Жидкокристаллические элементы индикации

Жидкокристаллическое состояние вещества является промежуточным между жидким и твердым его состояниями. Вещество, находящееся в жидкокристаллическом состоянии, обладает свойствами и жидкости (текучестью, способностью образовывать капли), и кристаллического тела (упорядоченным расположением молекул), благодаря чему ряд его физических свойств зависит от направления измерения. Общим признаком жидкокристаллических веществ служит удлиненная (сигарообразная) форма их молекул.

Способностью находиться в жидкокристаллическом состоянии чаще всего обладают органические соединения, причем это свойство проявляется лишь при определенном для каждого вещества диапазоне температур. За границами этого диапазона вещество принимает свойства либо твердого тела, либо изотропной жидкости. По характеру взаимной ориентации молекул различают три типа жидкокристаллических веществ: нематические , холестерические и смектические .

Интерес к жидким кристаллам (ЖК) для элементов индикации вызван изменением ориентации их молекул под воздействием электрического поля и связанным с этим изменением светопропускной способности (прозрачности) жидкокристаллических веществ. В таких индикаторах используются нематические и холестерические ЖК. Смектические жидкокристаллические вещества из-за высокой вязкости широкого применения здесь не нашли. Ориентация молекул в нематическом и холестерическом ЖК в отсутствие электрического поля показана на рис. 7.7.

Рис.7.7 – Ориентация молекул в нематическом (а) и холестерическом (б)жидких кристаллах.

В жидких кристаллах наблюдается большое количество электро-оптических эффектов, влияющих на светопропускную способность. Они могут вызываться либо проводимостью ЖК, либо электрическим полем ( полевые эффекты). Из электрооптических эффектов, обусловленных проводимостью, наибольшее применение для элементов индикации нашло динамическое рассеяние света, а из полевых эффектов — скручивание нематической фазы.

Слайд 8(2)

Простейший ЖК-индикатор, основанный на эффекте динамического рассеивания света (рис. 7.8), состоит из двух параллельных стеклянных пластин 1 с нанесенными на внутренней поверхности прозрачными электродами 2 из окиси олова (при работе «на просвет») и слоя жидкокристаллического вещества 3 между ними.

Рис.7.8 - Рис. 4.16. Конструкция ЖК-индикатора (1 — стеклянные пластины, 2 — электроды из окиси олова, 3 — слой жидкого кристалла,4 — уплотнительные прокладки, 5 — внешние выводы)

При работе в режиме отражения света один из электродов выполняется зеркально отражающим (алюминий, никель). Толщина слоя жидкого кристалла составляет 10—25 мкм. Уплотнительные прокладки 4 изолируют объем и определяют зазор между пластинами. Проводящие электроды связаны с внешними выводами 5 прибора. Индикатор требует внешнего освещения или подсвета.

Слайд 9(1)

В индикаторах с эффектом динамического рассеяния света в нематический ЖК вносится добавка небольшого количества ионных соединений (электролита). При отсутствии напряжения ориентация вытянутых молекул ЖК упорядочена (см. рис. 7.7, а). Молекулы располагаются перпендикулярно плоскостям обоих электродов (рис. 7.9, а) или имеют относительно них некоторый наклон.

Рис.7.9 Ориентация молекул в ЖК-индикаторе при отсутствии (а) и наличии (б) напряжения

В исходной ориентации молекул слой ЖК прозрачен.С приложением напряжения возникает движение ионов электролита в направлении электродов, (на рис. 1.17, б показано направление движения только положительных попов), вызывающее беспорядочное перемещение молекул жидкого кристалла (турбулентное движение) и его перемешивание. Создается динамическая неустойчивость ориентации молекул ЖК, и их упорядоченная ориентация нарушается. Молекулы создают сильное рассеивающее действие падающему свету, ЖК теряет прозрачность, и цвет его становится молочно-белым. При снятии напряжения питания молекулы ЖК возвращаются висходное состояние ориентации, прозрачность слоя восстанавливается.

Присутствие ионов в ЖК обусловливает проводимость индикаторов с динамическим рассеянием света и протекание через жидкий кристалл тока при наличии напряжения. Вследствие ионной проводимости создается опасность электролитического распада жидкокристаллического вещества, особенно при питании от источника постоянного напряжения. Для повышения срока службы индикаторов их питание осущестзляют от источников переменного напряжения(обычно прямоугольной формы) с частотой 25—200 Гц. Амплитударабочих напряжений равна 15- 30 В. Изменение оптических свойствнаступает при пороговом напряжении  5— 10 В. Времяизменения оптического состояния после подачи или снятия напряженияпитания составляет 50 —300 мс. Максимально достигаемаяконтрастность равна 20 - 40. Потребляемый ток лежит в пределах5-25 мкА/см2, а мощность — 50—550 мк Вт /см2. Срок службы достигает10 тыс. ч.

Слайд 9(2)

В индикаторах со скручиванием нематической фазы («твист»-эффектом) исходному состоянию отвечает скрученная структура молекул нематического ЖК в межэлектродном промежутке (рис. 7.10, а).

Рис.7.10 - Ориентация молекул в ЖК- индикаторе со скручиванием нематической фазы при отсутствии (а) и наличии (б) напряжения

По мере удаления от одной плоскости электрода к другой угол поворота молекул увеличивается и достигает 90°. Одним из методов, создания такой ориентации молекул является полировка внутренних поверхностей стеклянных пластин в одном направлении и затем установка их с поворотом на 90° относительно направления полировки. При работе «на просвет» на внешние поверхности стеклянных пластин наносят поляризационные пленки. Плоскости поляризации поляризаторов взаимно перпендикулярны (скрещены). Если индикатор должен работать в режиме отражения, то за вторым поляризатором помещают отражатель.

На рис. 7.10, а приведена модель ЖК-ячейки, помещенной между двумя поляризаторами со скрещенными направлениями поляризации (показаны стрелками). В отсутствие возбуждающего напряжения плоскополяризованная световая волна, образованная первым поляризатором, поворачивается на 90° при прохождении слоя жидкого кристалла. Ее пропускает второй поляризатор, поскольку плоскость световой волны, прошедшей ЖК, будет совпадать с плоскостью поляризации этого поляризатора. ЖК-ячейка оказывается светлой и прозрачной.

Приложенное к индикатору напряжение (рис. 7.10, б) вызывает поворот молекул и установку их параллельно вектору электрического поля. Скрученная структура молекул исчезает. Слой ЖК не создает поворота плоскополяризованной световой волны. Проходящий через ЖК поляризованный свет не пропускается вторым поляризатором. ЖК-ячейка становится т е м н о й и непрозрачной. При снятии возбуждающего напряжения скрученная структура молекул восстанавливается. Второй поляризатор пропускает свет, и ячейка вновь становится светлой.

Слайд 9(3)

Эффект скручивания нематической фазы в отличие от эффекта динамического рассеяния света является чисто полевым. Для его реализации пропускать ток через ЖК-ячейку не нужно, что дает существенный выигрыш в энергопотреблении.Управление индикатором также производят переменным напряжением. Рабочие напряжения составляют 5— 10 В, а пороговое напряжение  0,9—1,5 В. Время изменения оптического состояния то же, что и в индикаторах с динамическим рассеянием света. Максимально достигаемая контрастность значительно выше (30— 100). Потребляемый ток и мощность существенно меньше (1 — 10 мкА/см2 и 5—50 мкВт/см2). Срок службы достигает 50— 100 тыс. ч.

Жидкокристаллические индикаторы работают в ограниченном температурном диапазоне. Это обусловливается, во-первых, ограниченным диапазоном температур, при котором вещества проявляют свойства жидких кристаллов: температура от —5 до —30°С определяет их точку плавления, температура от + 6 0 до +80°С соответствует точке «просветления». Во-вторых, в области отрицательных температур существенно увеличивается время изменения оптического состояния (индикаторы становятся недопустимо инерционными). Типичный температурный диапазон индикаторов составляет от 0до l50°С. При отрицательных температурах окружающей среды осуществляют подогрев индикаторов.

Жидкие кристаллы нашли преимущественное применение в буквенно-цифровых индикаторах. Эти индикаторы выполняют со знакосинтезированием. Прибор содержит сигнальный и знаковые электроды. Сигнальный электрод выполняют сплошным. Он может быть прозрачным или отражающим. Прозрачные знаковые электроды имеют вид сегментов. Они создаются во второй электродной плоскости индикатора. Число сегментов зависит от используемой знакосинтезирующей фигуры и может быть самым различным. Различным может быть в приборе и количество знакосинтезирующих фигур (знакомест). Высота отображаемых знаков в ЖК-индикаторах достигает 50 мм.

Элементы индикации на основе жидких кристаллов отличаются от индикаторов других типов наименьшим потребляемым током. По электрическим параметрам они согласуются с интегральными МДП- микросхемами. Таким образом, ЖК-индикаторы позволяют создавать устройства отображения информации с минимальной потребляемой мощностью (например, наручные часы). Вместе с тем при создании устройств отображения информации приходится считаться с такими недостатками ЖК-индикаторов, как необходимость внешнего освещения или подсветки, узкий температурный диапазон применения, наименьшее из всех индикаторов быстродействие.