5.4.1. Жидкокристаллические приборы

5.4.2. Электрохромные индикаторы

5.4.3. Индикаторы других типов

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.

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.

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 k_я , 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°).

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).

5.4.2. Электрохромные индикаторы

К этому классу относятся индикаторы, в которых наложение внешнего электрического поля приводит к изменению цвета активного материала. В качестве веществ, меняющих свой цвет, могут использоваться триоксид вольфрама (WO₃), иридиево-оксидные пленки, ряд других неорганических оксидов, кроме того, в этих целях могут использоваться и некоторые органические вещества — виологены, биперилловые соли, некоторые жидкие кристаллы. Схематическое изображение электрохромного индикатора представлено на рис. 5.12. Слой WO₃ толщиной 0,1 — 1 мкм создается на стеклянной подложке—он наносится на прозрачный электрод (пленку In₂О₃ толщиной 0,1 —0,2 мкм), например, путем термического напыления. Поверх активного слоя напыляют слой диэлектрика (например, SiO₂ толщиной 0,05 мкм) и затем—пленочный электрод (золото, толщина пленки 0,01 мкм).

Если на прозрачный электрод такой ячейки подается отрицательный потенциал, из него в WO₃ будут инжектироваться электроны. В результате на катоде происходят реакции образования вольфрамовой бронзы и в активном слое возникают центры окрашивания: цвет пленки становится синим. Реакция образования вольфрамовой бронзы обратима: при перемене полярности питающего напряжения индикатор восстанавливает начальный цвет (инжекции электронов из пленки золота препятствует слой SiO₂). Рабочее напряжение подобных индикаторов составляет доли вольт, контраст 2:1 достигается примерно за секунду.

Важной особенностью электрохромного индикатора является наличие памяти: окраска активного слоя может сохраняться в течение многих часов, до тех пор, пока не будет подан импульс стирающего напряжения противоположной полярности. Заряд, требуемый для изменения цвета индикатора, оказывается очень малым (до 5 мКл/см² ). Таким образом, приборы этого типа являются еще более экономичными, чем жидкокристаллические.

Основные недостатки электрохромных индикаторов: инерционность (время переключения может достигать 1 с) и недостаточная долговечность. Они выдерживают не более 1·10⁷ переключений, а это означает, что если их использовать, например, в часах для высвечивания секундной цифры, то их срок службы составит не более 3000 ч. Быстродействие можно увеличить, используя в качестве активного материала не твердое вещество, а жидкость, однако срок службы при этом еще больше снижается (внутри ячейки могут происходить неконтролируемые химические реакции); слабее в последнем случае оказывается выражен и эффект памяти.

В целом, однако, электрохромные индикаторы вполне пригодны для высвечивания медленно меняющейся информации, когда отчетливее выявляются их достоинства — экономичность и высокий (не хуже, чем у жидкокристаллических индикаторов) контраст. Температурный же диапазон работы электрохромных индикаторов даже более широк (от —20 до +70°С), и вдобавок информация может считываться при больших углах обзора, чем с жидкокристаллических.

5.4.3. Индикаторы других типов

Использование технологии, разработанной для производства изделий микроэлектроники, открыло новые возможности для создания вакуумных накальных индикаторов, нагрев отдельных элементов которых — вольфрамовых нитей — позволяет высветить требуемый символ. Согласно закону Стефана — Больцмана для теплового излучения, яркость таких индикаторов определяется температурой Т (обычно Т= 1200÷1300° С) вольфрамовой нити и может достигать 10 000 кд/м², что существенно выше, чем у индикаторов других типов. Подложка, на которой расположены светящиеся нити, обычно чернится, что позволяет получать, кроме того, очень высокую контрастность изображения. Срок службы вакуумных накаливаемых индикаторов составляет 10⁴—10⁵ ч, цвет свечения — белый (применение цветных светофильтров позволяет обеспечить многоцветность при достаточно высокой яркости). Зависимость яркости от напряжения хорошо описывается выражением вида L~U⁷.

Принципиальным недостатком вакуумных накаливаемых индикаторов является их низкий к. п. д. (единицы процентов), поскольку при той температуре, которую имеет вольфрамовая нить, основная доля ее излучения принадлежит инфракрасной области спектра; невысоким оказывается и их быстродействие (1·10^–2с).

Явление электрофореза (направленного движения заряженных частиц одного цвета, взвешенных в диэлектрической жидкости другого цвета) используется в работе электрофоре-тических индикаторов. В зависимости от полярности приложенного напряжения электрическое поле перемещает частицы пигмента (чаще всего — порошка TiO₂) к одному или другому электроду ячейки. Порошок TiO₂ имеет белый цвет, в результате на прозрачном электроде появляется или исчезает светлое изображение. Типичные характеристики электрофоретических индикаторов: в элементе толщиной 50 мкм напряжение - 30 В перемещает частицы при плотности тока 1 мкА/см² приблизительно за 100 мс. Ресурс работы составляет 10⁷ — 10⁸ циклов, рабочий диапазон температур—от –15 до +50° С. Индикаторы обладают памятью (изображение сохраняется и после выключения напряжения). Подбор пигментов и диэлектрической жидкости может обеспечить большой набор сочетаний цветов. К недостаткам электрохромных индикаторов надо отнести сравнительно большое (десятки вольт) управляющее напряжение и малое (0,1 — 1 с) быстродействие.

В основе работы электролитических индикаторов лежат процессы обратимого осаждения на поверхности электрода пленки металла (пленка образуется в результате электролиза раствора, находящегося между двумя электродами, один из которых — прозрачный). При осаждении металла (как правило, серебра) образующаяся на прозрачном электроде тонкая (около 1·10^–2) пленка поглощает падающий на нее свет, в результате чего элемент отображения такой ячейки кажется темным на общем светлом фоне. Приложение напряжения обратной полярности приводит к просветлению электрода. Рабочее напряжение таких ячеек — единицы вольт, ресурс работы—около 1·10⁷ циклов, рабочий диапазон температур—от – 40° до + 60° С. Изображение может сохраняться в течение нескольких суток. В то же время индикаторы этого типа обладают сравнительно большой инерционностью (время записи и стирания составляет 0,2—1 с).

В качестве пассивных индикаторов могут использоваться электрически управляемые оптические транспаранты, описанные в п. 3.3.1 (например, на основе кристаллов KDP, DKDP, ADP ЦТСЛ-керамики и т. п.).

Ведутся работы и по созданию индикаторов, работающих на других принципах, например использующих мелкие магнитные шарики, которые в зависимости от ориентации индукции внешнего магнитного поля поворачиваются то одной (окрашенной), то другой стороной; фотохимических, в которых для записи информации используется инфракрасное излучение (оно меняет проводимость отдельных участков фоторезистив-ного слоя, тем самым регулируя скорость протекания электрохимических реакций вблизи этих участков), и т. д.

В заключение приводим сводную таблицу основных параметров некоторых типов выпускаемых индикаторов (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Основные параметры индикаторов, используемых в системах отображения информации