ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ

Жидкокристаллические индикаторы

Основы теории

В 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер впервые описал необычное поведение бензоата холестерина, который появился при 1450 С, превращаясь в мутную жидкость, причем мутность исчезла при температуре 1790 С, выше которой вещество вело себя как обычная прозрачная жидкость. В 1889 году физик О. Леманн обнаружил, что в указанном интервале температур это вещество обладает оптической анизотропией, свойственной твердым кристаллам. Так как это вещество обладает и текучестью, О. Леманн ввел для подобного состояния вещества термин «жидкий кристалл» (ЖК). В дальнейшем выяснилось, что ЖК- состояние встречается примерно у одного из 200 органических соединений и может наблюдаться у одних веществ в строго определенном интервале температур (термотропные ЖК), у других – в определенном интервале концентрации растворов этих веществ (лиотропные ЖК). Кроме того, было установлено, что в зависимости от молекулярного строения возможны различные структуры ЖК: холестерическая, нематическая и смектическая (в соответствии с рис. 7.1).

а б в

Рис. 7.1. Структуры жидких кристаллов:

а-смектическая, б-нематическая, в-холестерическая

 

В основе принципиальной возможности практического использования ЖК лежит сильная зависимость их структуры от внешних факторов: температуры, давления, электрических и магнитных полей. Эта зависимость объясняется слабостью межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру ЖК, вследствие чего малые изменения внешних факторов могут вызывать существенные изменения в структуре. В электронике используются лишь термотропные ЖК.

У чистых веществ температурный интервал существования ЖК- состояния невелик, но он увеличивается при смешивании жидких кристаллов различной молекулярной структуры. При этом наблюдается понижение температуры перехода в твердокристаллическое состояние и изменение температуры перехода в состояние изотропной жидкости. В настоящее время термотропные ЖК – металлы (чистые вещества и смеси) перекрывают температурный диапазон от –200 С до +2500 С.

Все ЖК состоят из молекул вытянутой формы. Вандерваальсовы взаимодействия обеспечивают упорядоченное расположение молекул, вследствие чего их длинные оси в среднем ориентируются вдоль некоторого общего направления. Тепловое движение приводит к отклонениям длинных осей отдельных молекул от этого среднеквадратического направления на углы до 400. Различные структуры ЖК отличаются характером упорядочения молекул.

Наиболее широкое практическое использование нашли нематические жидкие кристаллы (НЖК).

Нематематические ЖК (в соответствии с рис. 7.1, б) менее упорядочены по сравнению со смектическими. Весь объем НЖК можно разбить на небольшие области, различающиеся направлениями преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Поэтому ЖК и в проходящем, и в отраженном свете представляется мутным. Одинаково ориентируя молекулы внешним полем, можно добиться однородности и практически полного просветления ЖК.

Важными характеристиками НЖК являются оптическая и диэлектрическая анизотропия. Мерой оптической анизотропии служит разность

, (7.1)

где nпар (nперп) – показатель преломления для световой волны, электрический вектор которой параллелен (перпендикулярен) направлению преимущественной ориентации.

У всех НЖК . Обычно , а средний показатель преломления лежит в интервале от 1,4 до 1,8. Мерой диэлектрической анизотропии (ДА) служит величина

, (7.2)

где – диэлектрическая проницаемость, измеряемая вдоль (поперек) направления преимущественной ориентации.

В соответствии со знаком различают положительную ДА, когда , и отрицательную ДА, когда . Величина и знак зависят от частоты поля. При частотах порядка десятков килогерц возможно изменение знака. Вследствие ДА внешнее однородное электрическое поле вызывает ориентацию молекул НЖК: при положительной ДА длинные оси молекул стремятся расположиться вдоль поля, при отрицательной ДА – поперек поля. В основном именно эти свойства НЖК используют в подавляющем большинстве ЖК- устройств, в частности, для электрического управления двойным лучепреломлением и для динамического рассеяния света.

Суть первого эффекта в том, что при неизменном направлении распространения света через НЖК включение внешнего электрического поля вызывает переориентацию молекул НЖК, величина которой растет с ростом напряженности поля. Таким образом, изменяется взаимная ориентация луча света и оптической оси ЖК. Вследствие этого разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами можно менять от 0 до (d- толщина ЖК вдоль луча) или от dDn до 0 (в зависимости от исходной взаимной ориентации луча и осей молекул и от знака De). Эффект динамического рассеяния заключается в следующем. В НЖК с отрицательной ДА вводиться органическая легирующая примесь, вследствие диссоциации которой, в объеме НЖК появляются свободные носители заряда (ионы). При включении внешнего переменного электрического поля возникают преимущественная ориентация молекул НЖК и колебания пространственного заряда. Взаимодействие этих явлений приводит к тому, что при напряженностях внешнего поля, меньших некоторой пороговой, в ЖК устанавливается течение в виде цилиндрических вихрей (домены Вильямса). При дальнейшем росте поля возрастают токи проводимости, которые при величине поля, равной критической, приводят к разрушению упорядоченной структуры ЖК, созданной полем; к возникновению турбулентности, и вследствие этого, оптической неоднородности, сопровождаемой сильным рассеянием света.

Для работы ЖК – устройства существенна ориентация молекул ЖК относительно поверхности пластин. Различают ориентации: гомеотропную (длинные оси молекул перпендикулярны плоскости пластин), гомогенную (длинные оси молекул параллельны некоторому общему направлению в плоскости пластин), квазигомогенную (длинные оси молекул различных областей ЖК параллельны различным направлениям в плоскости пластин). При отсутствии внешних полей, ориентация молекул в ЖК-ячейке определяется ориентацией молекул, находящихся вблизи поверхности стеклянных пластин; поэтому поверхностные свойства внутренних плоскостей пластин имеют чрезвычайно важное значение для характеристик ЖК – устройств. Специальная обработка поверхности пластин позволяет ориентировать поверхностные молекулы ЖК гомеотропно, гомогенно, квазигомогенно. Для создания полупрозрачных проводящих покрытий обычно используют смесь SnO2 и In2O3.

Наибольше распространение на практике получили два типа ЖК – ячеек: на основе эффекта динамического рассеяния и твист-эффекта (в соответствии с рис. 7.2 а, б).

 






Дата добавления: 2017-05-02; просмотров: 1136; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.022 сек.