7.6. Жидкокристаллические индикаторы

В результате взаимодействия света с пассивным индикатором происходит модуляция света. При этом могут быть изменены ампли­туда, фаза и длина волны, плоскость поляризации, направление распространения света. Оптическими показателями, наличие кото­рых приводит к модуляции света по одному из параметров, являют­ся: коэффициенты поглощения, отражения и рассеяния, оптическая разность хода, спектральное пропускание или отражение, оптическая анизотропия, изменение показателя преломления, оптическая активность.

Пространственное распределение перечисленных параметров материала пассивных индикаторов является естественным свойст­вом или может быть получено в результате различных внешних воздействий на индикатор. Желательно, чтобы собственные оптиче­ские показатели были распределены по поверхности индикатора равномерно, а изменения вводились извне. Результат этих измене­ний, обусловленных целенаправленным воздействием, представля­ет собой запись информации. Источником и носителем информации чаще всего бывают электрическое и магнитное поля, звуковые вол­ны. Под воздействием электрического поля происходит значитель­ное число электрооптических эффектов и в жидких, и в твердых кристаллах. Электрическое поле и ток стимулируют и ряд эффектов неэлектрического характера. 

Принцип действия  

В противоположность активным приборам жидкокристаллические (ЖК) индикаторы не генерируют свет, а только управляют его прохождением, что обусловливает чрезвычайно малую потребляемую ими мощность. Преимуществом ЖК-икдикаторов является также малое управляющее напряжение, позволяющее непосредственно согласовывать их с цифровыми интегральными схемами. 

Жидкокристаллическое вещество представляет собой анизотропную жидкость, т. е. обладает обычными свойствами жидкости: текучестью, поверхностным натяжением и вязкостью и необычным для жидкости свойством – упорядоченностью ориентации. В результате такие макроскопические параметры, как диэлектрическая проницаемость ε  и показатель преломления nПР, зависят от ориентации. 

Для жидкокристаллического вещества характерна анизотропная геометрия молекул. В большинстве случае они имеют вытянутую сигарообразную форму. Упорядоченность структуры создается относительно слабыми силами взаимосвязи между молекулами или между молекулами и граничными поверхностями. Так как эти силы малы, то при повышении температуры ЖК превращается в обычную изотропную жидкость. При понижении температуры кристалл переходит в твердое состояние и теряет свойства жидкости. Пока структура кристалла остается жидкой, она легко перестраивается под действием механических, электрических или магнитных полей. 

Типичная молекула ЖК-вещества, изображенная на рис. 7.20, состоит из двух фениловых колец Ф, к которым присоединены ко­роткие полярные группы в виде алкидных цепочек R – CN. 

Ориентация отдельной молекулы ЖК-вещества подвергается непрерывным тепловым флуктуациям, однако в любой точке жидкости существует средняя ориентация, характеризуемая единичным вектором, называемым директором D. В зависимости от направления директора и взаимного положения центров тяжести молекул различают три основные фазы: смектическую, нематическую и холестерическую. Расположение молекул в этих фазах показано на рис. 7.21. В наиболее упорядоченной смектической фазе молекулы ориентированы параллельно, а их центры тяжести лежат в одной плоскости (рис. 7.21, а).

Если параллельная ориентация сохраняется, но центры тяжести молекул располагаются произвольно, то возникает нематическая фаза (рис. 7.21, б), в холестерической фазе имеет место за­кручивание директора, так что в результате создается винтовая структура (рис. 7.21, в).

Когда ЖК-вещество занимает большой объем, то в последнем автоматически появляются области с независимыми ориентациями директора. Для придания одинаковой ориентации во всем рабочем пространстве ЖК-вещество заключают в узкое (толщиной в не­сколько десятков микрометров или меньше) пространство между подложками. В результате специфическая ориентация молекул жидкого кристалла определяется и соседними молекулами, и гра­ничной поверхностью подложки. Ориентирующее действие дости­гается натиранием поверхностей подложек или напылением на них под углом тонких пленок SiO2.

В нематической фазе ориентирующее действие подложек мо­жет приводить к возникновению:

а) планарной (гомогенной);

б) нормальной (гомеотропной);

в) закрученной (твистированной) ориентации.

Ориентация молекул по отношению друг к дру­гу в первых двух случаях одинакова, однако они либо параллельны, либо перпендикулярны подложке в зависимости от ее обработки. Для создания закрученной ориентации подложки обрабатывают­ся таким же образом, как и для создания планарной, но при сбор­ке прибора поворачиваются относительно друг друга на угол, близкий к 90°. В результате директор внутри ЖК-слоя, заключен­ного между подложками, плавно поворачивается.

По своим электрическим свойствам ЖК-вещества относятся к диэлектрикам и характеризуются малой удельной электропровод­ностью σПР=10-6 – 10-9 См/м, зависящей от количества проводя­щих примесей. Так же, как и другие параметры ЖК-веществ, электропроводность обладает анизотропией, в связи с чем различают компоненты и   в направлении, параллельном и перпендикулярном D.

Важным параметром ЖК, позволяющим управлять его опти­ческими свойствами с помощью электрического поля, является диэлектрическая анизотропия:

,

где и — параллельная и перпендикулярная D составляющие относительной диэлектрической проницаемости.

Значение и знак  в значительной степени определяются по­стоянными диполями внутри молекул. Если группа с большим по­стоянным дипольным моментом (–CN) расположена вдоль оси молекулы, то  велико и положительно (положительная диэлек­трическая анизотропия), если же она расположена перпендикулярно оси, то  велико и отрицательно (отрицательная диэлект­рическая анизотропия).

Оптические характеристики ЖК-веществ определяются разны­ми показателями преломления для света с различными по отношению к D направлениями поляризации. Обычно задаются пока­зателем преломления n0 для света с поляризацией, перпендикулярной директору (обыкновенный луч), и показателем nе для света с поляризацией, параллельной директору (необыкновенный луч). Оптическая анизотропия характеризуется разностью пока­зателей преломления:

.

При этом для нематической фазы >0 и достигает значений ~ 0,3, что значительно больше, чем почти во всех обычных одно­осных кристаллах.

;

Оптическая анизотропия приводит к возникновению эффекта двулучепреломления, который заключается в том, что падающий на ЖК луч разделяется на два, причем обыкновенный луч откло­няется сравнительно слабо, а необыкновенный – сильно. Если учесть, что направление директора может существенно изменяться при приложении к ЖК-веществу электрического поля, то отсюда вытекают широкие возможности электрооптического управления светом.

Рассмотрим влияние электрического поля на слой нематического вещества с положительной диэлектрической анизотропией и гомогенной ориентацией (рис. 7.22). На левой границе слоя молекулы ориентированы строго параллельно подложке, так как здесь на них сильнее всего действуют ориентирующие силы со стороны подложки. По мере удаления от подложки действие поверхностных сил ослабевает, и под влиянием

внешнего электрического поля молекулы стремятся повернуться таким образом, чтобы вектор их поляризации совпал с электрическим полем (рис. 7.22, б).

Ориентация молекул может меняться не только под действием поля, но и в результате различных электрогидродинамических эффектов, обусловленных протеканием даже небольшого тока. Если ячейка работает на постоянном токе, ток в ЖК возникает в результате инжекции электронов с катода. Присоединяясь к нейтральным молекулам, эти электроны образуют отрицательные ионы. При их смещении освободившиеся места занимают нейтральные молекулы, что приводит к общему движению жидкости в направлении, противоположном потоку ионов. Необходимость поддержания непрерывности приводит к тому, что возникает обратный поток. Пороговое напряжение возникновения гидродинамической нестабильности при постоянном напряжении составляет больше 10 В, т. е. значительно выше, чем в случае эффекта поля.          

Типы  индикаторов. ЖК-индикатор был создан на эффекте динамического рассеяния, являющемся токовым эффектом. Работа такого индикатора иллюстрируется рис. 7.23. В ячейке, заполненной нематиком с отрицательной диэлектрической анизотропией, при планарной ориентации в отсутствии или при малом напряжении на электродах вещество однородно и прозрачно (рис.



7.23, а). При приложении к ячейке порогового напряжения, не зависящего от толщины слоя и слабо зависящего от температуры, возникает волнистая доменная структура – своеобразный рисунок, обусловленный упорядоченным изменением направления директора (рис. 7.23, б). При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую (рис. 7.23, в). При напряжениях, значительно превышающих пороговое, в жидкости возникает вих­ревое движение. В результате возникновения вихрей ЖК полностью теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, использующие полевой твист-эффект (закручивание). Работа ячейки со скрещенными поляризатором П и анализатором А показана на рис. 7.24. В отсутствие напряжения  молекулы в ней закручены  приблизительно на 90° благодаря  ориентирующему действию подложек (рис. 7.24, а). В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой ЖК-вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказывается перпендикулярной плоскости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к наблюдателю.                                                                      

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стремится повернуться по электрическому полю и его директор D приобретает вертикальное направление (рис. 7.24, б). Теперь уже ЖК-ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.                          

ЖК-индикаторы на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния, в несколько раз меньшие рабочие напряжения (3–10 вместо 15–40 В), большую долговечность, обусловленную меньшими рабочими токами (плотность тока 1–3 мкА/см2 вместо 10 мА/см2). К недостаткам ЖК-индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Путем повы­шения управляющего напряжения до 5–6 В этот угол можно увеличить до ±45° для управления постоянным напряжением, однако при использовании импульсных напряжений угол обзора заметно снижается. Еще одним существенным недостатком твист-индикаторов является необходимость использования поляризаторов, что приводит к потерям свыше 50 % света, повышает стоимость инди­катора и уменьшает его долговечность.                                                                                       

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость–хозяин», который иллюстрируется рис. 7.25. Стержневидные дихроические молекулы красителя (гость), которые введены в ЖК-вещество, стремятся ориентироваться парал­лельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглощают свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света.

В качестве основного электрооптического эффекта в таком ЖК можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру, и свет с любым направлением поляризации  поглощается (рис. 7.25, а). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все молекулы красителя  ориентированы вертикально, а падающий нa ячейку свет свободно проходит сквозь нее  (рис. 7.25, б). Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора.                      

Создание матричных ЖК-индикаторов с информационной емкостью, достаточной для построения графических СОИ или телевизионных экранов, затруднено тем, что ЭО в них реагируют на действующее значение приложенного напряжения. Отношение этих значений напряжения на включенном и выключенном ЭО с ростом числа строк, по которым производится развертка, падает. В связи с этим ЖК-экраны строят, используя комбинированную термическую и электрическую матричную адресации или вводя в каждый ЭО интегрированные схемные элементы, обеспечивающие переход от матричной адресации к однокоординатной.

Схема фазовых переходов, происходящих в жидкокристаллическом веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана на рис. 7.26. При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, вещество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное изотропное (стрелка 3). При охлаждении характер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет. Без электрического поля вещество переходит в смектическую фазу, для которой характерны макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света (стрелка 1). Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточном нематическом состоянии происходит ориентация молекул по полю (стрелка 2). В конечной смектической фазе возникает упорядоченная ориентация и вещество оказывается оптически прозрачным.

В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как омически нагреваемые резистивные полоски, а столбцы – как прозрачные полоски. Развертка изображения ведется по строкам, а на столбцы подаются информационные импульсы. Время ввода информации в одну строку равно 50 мкс, так как количество нагреваемого жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики. После охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее свет) сохраняется, т. е. индикатор запоминает информацию.

Для работы ЖК-индикатора важное значение имеет способ его подсветки. В твист-индикаторах применяют три системы подсветки:

1) отражательную;

2) просветную;

3) отражательно-просветную.

В отражательной системе подсветки (рис. 7.27) внешний свет в ЖК-ячейку попадает только после прохождения левого поляризатора ЛП. Если на сегменты ячейки СЯ не подано напряжение, то свет после поворота вектора поляризации на 90° проходит через правый поляризатор ПП и отражается рефлектором Р (рис. 7.27, а). При обратном проходе свет снова поворачивается на 90° в слое ЖК-вещества и свободно выходит наружу. Около тех сегментов индикатора, на которые подано напряжение, ЖК-вещество не способно вращать вектор поляризации, вследствие чего лучи света задерживаются правым поляризатором (рис. 7.27, б). В таком индикаторе видны темные сегменты на светлом фоне.

В просветной — источник света располагается позади одного из поляризаторов. В качестве источника можно использовать миниатюрную лампу накаливания с диффузором или люминесцентный источник с радиоактивным возбуждением.

Просветно-отражательная система, в которой отражатель частично пропускает свет, идущий сзади, а частично отражает свет, падающий спереди, является наиболее универсальной.

Отражательные индикаторы применяются при достаточной, а просветные – при низкой освещенности окружающей среды.

Характеристики индикаторов. Так как ЖК-индикаторы относятся к классу пассивных, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность

(для просветных индикаторов вместо контрастности часто пользуются коэффициентом пропускания, который определяют как отношение интенсивностей выходящего света к падающему).

Вольт-контрастная характеристика жидкокристаллического индикатора зависит не от амплитудного, а от действующего значения приложенного напряжения.

Типичные вольт-контрастные характеристики твист-индикатора для углов наблюдения 0 и 45° показаны на рис. 7.28. Для параметрического задания кривой можно взять напряжения, соответствующие 5, 10, 50 и 90 % контраста.

Динамические параметры ЖК-индикаторов определяются временами реакции τРК и релаксации τРЛ. Кривая изменения контраста при наложении импульса напряжения имеет следующие участки: задержку включения, время нарастания (в сумме они равны времени реакции), задержку выключения (обычно очень малую) и время спада (две последние составляющие в сумме дают время релаксации). Температурный диапазон работы ЖК-индикатора часто ограничивается τРК и τРЛ, типичные значения которых составляют десятки миллисекунд при комнатной температуре и существенно возрастают при ее снижении. Времена τРК, τРЛ пропорциональны вязкости ЖК-вещества, которая зависит от температуры.

Изменение температуры с 250 до 300 К меняет вязкость вещества в 11–50 раз. Поэтому, даже если при снижении температуры рабочее вещество остается в жидком состоянии, индикатор может оказаться неработоспособным из-за плохих динамических параметров. Приборы, рассчитанные на работу при низких температурах окружающей среды, должны быть заполнены смесью ЖК-веществ, имеющей при этой температуре малую вязкость.

Для повышения срока службы ЖК-индикаторов их питают переменным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Чтобы даже небольшая составляющая постоянного напряжения не попадала на ЖК, используют ту же тонкую пленку SiO2, что и для пассивации.