Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур с ориентирующими покрытиями на основе углеродных нанотрубок

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур с ориентирующими покрытиями на основе углеродных нанотрубок

Реферат

Изобретение относится к области оптического приборостроения, квантовой и оптической наноэлектроники, а также полезно для дисплейной и телевизионной техники. Устройство представляет собой многослойную электрооптическую структуру, состоящую из пленки нематического жидкого кристалла (НЖК), сенсибилизированного фоточувствительным комплексом с переносом заряда на основе системы: фоточувствительная пиридиновая структура-фуллерен. Для ориентации молекул ЖК используется ориентирующее покрытие на основе нанотрубок. При функционировании данного устройства предлагается использовать импульсный режим питания и постоянный режим засветки. Технический результат - улучшение времен переключения, Табл.1.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), используемых в системах модуляции, записи, считывания оптической информации, преобразования из одного частотного диапазона в другой, переключения потоков излучения, ограничения излучения, а также может быть рассмотрено как дисплейный элемент нового поколения с высоким быстродействием для телевизионной, медицинской, дисплейной и лазерной техники.

Модулятор является ключевым элементом схем регистрации, отображения и переключения оптической информации, выполняющих операции в реальном масштабе времени [1-3]. В нем происходит перераспределение потоков излучения за счет изменения двулучепреломления ЖК, вызванного изменением ориентации жидкокристаллических молекул на границе раздела: твердое тело-электрооптическая ЖК-мезофаза при включении электрического (или светового) поля. Характеристики ЖК-ПВМС определяются спектральными параметрами ЖК-слоя, сенсибилизированного красителями, фуллеренами, др., зависят от согласования показателей преломления ЖК и сенсибилизирующей компоненты, определяются типом электрооптического эффекта в ЖК, природой ориентирующего покрытия, условиями согласования режимов питания и режимов засветки (записи), др. аспектами.

Среди широкого класса электроуправляемых ЖК-ПВМС полимер-диспергированные жидкокристаллические (ПДЖК) модуляторы занимают особое место. Действие этих модуляторов основано на важной особенности ЖК проявлять наличие слабых дисперсионных сил между молекулами и высокую ориентирующую способность. Последняя используется при создании композитных материалов. ЖК ориентируют взвешенные в них частицы и действуют как молекулярные матрицы, легко управляемые внешним полем. Частицы становятся чувствительными к действию внешнего поля и, в результате, меняется ориентация самой жидкокристаллической матрицы. Внешние поля действуют как на объем ЖК, так и на ориентирующую его поверхность (а следовательно, и на близлежащие молекулы ЖК). Таким образом, электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток, способны переориентировать молекулы ЖК. Кроме того, полимер-диспергированные ЖК-ПВМС уникальны по причине возможности сочетания в одном слое параметров электрооптической ЖК-компоненты, а также фоточувствительности и пластичности полимерной основы [3].

Известна конструкция электроуправляемого нематического ЖК-ПВМС, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве электрооптического слоя полимер-диспергированный нематический ЖК, сенсибилизированный смесью: нефоточувствительный полиимид-пиридиновая структура - фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид. Прибор работал в режиме постоянной засветки при импульсном напряжении питания и показал быстродействие: 2.5 мс - время включения и 4 мс - время выключения. В эксперименте авторов публикации [4] исследовались времена нарастания электрооптического отклика по первой осцилляции пропускания, четко фиксировался переход в соседнее экстремальное положение на S-кривой, что соответствовало изменению фазовой задержки на π. Недостатком данной конструкции модулятора явилось недостаточное быстродействие, что затрудняет применение этого устройства в быстродействующих телевизионных, дисплейных, топографических, корреляционных лазерных системах.

Быстродействие нематических ПДЖК было хуже, чем, например, смектических ЖК.

Недостатком известной конструкции модулятора является низкое быстродействие.

Известна конструкция ПДЖК-модулятора, содержащего в качестве электрооптического слоя полимер-диспергированный нематический ЖК, сенсибилизированный смесью: пиридиновая структура - фуллерен и в качестве ориентирующего слоя - нефоточувствительный полиимид [5]. Прибор работал в режиме постоянной засветки при импульсном напряжении питания и показал быстродействие: 0.1 мс - время включения и 0.3-0.5 мс - время выключения. Снижение времен переключения было связано с преимущественным использованием анизотропных молекул фуллеренов С₇₀, а не С₆₀. Недостатком данной конструкции модулятора явилось недостаточное быстродействие, что затрудняет применение этого устройства в быстродействующих телевизионных, дисплейных, голографических, корреляционных лазерных системах, а также в системах, где частота воздействующего внешнего сигнала превышает телевизионный стандарт 25 Гц.

Техническим результатом изобретения является повышение быстродействия ПДЖК-модулятора.

Указанный результат достигается тем, что в жидкокристаллическом пространственно-временном модуляторе света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники, содержащем нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей электрооптической среды и ориентирующий слой, использован полимер-диспергированный нематический жидкий кристалл, сенсибилизированный смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда: пиридиновая молекула - фуллерен, а ориентирующий слой выполнен в виде тонких пленок углеродных нанотрубок. Выполнение ориентирующего покрытия в виде покрытия на основе нанотрубок создает более благоприятные условия для перераспределения напряжения между проводящим покрытием и ЖК, что позволяет более эффективно проводить переориентацию молекул ЖК при включении электрического поля, существенно увеличивая быстродействие (см. таблицу). При работе предлагаемой конструкции ПДЖК использовалось импульсное напряжение питания и непрерывный режим засветки.

Таблица
Модулятор	Амплитуда импульса питания, В	Длительность импульса питания, мс	Частота следования импульса питания, Гц	Разрешающая способность, лин/мм	Время включения, мс	Время выключения, мс
Прототип	30-50	30	0.5	100	0.1	0.3-0.5
Предлагаемое устройство	7-15	3	25-50	100	0.05	0.2-0.3

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ПДЖК-модулятор отличается тем, что для повышения быстродействия электрооптического слоя используется электрооптический слой того же состава: НЖК, сенсибилизированный смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда: пиридиновая молекула - фуллерен, но для ориентирования ЖК-молекул используется другое ориентирующее покрытие, а именно покрытие на основе нанотрубок. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены конструкция модулятора (фиг.1) и рельефом ориентирующей поверхности на основе нанотрубок, полученного с помощью метода атомно-силовой микроскопии (фиг.2).

Предлагаемый ПДЖК-модулятор (фиг.1) представляет собой многослойную систему (фиг.1), состоящую из слоя полимер-диспергированного нематического жидкого кристалла толщиной 5-10 мкм и ориентирующего слоя толщиной ≤1 мкм на основе напыляемых в вакууме углеродных нанотрубок. Толщина ЖК слоя задавалась тефлоновыми прокладками. Структура заключалась между двумя стеклянными или кварцевыми подложками размером 15×22 мм² (использовались также традиционные подложки диаметром 35 мм) с прозрачными проводящими покрытиями, полученными методом вакуумного напыления окиси индия с добавкой окиси олова.

Измерения временных характеристик ПДЖК-модулятора проводилось по схеме, приведенной в публикации [4] и патенте [5], где использовался He-Ne-лазер, колода со светофильтрами для варьирования мощностью излучения лазера, тестируемый образец и анализатор, стоящий за образцом. Для регистрации электрооптического отклика использовались кремниевые фотодиоды

ПДЖК модулятор работал следующим образом.

Непрерывное излучение He-Ne-лазера попадало в спектральную область функционирования нематического ЖК с введенным комплексом с переносом заряда: пиридиновая молекула-фуллерен. Сдвиг в сторону красных длин волн, включая длину волны He-Ne-лазера, 633 нм, в спектрах поглощения пиридиновой системы при введении фуллеренов был впервые изучен и показан в публикации [6], а сам процесс комплексообразования теоретически объяснен в работе [7]. Диаметр пятна на ПДЖК-модуляторе составлял 3 мм, что существенно превосходило размер неоднородностей в ПДЖК-слое на уровне 200 нм. Максимальная мощность облучения составляла 10 мВт. Модулятор работал в режиме «на просвет». Для питания модулятора использовалось импульсное напряжение питания с параметрами импульса: амплитуда (А) 7-15 В, длительностью (τ_пит) от 1 до 3 мс и частотой следования (1/Т) от 0.5 до 100 Гц.

Электрооптический отклик регистрировался после анализатора, стоящего за ПДЖК-модулятором, с помощью фотодиода и записывался на осциллографе TDS 220. Время включения определялось как время нарастания электрооптического отклика от уровня 0.1 до уровня 0.9 его максимального значения. Время выключения определялось как время затухания электрооптического отклика от его максимального значения до уровня 0.1.

Использование в качестве электрооптического слоя НЖК, сенсибилизированного смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда: пиридиновая молекула - фуллерен, а в качестве ориентирующего покрытия - покрытие на основе углеродных нанотрубок позволило в 2 раза снизить время включения и в 3-5 раз снизить величину амплитуды управляющего напряжения. Кроме того, напыление нанотрубок в вакууме исключает появление неоднородностей на ориентирующем покрытии, связанных с традиционным процессом натирки ориентирующего покрытия. Улучшенное быстродействие устройства, являющееся необходимым условием применения модулятора, или дисплейного элемента, в скоростных дисплейных и телевизионных системах, а также в лазерной технике, позволили сократить времена включения и выключения с 0.1 и 0.3-0.5 мс [5] до 0.05 и 0.2-0.3 мс, соответственно, то есть, увеличить быстродействие в 2 раза. По быстродействию дешевые нематические ЖК-смеси становятся сравнимыми с дорогими смектическими составами, причем структура сенсибилизированной ЖК-мезофазы становится сравнимой со структурой смектика, что регистрируется по снижению температуры фазового перехода и увеличению параметра порядка, показанного методом ядерного магнитного резонанса [8]. Указанное функциональное совершенствование прибора позволит расширить область применения электрооптических ПДЖК-модуляторов света в системах реального масштаба времени.

Источники информации

1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.

2. Каманина Н.В., Капорский Л.Н. «Влияние фуллеренов на динамические характеристики жидкокристаллических систем». Письма в ЖТФ, т.26, №19, с.30-38, 2000.

3. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.

4. Каманина Н.В., Ракчеева Л.П. «Перспективы использования фуллеренов для ориентации жидкокристаллических композиций». Письма в ЖТФ, т.28, №11, с.28-36, 2002.

5. Патент на изобретение «Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники» по заявке №2005128981/28 (032522) от 20.09.2005 авторов Н.В.Каманиной. А.Д.Щербины, А.П.Губарева.

6. N.Kamanina N., Barrientos A., Leyderman A., Cui Y., Vikhnin V. and Vlasse М., "Effect of fullerene doping on the absorption edge shift in COANP". Molecular Materials, v.13, No.1-4, p.275-280, 2000.

7. Каманина Н.В., Шека Е.Ф. «Ограничители лазерного излучения и дифракционные элементы на основе системы COANP-фуллерен: нелинейно-оптические свойства и квантово-химическое моделирование». Оптика и спектроскопия, т.96, №4, с.659-673, 2004.

8. Каманина Н.В., А.В.Комолкин, Н.П.Евлампиева «Изменение параметра ориентационного порядка в структуре композита нематический жидкий кристалл-COANP-С₇₀». Письма в ЖТФ, т.31, №11, с.65-70, 2005.

Жидкокристаллический пространственно-временной модулятор света на основе фуллеренсодержащих пиридиновых структур для дисплейной и телевизионной техники, содержащий нематический жидкий кристалл в качестве модулирующей электрооптической среды и ориентирующий слой, отличающийся тем, что использован полимер-диспергированный нематический жидкий кристалл, сенсибилизированный смесью, состоящей из комплекса с переносом заряда: пиридиновая молекула - фуллерен, и ориентирующий слой выполнен в виде тонких пленок углеродных нанотрубок.