца в исходном состоянии), которое достигает значения 5078 для 30 мкм образца (рис. 2, b ). Уменьшение значения CR с уменьшением d обусловлено тем, что в более тонких образцах в исходном состоянии образцы рассеивают свет менее интенсивно, что проявляется в большем значении коэффициента T min . Так, для КПЖК пленки толщиной 5 мкм T min = 17,4 % и T min = 0,015 % для пленки с d = 30 мкм.

Рис. 2. Зависимость светопропускания T от приложенного напряжения U ( a ); напряжение при T = 10 % ( U 10 ), напряжение при T = 90 % ( U 90 ) и коэффициент контрастности ( CR ) для КПЖК пленок толщиной d = 5, 10, 20 и 30 мкм ( b )

Fig. 2. Dependences of light transmittance T on applied voltage U ( a ); the voltage at T = 10 % ( U ₁₀), the voltage at T = 90 % ( U ₉₀), and contrast ratio ( CR ) of PDLC films with a thickness of d = 5, 10, 20 and 30 μm ( b )

Для анализа светопропускания образцов используют экспоненциальную зависимость коэффициента пропускания T = exp(– N σ d ) от толщины d рассеивающей среды. Здесь N – плотность расположения капель ЖК; σ – эффективное сечение рассеяния отдельной капли, зависящее от соотношения необыкновенного показателя преломления ЖК n e и полимера n p , радиуса капель и длины волны света [16]. На рис. 3 показаны зависимости T min и T max от толщины образцов. Видно, что для КПЖК пленок толщиной спейсеров d от 5 до 20 мкм наблюдается близкая к линейной зависимость log( T min ). Отклонение от данной зависимости для более толстого образца можно объяснить существенным вкладом многократного рассеяния на каплях ЖК, что способствует замедлению уменьшения коэффициента пропускания с увеличением толщины рассеивающего слоя. При этом для зависимости log( T max ) наблюдается противоположная тенденция ускоренного уменьшения коэффициента T max с ростом d . Данный эффект, по-видимому, связан со сложной ориентационной структурой капель, рассеивающих излучение. Например, наличие точечных и линейного дефектов, дающих дополнительное рассеяние света внутри капель.

Данное рассеяние слабо проявляется в исходном состоянии, когда преобладает рассеяние света вследствие значительного градиента показателя преломления между полимером и ЖК. При этом в режиме насыщения данный градиент показателя преломления становится незначительным, а дополнительный вклад от рассеяния на дефектах ориентационной структуры внутри капель ЖК способен оказывать значительное влияние на общую картину рассеяния, и, как следствие, на коэффициент пропускания образца T max .

Рис. 3. Зависимости минимальных ( T _min) и максимальных ( T _max) значений светопропускания от толщины КПЖК пленок d

Fig. 3. Dependences of minimal ( T _min) and maximal ( T _max) light transmittance on the sample thickness d

Заключение. В данной работе нами был исследован электрооптический отклик ячеек на основе КПЖК пленок, в которых полимер задает конические граничные условия для нематического жидкого кристалла. Описан процесс переориентации ансамбля капель с аксиал-биполярной конфигурацией директора, показано что в исходном состоянии биполярные оси капель ориентированы случайным образом как в плоскости образца, так и относительно нормали к плоскости ячейки. Как следствие, в процессе отклика исследуемых КПЖК ячеек отсутствует явно выраженный порог, однако при небольших приложенных напряжениях происходят незначительные изменения ориентационной структуры капель нематика и, соответственно, пропускания света. Электрооптический отклик исследовался для образцов КПЖК пленок различной толщины, для которых были измерены зависимости коэффициента пропускания света от величины приложенного напряжения. Для исследованных образцов характерны малые управляющие поля, но одновременно с этим достигаются высокий коэффициент пропускания ячеек во включенном состоянии и большие значения контрастного отношения CR , наблюдаемого в образцах толщиной 20 мкм и более. Для напряжения U 10 характерна практически обратно-пропорциональная зависимость от толщины образца d . Полученные результаты показали, что КПЖК пленки с коническим сцеплением на межфазных границах раздела перспективны для использования в качестве электрооптических материалов с низким управляющим напряжением и высоким контрастным отношением.