5.4.1. Жидкокристаллические приборы

Жидкий кристалл (ЖК)— это агрегатное состояние вещества, в котором оно обладает как свойствами жидкости (текучестью, вязкостью, поверхностным натяжением), так и твердого тела (анизотропией оптических и электрических параметров). Подобные свойства обусловлены, с одной стороны, тем, что оси или плоскости соседних молекул ЖК оказываются практически параллельными, но, с другой стороны, центры масс этих молекул не образуют периодической решетки, а располагаются хаотичным образом в пространстве и при этом могут свободно перемещаться.

Упорядоченность расположения соседних молекул обусловлена существованием слабых сил электрического (дипольного) взаимодействия, влияние которых становится заметным, если молекулы жидкости имеют не строго сферическую форму, а, например, вытянутую в одном направлении или, наоборот, уплощенную. Именно это и имеет место в ЖК — в большинстве случаев их молекулы имеют сигарообразную форму. Повышение температуры способствует усилению хаотического движения молекул, в результате чего их взаимная ориентация нарушается и ЖК превращается в обычную жидкость.

Различают три основные фазы ЖК: смектическую, нематическую и холестерическую. Смектическая характеризуется наибольшей упорядоченностью расположения молекул —их оси не только параллельны, но, кроме того, их центры масс лежат в одной плоскости. В результате в веществе образуются слои одинаково ориентированных молекул, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. В нематических ЖК общая ориентация осей молекул сохраняется, но центры их тяжести уже не лежат в одной плоскости, а расположены в пространстве хаотически. У холестерических ЖК оси молекул, лежащих в одной плоскости, направлены в одну сторону, однако оси молекул в соседней, параллельной плоскости повернуты относительно них на некоторый угол. Таким образом, холестерический кристалл состоит из отдельных слоев, взаимная ориентация молекул в которых монотонно меняется при переходе от слоя к слою.

ЖК являются диэлектриками (их удельная проводимость зависит от наличия примесей и обычно равна 10–6— 10–9 Ом–1·м–1), обладающими анизотропией диэлектрической проницаемости и показателя преломления. Если учесть, что ориентация молекул может меняться под действием внешнего электрического поля, становится понятно, что жидкокристаллические вещества могут быть использованы в устройствах с электрическим управлением параметрами светового луча (см. гл. 3).

Использование электрооптических эффектов лежит и в основе работы жидкокристаллических индикаторов и экранов. Отметим, что такие индикаторы являются пассивными, так как они воздействуют на внешний световой поток. В связи с этим их преимуществом являются очень малые потребляемые мощности. Очевиден и один из их основных недостатков:

при малой освещенности и в темноте они становятся неработоспособными.

Подпись: Рис. 5.9. Устройство жидкокристалли-ческих ин¬дикаторов, работающих на просвет (а) и  на   отражение  (б)

Типичный жидкокристаллический индикатор (рис. 5.9) содержит два электрода, оба прозрачные, если индикатор работает на просвет (2 на рис. 5.9, а), или прозрачный 2 и зеркальный 5 (если индикатор работает на отражение — рис. 5.9, б). Электроды, между которыми располагается ЖК (3 на рис. 5.9), нанесены на стеклянные подложки 1; межэлектродный зазор создается при помощи герметизирующих прокладок 4.

Работа жидкокристаллических индикаторов основана на следующих эффектах.

При подаче на электроды напряжения, достаточного для преодоления дипольного взаимодействия между молекулами нематика, их ориентация нарушается, приобретая хаотический характер. Вследствие этого резко возрастает рассеяние света жидким кристаллом—соответствующий эффект получил название эффекта динамического рассеяния.

Преимущественную ориентацию молекул нематика можно задать, используя подложки с выделенными направлениями полировки поверхности. В частности, если в готовой ячейке подложки развернуты таким образом, что эти направления составляют угол 90°, то концы векторов , описывающих направления осей молекул ЖК, в пространстве между электродами располагаются по спирали, а ориентация молекул нематика от слоя к слою меняется так, как это показано на рис. 5.10, а. Подавая напряжение на электроды, можно разрушить эту спираль, заставив молекулы сориентироваться вдоль силовых линий электрического поля (рис. 5.10, б). Описанный эффект носит название твист-эффекта; именно он лежит в основе работы большинства выпускаемых жидкокристаллических индикаторов. Практическое использование этого эффекта основано на том, что нематик, заполняющий межэлектродное пространство, способен поворачивать плоскость поляризации проходящего сквозь него света на угол, равный углу разворота молекул между электродами. В готовой ячейке обе подложки являются одновременно и поляризаторами, оси которых взаимно перпендикулярны и совпадают с выделенными направлениями полировки, а следовательно, и с осями прилегающего слоя молекул нематика. В отсутствие электрического поля, несмотря на то, что поляризаторы являются скрещенными, свет проходит сквозь ячейку, поскольку на пути от электрода к электроду испытывает поворот плоскости поляризации. Если же на такой индикатор подать напряжение, достаточное для появления твист-эффекта, то оси молекул жидкого кристалла развернутся вдоль поля, поворота плоскости поляризации происходить уже не будет, и свет сквозь такую ячейку пройти не сможет.

Подпись: Рис. 5.10. Устройство  жидкокристаллических   индикаторов: 
а, б—на    твист-эффекте,    в,  г — на    эффекте    гость—хозяин;    а, в —напряжения на индикаторе нет; 6, г—к инди-катору приложено управляющее напряжение

В индикаторах на твист-эффекте из-за использования поляризатора и анализатора теряется свыше 50% падающего света. Кроме того, меньшим (чем у ячеек на эффекте динамического рассеяния) у них оказывается и угол обзора. В то же время такие индикаторы имеют и преимущества—они характеризуются меньшей плотностью тока через ячейку (около 3 мкА/см2 вместо 10 мкА/см2), что, в свою очередь, приводит к увеличению срока их службы и снижению до 5—10 В (вместо 15—40 В) их рабочего напряжения.

Перспективными являются индикаторы на эффекте гость хозяин. В таких индикаторах в состав жидкокристаллического вещества (хозяин) введены молекулы красителя (гость). Молекулы ЖК и красителя ориентируются в одном направлении (параллельно поверхности стекол). Свет, поляризованный вдоль этого направления, поглощается красителем и не выходит из ячейки (рис. 5.10, в). Внешнее электрическое поле, подаваемое на индикатор, поворачивает молекулу жидкого кристалла, вслед за ними поворачиваются и молекулы красителя, в результате чего свет начинает проходить через ячейку (рис. 5.10, г).

Одним из основных параметров жидкокристаллических индикаторов является яркостный контраст kя , который обычно довольно значителен: 0,85—0,9 и выше. Контраст, однако, зависит от угла наблюдения и от приложенного напряжения. Поэтому, так же как и на другие типы индикаторов, в паспорте на такие приборы обычно указывается допустимый угол обзора и приводятся вольт-контрастные характеристики, подобные изображенным на рис. 5.11 (кривая 1—для угла наблюдения 0°, кривая 2 — 45°).

Подпись: Рис. 5.11. Вольт-контрастные хара¬ктеристики жидкокристаллического индикато¬ра, работающе-го на твист-эффекте

Возможности получения цветного изображения в жидкокристаллических индикаторах связаны с рядом эффектов, среди которых можно отметить уже упомянутый эффект гость—хозяин и эффект избирательного отражения света холестерическими кристаллами. Так, если в ячейке, работающей на эффект гость—хозяин, растворить сложный краситель или несколько разных, то можно добиться того, чтобы при включении напряжения менялись как интенсивность проходящего света, так и его цвет. Что касается холестерического кристалла, то при отражении света от тех плоскостей, молекулы в которых ориентированы одинаковым образом, возникает интерференция, в результате которой усиливается отраженный свет с длиной волны, равной шагу спирали холестерика. При этом такой кристалл кажется окрашенным; управляя электрическим полем шагом спирали холестерика, можно непрерывно менять цвет окраски индикатора.

К недостаткам жидкокристаллических индикаторов следует отнести то, что они плохо работают при пониженных температурах. Уменьшение Т сопровождается резким снижением быстродействия приборов (которое и так невелико и составляет обычно порядка 0,1 с), поскольку оно определяется вязкостью ЖК. Срок службы жидкокристаллических индикаторов — около 1·104 ч; для его увеличения ячейки рекомендуется возбуждать переменным напряжением (при этом предотвращаются возможные электрохимические процессы).

Одним из основных преимуществ индикаторов рассматриваемого типа является малая потребляемая мощность, что способствует их широкому применению в часах, микрокалькуляторах и многих других устройствах. На основе ЖК разработаны многоэлементные экраны для отображения информации (в частности, экраны для портативных телевизоров). При этом в конструкцию экранов зачастую приходится вводить компактные источники подсветки (например, на основе гибких электролюминесцентных панелей), которые увеличивают затраты энергии на работу экрана. Кроме того, при работе в телевизионном режиме из-за значительной емкости жидкокристаллических матриц (порядка 10 мкФ/м2) довольно высокой оказывается мощность, затрачиваемая на коммутацию строк (до 1 кВт/м2).

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.