Способ контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев Советский патент 1982 года по МПК G02F1/13 

коротковолновых концов спектрограммы, что достаточно условно и не обеспечивает требуемой точности при расчете нолуширнн 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 допушении не учитываются процессы рассеяния света на границах разнородных областей, дефектах структуры и т. д., которые также дают вклад в уменьшение интенсивности пропускания света доследуемым образцом. Указанный способ пригоден в основном для тонких (не более 50-60 мкм) слоев жидких кристаллов, обладаюш;их плоской и слабо разориентированной структурой, дающей малое рассеяние. При этом ошибка, вызванная условностью уровня отсчета, будет относительно мала - около 10-15%. Однако при переходе к более толстым слоям и особенно при контроле псевдокапсулированных пленок, содержаш,их 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 унорядоченности структуры, исходя из отношений полуширин полос пропускания, соответствующих реальной и восстановленной спектрограммы, при этом полуширины полос пропускания устанавливают из сравнения этих полос с опорной кривой, которую получают путем записи еще одной спектрограммы пропуска ния исследуемого образца - при постоянной температуре, соответствующей его и зотропному состоянию.I

На фиг. 1 приведен конструк,тивный вариант выполнения устройства ля практической реализации предложеннор способа;

на фиг. 2 - графическая иллюстрация обработки полученных результатов и определения степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев; на фиг. 3 приведена для сравнения

графическая иллюстрация известного способа.I

Устройство для контроля степени упорядоченности структуры холестерических жидкокристаллических слоев, сфданное на

базе спектрофотометра, содержит блок монохроматора и фотоизмерит ля 1, диафрагмы 2 и 3, термостат 4 с р |змещенной 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 8 и кожух 9. В предложенном устройстве можно использовать, например, спектрофотометр

типа СФ-18 или СФ-8.

Устройство работает следующим образом. Кассета 5 с исследуемым образцом (слой плоской текстуры л идкого 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 лнбо кассета с подложкой, либо чистая пленка поливинилового спирта, имеющая ту же толщину, что и исследуемая пленка с капсулами жидкого кристалла. В термостате устанавливается температура, соответствующая ЖК-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 длипы волны I определяется ее точка экстремума С и восстанавливается коротковолновая ветвь 3 симметричной полосы пропускания. Из точки С опускается перпендикуляр на ось абсцисс, пересекающий ее в точке С, а вторую спектрограмму II, являющуюся опорной кривой, в точке О. Полученный отрезок ОС делят пополам и из его середииы в точке Д проводят кривую, аналогичную и параллельиунЗ опорной кривой II, до пересечения ее с реальной и восстановленной спектрограммами I и III соответственно в точках В, А, и Е. Из этих точек опускают перпендикуляры на ось абсцисс соответственно в точках В , А и Е . Определяют величину полуширин реальной и восстановленной полос пропускания- отрезков Е В и Е А . Находят искомую степень упорядоченности структуры или иначе параметр порядка Ss по формуле (1), как отношение найденных полуширин полос пропускания:

.ЕА,..

Е А

-.лхЕ В

реал.

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 разунорядоченности структуры, когда различные локальные области жидкого кристалла или его капсул ориентированы под разными углами ф 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).

2Pcos o nk,(2)

где Р - шаг холестерической спирали жидкого кристалла; К - длина волны максимума селективного отражения; п - целое число, порядок интерференции. В идеальных структурах угол ф близок к нулю и на спектрограмме наблюдается один симметричный максимум; в разупорядоченных структурах угол ф принимает ряд значений, отличных от нуля, и условию (2) в этом случае удовлетворяет уже ряд длин волн из диапазона А1, причем все они расположены в более коротковолновой относительно точки экстремума области спектрограммы. Это обстоятельство и объясняет наличие уширеиия спектрограммы в ее коротковолновой области, которое будет тем сильнее, чем больше разупорядоченность структуры жидкого кристалла, В случае

полной разориентации параметр порядка обращается в нуль.

Использование в качестве опорной кривой спектрограммы пропускапия исследуемого образца в изотропном состоянии, когда ЖК-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 селективиого отражения на спиральной структуре кристалла, и для которого справедливы вышеприведенные формулы. Спектрограмма изотропного состояния учитывает вклад в интенсивность пропускания, обусловленный дополнительными мехаиизмами, определяющими пропз скание света в жидком кристалле: многократное

отражение света от границ капсул с жидким кристаллом, рассеяиие света на дефектах и инородных включениях, собственное погло1ц;ение света жидким кристаллом. Она позволяет исключить этот вклад перед

определением полуширин вышеуказаииых 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 термостатировапия при сиятии 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 ЖК-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%-го пропускания, ибо в этом случае опорная кривая, характеризующая пропускание света веществом в изотропном состоянии, вычитается автоматически при записи

спектрограммы. Параметр же порядка Ss 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 и способу, изложенному в прототипе, показал при сравнении, что в первом случае обеспечивается точность 3% по сравнению с 10-

15% во втором. При ис:щтадии использовалась смесь жидких кристаллов, содержащая холестерилпеларгоната - 48%, холестерилолеата - 50%, холестерилхлорида - 2%. При испытании псевдокапсулированного пленочного образца того же химического состава, толщиной 50 мкм, с соотнощением смеси жидкого кристалла к поливиниловому спирту 1:2, разница в точностях еще больще 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 возмол ность исследовать влияние на свойства плепок 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 полущирин восстановленной симметричной полосы и селективной полосы исходной спектрограммы, и определение степени упорядоченности структуры по величине отнощения полущирины восстановленной полосы к полущирине селективной полосы исходной спектрограммы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измереВИЙ и расширения области применения, обеспечивающего возможность контроля степени упорядоченности псевдокапсулированных пленок с жидкими кристаллами, после записи исходной спектрограммы повыщают температуру образца до его перехода из жидкокристаллического в изотропно-жидкое состояние, тем же способом записывают еще одну спектрограмму пропускания исследуемого образца при постоянпой температуре, соответствующей его изотропно-жидкому состоянию, и используют полученную таким образом вторую спектрограмму в качестве опорной кривой.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

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

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

2.Дмитриенко В. Е., Беляков В. А. К теории оптических свойств несоверщенных холестерических жидких кристаллов. ЖЭТФ, т. 73, с. 681, 1977.

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

оптическими методами, М., МФТИ, 1977,

J I 6 I I I

II/

I I I

1L

к%

ffO

50

0