Лекция №26
Тема 2.3 Элементы индикации на жидких кристаллах
Оптические свойства жидких кристаллов. Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на явлениях взаимодействия световых электромагнитных колебаний с длинными молекулами вещества, находящегося в промежуточном (между жидким и кристаллическим) состоянии.
Жидкие кристаллы (ЖК) уже прочно заняли свое место как электролитические материалы для устройств отображения информации в приборах автономного типа, т. е. с отдельными источниками питания, таких как электронные наручные и настольные часы, калькуляторы, микроЭВМ, измерительные приборы типа тестеров и т. д. Есть также основания ожидать, что технические трудности, стоящие на пути создания плоских телевизионных экранов на ЖК, будут со временем преодолены и удастся создать дешевый экран, удовлетворяющий телевизионному стандарту как в отношении разрешающей способности, так и быстродействия.
Жидкие кристаллы являются органическими материалами, представляющими промежуточную фазу (или мезофазу) между твердой и изотропной жидкой фазами. В твердокристаллической фазе они обладают текучестью и способностью принимать форму сосуда, подобно обычным жидкостям, но молекулы жидких кристаллов взаимодействуют между собой, создавая упорядоченные состояния различных типов.
Жидкокристаллические состояния (промежуточные между кристаллическим и изотропно-жидким) обнаруживаются у вещества с удлиненной формой молекул, образующих молекулярные кристаллы. Все ЖК 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 др. Реакция ЖК на эти воздействия в основном проявляется в изменении их оптических свойств, в связи с чем ЖК могут применяться для управления световым излучением, приема и отображения информации.
Свойства ЖК объясняются особенностью строения молекул. Для них характерны вытянутые формы; типичные размеры молекул — длина 1 ... 3 мкм, ширина0,5... 1 мкм..
Конструктивно все типы ЖКИ состоят из тонкого (10.. .50 мкм) слоя ЖК вещества между двумя стеклянными пластинками 3 (рис. 8.27), одна из которых прозрачна, и устройств для изменения оптических свойств слоя. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды 4 (из окиси олова) необходимой конфигурации, к которым подсоединены выводы 1. Герметичная' полимерная прокладка 2 ограничивает объем и зазор между пластинами. Объем, заключенный между двумя электродами, содержит жидкий кристалл 5 и имеет толщину б... 25 мкм.
Контейнер для ЖКИ в идеальном случае должен быть полностью герметичным для исключения воздействия окружающей среды на жидкость и ее поверхность. И наоборот, сам контейнер не должен оказывать влияния на жидкость, за исключением задания граничных условий, управляющих ориентацией жидкости, в частности в выключенном состоянии. Закрепление ориентации у поверхности электродов ЖКИ позволяет также управлять возвратом ориентации в исходное состояние после снятия электрического сигнала.
У ЖКИ, работающих в проходящем свете, оба электрода прозрачны. Такой индикатор в невозбужденном состоянии прозрачен и пропускает свет, а в возбужденном — рассеивает его. Электроды могут быть сплошными или с вытравленными рисунками дл» получения изображения.
Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка. Для этого за задней пластинкой ЖКИ размещается лампа, средняя мощность которой составляет 0,5 Вт на один знак высотой 2,5 см. Такая мощность обеспечивает яркость ЖКИ, сравнимую с яркостью газоразрядных или светодиодных индикаторов, используемых в условиях обычной Существуют различные методы изготовления жидкокристаллических индикаторов, но в основном применяются два: спекание стекла и полимерная герметизация. Элемент получается полностью герметичным, когда спеканием стекла спаиваются передний и задний электроды, за исключением отверстия, которое запаивается после заполнения ЖК материалом в вакууме. Электроды изготовляются в виде нанесенной на стекло металлической пленки. Чтобы выдерживать температуру пайки, поверхности, задающие ориентацию ЖК материала, должны быть неорганическими. Обычным: способом получения ориентации является напыление под малыми углами на один или оба электрода; чаще всего в качестве материала используется моноокись кремния.
Одновременно с угловым напылением может применяться полимерная герметизация, но полимерные пленки чаще наносятся на поверхность электродов окунанием в раствор. После сушки пленку «натирают» для задания ориентации. При таком способе ориентация параллельна направлению натирания с небольшим отклонением.
Герметизирующая прокладка может быть термостойкой или термопластичной. Объем между электродами заполняется ЖК материалом, и герметизация производится нагревом элементов конструкции при небольшом
давлении.
Принципиальная простота устройства ЖКИ и их планарная конструкция позволяют создавать крупногабаритные панельные дисплеи, широкое использование которых сдерживается технологическими возможностями создания цепей адресации информации к соответствующим участкам дисплея. Для малых дисплеев (например, часовых с четырьмя 7-сегментными цифровыми разрядами) можно создать отдельный электрический контакт к каждому элементу дисплея. Но для дисплеев, число элементов которых более 50, сделать такой отдельный контакт к каждому элементу невозможно.
У ЖКИ одной из главных является проблема обеспечения долговечности, связанная с недостаточной химической стабильностью ЖК. Практически приемлемая долговечность достигается с помощью конструктивных и технологических мер. Под сроком службы ЖКИ понимают время, в течение которого контрастность индикатора снижается в 2 раза по сравнению с первоначальной. Для' повышения срока службы ЖК питают переменным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Срок службы такого индикатора при возбуждении напряжением переменного тока повышается на порядок.
К недостаткам ЖКИ относятся: малый рабочий температурный
интервал (обычно —10 ... +60°С), значительная инерционность (10 ... 10» с), узкий угол обзора, ограниченный срок службы (10000 ч).
Во всех типах ЖКИ, выпускаемых промышленностью, в качестве подложки используют стеклянные пластины толщиной 1 ......5 мм, причем для
индикатора большего размера применяют *более толстые стекла. Проблема массы для ЖКИ является более острой, чем для любых других индикаторов, например СИД, у которых масса определяется массой подложки. Тем не менее, массу ЖКИ можно снизить, применяя вместо стеклянных подложек полимерные.
В настоящее время серьезные работы проводятся по созданию
и практическому применению матричных ЖКИ и индикаторов с полицветным изображением. При использовании матричных ЖКИ
имеются сложности, связанные с мультиплексным управлением
жми.
В номенклатуре ЖКИ имеется значительное число сегментньрс индикаторов, позволяющих отображать цифры от 0 до 9, ряд букв, обозначения основных электрических размерностей. Высота знаков от 5 до 20 мм, число разрядов до 6—8. Разработаны матричные ЖКИ различных размеров.
Типовая конструкция ЖКИ представлена на рис. 8.29. Площадь и форма корпуса ЖКИ могут быть различными (от 1 до 10000 см"). Геометрические размеры и вид изображаемых символов в пределах площади индикатора определяются лишь эргономическими соображениями, поскольку ЖКИ не накладывают на них: никаких ограничений.