Жидкие кристаллы (стр. 2 из 3)

Смешивая жидкие кристаллы, имеющие различные значения De, можно получать смеси, обладающие требуемой диэлектрической анизотропией. При этом в довольно широкой области концентрации выполняется свойство аддитивности:

De= SСiDei,

где Сi - относительная малярная концентрация i- ого компонента. В выпускаемых

промышленностью жидкокристаллических материалах диэлектрическая

анизотропия составляет -4...+20.

Частотные зависимости e½½ и e^ характеризуются различными областями дисперсии. Если e^ имеет область дисперсии, примерно соответствующую дебаевскому времени релаксации изотропной жидкости, то e½½ дисперсии обладает еще и низкочастотной релаксацией, обусловленной заторможенностью вращения вокруг поперечной оси. Различные области дисперсии e½½ и e^ могут приводить к смене знака диэлектрической анизотропии. Так как жидкокристаллические смеси ЖК - 999 и ЖК - 1000 имеют на низких частотах De>0, а на высоких частотах - De<0. Смена знака происходит на частотах порядка нескольких килогерц.

Оптические свойства. На оптических частотах компонент ориентационной поляризации не дает вклада в общую поляризацию. Имеет значение лишь поляризуемость молекул, которая всегда выше в продольном направлении. Поэтому в жидких кристаллах оптическая анизотропия Dn=n½½-n^ положительна. Обычно Dn=0,1...0,3. Исключение составляют жидкие кристаллы на основе алкилциклогексанкарбоновых кислот, для которых характерно малое значение оптической анизотропии: Dn= 0,04...0,08. Оптическая анизотропия Dn имеет большое значение в электрооптических эффектах, так как она определяет фазовую задержку между обыкновенным и необыкновенным лучами в ориентационных электрооптических эффектах, светорассеяние в гидродинамических эффектах, крутизну вольт- контрастных характеристик, индикатрисы пропускания или рассеяния. Смешивая жидкие кристаллы, имеющие различные значения Dn, можно получить материалы с различным Dn.

В ХЖК винтовая структура приводит к некоторым специфическим оптическим эффектам. Важнейшим из них является селективное отражение света некоторой длины волны l0, определяемой шагом спирали d0,

l0= d0n,

где n= (n½½+n^)/2.

Зависимость шага спирали от внешних воздействий позволяет наблюдать это воздействие, что применяется для неразрушающего контроля и регистрации тепловых полей.

Сочетание в жидких кристаллах анизотропных свойств твердого тела и низкой вязкости жидкости приводит к некоторым электрооптическим эффектам, которые широко применяются в устройствах отображения и преобразования информации. Основой конструкции таких устройств является ячейка, представляющая собой две параллельных (обычно стеклянных) пластины, между которыми расположен тонкий слой (5...30 мкм) жидкого кристалла. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды, на которые подается электрическое напряжение.

Важное значение имеет исходная ориентация молекул жидкого кристалла относительно плоскости подложек, задающаяся либо специальной обработкой подложек, либо поверхностно- активными добавками к жидким кристаллам. В НЖК основными являются:

гомогенная (планарная) ориентация, когда длинные оси молекул перпендикулярны плоскости подложек;

твис- ориентация, представляющая собой структуру молекул, длинные оси которых параллельны плоскости подложек и закручены (обычно на угол y=p¤2 рад) вокруг своей оси, перпендикулярной подложкам.

ХЖК в зависимости от состояния поверхности подложек образуют две ориентации или так называемые текстуры:

планарнаю текстуру, когда молекулы холестерика параллельны поверхности подложек (соответственно ось спирали перпендикулярна им);

конфокальную текстуру, когда длинные оси молекул перпендикулярны плоскостям подложек или в более общем случае не параллельны им, а ось спирали меняет направление от точки к точке.

В отличие от прозрачной планарной текстуры конфокальная обладает сильным светорассеянием.

СЖК могут образовывать либо сильно рассеивающую свет конфокальную текстуру, либо прозрачную гомеотропную ориентацию.

III. Вследствие анизотропии диэлектрической проницаемости энергия НЖК в электрическом поле зависит от ориентации молекул относительно направления поля. Если исходное состояние молекул не соответствует минимуму энергии при приложении напряжения, то в достаточно сильном поле произойдет переориентация молекул. Новое равновесное состояние будет зависеть от значения напряженности возмущающего поля и от противодействующего ему момента упругих сил, вызванного ориентирующим воздействием стенок ячейки. Наличие оптической анизотропии в НЖК приводит в результате переориентации к изменению двойного лучепреломления.

В зависимости от исходной ориентации и знака диэлектрической анизотропии можно выделить три ориентационных эффекта в НЖК:

а) Dє > 0, ориентация планарная – эффект управляемого двойного лучепреломления, или S – эффект;

б) Dє > 0, ориентация гомеотропная – деформация вертикально ориентированной фазы, или В – эффект;

в) Dє < 0, твист-ориентация – твист-эффект.

Пороговое напряжение переориентации Un зависит от коэффициентов упругости и диэлектрической анизотропии НЖК:

Un=π

,

где Rii=R ll - для S – эффекта; Rii=Rзз - для В – эффекта; Rii=Rıı+

(Rзз-2R22) - для твист-эффекта.

Времена нарастания и спада деформаций, кроме того, зависят от вязкости НЖК. Для малых деформаций постоянные времени равны

τн=

; τcu= , где – толщина ячейки.

Наблюдение ориентационных эффектов обычно ведут оптическим методом, помещая ячейку между двумя поляроидами (поляризатором и анализатором). В такой системе изменения фазовой задержки между обыкновенным и необыкновенным лучами приводит к изменению интенсивности прошедшего света:

I˜sin

2φsin ,

где j – угол между вектором поляризации падающего света и проекцией «директора» на плоскость подложки; l- длина волны падающего света. Таким образом, интенсивность монохроматического света на выходе из системы будет осциллировать с увеличением напряжения, причем размах осцилляций будет максимальным при j=π/4 πад.

В практическом отношении наиболее важным является твист-эффект. Это обусловлено тем, что здесь можно осуществить такой режим модуляции светового потока, когда интенсивность прошедшего света почти не зависит от длины волны. Для этого вектор поляризации должен быть параллелен «директору» на передней пластине, и в исходном состоянии должно выполняться так называемое условие Могена:

‹‹ Dn ,

где

– шаг спирали.

При этих условиях вектор поляризации света на выходе будет повернут на угол закрутки НЖК, который обычно выбирается равным

рад. В результате интенсивность прошедшего света в системе поляризатор –ячейка – анализатор будет максимальной в скрещенных поляроидах и минимальной – в параллельных поляроидах.

Поворот молекул при приложении поля по мере его увеличения сокращает области и закрученной структурой, так что при некотором напряжении U

n условие Могена перестает выполняться и ячейка теряет оптическую активность: в скрещенных поляроидах интенсивность проходящего света резко падает, а в параллельных – возрастает.

Оптический порог твист-эффекта обычно составляет U

n =1,5…4 В , а время переключения – от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд, причем последнее в значительной мере зависит от температуры.

Полевые эффекты в устройствах отображения информации использует не только в связи с возможностью управления двойным лучепреломлением и вращением плоскости поляризации, но и благодаря способности молекул НЖК ориентировать молекулы примесей, имеющие удлиненную форму. Если в качестве таких молекул использовать анизотропно поглощающие свет молекулы красители, то переориентация НЖК приведет к изменению оптической плотности для света, поляризованного вдоль исходного или конечного положения осциллятора поглощения. При использовании красителей, имеющих в видемой области две полосы поглощения со взаимно перпендикулярными осцилляторами, возможно осуществить переключение цветов. Эти эффекты получили название «гость-хозяин».

Из перечисленных в таб. 26.3 жидкокристалических смесей в ориентационных эффектах могут быть использованы ЖК-614, ЖК-616, ЖК-654, ЖК-807, СЖК-(1…4), ЖК- 805, ЖК-910, ЖК-911, У-3, У-6, имеющие широкий интервал существования мезофазы, низки значения порога и времени переключения . Для устройств на S- и B-эффектах наиболее приемлемы ЖК-805, ЖК-910 и ЖК-911, имеющие низкие значения

n ЖК-999 и ЖК-1000 применяют для двухчастотного управления (комбинация S- эффектов или твист- и В- эффектов), то позволяет электрическим способом управлять порогом и временными характеристиками.