Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

Физическую основу этих приборов составляют электрооптические эффекты в жидких кристаллах (ЖК), иными словами, ЖКИ относятся киндикаторам с пассивным растром. Жидкокристаллическое состояние (трактуемое как четвертое агрегатное состояние вещества) характеризуется одновременным сочетанием свойств жидкости (текучесть) и кристалла (анизотропия свойств).

Имеется три основных структурных разновидности ЖК: смектическая, нематическая, холестерическая; для них характерно то, что молекулы имеют сильно вытянутую конфигурацию и в равновесном состоянии появляется тенденция к ориентации этих молекул вдоль какого-то преимущественного направления (рис. 3).

В смектических ЖК молекулы располагаются параллельно их длинным осям и образуют в жидкости чередующиеся слои с толщиной в длину молекулы. В нематическом ЖК центры этих молекул расположены хаотично, так что слои не образуются. В холестерических ЖК молекулы также группируются в слои, причем их оси лежат в плоскостях этих слоев. Внутри каждой плоскости ориентация всех молекул одинакова, а само направление этой ориентации постепенно изменяется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол.

Рис. 3. Схематическое расположение молекул жидкого кристалла нематической (а), смектической (б), холестерической (е) структур	Рис. 4. Эффект динамического рассеяния в жидком кристалле: а — исходное состояние; б—ориентации молекул поперек поля при малом приложенном напряжении; в — возникновение турбулентности при большом напряжении

В индикаторах используются практически только нематические ЖК.

Исторически первым эффектом, использованным в ЖКИ, стал эффект динамического рассеяния (рис. 4). Если к слою слабопроводящего ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а поток ионов стремится нарушить эту ориентацию. При некоторой плотности тока проводимости возникает состояние турбулентности (беспорядочного колебания молекул), разрушающее ранее упорядоченную структуру ЖК и внешне проявляющее как помутнение.

Твист-эффект наблюдается в слое ЖК, подвергнутом специальной предварительной технологической обработке (рис. 5).

Рис. 5. Твист-эффект в жидких кристаллах: расположение больших осей молекул вблизи границ при отсутствии (а) и приложении (б) электрического поля

В зазоре между двумя стеклянными пластинами различными способами достигают «скручивания» структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда их большие оси параллельны ограничивающим поверхностям, а направления этих осей вблизи пластин взаимно перпендикулярны. В толще жидкости ориентация молекул постепенно меняется от верхней граничной ориентации к нижней.

Эффект «гость — хозяин» проявляется в тонких слоях нематического ЖК (с положительной диэлектрической анизотропией), легированного примесями красителя (рис. 6).

Рис. 6. Эффект «гость — хозяин»:

а — ориентация молекул в отсутствие поля (1 — молекула красителя; 2 — металлические контакты; 3 — стеклянные пластины; 4 — поляризатор; 5 — молекула ЖК); б — ориентация молекул после приложения напряжения; в, г — спектры поглощения в невозбужденном и возбужденном состояниях

В отсутствие поля смесь гомогенна и эффективное поглощение поляризованного' света комплексом молекула нематика («хозяина») — молекула красителя («гость») придает слою окраску, характерную для красителя. Приложение поля изменяет ориентацию молекул нематика так, что поглощение света ослабевает и слой становится бесцветным (или слабо окрашенным). Ценность данного эффекта для ЖКИ заключается в возможности отображения цветных изображений, причем свобода в выборе цвета практически безгранична.

Термооптический эффект фазового перехода заключается в следующем. Пропускание импульса тока через определенный участок ЖК смектического типа приводит к его локальному нагреву и переходу в изотропную или беспорядочно ориентированную фазу. Во время последующего резкого охлаждения (после прекращения импульса) при переходе через некоторую температуру ЖК приобретает нематическую структуру, при этом ориентация его молекул оказывается чувствительной к воздействию электрического поля: охлаждение в присутствии поля возвращает вещество в прозрачное состояние, охлаждение без поля — в сильно деформированную непрозрачную текстуру. И то, и другое состояния сохраняются достаточно долго (запоминаются), благодаря чему не требуется регенерации изображения, что в конечном счете упрощает схему управления. Стирание непрозрачного состояния осуществляется путем пропускания дополнительного токового импульса локального нагрева. Эффект интересен наличием памяти, что играет решающую роль при организации схем управления большими экранами.

Рис.7. Устройство ЖКИ: 1 — поляроидные пластины; 2 — прозрачные электроды; 3 — ограничитель-фиксатор; 4— стеклянные обкладки

Устройство ЖКИ достаточно простое (рис. 7): кроме двух стеклянных пластин, между которыми помещен слой ЖК, в конструкцию входят элементы герметизации, пленочные прозрачные электроды, определяющие конфигурацию отображаемых фрагментов, внешние выводы, пластины поляризатора и анализатора (когда это необходимо). Чаще всего ЖКИ работают на отражение, иногда — на просвет.