ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИНДИКАТОРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ХИРАЛЬНОЙ ДОБАВКИ ЖИДКОГО КРИСТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к жидкокристаллическому индикаторному элементу со смектическим жидкокристаллическим слоем и хиральным добавкам для применения в этом элементе и может быть использовано для индикаторного элемента или светового затвора.

Прототипом изобретения является жидкокристаллический индикаторный элемент, в котором при управлении знакопеременным напряжением с частотой F 20 Гц, амплитудой 15 В контраст К составлял не более 5 для ячейки с толщиной слоя жидкого кристалла 100 мкм при шаге спиральной структуры Р_о 5 мкм; предельная частота, на которой еще заметен эффект модуляции света с контрастом К > 1, составлял 400 Гц [1]
Недостатком прототипа является небольшое быстродействие и малый оптический контраст для эффекта деформации спирально закрученного сегнетоэлектрического жидкого кристалла.

Целью изобретения является создание жидкокристаллического индикаторного элемента, обладающего повышенным быстродействием и увеличенным оптическим контрастом.

Цель достигается жидкокристаллическим индикаторным элементом, содержащим хиральный сегнетоэлектрический смектический жидкокристаллический планарно ориентированный слой, спиральные структуры которого чувствительны к воздействию электрического поля, расположенный между двумя прозрачными пластинами, на внутреннюю поверхность каждой из которых последовательно нанесены электроды и ориентирующие поверхностные структуры, входной и выходной поляризаторы, установленные на внешних сторонах пластин так, что оси поляризаторов скрещены, причем жидкий кристалл состоит из следующей смеси: 26,1 мас. 5-октил-2-[п-октил окси)-фенил]пиримидина, 17,1 мас. 5-октил-2-[п-(нонилокси)-фенил] пиримидина, 24,5 мас. 5-октил-2-[п-(децилокси)-фенил]пиримиди- на и 32,3 мас. хиральной добавки, отношение толщины d жидкокристаллического слоя к шагу p_o спиральной структуры больше чем 5, угол наклона θ_o молекул в смектических слоях имеет значение в диапазоне от 22,5 до 50^о и произведение d ˙ θ_o² ˙ Δ n_o ˙ 1 / λ больше чем 0,45, где Δn_o величина анизотропии показателя преломления жидкого кристалла; λ длина волны проходящего света.

Причем в качестве хиральной добавки используются диэфиры 4,4-терфенилдикарбоновой кислоты формулы
R₁--OOCCOO--R₂ где R₁ и R₂ независимо друг от друга обозначают алкил по крайней мере с двумя атомами углерода и С* означают хиральные атомы углерода.

На чертеже показан жидкокристаллический индикаторный элемент.

Жидкокристаллический индикаторный элемент состоит из жидкокристаллического слоя 1, который расположен между двумя плоскопараллельными пластинами 2, 3 из прозрачного материала, например стекла, акрилового стекла, синтетических пленок и т.д. Перед передней пластиной 2 находится поляризатор 4, который связан с пластиной, например склеен. За задней пластинкой 3 расположен поляризатор 5. Пластины находятся на расстоянии d друг от друга. На поверхностях, обращенных к жидкому кристаллу, пластины 2 и 3 имеют сегментированные электродные слои (сегмент 6 на пластине 2 и расположенный напротив электродный сегмент 7 на задней пластине 3).

Обращенные к жидкому кристаллу поверхности, кроме того, обработаны так, что они оказывают ориентирующее действие на соседние молекулы жидкого кристалла и таким образом определяют направление директора. Эта обработка заключается в натирании поверхности в направлении достижения планарной ориентации или в косом напылении ориентирующих слоев и т.д. Результат этой обработки обозначается как поверхностная ориентация, которая на обеих пластинах показана стрелками. На задней пластине 3 поверхностная ориентация параллельна ориентации передней пластины.

Кроме планарной поверхностной ориентации, возможна также гомеотропная ориентация или комбинации обеих.

Жидкий кристалл 1 представляет собой хиральный смектический сегнетоэлектрический жидкий кристалл, отличающийся тем, что молекулы расположены не перпендикулярно к смектическим плоскостям, а под определенным углом смектическим углом наклона θ_o. Хиральность проявляется в том, что направления молекул не во всех слоях параллельны друг другу, а от слоя к слою повернуты друг относительно друга так, что в целом образуется винтообразное скручивание.

На чертеже показана одна молекула 8 в винтовом скручивании вдоль оси спирали 9.

Смектический угол наклона θ_o представляет собой угол между продольной осью молекулы и винтовой осью 9. Шаг винта в состоянии жидкого кристалла без поля Р_о.

Если на электроды 6 и 7 накладывается напряжение (источник напряжения 10), то в жидком кристалле возникает электрическое поле, которое вызывает переориентацию молекул, винтовое расположение деформируется, что изменяет двулучепреломление, а следовательно, светопропускание ячейки.

Отношение величин светопропускания составляет оптический контраст.

П р и м е р. Жидкий кристалл индикаторного элемента имеет следующий состав: 26,1 мас. 5-октил-2-[п-(октилокси)-фенил]пиримидина, 17,1 мас. 5-октил-2-[п-(нонилокси)-фенил] пиримидина, 24,5 мас. 5-октил-2-[п-(децилокси)-фенил]пиримиди- на и 32,3 мас. хиральной добавки соединения общей формулы
R₁--OOCCOO--R₂ где R₁ и R₂ независимо друг от друга обозначают алкил по крайней мере с двумя С-атомами и С* обозначают хиральные атомы углерода.

В элементе с этой жидкокристаллической смесью при температуре 25^оС шаг спирали Р_о составляет 0,5 мкм, двойное двулучепреломление Δ n_o 0,25, смектический угол наклона θ_o 30^о, спонтанная поляризация Р_о составляет 9˙10^-8 кл/см², вращательная вязкость составляет 1 Пуаз. Жидкокристаллический слой в элементе имеет толщину 10 мкм, длина волны света λ 0,63 мкм. При этом d ˙ θ_o² ˙ Δ n_o1/ λ1,07.

Измеренные величины контрастного отношения приведены в таблице.

Из приведенной таблицы видно, что на заявляемом жидкокристаллическом элементе достижим контраст К более 100 в диапазоне амплитуд напряжений управляющих импульсов от 1,5 до 1,8 В при частоте F 20 Гц. Также видно, что при повышении частоты следования управляющих импульсов до 85 кГц еще остается заметный контраст. Таким образом, контрастное отношение К в заявляемом жидкокристаллическом элементе превышает таковое у прототипа в 20 раз при управляющих напряжениях, примерно в 10 раз меньших, а быстродействие у заявляемого устройства лучше, чем у прототипа, более чем в 200 раз.

Контраст К измерен на жидкокристаллическом элементе с толщиной слоя жидкого кристалла d 10 мкм при шаге спиральной структуры p 0,5 мкм, двулучепреломлении Δn_o 0,25, длине волны света λ 0,63 мкм и угле наклона в смектическом слое θ_o 30^о.

Использование: индикаторные элементы, световые затворы. Сущность: жидкокристаллический индикаторный элемент с хиральным сегнетоэлектрическим смектическим жидким кристаллом между двумя прозрачными пластинами, с электродами для создания электрического поля и поляризаторами перед и после жидкого кристалла, причем соотношение d/p толщины d жидкокристаллического слоя к шагу винта p винтообразного скручивания больше, чем 5, смектический угол опрокидывания составляет 22,5-50° и произведение d·θ2o

1. Жидкокристаллический индикаторный элемент, содержащий хиральный сегнетоэлектрический смектический жидкокристаллический планарно ориентированный слой, спиральная структура которого чувствительна к воздействию электрического поля, расположенный между двумя прозрачными пластинами, на внутреннюю поверхность каждой из которых последовательно нанесены электроды и ориентирующая поверхностная структура, а также входной и выходной поляризаторы, установленные на внешних поверхностях пластин так, что оси поляризаторов скрещены, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и увеличения оптического контраста, жидкий кристалл слоя состоит из следующей смеси: 26,1 мас. 5-октил-2[п-(октилокси)-фенил]-пиримидина, 17,1 мас. 5-октил-2-[п-(нонилокси)-фенил] -пиридимина, 24,5 мас. 5-октил-2-[п-(децилокси)-фенил] -пиридимина и 32,3 мас. хиральной добавки, отношение толщины d жидкокристаллического слоя к шагу p спиральной структуры больше, чем 5, угол наклона θ_o молекул в каждой однородной оптической области имеет значение в диапазоне от 22,5 до 50^o и произведение d·θ2o

2. Оптически активные соединения, представляющие собой диэфиры 4,4-тетрафенилдикарбоновой кислоты формулы

где R₁ и R₂ независимо друг от друга алкил, по крайней мере с двумя атомами углерода;
C^* хиральный атом углерода,
в качестве хиральной добавки жидкого кристалла.