Принципы работы ЖКИ (1)

1.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Все жидкие кристаллы состоят из молекул удлиненной формы,
упорядоченное расположение которых обеспечивается относительно
слабыми дальнодействующими силами. Поскольку межмолекулярные
силы довольно малы, структура ЖК в значительной степени зависит
от воздействия внешних факторов: температуры, механических
деформаций, электрических и магнитных полей, ультразвука и т.п.
Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляется в изменении
их оптических свойств, т. е. изменении светопропускания, цвета,
поляризации, что может использоваться для управления световым
излучением, а также для приема, хранения и отображения
информации.

2.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Жидкокристаллическое состояние вещества, называемое мезофазой
(промежуточной фазой), существует в определенном, четко
ограниченном для каждого соединения, температурном интервале. В
мезофазе вещество по механическим свойствам относится к
жидкостям, т. е. характеризуется текучестью, поверхностным
натяжением и вязкостью. Вместе с тем для ЖК в мезофазе характерны
дальний ориентационный порядок молекул и анизотропия
(неодинаковость по разным направлениям) магнитных,
диэлектрических и оптических свойств, присущие кристаллам.

3.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Жидкости, кристаллы и жидкие кристаллы различаются степенью
свободы молекул. В жидкости молекулы подвижны в трех измерениях
и могут вращаться вокруг трех взаимно-перпендикулярных осей. В
кристаллах молекулы фиксированы и вращение их невозможно. В
жидких кристаллах молекулы подвижны в двух измерениях и могут
вращаться вокруг одной оси. При изменении температуры меняется
структура ЖК. При низких температурах центры их молекул
образуют кристаллическую решетку, а молекулярные оси имеют
однородную ориентацию. При повышении температуры происходит
плавление, т.е. вместо трехмерной кристаллической решетки
образуется одномерная. При дальнейшем повышении температуры
полностью исчезает дальний координационный порядок молекул, но
сохраняется их дальний ориентационный порядок, т.е. локальная
однородная ориентация длинных осей. При еще более высокой
температуре происходит ориентационное плавление и образуется
изотропная жидкость.

4.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Температуру перехода вещества из кристаллической фазы в мезофазу
называют температурой плавления (Тпл), а температуру, при которой
вещество из мезофазы переходит в обычное жидкое состояние, —
температурой просветления (Тпр). Она так называется потому, что в
мезофазе в той или иной степени вещества рассеивают свет и
являются мутными, а в истинно жидком состоянии они прозрачны.
Температуры Тпл и Тпр имеют широкий диапазон: от -20 до 250°С.
Температурные интервалы существования мезофаз ( Т = Тпл - Tпр) у
ЖК и их смесей самые разные: у одних веществ они достаточно
велики (20... 70°С), а у других — очень малы (2... 7°С).
Свойства ЖК обусловлены строением их молекул, имеющих
удлиненную (палочкообразную) форму.

5.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
В зависимости от взаимного расположения молекул ЖК подразделяют:
Смектические. Молекулы расположены параллельно и имеют
упорядоченную структуру, т.е. упорядоченную ориентацию длинных
осей и центров тяжести молекул. Такие ЖК соответствуют
двумерным кристаллам.
Нематические. Молекулы расположены параллельно, но их центры
тяжести смещены относительно друг друга. Такие ЖК соответствуют
одноосным кристаллам и являются менее упорядоченными по
сравнению со смектическими. Весь их объем состоит из областей,
различающихся направлением ориентации осей молекул. Поэтому
нематические ЖК сильно рассеивают свет, т.е. являются мутными на
просвет и в отраженном свете. Вместе с тем их молекулы легко
поддаются ориентации электрическим полем, и, следовательно, ЖК
просветляются под его действием. При этом соответствующим
расположением электродов можно добиться планарной (плоской)
ориентации молекул (т.е. параллельно ограничивающим пластинам) и
гомеотропной (перпендикулярно ограничивающим пластинам).

6.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Холестерические. Являются разновидностью нематических. Они
характеризуются спиральным закручиванием направлений ориентации
молекул в различных плоскостях, параллельных плоскостям
ограничивающих пластин. При этом наблюдается также вращение
плоскости поляризации проходящего света. Шаг спирали, или период
повторения ориентации молекул, составляет от 0,2 до 20 мкм. Если
направить луч света перпендикулярно пластинам, между которыми
находится холестерический ЖК толщиной в несколько периодов
спирали, то свет расщепится на проходящий и отраженный с круговой
поляризацией. Причем у проходящего света вращение поляризации
будет соответствовать закрутке молекулярной спирали, а у отраженного
света закрутка будет противоположной. Используя пленочные
поляризаторы на входе и выходе жидкокристаллической пластины,
можно получать ее просветление при подаче напряжения, причем
проходящий свет будет иметь характерную окраску.

7.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Свойства жидких кристаллов и устройство ЖКИ
Жидкие кристаллы представляют собой различные соединения
органических веществ, имеющих структуру длинных молекул с
двойной связью. В настоящее время известно много таких веществ и
они хорошо изучены. Разработаны также методы их синтеза и очистки.
В основном в индикаторах используются ЖК, имеющие нематическую
фазу в области температур эксплуатации приборов: от -10 до +60°С.
Для получения таких ЖК подобраны соединения веществ с разными
свойствами. В некоторых случаях (например, для создания нужного
цвета ЖК) используются легирующие цветовые добавки (присадки) в
количестве до 3...5% от объема ЖК.
Холестерические кристаллы имеют собственные цвета: от синего до
желтого и красного.
При смешивании нематических кристаллов с холестерическими
полученная смесь приобретет свойства последних, т.е. будет обладать
оптической активностью. Обычно смеси нагревают до температуры, на
10...20 °С превышающей температуру просветления, для обеспечения
полного перемешивания и получения однородного соединения.

8.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Физические принципы работы ЖКИ
Структуры элементов (сегментов) ЖКИ, работающих при индикации
на отражение
В схеме свет отражается от металлической пленки — электрода 2,
расположенного на стеклянной подложке 1. Затем он проходит слой
жидких кристаллов 3 и проводящий прозрачный слой — электрод 4,
нанесенный на стеклянное окно 5. При подаче напряжения молекулы
нематических ЖК выстраиваются вдоль силовых линий
электрического поля и кристалл просветляется, создавая изображение
электрода 2. В результате на светлом фоне нематического кристалла
появится темно-синее изображение пленки на подложке.
Рис. 1. Структуры сегментов индикаторов на ЖК, работающих на отражение: 1 — подложка; 2 — металлический
электрод-отражатель; 3 — слой жидких кристаллов; 4 — прозрачный электрод; 5 — стеклянное окно

9.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Физические принципы работы ЖКИ
Структуры элементов (сегментов) ЖКИ, работающих при индикации
на просвет (поляризационного типа)
Дополнительно с двух сторон от слоя ЖК установлены пленкиполяризаторы 6 с поляризационными осями, ориентированными под
углом 90°. Свет, подаваемый снизу (или, как в предыдущем случае,
отраженный от металлической подложки) поляризуется первой
пленкой 6 и, пройдя через слой прозрачного электрода 4 и слой ЖК 3,
гасится второй пленкой 6, которая не пропускает свет ортогональной
поляризации (так как ее плоскость повернута на 90°).
Рис. 2. Структуры сегментов индикаторов на ЖК, работающих на просвет: 1 — подложка; 2 — металлический
электрод-отражатель; 3 — слой жидких кристаллов; 4 — прозрачный электрод; 5 — стеклянное окно; 6 — пленкиполяризаторы

10.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Физические принципы работы ЖКИ
Структуры элементов (сегментов) ЖКИ, работающих при индикации
на просвет (поляризационного типа)
Скрещенные поляризаторы пропускают свет, если между ними имеется
тонкий слой ЖК, разворачивающий плоскость поляризации при подаче
напряжения на электроды. Таким свойством обладают холестерические
ЖК. Если на электроды элемента с холестерическим ЖК подать
напряжение, то свет будет проходить через него и формируемое
изображение можно будет увидеть или спроектировать на экран.
Рис. 2. Структуры сегментов индикаторов на ЖК, работающих на просвет: 1 — подложка; 2 — металлический
электрод-отражатель; 3 — слой жидких кристаллов; 4 — прозрачный электрод; 5 — стеклянное окно; 6 — пленкиполяризаторы

11.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Физические принципы работы ЖКИ
В индикаторах поляризационного типа важной характеристикой ЖК
является оптическая анизотропия. Мерой оптической анизотропии
(двулучепреломления) служит разность показателей преломления двух
ортогональных поляризационных компонент:
n = n 1 - n2 ,
где n1 и n2— показатели преломления световых волн, электрические
векторы которых соответственно параллельны и перпендикулярны
молекулярной ориентации.
У всех нематических ЖК n > 0, т. е. они ведут себя как положительные
одноосные кристаллы. Обычно п > 0,2, а средний показатель
преломления пср лежит в интервале 1,4... 1,8.
На практике часто важно, чтобы значение п было как можно больше.
По данному параметру ЖК конкурируют даже с твердыми
кристаллами: жидкие кристаллы имеют значение п в два раза
большее, чем кристаллы кальцита с достаточно большим
двулучепреломлением ( п= 0,17).

12.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Оптические явления, используемые в ЖКИ
Интерференция — это явление, заключающееся в наложении волн
разной длины, прошедших через слой ЖК, расположенный между
скрещенными или параллельными поляризаторами. В этом случае при
освещении белым светом изображение выглядит ярко окрашенным.
Плеохроизм — это явление неодинакового поглощения света различных
длин волн, приводящее к тому, что ЖК при пропускании через них
белого поляризованного света кажутся окрашенными по-разному в
разных направлениях.
Рассеяние света в нематических ЖК сильное. Слой ЖК толщиной в
несколько миллиметров уже непрозрачен. В более тонких пленках свет
также рассеивается, создавая молочную или слабую цветовую окраску.
При подаче напряжения молекулы вещества перестраиваются и ЖК
становится прозрачным в области электродов.

13.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Оптические явления, используемые в ЖКИ
Вращение
плоскости
поляризации
(оптическая
активность)
наблюдается в тонких пленках ЖК холестерического типа. Луч
поляризованного света, прошедший через слой ЖК толщиной h, на
выходе имеет плоскость поляризации, повернутую относительно
плоскости входного луча на угол = h (где — удельное вращение
плоскости поляризации в веществе). В ЖК значение значительно
выше, чем в кварце (15,5°/мм): оно достигает 70000°/мм.
Доменная структура появляется в ЖК под воздействием продольного
или поперечного поля. Это упорядоченное расположение молекул,
приводящее к характерному рисунку, который можно наблюдать в
поляризационном микроскопе. Домены могут быть в виде овальных
ячеек или в виде лабиринтов из светлых и темных полос. Под
действием электрического поля светлые полосы могут увеличиваться и
уменьшаться, соответственно просветляя или затемняя проходящий
свет. При определенных значениях воздействующего поля доменная
структура может скачком видоизмениться.

14.

Устройство и физические принципы работы ЖКИ
Оптические явления, используемые в ЖКИ
Электрооптический эффект «гость—хозяин» проявляется в том, что
молекулы нематического ЖК, в электрическом поле взаимодействуя с
молекулами плехроического красителя, выстраиваются в цепочку и
гасят цвет красителя.
Элементы индикаторов строятся на различных оптических эффектах
ЖК. Например, в цифровых индикаторах калькуляторов используется
свойство просветления, т.е. в этом случае визуально воспринимается
свет, отраженный от металлической подложки.
Для приборов и индикаторных панелей, работающих в ночное время,
используют ячейки ЖК с подсветкой и восприятием проходящего света.
Существуют также жидкокристаллические устройства, усиливающие
яркость изображения, и проекционные системы, увеличивающие
размеры изображения, а также устройства сохраняющие изображение
на длительное время. Сохранение изображения обеспечивается
введением между электродами сегнетоэлектрика. При подаче
напряжения сегнетоэлектрик поляризуется и даже после снятия
напряжения создает ориентирующее поле для ЖК.