Автоматизированная система измерений параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя жидкокристаллической ячейки Текст научной статьи по специальности «Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Беляев Виктор Васильевич, Горбунов Артем Александрович, Мойсеенко Сергей Владимирович, Муравский Александр Анатольевич, Муравский Анатолий Александрович

Разработана модель автоматизированной системы измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках. Создана автоматизированная система с возможностью внешнего управления параметрами измерения. Разработано программное обеспечение для управления системой сбора, преобразования и анализа данных измерений и сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.

Automated system for measuring the parameters of the interaction with the surface of the liquid crystal alignment layer of a liquid crystal cell

A model of an automated system of pretilt angle measurement and azimuthal anchoring energy in LC cells is developed. The automated system with ability to external control of measurement parameters. A software for the system control, data collection, transformation and analysis of measurement data is developed to comparison of the experimental and theoretical results.

Текст научной работы на тему «Автоматизированная система измерений параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя жидкокристаллической ячейки»

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРОГРАММЫ ИНЖЕНЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ОРИЕНТИРУЮЩЕГО СЛОЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ*

В. Беляев1,2, А.А. Горбунов1, С.В. Мойсеенко1, Ал.Ан. Муравский3, Ан.Ал. Муравский3, И.В. Попов4, Н.А. Бункина5, К.А. Пупков1, А.С. Соломатин2

Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419 2Московский государственный областной университет ул. Радио, 10А, Москва, Россия, 105005 3Институт химии новых материалов НАН Беларуси ул. Ф. Скорины, 36, Минск, Республика Беларусь, 220141 4Центральный научно-исследовательский институт «Комета» ул. Велозаводская, 5, Москва, Россия, 115280 5Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет) Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993

Разработана модель автоматизированной системы измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках. Создана автоматизированная система с возможностью внешнего управления параметрами измерения. Разработано программное обеспечение для управления системой, сбора, преобразования и анализа данных измерений и сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.

Ключевые слова: автоматизированный комплекс, жидкий кристалл, ЖК, угол преднаклона, азимутальная энергия сцепления.

Постановка задачи. Для разработки новых жидкокристаллических (ЖК) материалов и дисплеев нужно знать физические свойства жидких кристаллов (ЖК)

* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты № 12-07-90007-Бел_а и № 14-07-00574-а, Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, грант № (Ф12Р-188), и по гранту Президента Российской Федерации НШ-1495.2012.8.

и их зависимость от управляющих воздействии и термодинамических параметров. Измерение этих свойств с удовлетворительной 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 хорошо разработаны [1—4]. Сложнее измерять параметры взаимодействия ЖК с поверхностью ориентирующего слоя жидкокристаллической ячейки, так как результаты измерений зависят не только от свойств ЖК, но и структуры и метода приготовления ориентирующего слоя. К таким параметрам относятся поверхностное натяжение с полярной и дисперсионной компонентами, энергия сцепления ЖК с подложкой (полярная и азимутальная составляющие), угол преднаклона ЖК на поверхности подложки, поверхностная вязкость [5—8].

Для практических целей наиболее важными из них являются полярная и азимутальная энергия сцепления ЖК с подложкой (Wq и W^ соответственно) и 9 — угол преднаклона ЖК. Их измерение осуществляется рядом способов, описанных в [9—19]. Для измерения угла наклона в [9—12] используется метод поворота ячейки. При этом измеряется средний угол наклона ЖК. 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 [12—18]. В этих измерениях используются ячейки, 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 B соответственно). Методы измерения азимутальной энергии сцепления, основанные на измерении угла поворота поляризации света, проходящего через твист-ячейку, предложены в [12; 18]. Теоретические основы этого метода заложены в [20; 21]. Методы и установки, в которых комбинируется измерение различных перечисленных параметров, описаны в [12; 18].

В [22—24] 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 [9—12], 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 [25; 26].

В связи с этим актуальной проблемой является разработка методов, обеспечивающих 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 результатов измерений. При этом может использоваться комбинация различных методик измерения в одной установке. В конечном счете это позволяет ускорить процесс поиска новых материалов для ЖК дисплеев, достичь более точного измерения их характеристик и снижения стоимости конечных изделий.

Целью работы является создание автоматизированного комплекса исследований элементов ЖК дисплеев. Для этого были решены следующие задачи:

— разработка модели автоматизированной системы измерения угла предна-клона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках;

— создание автоматизированной системы с возможностью внешнего управления параметрами измерения;

— разработка программного обеспечения для управления системой, сбора, преобразования и анализа данных измерений и сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.

Физическая модель измерения поверхностного угла наклона. 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—4].

Схема измерения показана на рис. 1. Ячейка, состоящая из двух стеклянных подложек c ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах подложек, натертыми антипараллельно относительно друг друга, располагается на оси вращения, поверхностью перпендикулярно световому лучу, между скрещенными поляризаторами, которые составляют углы с осью вращения по 45°. Ячейка может вращаться вокруг оси, параллельной поверхности, перпендикулярной направлениям натирания и луча света. Измеряется пропускание света при повороте ячейки на различные углы вокруг этой оси.

Рис. 1. Схема определения величины поверхностного угла наклона

Интенсивность света I, прошедшего через систему на рис. 2 и зарегистрированного фотоприемником, связана с фазовой задержкой 5 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.

Фазовая задержка светового луча, прошедшего через ячейку при угле поворота ячейки у, может быть представлена как

5(а, у) = ^ d • /(а, у), (2)

где d — толщина слоя ЖК; Л — длина волны света, /(а, у) — функция угла преднаклона ЖК а = 90° - 0 и угла поворота ячейки у, определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки.

Функция /(а, у) выражается как

/(а, у) = -1( - b2 )• sin а cos а-sinу +

• sin2 у) - 1 • 2(1 -b2 • sin2 у). (3)

1 7 1 2 2 2 7 2 ■ 2

a =—; b =—; c = a • cos а+ b • sin а,

где n1 — показатель преломления ЖК для необыкновенного луча, n2 — 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:

Для исследования азимутальной энергии сцепления Wф определяется длина волны Л, для которой угол поворота линейно-поляризованного света определяется только углом закрутки нематической твист-ячейки; регистрируется поворот плоскости поляризации фt при прохождении света с длиной волны Л через ЖК ячейку. Азимутальная энергия сцепления определяется параметрами ЖК и геометрией ячейки следующим образом:

где Дф = фt - ф0, ф — угол закрутки ячейки, заданный условиями обработки ориентирующего слоя, фt — реальный угол закрутки жидкого кристалла в ячейке; d — зазор ячейки, K22 — константа упругости ЖК для деформации кручения.

Для определения величины фt измеряют пропускание твист-ячейки при ее вращении вокруг оси, нормальной к поверхности подложки. Пропускание света длины волны Лс ЖК ячейкой определяется формулой

T = cos2 >t + в Р - ^ >, (6)

где _ A — угол между оптическими осями поляризатора и анализатора.

Принципиальная схема установки для измерения поверхностного угла наклона и азимутальной энергии сцепления представлена на рис. 2.

Автоматизированный комплекс измерения параметров ЖК ячейки был осуществлен с помощью программного блока управления (SMSD-1.5K). На рис. 3 приведена блок-схема установки с последовательностью действий при выполнении измерения и управление этими действиями.

Рис. 2. Схема определения величины поверхностного угла наклона

Система управления, сбора, преобразования и анализа данных измерений. Процесс измерения происходит следующим образом. Излучение лазера проходит через поляризатор и падает на ЖК ячейку, находящуюся в движении. После прохождения через движущуюся ЖК ячейку луч проходит через анализатор и попадает в фотоприемник. Вал, вращающий ячейку, приводится в движение ременной передачей от шагового мотора по заданной программе, инсталлированной в блок 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 формата совместимого с этим программным пакетом.

После завершения исполнения файла получаем график пропускания света ЖК твист-ячейкой в зависимости от угла поворота по оси вращения симметричной лучу лазера (рис. 4).

Чтобы определить измеряемый параметр 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 Дф.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎