Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

устанавливается течение молекул в виде упорядоченных цилинд­

рических вихрей. При пороговой напряженности заметные токи проводимости разрушают собранную полем упорядоченную струк­ туру из-за возникновения турбулентности (турбулентного тече­ ния), что в конечном счете приводит к сильному рассеиванию све­ та. Таким образом, при напряженностях, меньших пороговой,

устанавливается гомогенная ориентация молекул, при которой

оптическая ось образовавшейся структуры ЖК перпендикуляр­

на лучу падающего света, а при напряженностях, больших по­

роговой, возникает их хаотическая ориентация, приводящая к

деполяризации света.

Если задние электроды сделать зеркальными, а передние по­

лупрозрачными, то при напряженности поля между электрода­

ми меньше пороговой ЖК будет прозрачным и зеркальные

электроды будут хорошо видны в отраженном свете. При крити­

ческих или еще больших напряженностях ЖК становится мут­

ным, при этом зеркальные электроды будут не видны, т. е. если установить на обеих пластинах систему электродов и менять уп­

равляющее напряжение, можно получить то или иное видимое

изображение. Устройство ячейки на эффекте динамического рассеивания представлено на рис. 15.11, а, где 1 - стеклянные пластины, 2 - прозрачный электрод, 3 - изоляционная про­ кладка, 4 - прозрачный электрод, 5 - слой ЖК, 6 - выводы.

ЖКИ на эффекте динамического рассеивания характеризуют­

ся уровнями потребляемой мощности 5... 10 мкВт/см2 для плот­

для переменного тока j = 2 ... 10 мкА/см2 • Рабочее напряжение

для этих приборов обычно не превышает 20 В, срок службы

(долговечность) на переменном токе - более 40 тыс. часов.

Твист-эффект основан на повороте плоскости поляризации све­

та, возникающем при распространении света вдоль оси холес­

теристичес:кой спирали или при скручивании нематической структуры. В нематических ЖК скручивания структуры доби­ ваются специальной обработкой поверхности пластин, что по­

зволяет ориентировать длинные оси приповерхностных моле­

кул ЖК или перпендикулярно плоскости пластин (гометронная

ориентация), или параллельно некоторому общему направлению

в плоскости пластин (гомогенная ориентация). Если длинные оси

'молекул различных областей ЖК параллельны разным направ­

лениям плоскости пластин, то ориентация называется нвазиго­

могенной. В отсутствие внешних полей ориентация молекул в объеме жид:ко:кри;сталлической ячейки определяется ориента- цией молекул, находящихся вблизи поверхности стеклянных пластин, при этом укладка молекул вблизи обеих пластин гомо­ генная, но направление осей молекул вблизи одной пластины

,составляет угол 90° с этим направлением у другой пластины. Таким образом, в объеме ЖК возникает спиральная укладка не­ матических плоских структур, при этом поворот плоскостей со­ ставляет всего Четверть витка спирали. Проходящий через та­

кой ЖК плоскополяризованный свет превращается в слабо эл­

липтически-поляризованный, азимут которого повернут на 90° 'р.- относительно поляризации падающего света. Если с обеих сто-

рон от ячейки поставить скрещенные поляризатор и анализа­

'тор, то в отсутствие управляющего напряжения на электродах

свет свободно проходит через анализатор и данный участок ЖК-ячейки будет светлым. При напряжениях на электродах

' больше порогового плоскость поляризации света не будет вра-

щаться и тогда свет не будет пропускаться скрещенными поля­

ризаторами, т. е. участок ячейки будет темным.

ЖКИ, использующий твист-эффект, представлен на

рис. 15.11, б, где использованы те же обозначения, что и на

рис. 15.11, а.

Эффект «Гость-хозяин» использует анизотропию оптического

поглощения дихроичных (от греч. «двухцветных») :красителей в

нематическом жидком :кристалле. Введение молекул :красителя

,(«ГОСТЯ») В НЖК В небОЛЬШИХ :КОНЦентраЦИЯХ (1 ... 2%) сохраняет

,температуры фазовых переходов и вяз:коупругие свойства смеси

на уровне НЖК-хозяина, но при этом заметно изменяется элек­ тропроводность и оптические свойства красителя. Контраст изо­

бражения в ЖКИ на эффев;те «гость-хозяин» зависит от опти­ ческих свойств красителя, толщины смеси, концентрации в ней

красителя и условий наблюдения. Оптическая анnзотропия в

рассматриваемом эффекте обусловлена тем, что молекулы НЖК

эффективно ориентируют молекулы красителя в определенном

направлении.

Поскольку ЖКИ - пассивные устройства, то основным их

оптическим параметром является контрастность, а не яркость,

как в активных индикаторах. Контрастность знака по отноше­

нию к фону определяется коэффициентом К, который представ­

ляет отношение разности коэффициентов яркости фона (ВФ) и

знака индикатора (В3) к коэффициенту яркости фона, выражен-

ное в процентах, т. е. К = ВФВ-В" 100%. К другим параметрам

ф

ЖКИ относятся ток потребления I п• напряжение управления Иупр• рабочая-частота напряжения управления fраб• минималь­

ное напряжение управления Иупр. мин• максимально допустимое

напряжение управления иупр. макс• время реакции tреак и время релаксации tрл· Одной из основных характеристик ЖКИ явля­

ется вольт-контрастная.

ЖКИ обычно питают переменным напряжением, qтобы из­

бежать направленных электрохимических процессов, которые сокращают срок службы индикаторов, поэтому вольт-контраст­ ная характеристика ЖКИ представляет зависимость контраст­ ности изображения К от действующего значения приложенного

напряжения управления Иупр· С увеличением напряжен:ия Иупр до некоторого порогового значения Ипор контраст сильно возрас­ тает. При Иупр > Ипор темп увеличения контраста с увеличением

Иупр становится много меньше. Значение Иупр. мин выбирается на пологом участке кривой вблизи ипор• т. е. иупр. мин~ ипор•

Рассмотрим некоторые характеристики ЖКИ, связанные с потребляемым током. Вольт-амперная характеристика (БАХ)

ЖКИ представляет зависимость тока потребления Iп = f(Иупр)

при Т = const и fраб = const (рис. 15.12, а).

Ток потребления I п зависит от управляющего напряжения,

рабочей частоты, температуры и конструктивно-технологичес-

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,1

Рис. 15.14

Температурная зависимость Jп = f(T) также определяется со­

отношением между емкостной и полной составляющими тока I п и может быть значительной, если доля ионной составляющей

велика (рис. 15.14, кривая 1, доля ионного тока 50% ). Прима­

лой доле ионного тока зависимость I п от температуры очень

незначительна (рис. 15.14, кривая 2, доля ионного тока 20% ). ВременнЬl:е характеристики ЖКИ связаны со скоростью про­

текания электрооптических эффектов. Времена реакции tреак и

релаксации tрл пропорциональны вязкости жидкости, квадрату

толщины ЖК и приблизительно обратно пропорциональны квад­ рату разности напряжений между приложенным и пороговым значениями. Время реакции tреак определяется интервалом вре­

мени при включении индикатора, в течение которого ток потреб­ ления Iп увеличивается до 0,8 от максимального значения; вре­

мя релаксации - интервал времени при выключении, в течение

которого ток потребления снижается до 0,2 от максимального

значения. Поскольку скорость переключения определяется тол­

щиной ЖК, его толщину делают возможно малой.

В настоящее время разработаны ЖКИ с цветными и поли­

цветными изображениями. Цветное изображение возможно по­

лучить различными методами: например, изменять цвет инди­

катора, осуществлять циклическое изменение цветов в системе

изображения, создавать фотографические объекты с различны­ ми характеристиками поглощения путем добавки дихроичных

акции восстановления металлических окислов W03 и реакции восстановления органических соединений - виологенов (ком­ паундов и других соединений) на поверхности электродов. Кон­

структивное исполнение электрохромных индикаторов во мно­

гом подобно ЭЛИ.

В работе ЭХИ на основе тонких пленок W03 можно выделить

три стадии: запись, запоминание, стирание. Запись и стирание ре­

ализуются при подаче на электроды ЭХИ постоянного напряже­ ния (1,0".1,5 В) или тока, при этом в первом случае ток, проте-

. кающий между электродами, будет переменным, а во втором -

напряжение между электродами будет зависеть от времени.

ЭХИ имеют время реакции - 50 мс при Т = 300 К, срок служ­

бы - 107 циклов, работают при низких температурах (до -25 °С).

Энергетические характеристики ЭХИ: минимальный заряд,

жении 1 В соответственно 4 и 2 мДж/см2 , рассеиваемая мощ­

ность для сигнала с частотой 1 Гц и скважностью 2 - от 2 до

8 мВт/см2 • Достоинства ЭХИ: мала.я потребляемая мощность,

широкий диапазон рабочих температур, малые рабочие напря­ жения (- 1 В), большая контрастность, не зависящая от угла

зрения. Недостатки ЭХИ: небольшой выбор цветов, большие вре­ мена реакции и релаксации, относительно малый срок службы.

Электрофоретические индикаторы (ЭФИ). Электрофорез - на­

правленное движение дисперсных частиц в жидкости (коллоид­

ных и взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, капель

другой жидкости) под действием электрического поля.

В ЭФИ реализуется движение взвешенных заряженн:Ы:х пиг­

ментных частиц в окрашенной безводной жидкости под дейст­

вием электрического поля. В результате электрофореза изменн­ ется коэффициент отражения и цвет рабочего вещества.

ЭФИ состоит из слоя коллоидной жидкости толщиной 25 .. ;100 мкм, помещенной между двумя стеклянными пласти­

нами с расположенными на их внутренних поверхностях проз­

рачными электродами.

Типичные параметры элемента ЭФИ толщиной 50 мкм: вре­ мя перемещения пигментных частиц 100 мс при максимальном

значении в импульсе напряжения 30 В и плотности тока

-1 мкА/см2 , потребляемая мощность< 12 мкВт/см2 для импуль­

сов с частотой повторения 1 Гц и скважностью 2, рекомендуемый

пассивные индикаторы имеют низкий уровень управляющих на­ пряжений, малую потребляемую •мощность, простую конструк­

цию; они техно:11огичны, хорошо совмещаются с микросхемами,

-®------il Контрольные бопросы.-1-------

1.Классификация газоразрядных приборов и индикаторов.

2.Каковы элементарные процессы в плазме газовых разрядов?

3.Процессы в тлеющем разряде и других типах разрядов,

включая высокочастотные БАХ газового разряда с холод­

ным катодом.

4. Пространственное распределение потенциалов. электриче­

ского поля, объемных зарядов и светимости областей газо­

вого разряда.

5. Индикаторные тиратроны.

6. Плазменные панели и их разнови~ности, устройство и

принцип функционирования.

7. Плазменные панели на переменном и постоянном токе, фи­

зические процессы, параметры, характеристики.

8.Приборы дугового разряда.

9.Каковы особенности устройства, процессов и характеристик

электровакуумных и·электролюминесцентных индикаторов? 10. Электрохромные и электрофоретические индикаторы, прин­ цип устройства и функционирования, достоинства и недос­

татки.

11. Жидкокристаллические индикаторы: классификация, принцип устройства и функционирования ЖКИ различных

типов, их параметры и характеристики.

Глада 16

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

16.1. Общие сведения

Оптоэлектроника - область науки и техники, где процессы взаи­ модействия оптического излучения с веществом и оптическое

излучение вещества используются для изучения фундаменталь-