Жидкокристаллические индикаторы

В настоящее время жидкокристаллические индикаторы являются наиболее распространённым видом индикаторов. Жидкие кристаллы (ЖК) были известны химикам еще с 1888 г., но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение, с 1960-х годов началось их практическое использование. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. корпорацией Sharp. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьми сегментных ЖК индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор, выполненный на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселей. В 1990 г. Де Жен получил Нобелевскую премию за теорию жидких молекулярных кристаллов.

Жидкокристаллические индикаторы относятся к числу пассивных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты поглощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотропию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.

В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (мезаморфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к числу диэлектриков и имеют удельное сопротивление 1О⁶...1О¹⁰ Ом∙см.

По характеру фазового состояния различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.

В смектических ЖК молекулы расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом (рисунок 4.6, а). Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

Рисунок 4.6 - Структура ЖК- молекул

Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Смекатическим жидким кристаллам свойственна долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться "произведением". Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично (рисунок 4.6, б). В них наблюдается скольжение вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Однако с помощью внешних сил (электрического или магнитного поля) можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления. В результате реакция ЖК- молекул на внешнее воздействие становится быстрой, а память короткой.

Термин "холестерические ЖКне случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является холестерин.

В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол (рисунок 4.6, в). Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Из большого количества электрооптических явлений, характерных для ЖК, в устройствах отображения информации в основном применяют эффект динамического рассеивания, твист-эффект, эффект гость-хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии. Диэлектрическая анизотропия е_а характеризует разницу диэлектрических постоянных е_÷÷ и е_^ в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При е_а > 0 оси располагаются параллельно, а при е_а < 0 - перпендикулярно электрическому полю.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при наложении электрического напряжения ЖК в элементарной индикаторной ячейке становится матовым (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля с е_а < 0, слабо проводящему электрический ток, молекулы ориентируются поперек поля. Движущиеся ионы, благодаря которым протекает электрический ток проводимости, стремятся нарушить эту ориентацию. При некотором значении тока проводимости, характеризуемом напряжением электрогидродинамической неустойчивости, упорядоченность структуры нарушается и ЖК мутнеет. Напряжение электрогидродинамической неустойчивости не более 5...6 В, пока молекулы успевают следовать за значением метрического поля (до десятков кГц), и увеличивается до 150...200 В на частотах, где молекулы не успевают следовать за электрическим полем и совершают только колебательные движениями. Время «включения» при этом эффекте 50...500 мс и 150...180 мс «расходуется» на выключение.

Твист-эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической изотропией. Сущность его заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинами, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы «скручены» в спираль, аналогичную холестерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны. Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный π/2. При приложении электрического напряжения все молекулы ориентируются вдоль поля (материал с положительной диэлектрической анизотропией) и эффект скручивания пропадает.

Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, плоскости поляризации которых параллельны, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии - нет. При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны рассмотренному.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока. Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых напряжениях (0,9... 1,5 В). Длительность переходного процесса включения-выключения 30...200 мс.

Эффект гость-хозяин наблюдается в ЖК, в которых растворен дихроичный краситель, избирательно поглощающий свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошая контрастность получается и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски 30...500 мс, управляющее напряжение 2... 10 В. Приборы, выполненные с использованием этого эффекта, в зависимости от использованного красителя могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.