Способ контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев

 

ц849880

ОЛИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 08.02.80 (21) 2879570/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (51) М.К .

G 02 F 1/13

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень № 40 (53) УДК 535.511 (088.8) пв делам изобретеиир и открытий

Дата опубликования описания

1 е р

А. С. Сонин, Е. П. Сухенко и И Н; Шибаев

1 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ УПОРЯДОЧЕННОСТИ

СТРУКТУРЫ ХОЛ ЕСТ ЕР И Ч ЕСКИХ ЖИД КО КР И СТАЛЛ ИЧЕСКИХ СЛОЕВ

1осУдаРствеииый комитет (23) 11риоритет

Изобретение относится к области исследований физических свойств веществ оптическими методами, в частности методами спектроскопии, и может быть использовано в приборостроении на основе жидких кристаллов и содержащих их пленок.

Известны приборы и способы для контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев (ЖК-слоев), например, способ поляризационной микроскопии (1). Он заключается в наблюдении 5КК-слоев в скрещенных поляризаторах в проходящем или отраженном свете при увеличении 300 и более раз и определении структуры жидких кристаллов по цветам локальных областей.

К недостаткам способа относится низкая точность, ограниченная область применения (толщина исследуемого слоя не более

60 мкм) и большая трудоемкость статистической обработки данных при количественной оценке результатов наблюдения.

Степень упорядоченности структуры холестерических 5КК-слоев может определиться также по их селективному отражению (2). В этом способе количественная оценка степени совершенства холестерических КК выводится из сравнения экспериментных данных по частотной ширине области селективного отражения или по деполяризации света с теоретическими результатами, полученными из расчета предложенных моделей структуры. Недостатками способа являются сложность расчетов и снижение точности, вызванное расхождениями между реальной структурой и предложенной ее моделью.

Наиболее близким техническим решением является способ, заключающийся в

10 том, что снимают спектрограмму пропускания исследуемого вещества, восстанавливают симметричную полосу, характеризующую «квазиидеальное» упорядочение структуры, путем зеркального отражения длин15 новолнового края исходной полосы относительно ее центра, и определяют степень упорядоченности структуры как отношение полуширин полос спектрального пропускания, соответствующих походной и восста20 новленной (неуширенной) спектрограммы, при этом полуширины полос пропускания устанавливаются из сравнения упомянутых спектрограмм с опорной кривой, получаемой путем линейной интерполяции из

25 коротковолнового и длинноволнового участков исходной спектрограммы,(3), Указанный способ, однако, имеет существенный недостаток, связанный с определением опорной кривой как линии, являю30 щейся линейной интерполяцией длинно- и

849880

4 (коротковолновых концов спектрограммы, что достаточно условно и не обеспечивает требуемой точности при расчете полуширин полос пропускания. Уровнем отсчета, которым служит опорная кривая, является в этом случае сама спектрограмма, а точность, допускаемая интерполяцией, зависит от ширины волнового диапазона спектрального прибора и уменьшается при его сужении. При этом допущении не учитываются процессы рассеяния света на границах разнородных областей, дефектах структуры и т. д., которые также дают вклад в уменьшение интенсивности пропускания света последуемым образцом.

Указанный способ пригоден в основном для тонких (не более 50 — 60 мкм) слоев жидких кристаллов, обладающих плоской и слабо разориентированной структурой, дающей малое рассеяние. При этом ошибка, вызванная условностью уровня отсчета, будет относительно мала — около 10 — 15 /с.

Однако при переходе к более толстым слоям и особенно при контроле псевдокапсулированных пленок, содержащих капсулы с холестерическим жидким кристаллом, размер которых может меняться от 2 до

40 мкм, и где вследствие этого процессы многократного отражения и рассеяния света на этих микрообъектах начинают играть существенную роль, известный способ определения опорной кривой не обеспечивает нужной точности, и ошибка возрастает в несколько раз. Кроме того, сам характер спектрограмм, особенно в случае капсул малого размера, так меняется, что провести интерполяцию при использовании спектрального прибора с небольшим (400 км) спектральным диапазоном оказывается весьма трудно, а сам способ оказывается несостоятельным.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение области применения, обеспечивающее возможность контроля степени упорядоченности псевдокапсулированных пленок с жидкими кристаллами.

Для достижения поставленной цели при контроле степени разупорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев записывают спектрограммы пропускания исследуемого образца при постоянной температуре, лежащей в диапазоне температур, соответствующем жидкокристаллическому состоянию образца, восстанавливают симметричную полосу спектрограммы пропускания путем зеркального отображения ее длинноволновой области относительно точки ее экстремума в области коротких длин волн, определяют степень упорядоченности структуры, исходя из отношений полуширин полос пропускания, соответствующих реальной и восстановленной спектрограммы, при этом полуширины полос пропускания устанавлива5

1О

)г

25 зо

65 ют из сравнения этих полос с ойорной кривой, которую получают путем записи еще одной спектрограммы пропускания исследуемого образца — при постоянной температуре, соответствующей его изотропному состоянию.

На фиг. 1 приведен конструктивный вариант выполнения устройства для практической реализации предложенного способа; на фиг, 2 — графическая иллюстрация обработки полученных результатов и опре-! деления степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев; на фиг. 3 приведена для, сравнения графическая иллюстрация известного способа.

Устройство для контроля степени упоря( доченности структуры холеСтерических жидкокристаллических слоев, созданное на базе спектрофото метр а, содержит блок ! монохроматора и фотоизмерителя 1, диафрагмы 2 и 3, термостат 4 с размещенной в нем кассетой со слоем жидкого кристалла или пленкой 5, причем входные окна термостата 6 и 7 изготовлены из материала, прозрачного в нужном спектральном диапазоне, фотометрическую сферу 8 и кожух 9. В предложенном устройстве можно использовать, например, спектрофотометр тип а С Ф-18 или С Ф-8.

Устройство работает следующим образом. Кассета 5 с исследуемым образцом (слой плоской текстуры жидкого кристалла или псевдокапсулированная пленка) помещается в термостат 4 соосно его входным окнам, а сам термостат 4 размещается в канале А спектрофотометра. Аналогичные элементы располагаются во втором, контрольном канале Б, но вместо образца берется либо кассета с подложкой, либо чистая пленка пол ивинилового спирта, имеющая ту же толщину, что и исследуемая пленка с капсулами жидкого кристалла. В термостате устанавливается температура, соответствующая 5КК-состоянию образца. В условиях стационарного теплового режима производится запись спектрограммы: ход излучения показан стрелками на фиг. 1. После первой записи температура в термостате повышается до значения, соответствующего изотропному состоянию жидкого кристалла, когда его слоистая структура исчезает; производится запись второй спектрограммы, являющейся опорной кривой. Графическая иллюстрация обработки полученных результатов и определения степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев приведена на фиг. 2, Известный способ, принятый за прототип, иллюстрируется фиг. 3 (измерения проведены для одного и того же образца). После записи зависимости интенсивности пропускания света от длины волны 1 определяется ее точка экстремума С и восстанавливается коротко849880 волновая ветвь 3 симметричной полосы пропускания. Из точки С опускается перпендикуляр на ось абсцисс, пересекающий ее в точке С, а вторую спектрограмму П, являющуюся опорной кривой, в точке О.

Полученный отрезок ОС делят пополам и из его середины в точке Д проводят кривую, аналогичную и параллельнуЮ опорной кривой II, до пересечения ее с реальной и восстановленной спектрограммами 1 и Ш соответственно в точках В, А, и E. Из этих точек опускают перпендикуляры на ось абсцисс соответственно в точках В, А и Е . Определяют величину полуширин реальной и восстановленной полос пропускания — отрезков E O и Е А . Находят искомую степень упорядоченности структуры или иначе параметр порядка Я, по формуле (1), как отношение найденных полуширин полос пропускания:

S, = " = . (1) pean.

При идеально упорядоченной структуре жидкого кристалла, когда все области в его слоях ориентированы одинаково и слои параллельны поверхностям образца (образец для удобства ориентирован нормально к проходящему пучку света), параметр порядка равен единице, так как исходная и восстановленная спектрограммы совпадают. В случае разупорядоченности структуры, когда различные локальные области жидкого кристалла или его капсул ориентированы под разными углами у к нормали образца или псевдокапсулированной пленки, изменяются условия распространения света через эти области, определяемые условиями селективного отражения света от периодических структур, которыми в данном случае являются жидкие кристаллы. Максимум селективного отражения, определяющий для каждой температуры экстремальную точку спектрограммы, рассчитывается по формуле Брэгга (2).

2Рcos e =rih, (2) где P — шаг холестерической спирали жидкого кристалла; Х вЂ” длина волны максимума селективного отражения; n — целое число, порядок интерференции. В идеальных структурах угол р близок к нулю и на спектрограмме наблюдается один симметричный максимум; в разупорядоченных структурах угол р принимает ряд значений, отличных от нуля, и условию (2) в этом случае удовлетворяет уже ряд длин волн из диапазона ЛХ, причем все они расположены в более коротковолновой относительно точки экстремума области спектрограммы. Это обстоятельство и объясняет наличие уширения спектрограммы в ее коротковолновой области, которое будет тем сильнее, чем больше разупоряд пенность структуры жидкого кристалла, R случае

З0

65 полной разориентации параметр порядка обращается в нуль.

Использование в качестве опорной кривой спектрограммы пропускания исследуемого образца в изотропном состоянии, когда 5КК-вещество в нем не обладает специфической спиральной структурой, присущей холестерическим жидким кристаллам, позволяет при сравнении спектрограмм выделить тот вклад в интенсивность пропускания, который обусловлен непосредственно явлениями селективного отражения на спиральной структуре кристалла, и для которого справедливы вышеприведенные формулы. Спектрограмма изотропного состояния учитывает вклад в интенсивность пропускания, обусловленный дополнительными механизмами, определяющими пропускание света в жидком кристалле: многократное отражение света от границ капсул с жидким кристаллом, рассеяние света на дефектах и инородных включениях, собственное поглощение света жидким кристаллом, Она позволяет исключить этот вклад перед определением полуширин вышеуказанных полос. Вклад в спектрограмму, даваемый элементами схемы, термостата и подложками кассет с жидким кристаллом, вычитается автоматически при размещении всех этих элементов в контрольном канале Б спектрофотометра. Точность термостатирования при снятии спектрограмм определяется термочувствительностью данного жидкокристаллического материала.

Процедура контроля упрощается, если исследуемый образец можно разделить на две части либо приготовить второй образец, идентичный первому. В этом случае образцы размещаются одновременно в каналах А и Б спектрофотометра одинаковым образом, и при записи спектрограмм температуру образца в канале А задают в пределах 5КК-диапазона данного вещества, а в канале Б ее задают соответствующей изотропному состоянию. Тогда вместо спектрограмм надо записать только одну, на которой требуется сделать операции восстановления и измерения полуширин.

Опорным уровнем здесь служит параллельный оси абсцисс уровень 100 / -rо пропускания, ибо в этом случае опорная кривая, характеризующая пропускание света веществом в изотропном состоянии, вычитается автоматически при записи спектрограммы. Параметр же порядка $. определяется прежним способом.

Контроль степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев, проведенный для одного и того же образца с плоской текстурой толщиной

15 мкм по заявленному способу н способу, изложенному в прототипе, показал при сравнении, что в первом случае обеспечивается точность 3о по сравнению с 10 —.

15o(во втором. При испытании использо849880 валась смесь жидких кристаллов, содержащая холестерилпеларгоната — 48 /о, холестерилолеата — 50o, холестерилхлорида — 2О/О. При испытании псевдокапсулированного пленочного образца того же химического состава, толщиной 50 мкм, с соотношением смеси жидкого кристалла к поливиниловому спирту 1: 2, разница в точностях еще больше и достигает десятков процентов.

Применение предлагаемого способа контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидких кристаллов и их слоев в плоской текстуре или в псевдокапсулированной пленке позволяет не только упростить и сделать более оперативным контроль за качеством материалов для термографии на основе жидкокристаллических смесей, что особенно важно при массовом поточном производстве этих материалов, но в то же время дает возможность исследовать влияние на свойства пленок и слоев различных технологических режимов. В частности, использование этого способа контроля помогает выбрать оптимальные условия термо-механической обработки псевдокапсулированных пленок холестерических жидких кристаллов разного состава, необходимой для увеличения структурной однородности капсул в пленке и, соответственно, для увеличения их отражения.

Способ, таким образом, может быть использован для научных исследований физических и особенно оптических свойств новых жидкокристаллических веществ.

Формула изобретения

Способ контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев, включающий запись спектрограммы селективного пропускания исследуемого образца при постоянной температуре, лежащей в температурном диапазоне жидкокристаллического состояния образца, восстановление симметричной полосы спектрограммы зеркальным отражением ее длинноволновой части относительно точки экстремума в область коротких длин волн, измерение относительно опорной кривой спектральных полуширин восстановленной симметричной полосы и селективной полосы исходной спектрограммы, и определение степени упорядоченно10 сти структуры по величине отношения полуширины восстановленной полосы к полуширине селективной полосы исходной спектрограммы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере15 ний и расширения области применения, обеспечивающего возможность контроля степени упорядоченности псевдокапсулированных пленок с жидкими кристаллами, после записи исходной спектрограммы по20 вышают температуру образца до его перехода из жидкокристаллического в изотропно-жидкое состояние, тем же способом записывают еще одну спектрограмму пропускания исследуемого образца при постоян25 ной температуре, соответствующей его изотропно-жидкому состоянию, и используют полученную таким образом вторую спектрограмму в качестве опорной кривой, ЗО

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Пичикян Н. А., Сонин А. С., Титова Н. Б. Селективное рассеяние света

35 псевдокапсулированными пленками холестерических жидких кристаллов. «Квант. электроника», т. 3, № 7, 1976.

2. Дмитриенко В. Е., Беляков В. А.

К теории оптических свойств несовершен40 ных холестерических жидких кристаллов. КЭТФ, т. 73, с. 681, 1977.

3. Автореферат кандидатской диссертации Сухенко Е. П. «Исследование структуры холестерических жидких кристаллов

45 оптическими методами», М., МФТИ, 1977, 849880

ыа

Уа

Фиг. Z т,%

ыа бЮ

Составитель Г. Александров

Редактор Е. Зубистова Техред В. Рыбакова Корректор А. Степанова

Заказ 1672/9 Изд. № 243 Тираж 516 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типографии, пр. Сацуиова, 2