Светоклапанные системы на жидкокристаллических структурах

УДК 621.383:541.1

С.А. Курчаткин, В.П. Севостьянов, Т.В. Холкина СВЕТОКЛАПАННЫЕ СИСТЕМЫ НА ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ

На основе технологии плазмохимической модификации полиимидных ориентирующих пленок экспериментально разработаны методы создания быстродействующих модуляторов и оптических затворов на гомеопланарной структуре

нематического жидкого кристалла с быстродействием, в 2-2,5 раза превышающим аналогичные для индикаторов на твист-эффекте.

Жидкие кристаллы, оптический затвор, оптический отклик, поляризация

S.P. Kurchatkin, V.P. Sevostyanov, T.V. Cholkina LIGHT VALVE SYSTEMS IN LIQUID-CRYSTALLINE STRUCTURES

On the basis of plasmachemical treatment of aligning polyimide films new technologies have been developed to manufacture high-speed optical modulators and shutters on homeopla-nar structure of nematic liquid crystals. The resulting shutter cycle of the developed devices on the nematic liquid crystals is 2 - 2.5 smaller than the twist-effect based displays.

LC, light shutter, optical response, polarization

Особенности применения жидкокристаллических (ЖК) модуляторов в системах защиты зрения определяются спецификой проведения высокотемпературных процессов, требующих визуального контроля, и появлением требований новых европейских стандартов на светофильтры с изменяемым уровнем оптического пропускания. В работе представлены результаты сравнительного исследования [1, 2] характеристик быстродействия и оптической плотности реальных модуляторов, использующих электрооптические эффекты в твист- (TN), супертвист- (STN) и гомеопланарной (HP) структуры нематического жидкого кристалла в зависимости от режимов управления и температуры.

Эргономика модуляторов для систем защиты зрения определяется временем включения, уровнем оптической плотности и температурным диапазоном, в котором эти параметры могут оставаться приемлемыми для практического использования. Кроме того, стандарты на такие системы [3, 4] весьма жестко регламентируют допустимый уровень пропускания в УФ- и ИК-диапазоне, а исполнение в виде устройств с автономным источником питания накладывает определенные условия на уровни управляющих напряжений и токи потребления. Современные жидкокристаллические смеси дают возможность реализовать такие модуляторы в рамках различных электрооптических эффектов в нематических и смектических фазах [5, 6], однако технические решения здесь неравноценны по требуемым параметрам.

Естественным препятствием при попытке создания работоспособного в широком температурном диапазоне модулятора является зависимость вращательной вязкости ЖК от температуры, которая в упрощенном виде может быть представлена как

gi ~ T1/2S2 exp

где S - степень упорядоченности, e - диэлектрическая проницаемость ЖК. Параметр g1 входит, в свою очередь, в выражение для времени оптического отклика как для нематических, так и для смектических С* ЖК.

Очевидно, что в случае больших деформаций, включая твист-структуры, соотношения такого типа не выполняются. Кроме того, реальные модуляторы функционируют в режиме насыщения вольт-контрастных характеристик, при которых рабочее напряжение существенно больше порогового. В такой ситуации величины упругих моментов пренебрежимо малы по сравнению с диэлектрическими и вязкостными моментами и предыдущее уравнение заменяется на уравнение

tr = gid2/ DeU2 ,

где U - напряжение, и упругие свойства кристалла отходят на второй план.

Для линейных по полю электрооптических эффектов

tr = gi/

где gr - вращательная вязкость, Р - спонтанная поляризация.

Вращающий момент, определяемый произведением Ps.E, более чем на порядок превышает типичное значение (АеЕ2), что наряду с малыми диссипативными потерями в ориентационном переходе, характерном для смектика С*, позволяет получать времена оптического отклика на уровне десятков и единиц микросекунд.

Экспериментальная часть

При создании образцов модуляторов в качестве широкотемпературной, маловязкой ЖК-композиции был взят мезоморфный материал со следующими параметрами: оптическая анизотропия

Лп=0,13; диэлектрическая анизотропия Ає=6,8; вязкость (при Т=20оС) Уі= 21 сП; температурный диапазон мезофазы минус 30 до +74оС.

Экспериментальные образцы модуляторов с диагональю 11 см собирались по техническим решениям, принятым в разработках и производстве ЖКИ (ФГУП «НИИ «Волга», сотрудникам которого авторы выражаю благодарность за помощь в получении экспериментальных образцов). Гомеотропное состояние ЖК реализовывалась методом плазмохимической модификации поверхности полиимидных (Полиамид 6) ориентантов. Величина межэлектродного промежутка в ячейках для всех используемых структур -ТК, 8ТК и НР задавалась одинаковой, близкой к условию первого интерференционного минимума для ТК-структур и данного типа ЖК. Образцы модуляторов помещались между пленочными поляризаторами №Б-1229 БИ производства фирмы Нитто (Япония). Для ТК и 8ТК ориентация поляризаторов соответствовала волноводному режиму распространения света в ЖК-структуре, для НР - интерференционному. Во всех случаях входной и выходной поляризаторы были скрещены между собой.

На рис. 1 показаны сравнительные вольт-контрастные характеристики модуляторов для трех структур нематика, при подаче управляющего сигнала в виде двухполярного меандра частотой 25 Гц. Однако при оценке светофильтров для систем защиты зрения приняты и более предпочтительные характеристики, такие как оптическая плотность Б и уровень защиты (номер светофильтра) К, связанные между собой соотношением N=1+70/3. При этом целому числу номера светофильтра полагают интервал значений Б0 = ±0.2. Максимальное значение номера светофильтра 16 соответствует, таким образом, оптической плотности Б » 6,3. В координатах (И; Б) параметры модуляторов имеют вид, показанный на рис. 2.

Как следует из рис. 1, 2, для 8ТК и НР структур уровень напряжений 10-12 В еще не определяет область насыщения на кривой Б(И) в отличие от ТК-структуры. Однако область более высоких управляющих напряжений не может рассматриваться в качестве средства увеличения оптической плотности в силу резкого роста вероятности развития электрического пробоя в реальных устройствах с малым межэлектродным промежутком.

На рис. 3, 4 показаны зависимость (от напряжения возбуждения) уровня контраста для ТК-структуры в нижней области температурного диапазона и ее оптическая плотность. Как видно из графика (рис. 3), зависимость К(Т) выражена довольно слабо и позволяет при фиксированном напряжении оставаться в данном уровне защиты (номере светофильтра) при изменении температуры от минус 20 до 15 оС.

Для получения больших уровней защиты используют последовательное расположение нескольких ЖК-ячеек. В этом случае можно использовать прямое умножение контрастных отношений для каждого оптического элемента. Во всяком случае, при последовательном расположении двух модуляторов предпочтительно оснащать каждый из них своей парой поляризаторов. Зависимость вида Б(И для такой склейки ТК-модулятора показана на рис. 4. Здесь исходная оптическая плотность Б = 1,35 определяется, кроме поляризаторов, еще и наличием интерференционного фильтра с максимумом полосы пропускания в области ^=560-580 нм, который применяется для отражения УФ- и ИК-компонентов излучения при высокотемпературных процессах обработки материалов (например электросварке), а также для формирования благоприятной для зрения полосы пропускания от тела свечения. Как видно из представленного графика (рис. 4), динамический диапазон регулировки пропускания для комбинации из двух ЖК-модуляторов и светофильтра реально укладывается от 2,8 до 6 В. Это соответствует уровням защиты (номерам светофильтров) от 9 до максимального 16, при исходном, равном 4.

Для 8ТК и НР структур оптическая плотность ниже, в случае 8ТК это связано с большей упругостью спирали за счет действия хиральной примеси, а в случае НР - с остаточной фазовой задержкой в 15-25 нм, которую можно компенсировать с помощью пленочных дополнительных элементов в светофильтре.

На рис. 5 представлена зависимость времени оптического отклика ТК и 8ТК-модуляторов от напряжения возбуждающего сигнала. Здесь время отклика соответствует уровню пропускания 0,1 от максимума в открытом состоянии. Как следует из рис. 5, различие во времени включения имеет место в диапазоне напряжений до 10 В, после чего кривые практически совпадают. Ход кривых зависимости ^(И) для более широкого диапазона напряжений показан на рис. 6 для ТК и НР-модуляторов.

Гомеопланарная структура, как видно из рис. 6, имеет существенно лучшее быстродействие при прочих равных условиях. Это определяется минимальными диссипативными потерями при ориентационном переходе, во многом сходном с тем, что имеет место в варианте я-структур. Практически совпадает с ячейками на я-структурах и время переключения, причем для НР-модулятора не требуется подавать в открытом состоянии некоторое напряжение (2,4 В) удерживающее структуру в я-конформации.

1200

800

400

0

1 .

2

- 3 I

О

4 8 12

Напряжение, В Рис. 1. Зависимости контраста от управляющего напряжения для трех типов ЖК-структуры:

1 - ТЫ; 2 - БТЫ; 3 - НР

Й1200

В- 800

400

- 1 2

- МУ 5 *\ 3 4

1 1 1

3 5 7 9

Напряжение, В

Рис. 3. Зависимость контраста ТЫ модулятора от напряжения и температуры: 1 - 6; 2 - 0;

3 - минус 7; 4 - минус 15; 5 - минус 20оС

20

о

и;

5

си

о.

со

10

0

сч

3 7 11

Напряжение, В

Рис. 5. Быстродействие структур ЖК как функция напряжения для двух типов ЖК-структуры: 1 - ТЫ; 2 - БТЫ

0 4 8 12

Напряжение, В Рис. 2. Зависимости оптической плотности от управляющего напряжения для трех типов ЖК-структуры: 1 - ТЫ; 2 - БТЫ; 3 - НР

Рис. 4. Зависимость оптической плотности й от управляющего напряжения сборки из двух ТЫ-модуляторов интерференционного светофильтра

0.1

ш

0,4

0

\1

I

I - —•— 4 і

10

20

30 40

Напряжение, В

Рис. 6. Быстродействие структур ЖК как функция напряжения для двух типов ЖК-структуры: 1 - ТЫ; 2 - НР

При использовании НР-модуляторов для систем защиты зрения существенным является еще одно обстоятельство. Стандартами на электронные светофильтры [3, 4] предусмотрен метод определения времени включения, учитывающий энергетическую экспозицию сетчатки глаза, а именно выражение для времени включения имеет вид

t =

Т =

где 1 = 1 (т = 3т2) - время, за которое пропускание изменяется до уровня (номера светофильтра) на единицу меньшего, чем номинальный, а т - пропускание модулятора в светлом состоянии.

Форма кривой фотоотклика НР-модулятора практически не имеет горизонтального участка -времени задержки в отличие от ТК и БТК структур, что, по сути, увеличивает разрыв по быстродействию между этими типами модулятора в 4-5 раз при прочих равных условиях.

Сопоставление приведенных выше данных позволяет отметить, что интервалы напряжений, необходимые для получения оптимальных значений контраста и минимального времени переключения модулятора, не совпадают. В первом случае это диапазон 3-10 В, а во втором - асимптотическое поведение кривой 1;(Ц) начинается с 20-25 В. Как уже отмечалось, для индикаторных ЖК-ячеек с малым межэлектродным зазором управляющие поля напряженностью свыше 3-4 В/мкм нежелательны, однако известно техническое решение, согласно которому к слою ЖК на короткий промежуток времени может быть без последствий приложено напряжение, по величине большее, чем напряжение электрического пробоя.

Важным параметром для модулятора в системе защиты зрения является температурный диапазон применимости. На рис. 7 показана зависимость времени включения ТК-модулятора при изменении температуры, но при фиксированном напряжении запуска и=25 V (кривая ио=0). Нами были проведены исследования режима управления модулятора, при котором в открытом состоянии на него уже подавался некий уровень знакопеременного напряжения (ио), несколько меньший порогового (рис. 7, кривая и0=0,9 ир). Как видно из рис. 7, такой режим управления дает заметный выигрыш в быстродействии в области отрицательных температур, причем это справедливо для различных типов ЖК-структуры (рис. 8). Такой способ «подогрева» более предпочтителен, чем варианты резистивных подогревателей [7], встроенных непосредственно в ЖК-ячейку или в склейку светофильтра.

03

* 12

ь-

о

о.

со

\ 2

\и 1 1

03

ы

I 4

I-

о

ск

\2

-30 -10 0 10

Температура, °С

Рис. 7. Быстродействие ТЫ-модулятора в области отрицательных температур в зависимости от режима управления:

1 - 11о=0,911р, 2 - Уо=0

-30

-10

0 10 Температура, °С

Рис. 8. Быстродействие модуляторов в области отрицательных температур для двух типов ЖК-структуры: 1 - НР, 2 - ТЫ

Механизм выигрыша в быстродействии можно понять, например, исходя из оптимальных режимов управления р-ячейками, рассмотренных в [8]. Время изменения фазовой задержки на величину р определяется выражением

Тр = и '

где М - показатель эффективности режима управления, характеризующий полевую динамическую восприимчивость ЖК; и* - пороговое напряжение эффекта; ДЦ - полуволновое напряжение, добавление которого к напряжению смещения Цс изменяет фазовую задержку на р.

Максимум М и, соответственно, наименьшее время переключения модулятора наблюдаются при Цс»(1.5-2.0) Ц*. Изменение положения максимума М при Ц^и^, в свою очередь, характеризуется величиной

Ms =

где 81 - нормальная к направлению длинных молекулярных осей компонента диэлектрической проницаемости ЖК.

Целесообразен такой способ управления еще по одной причине. В стандарте на перестраиваемые светофильтры £N-379 разница в номере защиты между светлым исходным состоянием и темным, автоматически включаемым, ограничено числом 9. Исходное пропускание системы из двух ЖК-ячеек и интерференционного светофильтра соответствует 4 уровню защиты, т.е. включаемый уровень не может быть выше 13, хотя временные и контрастные характеристики такого светофильтра позво-46

ляют работать вплоть до 16 уровня. Если в схеме управления зарезервирован режим предварительного возбуждения модулятора, то имеется возможность, кроме отмеченного увеличения быстродействия, выбирать уровень пропускания в открытом состоянии и, тем самым, расширять допустимый диапазон условий наблюдения через данный светофильтр [9].

Заключение

Таким образом, параметры модуляторов на нематических ЖК, использующих ТТС, 8ТК и го-меопланарные структуры НР, позволяют разрабатывать на их основе системы защиты зрения, удовлетворяющие требованиям новых стандартов. При разработке конкретного типа устройства необходим детальный анализ параметров модуляторов для того, чтобы эргономика продукта была оптимальной. Это связано с тем, что лучшие свойства по быстродействию или контрасту принадлежат, вообще говоря, разным электрооптическим эффектам, даже при использовании одной рецептуры ЖК. Заметного улучшения сочетания параметров быстродействия, контраста и температурного диапазона применимости можно достичь, используя рассмотренные в работе режимы управления модуляторами. Это относится к разделению диапазона напряжений для запуска модулятора и для стационарного режима, а также использования полувыбранного открытого состояния для низкотемпературной области применения.

С применением разработанной технологии плазмохимической модификации полиимидной пленки разработаны образцы быстродействующих модуляторов и оптических затворов на гомеопла-нарной структуре нематического ЖК. Показано, что данный тип приборов имеет существенно лучшую эргономику в части характеристик быстродействия, в 2-2,5 раза превышающих аналогичные для твист-индикаторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Курчаткин С.П. Жидкие кристаллы в капиллярных объемах: поверхностные явления и надмолекулярная структура / С.П. Курчаткин, В.П. Севостьянов. Саратов: СЮИ МВД России, 2001. 204 с.

2. Курчаткин С.П. Поверхностные явления и структура термотропных жидких кристаллов в капиллярных объемах: дис. ... д-ра хим. наук / С.П. Курчаткин. Саратов: Сарат. гос. ун-т, 2001.

3. Европейский стандарт E № 379, 1994.

4. Европейский стандарт E № 169, 1992.

5. Васильев А.А. Пространственные модуляторы света / А.А. Васильев, Д. Касасент, И.Н. Компанец, А.В. Парфенов. М.: Радио и связь. 1987. 320 с.

6. Chieu Т.С. High-Resolution and High-Speed Ferroelectric Liquid Crystal Shutter Array Print Head / Т.С. Chieu, J.A. Sanford // IEEE. Trans. Electron. Dev., 1991. V. 36. №. 6. P.1316-1317.

7. Sorokin V.M. Liquid Crystal Light Valves for Eye Protection / V.M. Sorokin, A.G. Smirnov // Proceedings 5th Inter. Symposium on Inf. Displays. Minsk, 1996. P. 182-185.

8. Повышение быстродействия жидкокристаллических модуляторов / В.В. Беляев и др // Письма в ЖТФ. 1980. № 14. С. 845-847.

9. Aristov V.L. Investigation of Liquid Crystal Shutter Electrooptics for Eye Protection Systems / V.L. Aris-tov, S.P. Kurchatkin, V.P. Sevostyanov // Photonics and Optoelectronics, 1997. V. 4, №. 4. P. 37-44.

Курчаткин Сергей Петрович -

доктор химических наук, профессор кафедры «Общая и неорганическая химия» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского

Севостьянов Владимир Петрович -

доктор технических наук, профессор, заместитель директора ООО НІ III «ВЕНД»

Холкина Татьяна Владимировна -

кандидат химических наук, доцент кафедры «Общая химия» Саратовского государственного аграрного университета имени Н.И. Вавилова

Sergei P. Kurchatkin -

Dr. Sc., Professor

Department of General and Inorganic Chemistry Chernischevsky Saratov State University

Vladimir P. Sevostyanov -

Dr. Sc., Professor

Deputy Director LLC Refinery «VEND», Saratov

Tatiana V. Kholkkina -

PhD, Associate Professor

Department of General Chemistry

N.I. Vavilov Saratov State Agrarian University

Статья поступила в редакцию 17.08.13, принята к опубликованию 15.09.13