Эффект Фредерикса и … электронные часы

Группа молодых ученых под руководством В. К. Фредерикса заинтересовалась вопросом, как ведут себя жидкие кристаллы под действием электрических и магнитных полей. Проводя различные эксперименты, было установлено, что под действием электрического и магнитного полей происходит переориентация длинных молекулярных осей, а это вызывает переход одной текстуры в другую. Изменение ориентации директора под действием поля получило название эффект (переход) Фредерикса.

Изменение ориентации директора приводит к изменению оптических свойств ячейки с жидким кристаллом. Поэтому все эффекты, связанные с изменением оптических свойств под действием электрического поля, называются электрооптическими эффектами, а под действием магнитного — магнитооптическими.

Чтобы разобраться, почему молекулы жидкого кристалла переориентируются под действием электрического поля, необходимо внимательно посмотреть на молекулу нематика. Когда молекула попадает в электрическое поле, образуется наведенный диполь. Это явление называется поляризацией. Чем больше степень поляризации, тем больше наведенный дипольный момент. Дипольный момент молекулы зависит от строения молекулы и ее химического состава.

Как будет вести себя диполь в электрическом поле? Из курса физики известно, что на диполь, попавший в электрическое поле, действуют силы. Возникший механический момент поворачивает молекулу так, что дипольный момент молекулы выстраивается вдоль направления вектора напряженности электрического ПОЛЯ.

В молекуле нематика возможны два направления дипольного момента: вдоль длинной молекулярной оси и перпендикулярно ей. По этому признаку все жидкие кристаллы можно разделить на две группы. Жидкие кристаллы, у которых дипольный момент направлен вдоль длинной молекулярной оси, в электрическом поле будут ориентироваться осью вдоль силовых линий ПОЛЯ. У таких кристаллов диэлектрическая проницаемость вдоль директора больше диэлектрической проницаемости поперек его Такие кристаллы получили название кристаллов с положительной диэлектрической анизотропией

Иначе ведут себя жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией . У таких кристаллов картина обратная: дипольный момент перпендикулярен молекуле. Такие молекулы в электрическом поле выстраиваются длинной осью перпендикулярно силовым линиям.

На молекулу нематика, помещенного в электрическое поле, кроме сил поля, действуют силы сцепления с поверхностью. С ростом напряженности увеличиваются и электрические силы. Когда электрическое поле станет больше сил взаимодействия молекулы с поверхностью стекла, только тогда молекула начнет поворачиваться.

Поэтому эффект Фредерикса имеет пороговый характер, т. е. переориентация молекул происходит не постепенно, а скачком. При этом напряженность критического электрического поля имеет значение порядка 10⁵ В/м. На первый взгляд это очень большое значение. Но если вспомнить, что расстояние между стеклами оптической ячейки 10 мкм, и чтобы получить такое поле, надо приложить к электродам напряжение всего 1 В.

Итак, под действием поля молекула приняла положение, которое ей предписывает поле. Но это не значит, что оптические свойства нематика изменились. Для их изменения необходимо, чтобы все молекулы нематика, взаимодействуя между собой, сориентировались одинаково. Когда это произойдет, изменятся и оптические свойства ячейки.

На рисунках 19, 20, 21 схематически изображены ячейки с соответственно планарной, гомеотропной и твист- (закрученной) ориентацией молекул. Поведение исходных ориентаций молекул нематика с положительной диэлектрической анизотропией при создании между стенками ячейки электрического поля больше критического показано на рисунках 22, 23, 24.

Поле такого направления переводит планарную и твист-текстуры в гомеотропную. Конечно, не следует думать, что в этом случае все молекулы расположились перпендикулярно поверхности стекол. Молекулы, находящиеся на поверхности стекол, практически остались на месте (силы сцепления с поверхностью здесь велики), и только ближе к центру ячейки можно наблюдать хорошо ориентированную гомеотропную текстуру.

Поведение исходных ориентаций молекул нематика с отрицательной диэлектрической анизотропией показано на рисунках 25, 26, 27. Изменение ориентации молекул под действием поля происходит только у ячейки с исходной гомеотропной текстурой.

Почему же возможны эффекты Фредерикса? Давайте разберем подробнее хотя бы один из приведенных на рисунках случаев (см. рис. 19, 22). Итак, мы рассматриваем нематик с положительной диэлектрической анизотропией. Исходная ориентация планарная. У такого нематика дипольный момент молекулы направлен вдоль длинной оси молекулы, а следовательно, лежит в плоскости, параллельной плоскости стекол.

Вектор напряженности электрического поля направлен перпендикулярно плоскости стекол, а следовательно, и дипольному моменту. Как мы рассматривали выше, взаимодействие поля и дипольного момента приведет к тому, что дипольный момент и связанная с ним длинная ось молекулы выстроятся вдоль поля. Таким образом, молекулы выстроятся перпендикулярно плоскости стекол. Если не учитывать взаимодействие молекул с поверхностью стекол, то механизм перехода планарной текстуры в гомеотропную становится ясным.

Аналогичным образом можно разобрать любой эффект Фредерикса (см. рис. 19—27).

При изменении ориентации молекул меняются оптические свойства ячейки. Поскольку эти изменения происходят под действием электрического поля и создать его между стеклами ячейки нетрудно, то электрические эффекты стали объектом пристального внимания практиков.

Примером такого распространенного сейчас применения эффекта Фредерикса в практике служат индикаторы электронных часов (рис. 28). Современные электронные часы показывают время в «чистом» — цифровом виде. Производство таких часов стало возможным благодаря цифровым индикаторам.

Требования, которые предъявили разработчики электронной схемы часов к создателям индикаторов, были разнообразны. Это малая энергоемкость и небольшие напряжения (1,5—3,0 В), хорошая сопряженность с электронной схемой, надежность в работе, простота в устройстве, хорошая контрастность изображения, малые размеры и дешевизна.

Как же устроен этот чудо-индикатор? Основу его составляет знакомая нам оптическая ячейка, правда, несколько дополненная. Кроме стекол с напыленным токопроводящим слоем нематика с положительной диэлектрической анизотропией, в ячейке добавляются два поляроида и плоское зеркало (рис. 29).

Эффект Фредерикса, на основе которого будет работать наш индикатор, изображен на рисунках 21 и 24. Исходная ориентация нематика закрученная. Направление поляризации верхнего поляроида совпадает с направлением длинных молекулярных осей на верхнем стекле ячейки, а длинные оси молекул, расположенных на нижнем стекле, параллельны направлению поляризации нижнего поляроида.

Вспомним, твист-ориентация нематика предполагает перпендикулярность между директорами молекул на верхнем и нижнем стеклах. Следовательно, верхний и нижний поляроиды будут находиться в скрещенном положении. Если еще добавить, что за нижним поляроидом расположено плоское зеркало, то описание принципа конструкции индикатора на твист-эффекте можно считать законченным.

Как же работает эта конструкция? Свет падает на верхний поляроид (1). Пройдя его, свет становится поляризованным в направлении поляризации верхнего поляроида. Далее свет проходит прозрачную пластину (2) и попадает в слой нематика (3). В отсутствие поля оптическая ось нематика имеет твист-ориентацию, поэтому поляризованный свет меняет свое направление в соответствии с оптической осью нематика и на выходе из слоя жидкого кристалла он будет иметь то же направление, что и нижний поляроид (1), т. е. свет проходит через нижний поляроид беспрепятственно и попадает на зеркало (4).

Зеркало отражает падающий луч. Он идет в обратном направлении и, пройдя «конструкцию», попадает в глаз наблюдателю. Участок нематика, где лучи пойдут описанным способом, для наблюдателя будет светлым (рис. 29, а).

Картина будет совершенно иная, если на пластинах создать электрическое поле, напряженность которого больше критической (рис. 29, б). Выше было сказано, что поле переведет твист-структуру в гомеотропную (нематик взят с ). Поляризованный свет, попадая на нематик с гомеотропной ориентацией, беспрепятственно пройдет его, не изменив направления поляризации.

Падая на нижний поляроид, свет будет иметь ориентацию верхнего, а они, поляроиды, находятся в скрещенном положении, следовательно, свет не пройдет дальше, не попадет на зеркало и не вернется к наблюдателю. Таким образом, участок нематика, на котором создали электрическое поле, для наблюдателя будет темным.

Если участки, на которых создается электрическое поле, будут расположены по определенным законам, то на светлом фоне можно «рисовать» темные фигуры. В этом заключается принцип действия цифрового индикатора.

Расположим участки так, как они расположены на индикаторе в часах (рис. 30). Формирование любой цифры от 0 до 9 на этом индикаторе чем-то напоминает написание почтового индекса на письмах. Подача напряжения на нужные участки индикатора осуществляется с помощью специального генератора.

Такие индикаторы имеют ряд преимуществ перед другими цифровыми индикаторами. Они могут работать при температурах от —15 до +55⁰С. Продолжительность действия составляет свыше 50 000 ч — это немало. Они надежны. В темноте такой индикатор подсвечивается. Индикаторы могут быть также и буквенными. Они нашли сейчас широкое применение в часах, калькуляторах, электронных переводчиках, в электроизмерительных приборах и т. д.