Електрооптика та структурні особливості системи "рідкий кристал-наночастинки-полімер"

The liquid crystal-polymer-nanoparticles samples with a non-zero concentration of all components we classify under two groups according to two limiting cases of polymer morphology. The first group, corresponding to small polymer concentration, comprises liquid crystals filled with nanoparticles that are stabilized with a polymer network. It is found that, in addition to the light scattering caused by the liquid crystal orientational defects, the refractive index mismatch between liquid crystal and aggregates of nanoparticles may significantly affect the electro-optic contrast and its angular characteristics.

The second group is represented by PDLC filled with nanoparticles. It is established that, in the process of photoinduced phase separation of the liquid crystal-nanoparticles- prepolymer mixture, the nanoparticles are mainly involved with the polymer, serving as building blocks for the polymer matrix. When the aggregation rate of the nanoparticles is high or their size is large, the nanoparticles can radically enhance light scattering in the polymer. For low aggregation rate, nanoparticles can modify the effective refractive index of the polymer phase without producing strong optical inhomogeneity. In the latter case, the refractive index mismatch of liquid ctystal and modified polymer changes that influences light scattering in the composites dependent on the electric field. For instance, by changing concentration and sort of nanoparticles one can substantially modify angular dependence of sample transmittance in the on state. By this way, off-axis haze, as a typical problem of PDLC samples, can be fundamentally solved.

Additionally, we found that some sorts of nanoparticles may react with other components of the composites. For instance, TiO₂ nanoparticles react with the specific component of prepolymer causing yellow color appearance and incomplete polymerization of the prepolymer composition. The potential reaction between the composite's components should be taken into account by the material selection for the liquid crystal-polymer-nanoparticles composites.

The observed electro-optic effects show liquid crystal-nanoparticles-polymer composites as materials of considerable promise for liquid crystal displays and other electro-optic applications.

Keywords: liquid crystals; monodispersed colloidal nanoparticles; PDLC; filled liquid crystal; morphology; light scattering; electro-optics.

АНОТАЦІЯ

Долгов Л.О. Електрооптика та структурні особливості системи “рідкий кристал-наночастинки-полімер”.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.15 - фізика молекулярних і рідких кристалів. Інститут фізики Національної академії наук України, Київ, 2007.

У дисертаційній роботі досліджуються структурні особливості та електрооптичні характеристики композитів типу „рідкий кристал-наночастинки-полімер“, сформованих при фотоіндукованій фазовій сепарації полімеру. Досліджені композити можна розділити на дві групи відповідно до двох граничних типів морфології полімерної фази. До першої групи належать композити з малим вмістом полімеру - наповнені нематики, стабілізовані полімерною сіткою. Показано, що в таких композитах, поряд із розсіянням світла на орієнтаційних дефектах рідкого кристала, може спостерігатися суттєве розсіяння зумовлене різницею показників заломлення рідкого кристала та матеріалу наночастинок. Останнє впливає на електрооптичний контраст та кутову характеристику пропускання. Друга група включає капсульовані рідкі кристали, наповнені наночастинками. Встановлено, що в процесі фотоіндукованої фазової сепарації та формування капсульованого рідкого кристала, наночастинки переважно потрапляють у полімерну фазу. При цьому змінюється як ступінь оптичної неоднорідності полімерної матриці, так і її ефективний показник заломлення. Останнє впливає на різницю показників заломлення рідкого кристала і полімеру, тобто, на електрокеровану частину світлорозсіяння в системі. Шляхом оптимізації показника заломлення матеріалу, розміру та концентрації наночастинок, було досягнуто вирівнювання кутової характеристики світлопропускання шарів композитів у ввімкненому стані, що особливо важливо для дисплейних застосувань таких систем. В роботі вказано на необхідність ретельного відбору та перевірки на сумісність компонент композита для запобігання хімічним реакціям між ними.

Ключові слова: рідкі кристали, монодисперсні колоїдні наночастинки, капсульовані рідкі кристали, наповнені рідкі кристали, морфологія, світлорозсіяння, електрооптика.

АННОТАЦИЯ

Долгов Л.О. Электрооптика и структурные особенности системы “жидкий кристалл-наночастицы-полимер”.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.15 - физика молекулярних и жидких кристаллов. Институт физики Национальной академии наук Украины, Киев, 2007.

В диссертационной работе исследуются структурные особенности и электрооптические характеристики композитов типа „жидкий кристалл-наночастицы-полимер“, сформированных при фотоиндуцированной фазовой сепарации полимера. Исследованные композиты можно разделить на две группы в соответствии с двумя граничными типами морфологии полимерной фазы. К первой группе относятся композиты с малым содержанием полимера - наполненные нематики, стабилизированные полимерной сеткой. Показано, что в таких композитах, вместе с рассеянием света на ориентационных дефектах жидкого кристалла, может наблюдаться существенное рассеяние за счет рассогласования показателей преломления жидкого кристалла и наночастиц. Последнее влияет на электрооптический контраст и угловую характеристику пропускания. Вторая группа включает капсулированные жидкие кристаллы, наполненные наночастицами. Установлено, что в процессе фотоиндуцированной фазовой сепарации и формирования капсулированного жидкого кристалла, наночастицы преимущественно захватываются полимерной фазой. При этом изменяется как степень оптической неоднородности полимерной матрицы, так и ее эффективный показатель преломления. Последнее влияет на разность показателей преломления жидкого кристалла и полимера, то есть, на электроуправляемую часть рассеяния в системе. Путем оптимизации показателя преломления, размера и концентрации наночастиц, достигнуто существенное выравнивание угловой характеристики светопропускания слоев композитов во включенном состоянии, что особенно важно для дисплейных применений таких систем. В работе указано на необходимость тщательного отбора и проверки на совместимость компонентов композита для предотвращения химических реакций между ними.

Ключевые слова: жидкие кристаллы, монодисперсные коллоидные наночастицы, капсулированные жидкие кристаллы, наполненные жидкие кристаллы, морфология, светорассеяние, электрооптика.