ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА ПРЕДНАКЛОНА И АЗИМУТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА
MEASURING DEVICE FOR DETERMINATION OF PRESET ANGLE AND AZIMUTHAL SURFACE ENERGY OF LIQUID CRYSTAL

Изобретение относится к автоматизированной системе измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках.
Для повышения качества изображения новых жидкокристаллических (ЖК) дисплеев необходимо знать физические свойства ЖК и их зависимость от управляющих воздействий и термодинамических параметров. Измерение этих характеристик с высокой точностью требует разработки новых методик с учетом анизотропии практически всех свойств ЖК. Для объемных свойств ЖК (упругость, вязкость, диэлектрические и оптические параметры и др.) эти методики разработаны [1-2]. Процесс измерения параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя ЖК ячейки является более трудоемким, так как результаты измерений зависят не только от свойств ЖК, но и структуры и метода подготовки ориентирующего слоя. К этим характеристикам можно отнести поверхностное натяжение с полярной и дисперсионной компонентами, энергия сцепления ЖК с подложкой (полярная и азимутальная составляющие), угол преднаклона ЖК на поверхности подложки, поверхностная вязкость [3].
Наиболее важными для практического применения из них являются полярная и азимутальная энергия сцепления ЖК с подложкой (Wθ и W, соответственно) и θ - угол преднаклона ЖК. Их измерение осуществляется рядом способов, описанных в [4-7]. Для измерения угла наклона в [4-6] используется метод поворота ЖК элемента. При этом измеряется средний угол наклона ЖК. В [7] разработаны методы измерения полярной энергии сцепления по изменению емкости ячейки или разности фазовой задержки между необыкновенным и обыкновенным лучами, распространяющимися в ячейке, при значительной деформации слоя ЖК под действием приложенного напряжения. В этих измерениях используются ЖК элементы, в которых деформация директора ЖК (преимущественное направление ориентации ЖК) во всем объеме слоя ЖК происходит в одной плоскости. Это изменение ориентации ЖК внутри ячейки соответствует деформации поперечного или продольного изгиба (splay или S и bend или В соответственно). Методы измерения азимутальной энергии сцепления, основанные на измерении угла поворота поляризации света, проходящего через твист-ячейку, предложены в [7]. Теоретические основы этого метода заложены в [8]. Методы и установки, в которых комбинируется измерение различных перечисленных параметров, описаны в [7].
В [9] показано, что в ячейках с неоднородным распределением директора ЖК и произвольными углами преднаклона наблюдается более сложная связь между величиной разности фазовой задержки и углом преднаклона, чем в однородно ориентированных ячейках. Поэтому измерения, выполняемые по методам [4-7], могут не давать полной информации по углу преднаклона на поверхности ориентирующего слоя. Это существенно при разработке новых ориентирующих ЖК покрытий с углом преднаклона в большом диапазоне, например, на основе кремнийорганических соединений [10].
Поэтому технической проблемой, решаемой заявленным изобретением является разработка системы, обеспечивающей как точность и воспроизводимость результатов измерений, так и их физическую обоснованность. Технологической задачей разработки метода исследований является скорость и простота измерений, что может обеспечиваться автоматизацией управления параметрами измерительного процесса и регистрацией и регистрации результатов измерений. При этом может использоваться комбинация различных методик измерения в одной установке.
Технический результат заключается в ускорении процесса поиска новых материалов для ЖК дисплеев за счет достижения более точного измерения их характеристик с комбинацией разных методик измерения в одной установке.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов, включающего продолговатый корпус, источник питания и шаговый двигатель с блоком управления шаговым двигателем, на корпусе вдоль длинной стороны последовательно установлены крепежи для источника излучения, поляризатора, узла держателей образца исследуемого объекта, анализатора и измерительного устройства, шаговый двигатель соединен с узлом держателей образца исследуемого объекта, представляющего собой узел из двух конических колец с сопряженными боковыми сторонами, каждое из которых включает полость для размещения образца исследуемого объекта и фактурную поверхность боковой стороны, при этом малые основания колец ориентированы перпендикулярно друг другу, одно из которых параллельно длинной стороне корпуса, а другое -перпендикулярно.
В частном случае реализации изобретения держатель конического колеса, поверхность оснований которого перпендикулярна длинной стороне корпуса, закреплено между вертикальных направляющих, установленных на корпусе, с возможностью перемещения вдоль направляющих и регулирования высоты расположения держателя.
В частном случае реализации изобретения, для обеспечения активного охлаждения блока питания могут применять систему охлаждения, которая представляет собой вентилятор (например, от компьютера), подключенный к блоку питания.
В частном случае реализации изобретения, система охлаждения может быть выполнена пассивной в виде накладного радиатора из теплопроводного материала (алюминий, медь, сплавы и т.д.) - теплоотводящего радиатора
В частном случае реализации изобретения, блок управления шаговым двигателем выполнен программируемым.
В частном случае реализации изобретения, фактурная поверхность конического колеса включает радиально ориентированные зубья.
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса представляет собой шероховатую поверхность.
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса включает покрытие, например, полимерное (резина, пластик и пр.)
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса включает насечки.
В частном случае реализации изобретения коническое колесо может быть выполнено разборным для возможности смены рабочей поверхности на одну из поверхностей перечисленных выше, это также повлечет смену целиком конического колеса. Рабочая поверхность съемно закреплена на рабочем колесе, например, посредством резьбовых соединений.
В частном случае реализации изобретения крепление поляризатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона поляризатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.
В частном случае реализации изобретения крепление анализатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона анализатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.
В частном случае реализации изобретения устройство выполнено из стали, и/или сплавов и/или полимеров.
Целью работы является создание автоматизированного комплекса исследований элементов ЖК дисплеев, включая:
1) разработку модели автоматизированной системы измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках;
2) реализацию автоматизированной системы с возможностью внешнего управления параметрами измерения;
3) разработку ПО для управления системой, сбора, преобразования и анализа данных измерений и сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - общий вид устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов при вращении ячейки ЖК вокруг оси, совпадающей с оптической осью.
Фиг. 2 - схема измерения величины поверхностного угла наклона и азимутальной энергии сцепления ЖК с помощью устройства с конфигурацией, приведенной на фиг. 1.
Фиг. 3 - общий вид устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов при вращении ячейки ЖК вокруг оси, перпендикулярной оптической оси.
Фиг. 4 - схема измерения величины поверхностного угла наклона с помощью устройства с конфигурацией, приведенной на фиг. 3.
Фиг. 5 - Блок-схема установки, описывающая последовательность действий при проведении эксперимента.
Для определения величины поверхностного угла наклона используют метод измерения пропускания света в зависимости от угла поворота ЖК ячейки вокруг оси, перпендикулярной к направлению распространения светового пучка. Основы метода разработаны в [1-2].
Установка для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов включает продолговатый корпус 19, импульсный источник питания 20 (GSM-H60S) и шаговый двигатель 18 (FL-42STH) с блоком управления шаговым двигателем 17 (SMSD-1.5K).
На корпусе вдоль длинной стороны последовательно установлены: крепеж 1 для источника излучения 2 (лазер ГН-5П), закрепленный на крепежном основании 22, посредством резьбового зажима 15, поворотный крепеж 4 поляризатора 3 (NPFG-1220DU), узел держателей образца исследуемого объекта 6, поворотный крепеж 9 анализатора 10, поворотный крепеж 11 поляризатора 12 и крепеж измерительного устройства 13, закрепленный на крепежном основании для фотофиксирующем оборудовании 16 посредством резьбового зажима 15.
Шаговый двигатель 18 соединен с узлом держателей образца 6 исследуемого объекта.
Узел держателей образца 6 исследуемого объекта состоит из двух конических колес 7 и 14 с сопряженными боковыми сторонами, каждое из которых включает полость для размещения образца 6 исследуемого объекта и фактурную поверхность боковой стороны, при этом малые основания колец ориентированы перпендикулярно друг другу, одно из которых (7) параллельно длинной стороне корпуса, а другое (14) - перпендикулярно.
Подвижный держатель 9 конического колеса 7, поверхность оснований которого перпендикулярна длинной стороне корпуса, закреплено между вертикальных направляющих 8, установленных на корпусе 19, с возможностью перемещения вдоль направляющих и регулирования высоты расположения держателя, при этом держатель 9 закреплен на колесе 7 через подшипник 10.
Система охлаждения 21 может быть выполнена, например, в виде вентилятора или в виде накладного радиатора из теплопроводного материала.
Блок управления шаговым двигателем выполнен программируемым.
Фактурная поверхность конического колеса включает радиально ориентированные зубья или представляет собой шероховатую поверхность. Поверхность конического колеса может включать покрытие или насечки. Покрытие может быть выполнено из полимерного материла (пластмассы, резины и пр.).
Крепление поляризатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона поляризатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.
Крепление анализатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона анализатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.
Устройство может быть выполнено из стали и/или сплавов и/или полимеров.
Схема измерения с помощью конфигурации установки на фиг. 1 показана на фиг. 2. Схема измерения с помощью конфигурации установки на фиг. 3 показана на Фиг. 4. Ячейка, состоящая из двух стеклянных подложек с ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах подложек, натертыми антипараллельно друг относительно друга, располагается на оси вращения, поверхностью перпендикулярно световому лучу 5, между скрещенными поляризаторами, которые составляют углы с осью вращения по 45°. Ячейка может вращаться вокруг оси 25, параллельной поверхности, перпендикулярной направлениям натирания и луча света 5. Измеряется пропускание света при повороте ячейки на различные углы вокруг этой оси.
Интенсивность света I, прошедшего через систему на фиг. 2 и зарегистрированного фотоприемником, связана с фазовой задержкой δ между необыкновенным и обыкновенным лучами, распространяющимися в ячейке, соотношением:
где I - интенсивность светового пучка, проходящего через оба поляризатора с параллельными осями, с учетом поглощения ячейки,
0
I - максимальная интенсивность света проходящего чрез ячейку.
Фазовая задержка светового луча, прошедшего через ячейку при угле поворота ячейки ψ, может быть представлена как:
где d - толщина слоя ЖК,
λ - длина волны света,
f (α,ψ) - функция угла преднаклона ЖК α и угла поворота ячейки ψ, определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки,
при этом угол преднаклона:
где θ - критический угол полного внутреннего отражения,
Функция f(α,ψ) выражается как:
где а, b, с определяются следующим образом:
1
где n - показатель преломления ЖК для необыкновенного луча,
2
n - показатель преломления ЖК для обыкновенного луча.
Для определения интенсивности света, прошедшего через ЖК ячейку в опыте с вращением ячейки вдоль оси, параллельной оси распространения света, была применена следующая формула:
где T(ψ) - интенсивности света, прошедшего через ЖК ячейку в опыте с вращением ячейки вдоль оси, параллельной оси распространения света с учетом угла поворота ячейки ψ.
t
Для исследования азимутальной энергии сцепления W определяется длина волны λ, для которой угол поворота линейно-поляризованного света определяется только углом закрутки нематической твист-ячейки, регистрируется поворот плоскости поляризации ϕ при прохождении света с длиной волны λ через ЖК ячейку. Азимутальная энергия сцепления определяется параметрами ЖК и геометрией ячейки следующим образом:
t
0
где Δϕ=ϕ-ϕ, при этом
0
ϕ - угол закрутки ячейки, заданный условиями обработки ориентирующего слоя,
t
ϕ - реальный угол закрутки жидкого кристалла в ячейке,
t
d - зазор ячейки, K22 - константа упругости ЖК для деформации кручения. Для определения величины ϕ измеряют пропускание твист ячейки при ее вращении вокруг оси, нормальной к поверхности подложки. Пропускание света длины волны λ с ЖК ячейкой определяется формулой:
где Т - это величина пропускания света длины волны λ с ЖК ячейкой,
р-а
β - угол между оптическими осями поляризатора и анализатора.
Принципиальная схема установки для измерения поверхностного угла наклона и азимутальной энергии сцепления представлена на фиг. 2.
На фиг. 5 приведена блок-схема установки, показана последовательность действий при выполнении измерения и управление этими действиями. Штриховая линия с короткими штрихами обозначает физическое звено, Штриховая линия с более длинными штрихами обозначает программное звено, штрих-пунктирная линия обозначает аналитическое звено.
Физическая модель системы представляет интерес с точки зрения объединения разных методик исследования ЖК элементов в одном автоматизированном комплексе. В данном устройстве реализованы две методики исследования ЖК элементов по стандартам ГСССД. Конструкция устройства предусматривает задел для увеличения количества методик измерения в одном устройстве. Например могут быть реализованы измерения с приложением к измеряемому элементу электрического тока. Конструкция прибора спроектирована таким образом, чтобы объединить методики измерений, используя минимальный набор оборудования, что позитивно сказалось на сложности сборки и обслуживания устройства, а также на его массогабаритных характеристиках. Таким образом, имея лишь один шаговый двигатель, удалось реализовать вращение ЖК элемента в разным плоскостях без потери точности измерений. Держатель узла крепежей образца ЖК ячейки связан с шаговым двигателем, при запуске работы которого колесо 14 вращается и вращает колесо 7 за счет сцепленных сопряженных поверхностей. При проведении испытаний по схеме с фиг. 4 блок 23 (фиг. 3) убирается наверх посредством регулируемого держателя 9 и не участвует в испытаниях.
Точность проведения измерений с помощью разработанного устройства находится на уровне 0,05625°/шаг, что позволяет работать в автоматической режиме с высокой скоростью и точностью. Устройство отличается модульной структурой, удобством эксплуатации, простотой сборки, а также заделом для расширения спектра измеряемых параметров путем добавления дополнительных средств измерения. Разработка устройства в строгом соответствии стандартам ГСССД позволяет применять его для получения научных данных имеющихся образцов ЖК, моделировать поведение ЖК для перспективных задач, применять устройство в системах контроля качества выпускаемой продукции. Пользователями данного аппаратно-программного комплекса могут быть научно-исследовательские институты и научно-промышленные объединения, занимающиеся тематикой ЖК и электронных средств отображения информации.
Процесс измерения проводят следующим образом. Излучение лазера проходит через поляризатор и падает на ЖК ячейку, находящуюся в движении. Далее луч проходит через анализатор и попадает в фотоприемник. Вал, вращающий ячейку, приводится в движение ременной передачей от шагового мотора по заданной программе, инсталлированной в блоке управления мотором. Скорость вращения ячейки оптимально подобрана для своевременного снятия показаний с фотоприемника. Данные с фотоприемника попадают на осциллограф, где обрабатываются в специальной программе с возможностью записи массива данных в файл. Для обработки данных был выбран программный пакет Matlab. Данные записываются в файл, совместимый по формату с этим программным пакетом. Формируется график пропускания света ЖК твист ячейкой в зависимости от угла поворота по оси вращения симметричной лучу лазера.
Для определения измеряемых параметров взаимодействия ЖК с ориентирующей подложкой, например, азимутальной энергии сцепления, необходимо совместить кривую пропускания света, полученную экспериментально, с кривой, рассчитанной по формуле (4) для некоторого значения угла недозакрутки Δϕ.
Для определения измеряемых параметров взаимодействия ЖК с ориентирующей подложкой, например, угол преднаклона, необходимо совместить аналогичную кривую пропускания света, полученную экспериментально по схеме на фиг. 4, с кривой, рассчитанной по формулам (2-4). Высота локальных максимумов пропускания при увеличении угла поворота уменьшается на экспериментальных графиках из-за отражения света от внешних поверхностей подложек ЖК ячейки. Этот эффект в формулах (2-4) не учтен.
Разработано программное обеспечение в среде Matlab, способное на базе предложенного математического аппарата строить теоретические графики пропускания света в зависимости от параметров каждой конкретной ЖК ячейки и необходимого для измерения диапазона.
Таким образом, для двух методов измерения свойств ЖК элементов разработаны и физически смоделированы макеты устройства и системы автоматического поворота подвижных элементов и их кинематические схемы управления при различных направлениях 24 поворота ячейки в одной установке. Разработанные системы обеспечивают диапазон изменения углов поворота в заданном сегменте с точностью, достаточной для правильного определения измеряемых физических характеристик, а также высокую скорость измерения.
Также разработано программное обеспечение, позволяющее сохранять полученные данные в файлах, совместимых с программным макетом Matlab, и моделировать зависимости пропускания света от угла поворота ячейки, исходя из основных параметров кристалла для систем с различными направлениями поворота ячейки.
Для образцов ЖК ячеек различного типа ориентации смоделировано пропускание света в зависимости от угла поворота ячейки; эти данные сопоставлены с экспериментальными результатами и на их основе определены значения параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя.
Список литературы:
1. Belyaev V.V. Viscosity of Nematic Liquid Crystals Hardcover. Cambridge International Science Publishing Ltd (2009), 238 p.
2. Belyaev V.V. Physical methods for measuring the viscosity coefficients of nematic liquid crystals. Physics-Uspekhi. Advances in Physical Sciences, V. 44, p. 255-284 (2001).
3. Cognard J. Alignment of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures, Molecular Crystals and Liquid Crystals, Suppl. 1 (Gordon and Breach, London, 1982).
4. Marinov Y., Shonova N., Versace C., Petrov A.G. Flexoelectric spectroscopy measurements of surface dissipation of energy and surface viscosity of weakly anchored homeotropic nematic // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999, 329, p. 533.
5. Opara Т., Baran J.W. and Zmija J. Interferential method for determining the inclination angle of molecules in plane-parallel liquid crystalline layers, Cryst. Res. Technol. 22, 1073(1988).
6. Chen S.H., Kuo C.L., Wie J.G. and Hao C.W. Implementation and assessment of a tilt-angle-measurement system for liquid-crystal cells, Proc. SPIE 1815, Display Technologies, 194 (1992).
7. Han K.Y., Miyashita T. and Uchida T. Accurate measurement of pretilt angle in the liquid crystal cell by an improved crystal rotation method, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 241, 147-157 (1994).
8. Belyaev V.V., Chausov D.N., Solomatin A.S., Murauski An.A., Murauski Al.A., Mazaeva V.G. The study of the interaction energy with LCD monomolecular films orienting // 6th Workshop "Metrology and Standartization in Nanotechnology and Nanoindustry", Proc, Ekaterinburg, 4-7 june 2013 г. Abstract, p. 37-40.
9. Konovalov V.A., Muravski A.A., Yakovenko S. Ye., Pelzl J. An Accurate Spectral Method for Measuring Twist Angle of Twisted Cells with Rubbed and Grooved Surfaces, SID Symp. Dig. Tech. Pap. 31, 1, pp. 620-623 (2000).
10. Belyaev V.V. and Mazaeva V.G. Green technologies of LC alignment on the base of organosilicon compunds, in SID'11 Digest (2011), pp. 1412-1415.