Типы жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) был создан на эффекте динамического рассеяния, являю­щемся токовым эффек­том.

Работа такого ин­дикатора иллюстриру­ется рис. 2.25. В ячей­ке, заполненной нематиком с отрицательной диэлектрической ани­зотропией, при планарной ориентации в от­сутствии или при малом напряжении на электродах вещество однородно и прозрачно (рис. 2.25,а).

При приложении к ячей­ке порогового напряжения, не зависящего от толщины слоя и слабо зависящего от температуры, возникает волнистая доменная структура - своеобразный рисунок, обусловленный упорядоченным изменением направления директора (рис. 2.31, б). При превышении порогового напряжения доменная струк­тура превращается в ячеистую (рис. 2.31, в). При напряжениях, значительно превышающих пороговое, в жидкости возникает вих­ревое движение. В результате возникновения вихрей жидкий кристалл полно­стью теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, ис­пользующие полевой твист-эффект. Работа ячейки со скрещен­ными поляризатором Пи анализатором Апоказана на рис. 2.26. В отсутствие напряжения молекулы в ней закручены приблизи­тельно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек (рис. 2.26, а). В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поля­ризации совпадает с направ­лением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой жидкокристаллического вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказыва­ется перпендикулярной пло­скости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к на­блюдателю.

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стре­мится повернуться по электрическому полю и его директор D при­обретает вертикальное направление (рис. 2.26, б). Теперь уже жидкокристаллическая ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не про­пускает свет.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния, в несколько раз меньшие рабочие напряжения (3-10 вместо 15-40 В), большую долговечность, обусловленную меньшими ра­бочими токами (плотность тока 1-3 мкА/см² вместо 10 мА/см²).

К недостаткам жидкокристаллических 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. Путем повы­шения управляющего напряжения до 5-6 В этот угол можно уве­личить до ±45° для управления постоянным напряжением, однако при использовании импульсных напряжений угол обзора заметно снижается. Еще одним существенным недостатком твист-индика­торов является необходимость использования поляризаторов, что приводит к потерям свыше 50 % света, повышает стоимость инди­катора и уменьшает его долговечность.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость - хозяин», который иллюстрируется рис. 2.27. Стержневидные дихроические молекулы красителя (гость), кото­рые введены в ЖК-вещество, стремятся ориентироваться парал­лельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглоща­ют свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света.

В качестве основного электрооптического эффекта в таком жидком кристалле можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру и свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 2.27, а). При наложении доста­точно сильного электрического поля жидкокристаллическое вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все мо­лекулы красителя ориентиро­ваны вертикально, а падающий на ячейку свет свободно про­ходит сквозь нее (рис. 2.27, б). Описанная система перспек­тивна, так как позволяет по­лучить почти черное позитив­ное изображение на белом фоне при высокой яркости и до­статочно широком угле обзора.

Создание матричных жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) с информационной ем­костью, достаточной для построения графических СОИ или теле­визионных экранов, затруднено тем, что ЭО в них реагируют на действующее значение приложенного напряжения. Отношение этих значений напряжения на включенном и выключенном ЭО с ростом числа строк, по которым производится развертка, падает. В связи с этим жидкокристаллические экраны строят, используя комбинирован­ную термическую и электрическую матричную адресации или вво­дя в каждый ЭО интегрированные схемные элементы, обеспечи­вающие переход от матричной адресации к однокоординатной.

Схема фазовых переходов, происходящих в жидкокристалли­ческом веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана на рис. 2.28. При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, ве­щество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное изотропное (стрелка 3). При охлаждении харак­тер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет. Без электрического поля вещество переходит в смектическую фазу, для которой характер­ны макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света (стрелка 1). Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточном нематическом состоянии происходит ориентация молекул по полю (стрелка 2).В конечной смектической фазе воз­никает упорядоченная ориентация и вещество оказывается опти­чески прозрачным.

В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как омически нагреваемые резистивные полоски, а столбцы - как прозрачные полоски. Развертка изображения ведется по строкам, а на столбцы подаются информационные импульсы. Время ввода информации в одну строку равно 50 мкс, так как количество на­греваемого жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики. После охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее свет) сохраняется, т. е. индикатор запоминает информацию.

Для работы жидкокристаллического индикатора важное значение имеет способ его подсветки. В твист-индикаторах применяют три системы под­светки: отражательную, просветную и отражательно-просветную.

В отражательной системе подсветки (рис. 2.29) внешний свет в жидкокристаллическую ячейку попа­дает только после прохождения левого поляризатора ЛП. Если на сегменты ячейки СЯне подано напряжение, свет после пово­рота вектора поляризации на 90° проходит через правый поляри­затор ПП и отражается рефлектором Р(рис. 2.29, а). При обрат­ном проходе свет снова поворачивается на 90° в слое жидкокристаллического вещества и свободно выходит наружу. Около тех сегментов индикатора, на которые подано напряжение, жидкокристаллическое вещество не способно вра­щать вектор поляризации, вследствие чего лучи света задержива­ются правым поляризатором (рис. 2.29, б). В таком индикаторе видны темные сегменты на светлом фоне.

ЖК

Рис 2.36. Отражательная ЖК-ячейка на твист-эффекте: а - без напряжения; б – под напряжением

В просветной системе источник света располагается позади одного из поляризаторов. В качестве источника можно использовать миниа­тюрную лампу накаливания с диффузором или люминесцентный источник.

Просветно-отражательная система,в которой отражатель час­тично пропускает свет, идущий сзади, а частично отражает свет, падающий спереди, является наиболее универсальной.

Отражательные индикаторы применяются при достаточной, а просветные - при низкой освещенности окружающей среды.

Б. Характеристики жидкокристаллических индикаторов

Так как жидкокристаллические индикаторы отно­сятся к классу пассивных, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность (для просветных индикато­ров вместо контрастности часто пользуются коэффициентом про­пускания, который определяют как отношение интенсивностей выходящего света к падающему).

Вольтконтрастная характеристика жидкокристаллического ин­дикатора зависит не от амплитудного, а от действующего значения приложенного напряжения. Типичные вольтконтрастные характеристики твист-индикатора для углов наблюдения 0 и 45° показаны на рис. 2.30. Для пара­метрического задания кривой можно взять напряжения, соответ­ствующие 5, 10, 50 и 90 % контраста, обозначая их U₅, U₁₀, U₅₀, U₉₀.

Динамические параметры жидкокристаллических индикаторов определяются вре­менами реакции τ_рк и релаксации τ_рл. Кривая изменения конт­раста при наложении импульса на­пряжения имеет следующие участки: задержку включения, время нараста­ния (в сумме они равны времени ре­акции), задержку выключения (обыч­но очень малую) и время спада (две последние составляющие в сумме дают время релаксации).

Температурный диапазон работы жидкокристаллического индикатора часто ограничивается τ_рк и τ_рл, типичные значения которых составляют десятки миллисекунд при комнатной температуре и существенно возрастают при ее снижении. Времена τ_рк, τ_рл пропорциональны вязкости жидкокристаллического вещества, которая зависит от температуры как

η_в= η_в0exp[ε_a/(kT)], (2.33)

где энергия активации ε_а лежит в диапазоне (5-8)×10^-20 Дж. Формула (2.33) показывает, что изменение температуры с 250 до 300 К меняет η_в в 10-50 раз. Поэтому, даже если при снижении температуры рабочее вещество остается в жидком состоянии, ин­дикатор может оказаться неработоспособным из-за плохих дина­мических параметров. Приборы, рассчитанные на работу при низ­ких температурах окружающей среды, должны быть заполнены смесью ЖК-веществ, имеющей при этой температуре малую вяз­кость.

Таблица 2.8

Для повышения срока службы жидкокристаллических индикаторов их питают пе­ременным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Чтобы даже небольшая составляю­щая постоянного напряжения не попадала на ЖК, используют ту же тонкую пленку SiO₂, что и для пассивации.