3. Устройства отображения на жидких кристаллах.

Устройства на жидких кристаллах—пассивные устройства: они не генерируют свет, а только управляют им, рассеивают и модулируют его.

Системы отображения информации на ЖКИ применяется для оперативного отображения алфавитно-цифровой информации - на вокзалах, в аэропортах, спортивных площадках, гостиницах, и др. Буквенно-цифровые табло позволяют быстро донести широкой аудитории необходимую информацию о прибытии и отправлении поездов и самолетов, о результатах спортивных состязаний и т.д.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) управляют отражением и пропусканием света для создания изображений цифр, букв, символов и т.д. В отличие от светодиодов (Light-Emitting Diodes, LEDs), жидкокристаллические индикаторы не излучают свет.

Основу ЖКИ составляют жидкие кристаллы (ЖК), молекулы которых упорядочены послойно определенным образом между двумя стеклянными пластинами. Отображение различных символов достигается избирательным травлением проводящей поверхности, предварительно созданной на стекле. Не вытравленные области становятся символами, а вытравленные - фоном дисплея. Символы создаются из нескольких сегментов, которые работают как заслонки, включаясь и выключаясь для формирования изображений. Сегменты создаются прозрачными электродами из оксидов индия и олова, нанесенными на стекло ЖКИ. Цифры от 0 до 9 и некоторые буквы могут быть отображены на семисегментном индикаторе.

К преимуществам ЖКИ технологии можно отнести:

• Малое потребление энергии, если не используется дополнительная подсветка или подогрев, около 100 мкА на символ.

• Использование символов с большим числом сегментов и малым расстояниями между ними позволяет создавать шрифты, приближенные к печатным, и с высокой однородностью яркости символов.

• Большой срок жизни ЖКИ индикаторов от 50 000 до 200 000 часов и малое изменение уровня яркости в процессе эксплуатации системы.

Рис.3.1.― Системы отображения информации на ЖКИ.

3.1. Свойства жидких кристаллов. Жидкие кристаллы (ЖК) пред­ставляют собой органические жидкости, имеющие удлиненные стержнеобразные молекулы. ЖК обладают свойствами жидкости и некоторыми свойствами твердых кристаллических тел, которые присущи им в определенном диапазоне температур. При низкой температуре ЖК переходят в твердое состояние, а при высокой — становятся изотропными жидкостями. Различают ЖК трех типов: cмектические , нематические и холестерические. У жидких кристаллов первого типа молекулы располагаются слоями, причем длинные оси перпендикулярны плоскости слоя и стре­мятся ориентироваться параллельно друг другу. У нематических ЖК отсутствует слоистая структура, и молекулы стремятся ориен­тироваться параллельно друг другу своими длинными осями. Холе­стерические ЖК имеют структуру, аналогичную нематическим ЖК, но оси молекул каждого слоя повёрнуты относительно предыдуще­го слоя на определенный угол.

Молекулы ЖК представляют собой индивидуальные диполи. В УОИ используют вещества, обладающие диэлектрической и опти­ческой анизотропией. Основные характеристики вещества (коэффи­циент преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемости, проводимость, коэффициент вязкости) упрощенно можно описать компонентами, параллельными и перпендикулярными осям мо­лекул. Нематические ЖК с положительной диэлектрической анизо­тропией имеют составляющую диэлектрической проницаемости, параллельную оси молекул, большую, чем составляющая, перпен­дикулярная оси. У ЖК с отрицательной диэлектрической анизо­тропией составляющая диэлектрической проницаемости, перпенди­кулярная оси молекул, больше составляющей, параллельной этой оси. Диэлектрическая анизотропия зависит от химических свойств веществ и играет определяющую роль при получении электрооп­тических эффектов.

Оптическая анизотропия вещества проявляется в том , что коэф­фициенты преломления света, падающего параллельно или перпендикулярно направлениям осей молекул, оказываются различными, т. е. такие вещества способны изменять направление распростране­ния световой волны, вид поляризации и направление плоскости поляризации линейно поляризованного света.

Ячейка на жидком кристалле (рис. 3.2) состоит из двух пло­скопараллельных стеклянных пластин 1, на внутренние поверх­ности которых нанесены электроды 3. Между ними расположен тонкий слой жидкого кристалла 2. Толщина этого слоя зависит от толщины диэлектрической прокладки 4 (тефлон, майлар и др.) и обычно составляет, несколько единиц или десятков микрометров.

У индикаторов, работающих в проходящем свете, оба электрода прозрачны, а источник света 2 находится за индикато­ром (рис. 3.3,а). Такой индикатор в невозбужденном состоянии прозрачен и пропускает свет, а в возбужденном — рассеивает его. Электроды могут быть сплошными или с вытравленными рисунка­ми для получения изображений.

Рис.3.2.― Ячейка на жидком кри­сталле.

а) б)

Рис.3.3.― Жидкокристаллический ин­дикатор:

а—в проходящем свете: б—в отраженном свете.

Индикаторы, основанные на принципе отражения света, более экономичны, так как не требуют дополнительного источ­ника света (рис. 3.3,б). У них второй электрод изготовляется из материала с большим коэффициентом отражения (алюминий, ни­кель, хром), а в качестве источника света 2 может служить обыч­ный дневной свет или освещение помещения, в котором находится оператор 1.

Принцип действия таких индикаторных устройств основан на использовании электрооптических эффектов, которыми обладают нематические и холестерические ЖК.

Нематическим ЖК с большой диэлектрической анизотропией, у которых направление дипольного момента не совпадает с главной осью молекулы, свойствен эффект динамического рассеяния света, который используется в большинстве индикаторов. Этот эффект внешне проявляется в том, что под действием электрического поля прозрачное вещество становится молочно-белым. Это связано с тем, что под действием поля молекулы вещества стремятся ориентироваться своими длинными осями перпендикулярно сило­вым линиям поля. Однако из-за наличия угла между осями моле­кул и их дипольным моментом они остаются повернутыми на неко­торый угол относительно силовых линий. Наряду с этим возни­кающие в веществе ионы первоначально создают ламинарный поток, стремясь развернуть молекулы в направлении своего движе­ния. Выравниванию молекул противодействуют упругие и диэлек­трические силы, действующие в веществе. При некотором порого­вом значении поля поток в жидкости становится конвективным. Вокруг ионов образуются доменоподобные области. При дальней­шем повышении напряжения движение становится турбулентным, а возникающие области турбулентности являются рассеивающими центрами.

Следовательно, динамическое рассеяние света — такое явление, которое сопровождается пространственными вариациями коэффи­циента преломления в ЖК, индуцированными турбулентным пото­ком жидкости. Эффект динамического рассеяния обратим, т. е. после того как будет снято напряжение, жидкий кристалл стано­вится прозрачным. Контрастность ЖК с толщиной слоя 12 мкм 7: 1 при пороговом напряжении и изменяется до 20: 1 при напря­жении 60 В. В некоторых случаях контрастность может достигать значения 40: 1.

Смеси холестерических (10%) и нематических (90%) ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией обладают эффек­том накопления. Здесь, аналогично рассмотренному, при отсутствии электрического поля вещество прозрачно, а при его воздействии в жидкости возникает турбулентный поток и связанное с ним рас­сеивание света. Контрастность в этом случае несколько меньше, чем в случае, когда используется чистая нематическая жидкость. Эффект накопления (памяти) проявляется в том, что после снятия электрического поля первоначальное состояние вещества не восстанавливается, а лишь в течение 100—200 с контрастность постепенно снижается до некоторого порогового значения. Если механические и температурные воздействия отсутствуют, то режим накопления может сохраняться в течение длительного времени (часы и сут­ки). Стирать информацию можно, если кратковременно приложить, к ячейке электрическое поле частотой 3 кГц, которое дезориенти­рует молекулы ЖК, в результате чего вещество становится про­зрачным.

В отличие от ЖК с эффектами, основанными на образовании потока в жидкости, находят применение вещества, в которых используется эффект вращения плоскости поляризации, состоящий в том, что молекулы таких ЖК только поворачиваются в соответствии с ориентацией электрического поля. Благодаря этому дости­гается большее быстродействие и меньшее потребление энергии. Контрастность у таких ЖК достигает 100 : 1, что объясняется наличием резкого порога в электрооптической характеристике соответ­ствующих ЖК. Недостаток таких устройств — необходимость в по­ляризаторах, что усложняет конструкцию, повышает стоимость и ограничивает угол наблюдения.

Нематическим ЖК с весьма высокой степенью чистоты и гомеотропной ориентацией молекул (оси молекул перпендикулярны поверхностям электродов) свойствен эффект деформации ориенти­рованных фаз. Этот эффект проявляется в способности молекул вещества изменять направление поляризации падающего света. Молекулы ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией при воздействии электрического поля стремятся ориентироваться своими длинными осями перпендикулярно силовым линиям. Сред­ний угол наклона молекул зависит от величины приложенного на­пряжения. Исправная ячейка поворачивает плоскость поляризации света с определенной длиной волны на 90°. В таком случае прак­тически весь свет проходит через анализатор при скрещенных по­ляризаторах, и ячейка кажется светлой. Свет не проходит через анализатор при параллельных поляризаторах, и ячейка кажется черной. Контрастность индикаторов может превысить 100:1. Рас­сматриваемый эффект в зависимости от длины волны падающего света проявляется в изменении цветовых свойств. В частности, между пороговым напряжением ~5 В и напряжением насыщения 35 В можно наблюдать пять интерференционных максимумов и минимумов при работе в белом свете. С повышением напряжения можно зафиксировать цвет, начиная от черного (выключенное со­стояние) с переходом через ряд градаций серого до почти белого, и дальше —желтый, оранжевый, красный, пурпурный, синий, зе­леный. ЖК с эффектом деформации вертикально ориентированных фаз применяют как в индикаторах, так и в схемах адресации к ма­тричным экранам.

Как правило, электрооптические эффекты в ЖК характеризу­ются пороговыми значениями электрического поля (напряжения). Пороговое напряжение, соответствующее возникновению эффекта динамического рассеяния света в нематических ЖК, составляет 6—9 В при возбуждении напряжением постоянного тока. С увели­чением напряжения выше порогового уровня контрастностьК плавно возрастает и при некотором значении напряжения наступает насыщение (рис. 3.4). С увеличением освещенности контраст­ность изображения увеличивается. Рассмотрим реакцию ЖК на приложенный прямоугольный импульс напряжения (рис. 3.5). Ди­намическое рассеяние в ячейке возникает с запаздыванием t_з , рав­ным времени образования потока ионов. Контрастность К дости­гает значения, равного 0,9 от максимального значения, за время реакции t_р . Время включения

t_в =t_з + t_р (3.1)

уменьшается с ростом температуры и уменьшением толщины слоя ЖК. Время t_в зависит от величины напряжения и исходного состояния ячейки. Если повторные импульсы напряжения посту­пают через промежутки времени, меньшие времени отключения (релаксации), ячейки t₀ , т. е. когда динамическое рассеяние пол­ностью не исчезает, то время включения уменьшается. Время запаздывания и время реакции ЖК с эффектом динамического рассеяния составляет единицы—десятки миллисекунд, а время отключения в зависимости от вещества находится в пределах 20—2000 мс. Время отключения может быть уменьшено до единиц миллисекунд за счет подачи кратковременного импульса большой амплитуды (до 200, В) или подачи переменного напряжения ча­стотой 10—40 кГц сразу после снятия напряжения возбуждения. Быстродействие ячейки зависит от удельного сопротивления и дру­гих характеристик вещества.

Возбуждение ячейки осуществляется постоянным или перемен­ным напряжением. Пороговое напряжение ЖК увеличивается с по­вышением частоты. Следует учитывать, что, начиная с критической частоты (300—1000 Гц), пороговое напряжение становится зависи­мым от толщины слоя.

В ЖК с эффектом вращения плоскости поляризации пороговое напряжение мало и составляет 0,9—1,5 В. Время включения зави­сит от свойств ЖК, толщины слоя, напряженности возбуждающего электрического поля и температуры. Для ЖК с рабочей темпера­турой около 100°С время реакции мало и не превышает 1 мс. Для ЖК при комнатной температуре время реакции составляет 100— 200 мс, а время задержки — 200—400 мс. Время отключения у ЖК с низкой рабочей температурой составляет 100—200 мс.

В ЖК с эффектом деформации ориентированных фаз пороговое напряжение составляет 4—6 В. Полная контрастность устанавлива­ется скачкообразно и насыщение достигается при 24 В. Частота напряжения возбуждения —1 кГц. Время реакции зависит от на­пряжения возбуждения и составляет 2—10 мс при напряжении 30 В. Время отключения составляет 60 мс.

В ЖК с эффектом динамического рассеяния света мощность, потребляемая индикаторами, равна десяткам мкВт/см², а у ве­ществ с полевыми эффектами—обычно на порядок ниже, но для их работы необходим внешний источник освещения.

Отказы индикаторов на ЖК возникают из-за уменьшения кон­трастности, изменения цвета, ухода рабочей температуры за преде­лы допуска.

Под сроком службы индикаторов на ЖК обычно понимают вре­мя, в течение которого контрастность индикатора снижается в два раза по сравнению с первоначальной. Срок службы таких индика­торов при возбуждении напряжением постоянного тока равен 1000 ч, а при возбуждении напряжением переменного тока повы­шается на порядок. Индикаторы на ЖК с полевыми эффектами имеют больший срок службы.

Р

U

ис. 3.4. ― Зависимости контрастности от напряжения возбуждения при различной толщине слоя ЖК.

Рис. 3.5.― Реакция ЖК на им­пульсное напряжение возбуждения.

3.2. Знакосинтезирующие индикаторы на ЖК. Наибольшее распро­странение получили семисегментные цифросинтезирующие индика­торы (ЦСИ). Весьма часто в индикаторах используется эффект динамического рассеяния света нематических жидких кристаллов. Знакосинтезирующие индикаторы (ЗСИ) выпускаются с высотой знака от нескольких миллиметров до нескольких десятков милли­метров. Диапазон рабочих, температур у многих из них лежит в пределах от —10 до +60°С, а у отдельных видов—более ши­рокий.

Известны ЦСИ, способные воспроизводить цифры в различных цветах в зависимости от величины рабочего напряжения.

ЗСИ на ЖК с низким значением порогового напряжения могут выполняться в миниатюрном исполнении совместно с управляющи­ми элементами на интегральных схемах. У таких индикаторов слой ЖК нанесен поверх управляющей схемы типа сдвигающего регист­ра, выполненного на интегральной схеме. Знаки формируются из матрицы 5×7 элементов.

Индикаторы на ЖК имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с индикаторами других типов, что делает их перспек­тивными: просты, дешевы и потребляют малую мощность. По потребляемой мощности практически ни один из известных видов индикаторов не может конкурировать с ЖК.

Индикаторы на ЖК можно изготовлять практически любых размеров. Они имеют высокую контрастность при значительной осве­щенности рабочего помещения. Их можно выполнять совместно с интегральными управляющими схемами и некоторые из них, если это требуется, могут обеспечивать цветовое кодирование.

В настоящее время ведутся работы, направленные на устране­ние недостатков: расширяют рабочий температурный диапазон и увеличивают срок службы индикаторов на ЖК. С этой целью исследуются новые вещества для ЖК, принимаются меры обеспе­чения их высокой чистоты и герметизации; проводятся работы, направленные на повышение быстродействия индикаторов.

Недостатки ЖК индикаторов отражательного типа—наличие бликов, которые затрудняют работу оператора. У индикаторов просветного типа необходимо устранять влияние ослепляющего воздей­ствия источника света на оператора.