Жидкокристаллические индикаторы. 
Устройство индикации на основе жидких кристаллов

Жидкокристаллические индикаторы — новый вид индикаторных устройств, не излучающих собственный свет, а преломляющих падающий или проходящий сквозь них свет. Изображение образуется за счет контраста между участками с приложенным напряжением и теми, где оно отсутствует. Основой для создания таких индикаторов послужили так называемые жидкокристаллические вещества.

Это некоторые классы химических веществ, которые в границах определенного температурного режима имеют физические свойства жидкости (текучесть, каплеобразование) и в то же время обладают свойствами правильной молекулярной структуры кристаллов, т. е., имеют правильную геометрическую структуру решетки молекулы. Короче, можно сказать, что они обладают текучестью воды и оптическими свойствами кристаллов. Структура вещества достаточно подвижна и легко изменяется под воздействием электрического поля.

По конструкции индикатор с ЖК веществом подобен конденсатору, в котором между двумя стеклянными пластинами, внутренняя поверхность которых покрыта электропроводящим слоем (электродами), находится слой жидких кристаллов толщиной около 10−20 мкм. Поскольку толщина слоя ЖК мала, в индикаторах предъявляются очень жесткие требования к плоскопараллельности стекол.

В конструкции индикаторов на жидких кристаллах также используется сегментный принцип формирования знаков. Индикаторы на жидких кристаллах являются перспективными приборами. Они способны работать практически при любой освещенности помещения, даже под прямыми солнечными лучами.

Они являются самыми экономичными. Недостатком их является инерционность. Время включения составляет 20−90 мс, а выключения 50−200 мс. Использование светодиодных индикаторов и индикаторов на жидких кристаллах перспективно прежде всего в малогабаритных цифровых устройствах. Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) относятся к «молодым» и бурно прогрессирующим оптоэлектронным прибором. Жидкокристаллическое состояние вещества характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (оптическая анизотропия). Такое состояние может обнаруживаться в некотором температурном интервале между точкой кристаллизации Тк и точкой превращения вещества в однородную прозрачную жидкость Тж.

Имеется несколько структурных разновидностей жидких кристаллов (ЖК), для индикаторных приборов используются нематические ЖК, характеризующиеся следующими основными особенностями:

• — молекулы этих веществ имеют сильно вытянутую, нитевидную конфигурацию;
• — в равновесном состоянии проявляется тенденция к ориентации больших осей молекул вдоль какого-то преимущественного направления;
• — межмолекулярные взаимодействия очень слабы, поэтому структура жидкости (характер ориентации молекул) может легко изменяться под влиянием внешних воздействий;
• — имеет место оптическая и электрическая анизотропия: значения показателей преломления и диэлектрической постоянной в направлении вдоль больших осей молекул (n11 и е11) и перпендикулярно ему различны (ЖК — кристаллы с двойным лучепреломлением);
• — в зависимости от знака величины:

Де = е11 — е 1.

• — наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух разновидностях электро-оптических эффектов;
• — изменение характера поляризации проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света;
• — различают положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию — при приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа — поперек поля.

Исторически первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал эффект динамического рассеяния.

Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится нарушить эту ориентацию.

При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК.

Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК.

Вольт-контрастная характеристика ЖКИ представлена на рис. 1.

Рис. 1:

Устройство жидкокристаллического индикатора (рис. 2) достаточно просто, здесь удобно реализуются современные плоские панельные конструкции.

Рис. 2:

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм.

Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно.

При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура.

При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием. В настоящее время распространены индикаторы на основе эффекта динамического рассеивания, а также индикаторы, использующие полевой твист-эффект (закручивание) и эффект типа «гость-хозяин».

Лучшие характеристики индикаторов дает использование твист-эффекта, суть которого заключается в следующем. В зазоре между двумя пластинами тем или иным способом достигают «скручивания» номатической структуры ЖК, т. е., такого расположения молекул, когда их большие оси параллельны ограничивающим поверхностям, а направления этих осей вблизи одной и другой пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3).

Рис. 3:

В отсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А.

Поляризатор — это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор, если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Рис. 4. — Работа ЖК-индикатора на твист-эффекте при напряжениях:

Где:

а — нулевом;

б — превышающем пороговое.

В толще жидкости ориентация молекул меняется постепенно от верхней граничной ориентации к нижней. Технологически такая скрученная структура достигается, например, путем однонаправленного натирания внутренних поверхностей стеклянных пластин во взаимно перпендикулярных направлениях, что и ведет к соответствующей ориентации молекул.

Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на п/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы ориентируются вдоль поля и эффект скручивания пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света.

Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.

Твист-эффект в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым: для его реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении.

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поляризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор.

При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

ЖК-индикаторы имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния (меньше рабочие токи 1−3 мкА/см. кв. вместо 10 мкА/см. кв., и поэтому большую долговечность).

Быстродействие ЖК на твист-эффекте гораздо выше, чем при использовании динамического рассеяния.

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. Применение поляризаторов приводит к потерям до 50% света, а также повышает стоимость индикаторов.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК (рис. 5).

Рис. 5. — Работа ЖК-ячейки на эффекте «гость-хозяин» при напряжениях:

Где:

а — нулевом;

б — превышающем пороговое;

• 1 — молекулы красителя;
• 2 — молекулы ЖК.

В начальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается. При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее.

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Для получения низких управляющих напряжений (единицы вольт) зазор между пластинами должен быть небольшим (~10−3 см.), а используемая жидкость должна иметь круто нарастающую вольт-контрастную характеристику.

Характерно, что стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади — изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500 мм.

Используются конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе, при попытках использовать постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.

Жидкие кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания информационных табло повышенной информационной емкости и экранов малокадрового телевидения.

Причины этого — малая потребляемая мощность, высокая контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со схемами управления: низкое быстродействие ЖКИ затрудняет использование мультиплексных режимов, приводит к созданию ЖК матриц с большим количеством внешних выводов. Перспективы преодоления этой проблемы видятся в разработке конструкции экрана, в которой вместо одной из стеклянных обкладок обычного ЖКИ используется кремниевая пластина, содержащая схему управления и имеющая на своей поверхности матрицу элементарных электродов.

Каждый из этих электродов является оптическим отражателем. Такое технологическое совмещение растра и схемы управления резко сокращает число внешних выводов. жидкокристаллический индикатор поляризация Достоинства ЖК-индикаторов заключаются в следующем:

• — малая потребляемая мощность (110 мкВт/см. кв.);
• — работа при высоком уровне внешней освещенности;
• — простота конструкции и технологии изготовления;
• — низкая стоимость, низкое рабочее напряжение.

К основным недостаткам ЖК-индикаторов следует отнести узкий диапазон рабочих температур (от -10 до +60°С), длительные переходные процессы, к тому же зависящие от температуры.

Совершенствование ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений (для этого привлекаются иные, отличные от описанных, электрооптические эффекты), повышения быстродействия, долговечности (значения, близкие к 105 ч., представляются вполне реальными), создания элементов с встроенной памятью.