Жидкокристаллические индикаторы

В противоположность активным приборам ЖК-индикаторы не генерируют свет, а только управляют его прохождением. Это обуславливает чрезвычайно малую потребляемую ими мощность. Преимуществом ЖК-индикаторов является также малое управляющее напряжение, позволяющее непосредственно согласовывать их с цифровыми интегральными микросхемами.

Жидкокристаллическое вещество представляет собой анизотропную жидкость, т. е. обладает обычными свойствами жидкости:

• текучестью;

• поверхностным натяжением;

• вязкостью,

и необычным для жидкости свойством – упорядоченностью ориентации молекул. Поэтому такие показатели, как диэлектрическая проницаемость и показатель преломления зависят от ориентации.

Для ЖК-вещества характерна анизотропная геометрия молекул. Они имеют сигарообразную форму. Упорядоченность структуры создается относительно слабыми силами связи между молекулами или между молекулами и граничными поверхностями. Так как эти силы малы, то при повышении температуры ЖК превращается в обычное вещество, а при понижении – в твердое состояние и теряет свойства жидкости.

В нормальном состоянии структура кристалла легко перестраивается под действием электрических или магнитных полей.

Ориентация отдельной молекулы ЖК подвергается непрерывным тепловым флуктуациям, однако в любой точке существует средняя ориентация, которая характеризуется единичным вектором, называемым директором . В зависимости от направления директора и взаимного расположения центра масс молекул различают три основных фазы состояния ЖК:

• смектическую;

• нематическую;

• холестерическую.

В наиболее упорядоченной смектической фазе молекулы ориентированы параллельно и их центры тяжести лежат в одной плоскости.

Если параллельность ориентации сохраняется, но центры тяжести расположены произвольно, то возникает нематическая фаза (нема греч. – нить).

В холестерической фазе имеет место закручивание директора так, что создается винтовая структура.

В большом объеме появляются области с независимой ориентацией директора. Для придания одинаковой ориентации D во всем рабочем объеме ЖК заключают в узкое (толщина несколько микрон) пространство между двумя подложками. В результате ориентация молекул определяется как соседними молекулами, так и граничной поверхностью подложки.

В нематической фазе ориентирующее действие подложек может привести к возникновению:

• планарной (гомогенной);

• нормальной (гомеотропной);

• закрученной (твистированной) ориентациям.

Для создания закрученной ориентации подложки обрабатывают, как и для планарной ориентации, но при сборке поворачивают на 90 градусов друг относительно друга. В результате директор внутри ЖК-слоя, заключенного между подложками, плавно поворачивается.

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

где - параллельная и перпендикулярная D составляющие диэлектрической проницаемости.

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

.

При этом для нематической фазы достигает значений 0,3, что больше чем почти во всех одноосных кристаллах.

Оптическая анизотропия приводит к возникновению эффекта двулучепреломления, который заключается в том, что падающий луч разделяется на два. Причем обыкновенный отклоняется относительно слабо, а необыкновенный – сильно. Учитывая, что направление директора может существенно изменяться при приложении электрического поля, возникают возможности электрооптического управления светом.

Ориентация молекул может меняться не только под действием поля, но и в результате различных электрогидродинамических эффектов, обусловленных протеканием небольшого тока. Это приводит к общему движению в жидкости. Пороговое напряжение возникновения гидродинамической нестабильности при постоянном напряжении составляет 10 и более вольт, что значительно больше чем в случае поля.