5. Рідкокристалічні індикатори

Рідкокристалічні індикатори (РКІ) наразі є домінуючим типом у пристроях відображення інформації.

Рідкокристалічний стан речовини характеризується одночас­ним сполученням властивостей рідини (плинність) і кристала (оптична анізотропія). Такий стан може виявлятися в деякому температурному інтервалі між температурою кристалізації Т_к і температурою перетворення речовини на однорідну прозору ріди­ну Т_ж. Існує кілька структурних різновидів рідких кристалів (РК); для індикаторних приладів використовуються нематичні (від ла­тинського пета — нитка) РК, що характеризуються такими основ­ними особливостями:

• молекули цих речовин мають сильно витягнуту, ниткоподіб­ну форму;

® у рівноважному стані проявляється тенденція до орієнтуван­ня великих осей молекул уздовж якогось переважного на­прямку;

• міжмолекулярні взаємодії дуже слабкі, тому структура ріди­ни (характер орієнтування молекул) може легко змінюватися під зовнішніми впливами;

• має місце оптична й електрична анізотропія: різні значення показників переломлення й діелектричної постійної в на­прямку уздовж великих осей молекул (?г|| і єц) і перпендику­лярно їм (п! і с,) (РК-кристали з подвійною променезалом- люваністю);

• залежно від знака величини Ла = єц --б , розрізняють позитив­ну й негативну діелектричну анізотропію — при прикладенні електричного поля молекули РК першого типу орієнтуються уздовж поля, другого типу — поперек нього;

• наявність анізотропії й можливість перебудови структури проявляються у двох різновидах електрооптичних ефектів;

• зміна характеру поляризації минаючого (відбитого) світла й зміна коефіцієнта відбиття (пропускання) світла.

В якості рідких кристалів можуть виступати дуже багато орга­нічних сполук (тисячі), найкращі для технічних застосувань ре­зультати дають їх суміші. «Класичними» нематичними сумішами є МББА (н-(п-метоксібензіліден)-п-(н-бутіланілін)) и ЕББА (н-(п-етоксібензіліден)-п-(н-бутіланілін)), що забезпечують одер­жання ЛТ_рк = Г_р - Т_к = 15...70°. Серед усіх структурних різновидів рідких кристалів нематичні відрізняються найменшою в’язкістю,

що забезпечує їхню найбільшу швидкодію, обумовлену часом

—1 —2 —Я

переорієнтації молекул-10 с (та до 10 ...10 с у спеціальних

робочих режимах). Питомий опір нематичного РК дуже великий (~ 10^і0 Ом • м) і для його деякого зменшення (що буває необхідно) у рідину вводяться органічні домішки, при дисоціації яких вини­кають вільні іони.

Історично першим електрооптичним ефектом, використаним в індикаторній техніці, був ефект динаміч ного розсіювання. Якщо до шару злегка провідного нематичного РК із негативною діелектричною анізотропією прикласти електричне поле, то моле­кули орієнтуються поперек поля, а виникаючий потік іонів прагне порушити цю орієнтацію.

При деякому значенні струму провідності виникає стан тур­булентності, що руйнує попередньо впорядковану структуру РК. Безперервні хаотичні зміни показника переломлення ділянок

Рис. 4.16. Вольт-контрастна характеристика РКІ: 1 — початкова ділянка; 2 ■— ділянка ламінарного руху; 3 — ділянка турбулентного руху; 4 — ділянка насичення турбулентності

рідини викликають розсію­вання світла (звідси й назва ефекту), що зовні проявля­ється як помутніння РК. Вольт-контрастну характери­стику РКІ подано нарис. 4.16.

Кращі характеристики ін­дикаторів дає використання твіст- ефекту, суть якого по­лягає в такому. У зазорі між двома пластинами будь-яким способом досягають «скручу­вання» нематичної структури РК, тобто такого розташуван­ня молекул, коли їхні великі осі паралельні обмежуючим поверх­ням, а напрямки цих осей поблизу першої та другої пластин вза­ємно перпендикулярні (рис. 4.17, о).

У товщі рідини орієнтація молекул змінюється поступово від верхньої граничної орієнтації до нижньої. Технологічно така скру­чена структура досягається, наприклад, шляхом односпрямоваио- го натирання внутрішніх поверхонь скляних пластин у взаємно перпендикулярних напрямках, що й приводить до відповідної орієнтації молекул. Використовується також орієнтоване нанесен­ня на скло поверхнево-активних і поверхнево-єднальних речовин, похиле напилювання тонкої плівки моноокису кремнію, прорі­зування канавок тощо. Спосіб скручування структури й склад використовуваної рідини є основним «секретом» технології виго­товлення РКІ.

Шар скрученого нематичного РК обертає площину поляризації прохідного світла на кут 90°. Якщо до чарунки прикласти елек­тричне поле, то (за умови використання матеріалів з позитивною діелектричною анізотропією) всі молекули орієнтуються уздовж

Рис. 4.17. Твіст-ефект у рідких кристалах: розташування великих осей молекул поблизу границь при відсутності, (а) та при прикладенні електричного поля (б): 1 — верхня скляна пластина з нанесеним зовні електродом; 2 —• орієнтувальні канавки; 3 — молекула рідкого кристала; 4 — нижня скляна пластина з нанесеним зовні електродом

поля (рис. 4.17, б) і ефект скручування зникає. Тепер шар рідини не змінює поляризації світла, що проходить крізь нього. Помі­щаючи на вході й виході чарунки поляроїдні пластини, модуляцію поляризації світла перетворюють на амплітудну.

Твіст-ефект на відміну від ефекту динамічного розсіювання є су­то польовим: для його реалізації пропускання струму через струк­туру не потрібно. Це дає істотний виграш в енергоспоживанні.

Побудова рідкокристалічного індикатора (рис. 4.18) досить про­ста, тут зручно реалізуються сучасні плоскі панельні конструкції. Для одержання низьких керуючих напруг (одиниці вольт) зазор між пластинами повинен бути невеликим (-10 ³ см), а використо­вувана рідина — мати круто наростаючу вольт-контрастну харак­теристику (рис. 4.16). Характерно, що вартість РКІ (на відміну від напівпровідникових) дулсе мало залежить від їхньої площі — виго­товляються прилади з висотою цифр від 3 до 500 мм. Використову­ються конструкції, що працюють як у відбитому світлі, так і в ми­наючому. Всі РКІ працюють на змінному струмі; при спробах використовувати постійну керуючу напругу виявляються істотни­ми електролітичні ефекти й термін служби приладу стає неприпус­тимо малим.

Рідкі кристали являють собою досить зручну основу для ство­рення інформаційних табло підвищеної інформаційної ємності й телевізійних екранів. Причини цього — мала споживана

Рис. 4.18. Схематична побудова РКІ: а — чарунка РКІ за відсутності напруги (1 — промінь; 2 — поляроїдні пластини; З — прозорі електроди; 4 — речовина рідкого кристалу); б — чарунка РКІ під дією напруги

потужність, висока контрастність, низька живляча напруга, тех­нологічність. Основні складності пов’язані зі схемами керування: низька швидкодія РКІ ускладнює використання мультиплексних режимів, приводить до створення РК-матридь з більшою кількіс­тю зовнішніх виводів.

Подолання цієї проблеми можливе в такій конструкції екрана, в якій замість однієї зі скляних обкладок звичайного РКІ викори­стовується кремнієва пластина, що містить схему керування й комутації на тонкоплівкових елементах. Таке технологічне спо­лучення растра й схеми керування значно скорочує число зовніш­ніх виводів, забезпечує збільшення швидкодії пристрою.

Удосконалювання РКІ відбувається в напрямку підвищення швидкодії, довговічності, кута обзору, створення елементів з вбу­дованою пам’яттю.