НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Черпак Владислав Володимирович

УДК 548.0:532783

багатофункціональні Рідкокристалічні

сенсори фізичних величин

01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Львів – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електронних приладів Національного університету “Львівська політехніка”

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

ЛОПАТИНСЬКИЙ Іван Євстахович

Національний університет “Львівська

політехніка”, завідуючий кафедрою

фізики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

КУРИК Михайло Васильович

Інститут фізики НАН України,

завідуючий відділом.

доктор технічних наук, професор

ЦІЖ Богдан Романович

Львівська державна академія ветеринарної

медицини ім. С. З. Гжицького,

завідуючий кафедрою загальнотехнічних

дисциплін.

Провідна організація - Інститут фізики напівпровідників НАН України, відділ рідких кристалів.

Захист дисертації відбудеться 24 грудня 2003 р. о 1430 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.12 у Національному університеті “Львівська політехніка”.

(79013, м. Львів-13, вул. С.Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул.Професорська, 1).

Автореферат розісланий “13”листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Заячук Д.М

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з напрямків розвитку сенсорної техніки є створення нових методів і пристроїв реєстрації та контролю фізичних величин: температури, тиску, переміщення, електричних чи магнітних полів та ін. На основі останніх досягнень оптики, мікроелектроніки, фізики напівпровідників та електронної техніки серед усієї гамми найрізноманітніших сенсорів у цьому напрямку слід виділити оптоелектронні, в яких використовують зміну параметрів світлового сигналу під впливом вимірюваного сигналу. При цьому все частіше як активне середовище застосовують оптично активні матеріали, а саме, рідкі кристали (РК), в яких використовують польові ефекти на нематичних і смектичних рідкокристалічних матеріалах. Дослідження останніх років показали можливість створення багатофункціональних сенсорів, у яких оптично активні матеріали, а саме, рідкі кристали змінюють свої властивості (орієнтацію молекул та ін.) в залежності від впливу зовнішньої вимірюваної фізичної величини. На початку 90-их років значного поширення для створення сенсорів набуло застосування волоконних світловодів. Поряд з цим постійно досліджуються фізичні процеси в рідкокристалічних матеріалах, а виявлення закономірностей та властивостей у них дозволяють використовувати їх для сенсорних пристроїв. Ряд робіт присвячено вивченню фізичних принципів створення на базі смектичних та нематичних рідких кристалів оптоелектронних рідкокристалічних сенсорів тиску, температури та магнітного поля. Основним недоліком їх є необхідність використання поляризаторів у зв’язку з тим, що для функціонування даного типу сенсорів використовують нематичні та смектичні рідкі кристали, які вимагають використання поляризованого світла, що, в свою чергу, призводить до втрати інформаційного сигналу та ускладнює структуру сенсора.

Один з відомих ефектів у рідких кристалах, а саме, нематико-холестеричний перехід ще недостатньо вивчений з точки зору застосування в сенсорній техніці, хоча відомо, що в холестеричних рідких кристалах крок індукованої спіралі може змінюватись відповідно до зміни температури, тиску і електричного поля. Тому, враховуючи, що холестерико-нематичний електрооптичний ефект в індукованих холестериках має високу чутливість до зовнішнього впливу, не вимагає використання поляризаторів та може бути застосований у структурах індукований холестерик – планарний світловод, то дослідження фізичних процесів в цих структурах та створення на їх основі сенсорів, у тому, числі багатофункціональних є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими роботами, планами і темами. Дослідження дисертаційної роботи проводились у відповідності з тематичними планами науково-дослідних держбюджетних і госпдоговірних робіт у Національному університеті “Львівська політехніка” з 1999 до 2002 року:

1.

2.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи полягає в дослідженні фізичних процесів, що відбуваються в рідкокристалічних матеріалах під дією температури, тиску, електричного та магнітного полів, та розробці багатофункціональних сенсорів фізичних величин на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах.

У відповідності до поставленої мети основна увага в роботі приділяється вирішенню таких завдань:

1. Дослідження впливу температури, тиску на крок індукованої спіралі немато-холестеричних сумішей рідких кристалів.

2. Дослідження залежності критичної напруги холестерико-нематичного переходу від тиску, температури та частоти керуючого сигналу.

3. Вивчення фізичних процесів роботи багатофункціональних сенсорів фізичних величин на основі рідких кристалів та світловодів.

4. Побудова математичної моделі роботи багатофункціональних сенсорів фізичних величин.

5. Створення експериментальних зразків багатофункціональних сенсорів температури, тиску та електричного поля на основі рідких кристалів.

Об’єктом дослідження є немато-холестеричні суміші на базі серійної нематичної суміші ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів з домішкою ефірів холестерину ряду одноосновних карбонових кислот при впливу змінного електричного поля, температури та тиску.

Предмет дослідження. В основу досліджень немато-холестеричних сумішей покладені стандартні оптичні та електрооптичні методи. Конструкції експериментальних установок розроблялися з урахуванням особливостей розсіюючих ефектів.

Методи досліджень. Для обробки експериментальних даних використовувались методи нелінійної апроксимації за допомогою комп’ютерного аналізу. Використовувались також методи дослідження електрооптичних, модуляційних, температурних і частотних оптичних характеристик рідкокристалічних сумішей з метою створення оптоелектронних сенсорів на їх основі.

Наукова новизна одержаних результатів

· Теоретично та експериментально виявлено, що при збільшенні величини поля відбувається руйнування холестеричної спіралі, що призводить до збільшення центрів розсіювання і, відповідно, до його зростання, а також розкручування холестеричної спіралі і перехід у стан прозорого гомеотропного нематика, що супроводжується зменшенням розмірів розсіюючої доменної структури і зменшенням розсіювання. Виявлено вклад селективної компоненти в загальний характер розсіювання світла при холестерико-нематичному переході.

· Виявлено, що для немато-холестеричних сумішей з нерідкокристалічною оптично активною домішкою спостерігається більше падіння напруги прямого переходу з ростом температури в порівнянні з немато-холестеричними сумішами з рідкокристалічною домішкою, що пояснюється виявленими відмінностями температурної поведінки кроку спіралі в цих сумішах.

· Встановлено взаємозв’язок між частотою керуючого електричного сигналу та інтенсивністю оптичного пропускання комірки з індукованим холестериком, що пов’язано зі зміною діелектричної анізотропії рідкого кристала. Показано, що в діапазоні частот 200Гц-1кГц холестерико-нематичний перехід може бути використаний як частотно-амплітудний перетворювач для побудови сенсорів.

· Розроблено нові структури оптоелектронних рідкокристалічних багатофункціональних сенсорів фізичних величин, а саме, температури і тиску на основі використання холестерико-нематичного переходу та планарного світловоду, здатних реєструвати температуру в діапазоні 230-330К та тиск у діапазоні 2-4 кбар.

Новизна практичних розробок захищена патентами.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведеної роботи є базовими для створення та розробки нових рідкокристалічних сенсорів фізичних величин і пристроїв обробки оптичної інформації. Встановлено взаємозв’язок між властивостями немато-холестеричних сумішей та їх частотно-модуляційними характеристиками. Створено ефективні сенсори фізичних величин на основі рідких кристалів зі стабільними параметрами в широкому інтервалі вимірювальних величин.

Теоретичні результати дисертації використано при виконанні держбюджетних науково-дослідних робіт в лабораторії НДЛ-3 Національного університету “Львівська політехніка”, у навчальному процесі Національного університету “Львівська політехніка” в лекційному курсі та практичних заняттях з дисципліни “Багатофункціональні та інтелектуальні сенсори для біомедицини” для студентів спеціальності “Фізична та біомедична електроніка”.

Особистий внесок здобувача. В роботі наведені результати досліджень, проведених особисто автором, а також у співпраці зі співробітниками лабораторії рідких кристалів кафедри електронних приладів Національного університету “Львівська політехніка”.

Дисертанту належить постановка задачі та вибір методів досліджень, узагальнення результатів експериментальних досліджень та підготовка матеріалів для публікації. Автор особисто проводив експериментальні дослідження. Дисертантом запропоновані та реалізовані технічні рішення з використання індукованих холестериків у пристроях оптоелектроніки, а саме ним проведено: дослідження холестерико-нематичного переходу та розсіювання світла в зразках індукованих холестериків [2,3,6,8]; теоретичний аналіз та експериментальні дослідження впливу частоти керуючого сигналу на оптичні характеристики рідкокристалічних матеріалів [7]; розробка математичної моделі та аналіз особливостей роботи багатофункціональних рідкокристалічних сенсорів [3,4,5]; дослідження впливу температури і тиску на оптичні характеристики рідких кристалів [1,5,13]; розробка оптичної схеми рідкокристалічного світловодного сенсора [9,11,14,15,16,18] розробка математичної моделі та розробка селектора довжин хвиль випромінювання [10,12,17].

Апробація результатів дисертації.

Основні результати роботи доповідались і обговорювались на:

1. 4th International Symposium on Microelectronic Technologies and Microsystems (Цвікау, Німеччина, 2000 р.)

2. International Conference on Optoelectronic Information Technologies (Вінниця, Україна, 2001 р.)

3. 21th International Display Research Conference in Conjunction with the 8th International Display Workshops (Нагоя, Японія, 2001р.)

4. International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems (Пітешті, Румунія, 2001 р.)

5. AMSE Conference (Львів, Україна, 2001 р.)

6. XIV Conference on Liquid Crystal (Chemistry, Physics and Applications) (Закопане, Польща, 2001 р.)

7. 25th International Conference and Exhibition IMAPS (Жешув, Польща, 2001 р.)

8. 6th European Conference on Liquid Crystals (Галле, Німеччина, 2002 р.)

9. 4th International Conference on “Electronic Processes in Organic Materials”(Львів, Україна, 2002 р.)

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в 18 наукових працях, у тому числі 2 патентах, і в 10 матеріалах конференцій та тезах конференцій

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків та списку літератури. Вона містить 145 сторінок, 65 рисунків, 3 таблиці та 99 використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі роботи, наведені положення про наукову новизну та практичну значимість роботи, а також представлені відомості про апробацію роботи та публікації за темою дисертаційної роботи.

У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано сучасний стан розвитку сенсорів фізичних величин на основі рідких кристалів. Проведено класифікацію сенсорів, виділено класифікаційні ознаки та основні характеристики сенсорів.

Розглянуто оптичні характеристики рідкокристалічних матеріалів та електрооптичні ефекти в них з метою використання їх для створення сенсорів фізичних величин. Нематики і смектики А - оптично одновісні кристали. Холестерики, внаслідок періодичності їх структури, можуть давати бреггівське відбивання у видимому діапазоні спектра. В нематиках і холестериках носієм властивостей є рідина (середовище, яке легко деформується), тому вони досить чутливі до зовнішнього впливу. Крок спіралі в холестериках і, відповідно, довжина хвилі світла при бреггівському відбиванні залежать від температури і тиску. Електрооптичні ефекти в різних РК та їх сумішах мають певні особливості та різні механізми. Основна увага приділена аналізу холестерико-нематичного фазового переходу. структур і конструкції існуючих сенсорів фізичних величин на основі електрооптичних ефектів у рідких кристалах.

На основі проведеного аналізу стану розвитку рідкокристалічних сенсорів температури і тиску наведені недоліки існуючих сенсорів. Показано, що найбільш доцільною для рідкокристалічних сенсорів є гомеотропна орієнтація молекул рідкого кристала в плоскопаралельній комірці (за відсутності електричного поля молекули орієнтуються паралельно до площин комірки). Крім цього у відомих сенсорах існує необхідність використання поляризаторів та аналізаторів у структурах сенсорів, що призводить до втрат величини інформативного сигналу. Показано переваги використання волоконних світловодів з рідкими кристалами та використання холестерико-нематичного переходу для контролю фізичних величин. Обґрунтовано вибір матеріалу для досліджень, а саме, індуковані холестерики на основі сумішей оксиціанобіфенілів та ціанобіфенілів.

Другий розділ дисертації присвячений результатам дослідження холестерико-нематичного переходу з точки зору використання в оптоелектронних сенсорах фізичних величин. Наведена методика постановки задачі та характеристика об’єктів досліджень.Для вимірювання діелектричних та електрооптичних параметрів було виготовлено комірки типу "сандвіч". Як електропровідне прозоре покриття використовувалася плівка SnO2 та провідні полімерні покриття, а саме поліанілін. Товщина шару рідкого кристала в комірці задавалась за допомогою діелектричної плівки і складала 25 мкм - для дослідження електрооптичних параметрів, 100 мкм - для дослідження діелектричних параметрів. В якості нематичних матриць використовувались такі речовини: n-гексилоксифеніловий ефір n-капроноксибензойної кислоти, n-гексилоксифеніловий ефір n- бутоксибензойної кислоти, n-гептилоксифеніловий ефір n- гексилоксибензойної кислоти, алкоксибензойні кислоти, CЖК-1. Для створення індукованої спіральної структури в нематичні матриці вводились ефіри холестерину, члени гомологічного ряду одноосновних карбонових кислот. Наведені основні параметри рідких кристалів, а саме, температурні інтервали існування рідкокристалічних фаз, довжини молекул та їх дипольні моменти.

Проведено дослідження частотних залежностей критичної напруги переходу (рис.1). Розроблено RC модель рідкокристалічної комірки та проведено її аналіз з метою встановлення взаємозв’язку між інтервалом частот електричного сигналу та діапазоном оптичного пропускання комірки. Послідовно до комірки з рідким кристалом увімкнений резистор, і на це коло подається певна напруга з заданою частотою від генератора синусоїдальних коливань. У цьому випадку комірка виконує роль конденсатора.

Ємність комірки не буде константою, а залежатиме від величини діелектричної проникності, зумовленої орієнтацією директора n РК. Показано, що при зростанні частоти сигналу реактивний опір комірки зменшується, відповідно напруга на ній падає, що зумовлює зменшення діелектричної проникності , що в свою чергу призводить до зменшення ємності , зростання реактивного опору та напруги. Для усунення цього недоліку було запропоновано ввімкнути паралельно до комірки конденсатор з набагато більшою ніж у комірки ємністю С0 >> Ск, в цьому випадку ємністю Ск можна знехтувати і вважати, що через комірку не буде протікати струм зміщення. Показано, що для зміни частотного діапазону електричного сигналу, поданого на комірку, необхідно змінювати параметри RC-кола, враховуючи РК комірку (рис.1,2.).

Рис.1. Залежність інтенсивності пропускання світла коміркою від частоти керуючого сигналу при різних значеннях його амплітуди для СЖК1+1%ВІХН: 1-U=15B, 2- U=20B, 3-U=25B. |

Рис.2. Залежність інтенсивності пропускання світла коміркою від частоти керуючого сигналу при різних значеннях його амплітуди для СЖК1+2.5%ВІХН: 1-U=20B, 2- U=30B, 3-U=40 B .

Вибрано методику визначення температурної залежності кроку холестеричної спіралі. Серед багатьох відомих методів визначення величини кроку спіралі (за кутовою залежністю бреггівського розсіювання, за довжиною хвилі максимального відбивання, малокутовим розсіюванням світла тощо) метод клину Кано є простішим, не вимагає використання складного обладнання та забезпечує достатню (похибка до 10%) точність вимірювань. Згідно з даною методикою крок індукованої спіралі визначається за формулою:

Р0 = 2lsin .

Рис.3. Залежність вільного кроку спіралі від температури для сумішей на базі нематичної матриці СЖК з оптично активною домішкою ВІХН-3: 1 _ %, 2 _ ,7%, 3 – 1%, 4 – 0,6%. |

Рис.4 Температурні залежності критичних напруг прямого ХНП для сумішей на основі нематичної матриці СЖК з оптично активною домішкою ВІХН-3: 1 – 0,6%; 2 –1,7%; 3 –2%.

В сумішах з нерідкокристалічною домішкою ВІХН-3 зростання температури призводить до збільшення кроку індукованої спіралі (рис.3). Ці залежності мають лінійний характер, причому в сумішах з меншими концентраціями оптично активної домішки спостерігається більша крутизна характеристики.

Температурна поведінка критичних полів визначається, в основному, характером зміни таких фізичних параметрів немато-холестеричних сумішей як константи пружності Франка та крок індукованої спіралі (рис.4).

Рис.5. Залежність вільного кроку спіралі від тиску для сумішей на базі нематичної матриці з оптично активною домішкою: 1 – ,9%, 2 _ ,6%, 3 – 1%.

Проведено дослідження впливу тиску на оптичні властивості індукованих холестериків. У випадку використання сумішей на основі нематичної матриці СЖК з оптично активною домішкою ВІХН-3 були отримані залежності кроку індукованої спіралі від тиску, зображені на рис.5.

Наведено методику обробки експериментальних даних. У випадках, коли необхідну величину неможливо виміряти безпосередньо, вимірювались деякі величини (аргументи), пов’язані з шуканою величиною функціонально, а шукана величина розраховувалась.

Третій розділ дисертації присвячено аналізу фізичних процесів у структурах рідкокристалічних багатофункціональних сенсорів. Розглянуто фізичні основи поширення світла в світловодах з метою вибору типу світловоду для використання в сенсорних структурах. Аналіз оптичних характеристик світловодів та рідкокристалічних матеріалів показує, що найбільш доцільною є гомеотропна орієнтація молекул РК у плоскопаралельній комірці, незалежно від типу кристалів. За відсутності електричного поля молекули орієнтуються паралельно до площин комірки і осі світловоду.

Проведено математичне моделювання сенсора зі змінним показником заломлення чутливого елемента. На рис.6 зображено розповсюдження випромінювання в такому сенсорі.

Рис.6. Схематичне зображення робочої ділянки сенсора зі зміним показником заломлення чутливого елемента: 1 - рідкокристалічний матеріал; 2 - світловод.

Проведено розрахунок максимальних та мінімальних значень вихідної потужності в залежності від зміни показника заломлення рідкокристалічного матеріалу:

,

Для оцінки було проведено розділення інтегралу на дві частини:

1) в діапазоні кутів від 1кр=arcsin(n2/n1) до 1макс, в якому виконується умова повного внутрішнього відбивання.

2) в діапазоні кутів від 1мін до 1кр, де умова повного внутрішнього відбивання не виконується.

В результаті проведених розрахунків, величини максимальних та мінімальних значень потужності випромінювання можуть бути визначені згідно з виразами:

,

,

де 1кр=arcsin[(n20+n2)/n1]

Проведений розрахунок дає можливість математично оцінити відносні величини мінімально та максимально можливих потужностей вихідного випромінювання в сенсорі зі змінним показником заломлення чутливого матеріалу.

Досліджено залежності показника заломлення нематичних матриць від температури. При використанні нематичних рідкокристалічних сумішей для заповнення капсули активного елемента сенсора домінуюче значення має вибір величини звичайного показника заломлення ne і незвичайного no. Показник заломлення досліджуваного матеріалу залежить від температури, причому відбувається зростання звичайного і зменшення незвичайного показників заломлення.

Відзначено два теоретичних підходи, пов’язані з різними фізичними процесами, що відбуваються в індукованих холестериках при збільшенні величини прикладеного поля. При збільшенні величини, поля, по-перше, відбувається руйнування холестеричної спіралі, що призводить до зростання розсіюючих центрів і, відповідно, до зростання розсіювання, а по-друге, розкручування холестеричної спіралі і перехід у стан прозорого гомеотропного нематика, що супроводжується зменшенням розмірів розсіюючої доменної структури і зменшенням розсіювання.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці багатофункціонального сенсора на основі планарного світловоду та фазового переходу в індукованому холестерику. Відомо, що середній показник заломлення матеріалу рівний 1,5. Показано, що для функціонування сенсора слід забезпечити виконання таких вимог: сумірність довжини хвилі випромінювання, що поширюється світловодом та кроку індукованої спіралі, а саме, P= /n , початкову планарну текстуру та вибір матеріалу серцевини з показником заломлення меншим, ніж показник заломлення індукованого холестерика. При цьому, за відсутності дії зовнішнього фактора мало б виникнути висвічування променів на ділянці оточення серцевини рідким кристалом, але наявність селективного відбивання повертає промінь назад у світловод.

Рис.7. Конструкція сенсора на основі планарного хвилеводу та комірки з індукованим холестериком: 1 – джерело випромінювання; 2 – приймач випромінювання; 3– рідкокристалічна комірка; 4 – вплив зовнішнього фактора.

Зовнішній вплив призводить до зміни кроку індукованої спіралі, що, в свою чергу, порушує умову селективного відбивання, внаслідок чого відбувається висвічування світла за межі скловолокна. Зовнішніми факторами, що змінюють крок індукованої спіралі Р, є тиск, температура та електромагнітні поля. Запропонована конструкція багатофункціонального сенсора (рис.7.)

Показано, що існує два способи реєстрації температури за допомогою сенсора на основі рідких кристалів в якості чутливого елемента. Перший спосіб полягає в безпосередній зміні оптичних характеристик рідкокристалічних матеріалів, таких як зміна показників оптичного відбивання, пропускання при зміні температури. В цьому випадку змінними параметрами є крок індукованої спіралі в немато-холестеричних сумішах та комплексний показник заломлення в нематичних матрицях. Для реєстрації тиску необхідно створити мембрану на місці покривної пластини.

Отримані результати досліджень залежностей критичної напруги холестерико-нематичного переходу дають змогу пояснити принцип роботи порогового сенсора температури. Принцип дії такого сенсора базується на зміні прозорості РК комірки під дією температури при сталій напрузі. Так, при значенні напруги на комірці 35 В (рис.8, залежність 1) поріг спрацьовування такого сенсора припадає на температуру 310 К.

Рис.8. Температурні залежності величини Ucn для холестерико-нематичних сумішей: 1-СЖК-1+5%бороксан+1.2%ВІХН-3; 2-СЖК-1+1.5%ВІХН-3; 3-СЖК-1+2%ВІХН-3.

Величина порогу спрацьовування задається значенням керуючої напруги. Фактично такий сенсор може реєструвати температури в діапазоні 270-340 К, а сама ширина діапазону визначається діапазоном існування мезофази оптично активного середовища. Проведені експериментальні дослідження показують доцільність використання холестерико-нематичного переходу для створення порогових сенсорів внаслідок простоти конструкції та технології виготовлення в поєднанні з високою надійністю таких пристроїв.

Розроблені нові структури оптоелектронних рідкокристалічних багатофункціональних сенсорів фізичних величин на основі використання холестерико-нематичного переходу та планарного світловоду, дають змогу реєструвати температуру в діапазоні 230-330К та тиск у діапазоні 2-4 кбар.

Нами показана можливість використання контрольованого двозаломлення нематичного рідкого кристала для селектора довжин хвиль випромінювання. Проведено математичне моделювання та розрахунок оптичних характеристик селектора мод. Розрахунки базувалися на двозаломленні нематичного рідкого кристала та особливостях поширення світла в світловоді.

Зміна діелектричної проникності та показника заломлення має вигляд:

,

,

Проведемо розрахунок проходження світла в системі зі змінним показником заломлення:

,

,

де, - _ребелівські відбиваючі фактори.

Модуляційний фактор такої системи має вигляд:

,

де Imax, Imin – це відповідно вихідні максимальні та мінімальні значення інтенсивності світла, що пройшло через систему зі змінним показником заломлення .

Інтенсивність Imax визначається при n2=n20, інтенсивність Imin – при n2=n20+n:

Підставляючи Imax, Imin, проведено обчислення модуляційного фактора.

За умови однакової інтенсивності за всіма кутами в діапазоні від 11 до 12, отримаємо ,

,

.

Проведене моделювання, в рамках запропонованої моделі, дає змогу оцінити зміни інтенсивності світлового сигналу при проходженні через світловод з рідкокристалічною зовнішньою оболонкою та пояснити фізику роботи запропонованої структури селектора, при зміні діелектричної анізотропії рідкокристалічного матеріалу, зумовленій переорієнтацією рідкокристалічних молекул під дією електричного поля чи зміни температури.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

1. В результаті проведених досліджень впливу температури і тиску на критичне поле холестерико-нематичного переходу, виявлено, що зростання температури і тиску призводить до зменшення напруги переходу, що покладено в основу створення сенсорів електричного поля, температури і тиску.

2. Розроблена RC модель комірки з немато-холестеричним рідким кристалом та проведено аналіз цієї моделі з метою встановлення взаємозв’язку між інтервалом частот електричного сигналу та діапазоном оптичного пропускання комірки. Показано, що для зміни частотного діапазону електричного сигналу, поданого на комірку, необхідно змінювати параметри RC-кола, враховуючи параметри РК матеріалу, а саме, величину порогового поля холестерико-нематичного переходу. Показана можливість використання рідкокристалічної комірки в якості задаючого елемента при перетворенні електричного сигналу певної частоти в амплітудно модульований оптичний сигнал.

3. Проведено дослідження розсіювання світла в індукованих холестериках. Теоретично та експериментально виявлено, що при збільшенні величини поля відбувається руйнування холестеричної спіралі, що призводить до зростання розсіюючих центрів і, відповідно, до збільшення розсіювання, а також розкручування холестеричної спіралі та перехід у стан прозорого гомеотропного нематика, що супроводжується зменшенням розмірів розсіюючої доменної структури і зменшенням розсіювання. Виявлено вклад селективної компоненти в загальний характер розсіювання світла при холестерико-нематичному переході.

4. Виявлено закономірність зміни кроку індукованої спіралі з температурою від складу компонент в індукованих холестериках. Показана можливість отримання максимальної крутизни залежності кроку від температури, що дає змогу створити на таких кристалах сенсори з високою чутливістю (0,05мкм/град).

5. Розроблено нову структуру багатофункціонального сенсора фізичних величин на базі індукованого холестерика та планарного світловоду. Показано можливість використання планарного світловоду в якості елемента трансмісії світла завдяки спрощенню процесу орієнтації РК шару для сенсорів зовнішніх полів у приладах інтегральної оптики.

6. Проведено моделювання роботи сенсора фізичних величин на базі рідких кристалів зі змінним показником заломлення під дією температури чи електричного поля. В рамках запропонованої моделі, побудованої на основі розрахунку зміни інтенсивності світлового сигналу при проходженні через світловод з рідкокристалічною зовнішньою оболонкою, пояснено фізику роботи запропонованих структур сенсорів, яка полягає в зміні діелектричної анізотропії рідкокристалічного матеріалу, зумовленій переорієнтацією рідкокристалічних молекул під дією електричного поля чи зміни температури.

7. Розроблено селектор хвиль випромінювання на основі планарного хвилеводу та рідкого кристала. Селектор довжин хвиль випромінювання містить послідовно встановлені три і більше плоскі світловоди з рідкокристалічними комірками, зміщеними почергово одна відносно одної, причому значення величини кроку холестеричної спіралі для всіх сумішей рідкокристалічної комірки є різним. Проведено математичне моделювання роботи селектора.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Микитюк З.М., Нуцковський М.С., Сушинський О.Є., Черпак В.В. Електрооптика подвійних РК структур// Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. - 2000.- № 393. - С.134-137.

2. Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В.Г. Розсіювання світла на конфокальних доменах в індукованих холестериках// Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Сер. “Електроніка”. - 2000.- № 397. - С.70-77.

3. Микитюк З.М., ГотраО.З., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В.Г, Даланбаяр Б. Багатофункціональний рідкокристалічний сенсор //Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Сер. “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. – 2001. - №427. - С. 143-149.

4. I. Lopatynsky, Z.V.A.. Modeling of electric field distribution in the reflective cholesteric liquid crystal display //Вісник Національного університету “Львівська політехніка”. Сер. “Елементи теорії та прилади твердотільної електроніки”. – 2002. - №458. - С. 226 -230.

5. Z.Mykytyuk, V.Ivanytskyy, V.Cherpak, B.Dalanbayr, A.Fechan. Liquid crystal as active elements of sensors based on planar waveguide //Opto-Electronics Review.- 2002.-Vol. 10(1).- P. 79-82.

6. O.Hotra, J.Semenova, A.Fechan, V.Cherpak. Liquid crystal modulators of visible and infra-red laser radiation// Proc. of SPIE.- 2001.- Vol. 4425.-P. 460-464.

7. Z.Mykytyuk, O.Sushynskyy, V.Cherpak, B.Dalanbayar. Frequency-amplitude transformer on LC cells for frequency indicators// Proc. of International Symposium on Microelectronics Technology and Microsystems, Zwikcau, Germany.- 2000.- P. 56-61.

8. Z.Mykytyuk, V.Cherpak, V.Ivanytskyy, B.Dalanbayr. Light scattering on domain structures in induced cholesteric//Abstracts of Europe Conference of Liquid Crystal, Halle, Germany.- 2001.- P. 2-P-29.

9. Z.Mykytyuk, V.Ivanytskyy, V.Cherpak, B.Dalanbayar. Concept of full-color WGLCD// Proc. of 21th International Display Research Conference in Conjunction with the 8th International Display Workshops, Nagoya, Japan.- 2001.-P. 257-259.

10. Z.Mykytyuk, B.Dalanbayar, V.Cherpak, V.Ivanytskyy. Waveguide spectral selector on base of liquid crystal// Proc. of 21th International display research conference in conjunction with the 8th International display workshops, Nagoya, Japan.- 2001.-P.105-108.

11. Z.Mykytyuk, O.Gotra, Y.Semenova, V.Ivanytskyy, B. Dalanbayar, I. Smaluh, V.Cherpak. Mode switching by using the LC cell //Proc. of International Symposium on Microelectronics Technologies and Microsystems, Pitesti, Romania.- 2001.-P.47-50.

12. Z.Mykytyuk, W.Kalita, O.Hotra, B.Dalanbayar, V.Cherpak. Waveguide spectral selector on base of liquid crystal// Proc. of AMSE Conference MS’2001.- Lviv, Ukraine.- P.174-175.

13. Z.Mykytyuk, V.Ivanytskyy, V.Cherpak, A.Fechan. Liquid crystal as active element of sensor based on planar waveguide// Abstracts of XIV Conference on liquid crystal (Chemistry, Physics and applications), Zakopane, Poland.- 2001.- P. C9.

14. Z.Mykytyuk, O.Hotra, A.Fechan, V.Ivanytskyy, V.Cherpak. Waveguide analyzer on base of induced cholesteric liquid crystal// Proc. 25th International conference and exhibition IMAPS – Poland.- 2001.-P. 135-138.

15. Z.Mykytyuk, V.Cherpak, Y.Semenova, A.Fechan, V.Ivanytskyy, B.Dalanbayar. Modelling of Pixel Electrode System of Reflective cholesteric liquid crystal display// Abstracts of International Conference “Electronic Processes in Organic Materials”, Lviv, Ukraine.- 2002.- P. 64.

16. Z. Mykytyuk, V. Cherpak, J. Semenova. A new creation method of color display based on cholesteric liquid crystal// 4th International Conference on “Electronic Processes in Organic Materials”, June 3-8, Lviv, Ukraine.- 2002.- P. 66.

17. Пат. №48576 Україна А.//Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В.Г., Даланбаяр Б. Селектор довжин хвиль випромінювання, 15.08.2002, бюл.№8.

18. Пат. №48577 Україна А.//Микитюк З.М., Сушинський О.Є., Черпак В.В., Іваницький В.Г., Даланбаяр Б. Світловодний рідкокристалічний дисплей, 15.08.2002, бюл.№8.

Анотація

Черпак В.В. Багатофункціональні рідкокристалічні сенсори фізичних величин - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем, Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2003.

Робота присвячена дослідженню фізичних аспектів функціонування та створення багатофункціональних сенсорів фізичних величин на основі електрооптичного ефекту при холестерико-нематичному переході. В основу досліджень покладені немато-холестеричні суміші ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів з домішкою ефірів холестерину ряду одноосновних карбонових кислот. Виявлено вплив селективної компоненти на характер розсіювання світла. Встановлено зв’язок між крутизною температурної залежності кроку спіралі і параметрами індукованого холестерика та оптимальний частотний діапазон керуючого сигналу шляхом модифікації складу немато-холестеричних сумішей. Розроблено нову структуру багатофункціонального сенсора фізичних величин на базі індукованого холестерика та планарного світловода. Представлено моделі функціонування сенсора фізичних величин на базі рідких кристалів зі змінним показником заломлення під дією температури чи електричного поля, побудованих на основі розрахунку зміни інтенсивності світлового сигналу при проходженні через рідкокристалічний сенсор, пояснено фізику роботи запропонованих структур сенсорів. Розроблено нові структури оптоелектронних рідкокристалічних багатофункціональних сенсорів системи планарний світловод – рідкий кристал для реєстрації фізичних величин та частотно-амплітудний перетворювач у діапазоні частот 200Гц-1кГц, які здатні реєструвати температуру в діапазоні 230-330К та тиск у діапазоні 2-4 кбар.

Ключові слова: рідкий кристал, холестерико-нематичний перехід, температура, тиск, багатофункціональний сенсор.

Аннотация

Черпак В.В. Многофункциональные жидкокристаллические сенсоры физических величин – рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01- Физика приборов, элементов и систем, Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2003.

В работе исследованы физические аспекты функционирования и создания многофункциональных жидкокристаллических сенсоров физических величин на основе электрооптического эффекта при холестерико-нематическом переходе. В основу исследований положены немато-холестерические смеси цианобифенилов и оксицианобифенилов с примесью эфиров ряда одноосновных карбоновых кислот. Обнаружено влияние селективной компоненты на характер рассеивания света. Уставлена связь между крутизной температурной зависимости шага спирали и параметрами индуцированного холестерика и оптимальный частотный диапазон управляющего сигнала путем модификации состава немато-холестерических смесей. Разработан новый многофункциональный жидкокристаллический сенсор физических величин на основе структуры индуцированный холестерик – планарный световод. Представлены модели функционирования сенсора физических величин на основе жидких кристаллов со сменным показателем преломления под воздействием температуры и электрического поля, расчитанные на основе изменения интенсивности светового сигнала, проходящего через жидкокристаллический сенсор, объяснена физика работы предложенных структур сенсоров. Разработаны новые структуры оптоэлектронных жидкокристаллических многофункциональных сенсоров физических величин и частотно-амплитудный преобразователь в диапазоне частот 200Гц-1кГц, способные регистрировать температуру в диапазоне 230-330К и давление в диапазоне 2-4 кбар.

Ключевые слова: жидкий кристалл, холестерико-нематический переход, температура, давление, многофункциональный сенсор.

Abstract

Cherpak V.V. Multifunctional liquid crystal sensors of physical values. – The thesis is a manuscript.

The thesis for Candidate degree in Physic and Mathematic Science on speciality 01.04.01. – Physics of Devices, Elements and Systems, Lviv Polytechnical National University, Lviv, Ukraine, 2003.

The presented paper deals with investigation of physical aspects of multifunctional sensors of physical values functioning and designing on the base of electrooptical effect during the cholesteric-nematic transition. The nematic-cholestreric mixtures on the base of cianobiphenile and oxicianobiphenile mixtures with the dopant of cholesterol of mixed carbon acid ether. The selective component influence on light scattering were observed. The maximum induced pitch dependences on temperature and pressure, and frequency range of control signal were estabilished by modification of nematic-cholesteric mixture content. The new structure of multifunctional sensors of physical values functioning on the base of induced cholesteric and planar waveguide were designed. The advantage of given construction over previously offered is using of planar wave guide. This will alleviate a creation process orientation of substrate for liquid crystal layer orientation on it, because director-surface anchoring effected on the helix pitch of induced cholesteric liquid crystal.

The models of sensors functioning on the base of liquid crystal with the changing reflecting index on temperature and electric fields, built on light intensity changing during the light passing across the liquid crystal sensor were presented. At the calculation of sensor based on controlled waveguide responses it is necessary to define both input energy parameters of light and geometrical position of the polar pattern of light source, which is characterized by axial and boundary beams. Refractive indexes of LC mixture and waveguide are chosen to confirm condition . Thus at this the total reflection is violated but due to selective reflection on spiral structure of cholesteric light return to waveguide.

The attempt to analyze characteristics of liquid crystal materials with aim to its application for modern optoelectronic sensor schemes was done. The example of calculation and construction of such type sensor are shown. The advantages of presented sensor structure are possibility of its creation in one production cycle of optoelectronic integral circuit. Due to high sensitivity of liquid crystal materials to external influences we can conclude that LC application in sensor devices are perspective and advisability.

The construction of multifunctional sensors with variable liquid crystal probe foresees measuring of pressure in diapason to 2-4 kbar, a temperature in boundary paths 223-333К was considered. There is a possibility to register the week magnetic fields and electric fields in boundary paths to 2·106 V/m.

Key words: Liquid crystal, cholestteric-nematic transition, temperature, pressure, multifunctional sensor.