МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В ПОЛИКАПИЛЛЯРНЫХ МАТРИЦАХ

February 10, 2013 by admin Комментировать »

Дрокин Н. А., Тимашов В. А. Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН г. Красноярск, Академгородок, 660036, Россия тел.: (3912) 494591, e-mail: drokin@iph.krasn.ru

Аннотация – Приведена методика измерений диэлектрической проницаемости (ДП) полярных жидких кристаллов (ЖК), помещенных в макропористые поликапиллярные матрицы в дециметровом диапазоне длин волн. Определены эффективные значения ДП пористой матрицы и вычислены истинные значения ДП жидкого кристалла в порах.

I.                                       Введение

Требования, предъявляемые к современным жидкокристаллическим устройствам отображения информации, микроэлектроники и СВЧ -техники стимулируют продолжение исследований по разработке и реализации различных композитных структур, в которых ЖК закпючен в твердую матрицу. К таким структурам, в частности, относятся капельные ансамбли ЖК, диспергированные в полимерные матрицы, а также пористые стекпообразные или регулярные среды [1]. Для исследования ДП ЖК в нано- поровых полимерных матрицах была предложена методика определения нормированных значений действительной компоненты ДП, применимая к специально разработанной конструкции измерительного микрополоскового резонатора [2]. В данной работе описываются особенности методики определения абсолютных значений ДП жидкого кристалла (смесь ЛН 396), помещенного в поликапиллярные макропористые матрицы, применяемые в рентгеновской оптике (линзы Кумахова).

II.                              Основная часть

к настоящему времени диэлектрические характеристики ЖК изучались в пористых стеклах, а также в матрицах с параллельными цилиндрическими порами. Среди таких матриц наиболее широкое распространение имеют (Апароге membranes), получаемые методом электрохимического анодирования, и пористые полимерные пленки, поры в которых создаются методом облучения тяжелыми ионами (Nucle- роге membranes, ядерные поры). В настоящей работе использован новый тип пористой матрицы на основе стекло-капилляров, собранных в монолитную систему (рентгеновский волновод). Технология получения таких волноводных структур чрезвычайно сложна и позволяет сформировать в одном квадратном сантиметре сечения волновода сотни тысяч и десятки миллионов каналов с диаметром от долей миллиметра и до субмикронных размеров (поли- капиллярная технология) [3].

Для данной работы из рентгеновского волновода диаметром -10 мм были изготовлены две матрицы в форме дисков с диаметром пор 100 и 5 мкм и толщиной дисков 0.975 и 0.996 мм соответственно. Относительная концентрация пор определяется прямым подсчетом отношения поровых отверстий к общей площади матрицы и составляет величину ν = 0.2 ±

0.       02 (20 %) для матрицы с порами 100 мкм. Определение соответствующей концентрации 5мкм пор осложнено тем, что между сотовыми ячейками, в которых находятся капилляры, имеются неоднородные прослойки (рис.З). В пределах одной ячейки-соты относительная концентрация пор определена и составляет величину v=0.52±0.02. Различные способы оценки концентрации пор по всей матрице дают лишь ориентировочные значения v=0.45±0.1.

Рис. 1. Сотовая структура матрицы и капилляры диаметром 5 мкм.

Fig. 1. Honeycomb structure ofthe matrix and the capillary with 5 μm diameter

В данной работе используются достаточно большие размеры пор 100 и 5 мкм в которых ЖК существенно не изменяют свои морфологические и диэлектрические свойства. Это позволяет наиболее просто отрабатывать методику диэлектрических измерений таких сред с помощью высокочувствительных микрополосковых резонансных датчиков дециметрового диапазона длин волн [2]. В таких устройствах образец помещается в измерительную ячейку (сосредоточенную емкость, рис.2), расположенную в пучности СВЧ -электрического поля резонатора.

Рис. 2. Измерительная ячейка.

Fig. 2. Measuring cell

Так как поверхность пленки параллельна обкпад- кам конденсатора, измерительную ячейку можно представить как регулярную двухслойную систему. Один слой, толщиной (Λι) – воздушный 8i=l, второй – слой пористая матрица толщиной (Лг) с диэлектрической проницаемостью материала (sm). В описываемой методике величина Sm считается неизвестной и подлежит определению. Диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего поры обозначена как (бр). Для пустых пор Вр =1.

Эффективную диэлектрическую проницаемость измерительной ячейки (seff) можно определить, как:

где h = /7i+/?2 -толщина ячейки равная 1.1 мм. В соответствие с аддитивной моделью ДП матрицы с порами суммарная величина (ег) представляется в виде:

Заметим, что если поры отсутствуют v=0 то вг = Sm, т. е. 82 соответствует диэлектрической проницаемости сплошного материала. Это положено в основу калибровки микрополоскового резонансного датчика, при которой величина еегг измерительной ячейки определяется с помощью сплошных калибровочных веществ с известными значениями ДП (фторопласт, кварц, поликор и др). Калибровочная кривая представляет собой зависимость Se/r от разности резонансных частот пустого резонатора (Fo=486.9 МГц) и с калибровочными образцами (6F= Fo-Fo6p)·

Методика измерений абсолютных значений ДП ЖК в порах сводится к следующему: измеряются резонансные частоты измерительной ячейки с пустой пористой матрицей (Fm) и с матрицей, в поры которой помещен ЖК (Flc). Из разницы резонансных частот Fa-Fm по калибровочной зависимости вначале определяется эффективная диэлектрическая проницаемость матрицы с порами и из уравнения (3) рассчитывается диэлектрическая проницаемость материала матрицы 8т.

Для обоих образцов матриц с порами 100 и 5 мкм эта величина получилась одинаковой и равной бт=5.65.

Далее поровая матрица заполнялась ЖК при температуре f=60°C и выдерживалась в течение

6  часов. После этого обычно следует процедура очистки поверхности матрицы с помощью впитывающих фильтров. Как оказалась, для данных поровых матриц такая процедура приводит к неконтролируемому удалению ЖК из капилляров. В связи с этим в данной методике производилось полное одновременное заполнение, как пор, так и зазора (Λι~ 100 мкм) между матрицей и стенками измерительной ячейки жидким кристаллом.

Аналогично предыдущему проводится измерение разности частот резонансов между пустой и заполненной ЖК ячейкой Fo-Flc, определяется эффективная ДП и из уравнения (4) с учетом (3) рассчитывается ДП жидкого кристалла (slc) в порах.

Учитывая особенность методики в (4) необходимо использовать величину ει=2,64, соответствую[1^ю ДП массивного ЖК на частоте 480 МГц при f=30 С. Применяемая аппаратура для измерения частоты и амплитуды резонанса позволяет достичь абсолютной точности определения elc ~(2 н- 3)+0,02. Для 100 микронных пор с учетом погрешности определения относительной концентрации пор получено значение 6LC -2.6+0,05, что соответствует массивному ЖК. Для 5 мкм пор из-за большой погрешности определения концентрации пор вычисленные значения ДП находятся в пределах 8lc~2.5 н- 3,5.

III.                                     Заключение

Таким образом, в настоящей работе получены выражения для расчета ДП ЖК в порах поликопил- лярных матриц и предложена методика полного заполнения измерительной ячейки и пор ЖК. Измерены абсолютные значения ДП на частоте 480 МГц при Т=30С. Показано, что для корректного определения ДП в порах требуется знание относительной концентрации пор с точностью не хуже 2 %.

IV.                          Список литературы

[1]  Crawford G. Р., Steele L. М., Ondhs-Crawford R. etal.

//J. Chem. Phys. 1992, vol. 96, pp.7788-7796.

[2]  Шепое В. Η., Дрокин Η. А. Диэлькометрия полярных жщ- коих кристаллов в порах полимерных пленок на сверхвысоких частотах. – В кн. 14-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции [Севастополь,

13-      17 сентября 2004 г.]

[3]  http://www.iroptic.ru/rentoptics.htm

METHOD FOR MEASURING THE PERMITTIVITY OF LIQUID CRYSTALS CONFINED IN POLY-CAPILLARY MATRIX

Drokin N. A., TimashovV. A.

L. V. Kirensky Institute of Physics Krasnoyarsk – 660036, Russia

Tei: (3912) 494591. e-mail: drokin@iph.krasn.ru

Abstract – Microwave technique and method for measuring the permittivity of polar liquid crystals (LC) confined in polycapillary matrix are described. The effective permittivity of porous matrix and permittivity ofiiquid crystals in pores are determined.

I.                                        Introduction

The requirements producible to modern liquid crystal display systems, microelectronics and microwave engineering stimulate search and realization of various composed structures with LC filled in a solid matrix. In this paper method for definition the permittivity of LC-filled in poly-capillary matrix (Kumakhov’s lens) was presented.

II.                                       Main Part

Previous applications of microwave technique for measuring the confined LC were focused mainly on the investigation of porous glass or porous matrix with parallel cylindrical pores (Anapore or Nuclepore membranes) [1, 2]. In this paper we used a new type glass-capillary porous matrix (poly-capillary technologies [3]) with pore sizes of 100 and 5 цт. The permittivity of LC confined in pore is calculated from equations (1 – 4) using calibration dates.

III.                                      Conclusion

The permittivity of LC confined in poly-capillary pore with diameter 100 цт and 5 цт is investigated. The accuracy in determining the dielectric constants were within Aslc = 0.05 for 100 and Ablc = 0.1 for 5 цт pore. It depends on the correct definition of relative pore concentration.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты