§ 3.6. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Жидкокристаллические индикаторы относятся к числу пассивных приборов. В основу их работы положено свойство некоторых веществ изменять свои оптические показатели (коэффициенты поглощения, отражения, рассеивания, показатель преломления, спектральное отражение или пропускание, оптическую анизотропию, оптическую разность хода, оптическую активность) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации.

В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллическим (меза-морфным) называется термодинамически устойчивое состояние, при котором вещество сохраняет анизотропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Рис. 3.23. Ориентация молекул в смектических (а), нематических (б), холестерических (в) ЖК

Это состояние имеют некоторые производные бензола, дифенила, стероидов, гетероциклических и других сложных соединений. Характерной особенностью жидкокристаллических фаз является то, что молекулы вещества имеют сравнительно большую длину и относительно малую ширину. Они относятся к числу диэлектриков и имеют удельное сопротивление .

Различают три основных типа жидких кристаллов (ЖК): смектические, нематические, холестерические.

В смектических ЖК молекулы расположены параллельно своим длинным осям и образуют слои равной толщины, лежащие на равном расстоянии друг над другом (рис. 3.23, а). Текучесть обеспечивается за счет взаимного скольжения слоев.

В нематических ЖК оси молекул также параллельны, но они не образуют слоев и размещены хаотично (рис. 3.23, б). В них наблюдается скольжение вдоль длинных осей. На разных участках ориентация молекул различна и ЖК состоит из небольших областей, различающихся направлением ориентации осей. Из-за этой неупорядоченности наблюдаются оптическая неоднородность среды и сильное рассеивание света. Поэтому нематический ЖК мутный для проходящего и отраженного света. Однако с помощью внешних сил (электрического или магнитного поля) можно добиться оптической однородности среды и полного ее просветления.

В холестерических ЖК молекулы расположены слоями, как в смектических, однако их длинные оси параллельны плоскостям слоев, а направление их преимущественной ориентации (называемое директором) монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол (рис. 3.23, в). Распределение молекул имеет спиральный характер. Данные ЖК имеют большой показатель вращения плоскости поляризации. Под воздействием внешних сил шаг спирали меняется и соответственно изменяется окраска вещества, освещенного белым светом.

Из большого количества электрооптических явлений, характерных для ЖК, в устройствах отображения информации в основном применяют эффект динамического рассеивания, твист - эффект, эффект гость - хозяин. При их рассмотрении будем учитывать тот факт, что направление ориентации осей молекул в электрическом поле зависит от знака диэлектрической анизотропии.

Диэлектрическая анизотропия характеризует разницу диэлектрических постоянных в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению преимущественной ориентации молекул. При оси располагаются параллельно, а при — перпендикулярно электрическому полю.

Эффект динамического рассеивания заключается в том, что при наложении электрического напряжения ЖК в элементарной индикаторной ячейке становится матовым (мутнеет) и рассеивает свет. Это обусловлено тем, что при приложении электрического поля к слою ЖК с , слабо проводящему электрический ток, молекулы ориентируются поперек поля. Движущиеся ионы, благодаря которым протекает электрический ток проводимости, стремятся нарушить эту ориентацию. При некотором значении тока проводимости, характеризуемом напряжением электрогидродинамической неустойчивости, возникает состояние турбулентного движения, при котором упорядоченность структуры нарушается и ЖК мутнеет. Напряжение электрогидродинамической неустойчивости не более 5—6 В, пока молекулы успевают следовать за значением электрического поля (до десятков ), и увеличивается до 150—200 В на частотах, где молекулы не успевают следовать за электрическим полем и совершают только колебательные движения. Время «включения» при этом эффекте «расходуется» на выключение.

Твист - эффект заключается в изменении угла вращения плоскости поляризации под влиянием электрического поля. Он наблюдается в нематических ЖК с положительной диэлектрической анизотропией. Сущность его заключается в том, что у ЖК, находящихся между двумя светопроводящими пластинами, длинные оси молекул параллельны пластинам, а сами молекулы «скручены» в спираль, аналогичную холестерическому ЖК, причем оси молекул, находящихся около разных пластин, взаимно перпендикулярны (рис. 3.23, а). Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на угол, равный . При приложении электрического напряжения все молекулы ориентируются вдоль поля (материал с положительной диэлектрической анизотропией) и эффект скручивания пропадает (рис. 3.24, б). Теперь слой ЖК не изменяет поляризации проходящего через него света. Если пластины, между которыми расположены ЖК, представляют собой поляроиды, плоскости поляризации которых параллельны, то при наличии электрического поля свет будет проходить через систему, а при отсутствии — нет. При перпендикулярности плоскостей поляризации включенное и выключенное состояния противоположны вышерассмотренному.

Твист-эффект относится к числу чисто полевых. При его использовании не требуется наличие электрического тока.

Рис. 3.24. Расположение молекул вблизи границ при твист-эффекте: а при и б наличии электрического ноля

Рис. 3.25. Конструкция ЖК-индикаторов, работающие на просвет и отражение (б): 1 стекляные пластины; 2 склеивающее соединение; 4 - прозрачные элекфолы; 5 — ЖК; 6 - непрозрачный электрод

Он обеспечивает получение хорошего контраста и проявляется при малых напряжениях ( В). Длительность переходного процесса включения — выключения 30—200 мс.

Эффект гость — хозяин наблюдается в ЖК, в которых растворен дихроичный краситель, избирательно поглощающий свет в зависимости от ориентации его молекул относительно падающего светового потока. Его молекулы также имеют вытянутую форму. Молекулы ЖК ориентируют и переориентируют молекулы красителя в электрическом поле. В результате меняется степень поглощения, что хорошо обнаруживается в поляризованном свете. При этом требуется только один поляроид. Для холестерической структуры с малым шагом хорошая контрастность получается и без поляроида. Длительность переходных процессов установления стабильной окраски , управляющее напряжение 2—10 В. Приборы, выполненные с использованием этого эффекта, в зависимости от использованного красителя могут иметь различную окраску во включенном и выключенном состояниях.

Типовая элементарная ячейка ЖК прибора для отображения информации состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, между которыми помещены ЖК. С внутренней стороны пластин расположены электроды. Их количество и расположение берутся такими, чтобы можно было реализовать требуемое изображение. Если ячейка работает на просвет, то электроды на обеих пластинах выполняются прозрачными (рис. 3.25, а). При работе на отражение задний электрод выполняют непрозрачным (рис. 3.25, б). Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка. Для этого в ЖК-индикаторах, работающих на просвет, за задней пластиной размещают источник света, а у индикаторов, работающих на отражение, источник света размещаю! спереди или сбоку. Индикаторы имеют форму тонкой пластины, к краям которой подведены выводы электродов. Электроды выполняют в виде тонких, почти не видных на стекле токопроводящих полосок.

Рис. 3.26. Сегментный грехразрядный ЖК-индикатор, работающий на «отражение»; вид сверху (а), снизу (б), условное обозначение (в): а, б, в, е, д, ж - прозрачные электроды и общий непрозрачный электрод

Для подключения к схеме используют специальные панели, имеющие эластичные выступы, сделанные из электропроводящей резины. Контактирование обеспечивается за счет механического прижатия индикаторов к панелям. Отдельные конструкции имеют ленточные выводы, обеспечивающие их распайку на платах. Широко распространены цифровые, буквенно-цифровые и мнемонические ЖК-индикаторы сегментного типа, аналогичные показанным на рис. 3.26. В них прозрачные электроды выполнены в виде сегментов , от которых сделаны отдельные выводы. Непрозрачный электрод К изготавливают единым с одним выводом. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные электроды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона. Сочетание этих полос образует требуемую цифру, букву или знак. Меняя сегменты, подключенные к источнику напряжения, изменяют отображаемые цифры, буквы или мнемосхемы.

Известны также матричные конструкции, когда электроды на обеих сторонах выполнены в виде групп взаимно перпендикулярных линий, создающих матрицу. При подаче напряжения на горизонтальную и вертикальную линии изменение окраски наблюдается только на участке пересечения соответствующих линий, в котором электрическое поле между электродами имеет достаточно большую напряженность. Большое количество выводов затрудняет практическое применение матричных индикаторов. Поэтому их стараются выполнять в виде конструкции, имеющей внутреннюю электронную схему управления.

В качестве управляющего напряжения предпочитают использовать только переменное. При постоянном напряжении срок службы компонента снижается на порядок из-за миграции примесей на электроды и снижения контрастности изображения.

Поэтому в технических условиях, указывая напряжение управления (несколько В), обычно оговаривают допустимое значение постоянной составляющей ().

Часто используют так называемый фазовый метод управления, при котором на общий электрод на задней поверхности и электроды на передней подаются прямоугольные импульсы, сдвинутые между собой по фазе на 180 при возбуждении данного элемента и одинаковые по фазе, если данные элементы не должны иметь другой цвет.

При практическом использовании обычно требуется знать следующие параметры:

а) коэффициент контраста знака по отношению к фону

где яркости фона и знака,

б) время реакции (время ); в) время релаксации (время ); г) напряжение управления и ток частоту управляющего напряжения (30 — 1000 Гц).

ЖК-индикаторы просты по конструкции, дешевы, имеют низкое энергопотребление, обеспечиваю! хорошую контрастность изображения, которая не уменьшается при увеличении освещенности, хорошо совместимы с микросхемами управления. Их недостатки: необходимость иметь подсветку при работе в темноте, узкий температурный диапазон (от — 15 до ), изменение параметров в течение срока хранения и при работе. Область применения — экономичные устройства и системы с цифровым, буквенным, графическим или мнемоническим отражением информации.