Жидкокристаллические индикаторы

В противоположность активным приборам жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) не генерируют свет, а только управляют его прохождением, что обусловливает чрезвычайно малую потребляемую ими мощность. Преимуществом ЖКИ 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 e и показатель преломления п_пр, 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 жидкокристаллического вещества, изображенная на рис. 2.22, состоит из двух фениловых колец Ф, к которым присоединены ко­роткие полярные группы в виде алкидных цепочек (R-CN). Ориентация отдельной молекулы 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. 2.23. В наиболее упорядоченной смектическойфа­зе молекулы ориентированы параллельно, а их центры тяжести лежат в одной плоскости (рис. 2.29, а).

Если параллельная ориентация сохраняется, но центры тяжести молекул располагаются произвольно, то возникает нематическая фаза(рис. 2.23, б), в холестерической фазе имеет место за­кручивание директора, так что и результате создается винтовая структура (рис. 2.23, б). Когда жидкокристаллическое 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 лод углом тонких пленок SiO₂.

В нематической фазе ориентирующее действие подложек мо­жет приводить к возникновению: а) планарной (гомогенной), б) нормальной (гомеотропной) и 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 жидкокристаллического слоя, заключен­ного между подложками, плавно поворачивается.

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

Важным параметром жидкого кристалла, позволяющим управлять его опти­ческими свойствами с помощью электрического поля, является так называемая диэлектрическая анизотропия

Δε = ε_║ - ε_^, (2.30)

где ε_║ и ε_^ - параллельная и перпендикулярная D составляю­щие относительной диэлектрической проницаемости.

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

Оптические характеристики жидкокристаллических веществ определяются разны­ми показателями преломления для света с различными по отно­шению к D направлениями поляризации. Обычно задаются пока­зателем преломления п₀для света с поляризацией, перпендику­лярной директору (обыкновенный луч), и показателем n₀, для света с поляризацией, параллельной директору (необыкновенный, луч). Оптическая анизотропия характеризуется разностью пока­зателей преломления:

Δn = n_e – n₀. (2.31)

При этом для нематической фазы Δn > 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 жидкий кристалл луч разделяется на два, причем обыкновенный луч откло­няется сравнительно слабо, а необыкновенный - сильно. Если учесть, что направление директора может существенно изменять­ся при приложении к жидкокристаллическому 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. 2.24). 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.

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 жидком кристалле 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.