1.3. Жидкокристаллические индикаторы

Жидкие кристаллы (ЖК) были открыты в 1888 г. австрийским ученым-ботаником Ф. Рейницером, но толькои после 1968 г.по­лучили широкое практическое применение в индикаторных устройствах. ЖК занимают промежуточное место между твер­дым и жидким телом. Молекулы жидкого кристалла движутся подобно молекулам в жидкости, однако при этом остается оп­ределенная упорядоченность в их расположении. Эти вещества представляют собой органические соединения, обладающие, по­добно кристаллам, оптической анизотропией.

Жидкокристаллические молекулы имеют удлиненную палочкообразную или плоскую форму, которая геометрически спо­собствует параллельности их взаимной укладки. ЖК, как вид­но из рис.15 разделяются на 3 типа в зависимости от спосо­ба укладки молекул: нематические, смектические и холестерические. Сама молекула имеет удлиненную форму длиной несколько десятков ангстрем и шириной несколько анг­стрем. В индикаторах используются, в основном, нематические ЖК, хотя на практике часто смешивают два различных ЖК, расширяя тем самым интервал рабочих температур.

Укладка и движение молекул ЖК под действием внешнего электрического поля, тепла и других слабых воздействий изме­няется, что сопровождается изменением его оптических свойств. ЖК - индикаторы не излучают свет. В них индикация информации осуществляется при помощи изменения оптиче­ских свойств жидкого кристалла, что приводит к модуляции падающего светового потока.

ЖК - индикаторы недостаточно эффективны с точки зрения контрастности изображения, но, с другой стороны, обладают рядом достоинств: возможность исполнения в виде плоской конструкции, низкое управляющее напряжение, простота испол­нения управляющей схемы в виде ИС, малая потребляемая мощность и т.д. ЖК - индикаторы применяются для буквенно-цифровой индикации в часах и настольных микрокалькулято­рах. Расширяется область их применения в качестве плоских. телевизионных экранов больших размеров. Получена возмож­ность цветовой индикации.

а) б)

в) с)

Рис. 15. Типы жидких кристаллов: а—жидкость; б—нематический; в—смектический;

г — холестерический.

Оптические эффекты в жидких кристаллах

Электрооптические эффекты в ЖК подразделяются на то­ковые эффекты (динамическое рассеяние, эффект электриче­ского управления двулучепреломлением, «твист-эффект») и по­левые эффекты (фазовый переход, эффект «гость—хозяин»).

В большинстве ЖК-индикаторов используются электроопти­ческие эффекты, однако имеются ЖК-индикаторы, работающие за счет изменений оптических свойств под действием темпера­туры, как при термооптическом эффекте.

Динамическое рассеяние света. Если через слой нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией про­пустить постоянный или переменный ток низкой частоты, то прозрачный слой ЖК мутнеет: происходит рассеяние света. Поскольку ЖК-ячейка довольно толстая (больше 6 мкм), раз­рушение ранее упорядоченной структуры и перевод слоя жид­кости в состояние турбулентности, в котором осуществляется рассеяние света, требует приложения сильного электрического поля. При подмешивании холестерического ЖК нематический ЖК будет испытывать влияние со стороны «закрученной» структуры его молекул. Возникает динамическое рассеяние све­та, которое сохраняется даже после снятия электрического по­ля. Это состояние устраняется приложением высокочастотного электрического поля, в котором исчезает динамическое рассея­ние.

Эффект электрического управления двулучепреломлением. На ориентацию молекул ЖК оказывает влияние состояние поверхностей пластин ЖК-ячейки. Если пластины обработать поверх­ностно-активным веществом, то, как показано на рис.16, можно получить гомеотропную упаковку молекул, перпендику­лярную пластинам, и гомогенную упаковку молекул, параллель­ную пластинам. На основе молекул с отрицательной диэлектри­ческой анизотропией создают ЖК с гомеотропной упаковкой. Вне ЖК-ячейки скрещенно размещают поляризатор и анали­затор. Для индикации используется свойство двойного лучепре­ломления, которое возникает при приложении к электродам электрического поля, вызывающего ориентацию молекул ЖК в направлении, параллельном пластинам. Этот эффект называ­ется также эффектом деформации вертикально ориентированной фазы. Свет, ставший линейно-поляризованным после про­хождения поляризатора, становится эллиптически поляризован­ным после прохождения ЖК-ячейки, обладающей свойством двойного лучепреломления. Тем самым интенсивностью света, прошедшего через ЖК-ячейку, можно управлять с помощью приложенного электрического поля. Так как интенсивность проходящего света зависит от длины волны, то, изменяя напря­жение, можно менять цветовой тон.

«Твист-эффект» реализуется при помощи однонаправленного натирания поверхностей пластин во взаимно перпендикулярных направлениях и введения нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией.

Рис.16. Упаковка молекул в ЖК: а—гомогенная; б—гомеотропная.

Прозрачный электрод

Рис.17. «Твист-эффект»: а—выключенное состояние (просветленное со­стояние индикатора); б — включенное состояние (темное состояние индика­тора).

Так как мо­лекулы жидкого кристалла между двумя пластинами оказыва­ются скрученными на 90°, то происходит поворот плоскости по­ляризации линейно-поляризованного света, прошедшего че­рез ЖК-ячейку. Если к электродам приложить напряжение, то укладка молекул в ЖК станет гомеотропной и ориентирован­ной перпендикулярно пластинам, и потому поляризация света, прошедшего через ЖК-ячейку, будет сохраняться. Когда плос­кости поляризации поляризатора и анализатора, установлен­ных по обеим сторонам ЖК-ячейки, параллельны (параллель­ный николь), приложение напряжения приводит к прохожде­нию света, а при отсутствии напряжения свет отсекается. В случае перпендикулярного николя получается обратная ха­рактеристика (рис. 17). При этом получается довольно низ­кое рабочее напряжение (менее 1 В).

Фазовый переход. ЖК-ячейка с примесью холестерического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией рассеивает свет, образуя жидкокристаллическую непрозрачную ячейку мо­лочного цвета. При увеличении электрического поля, прикладываемого к электродам, все молекулы ЖК, за исключением близлежащих к пластинам, ориентируются в направлении электрического поля, образуя нематический жидкий кристалл с гомеотропной упаковкой молекул, и ЖК-ячейка становится прозрачной.

Рис.18. Оптический эффект «гость — хозяин» : а - без электрического поля, б – в электрическом поле

Оптический эффект «гость —хозяин». Краситель, обладающий свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, называется плеохроическим красителем. Если к жидкому кристаллу подмешать плеохроический краси­тель, тогда с помощью электрического поля оказывается воз­можным менять как ориентацию молекул ЖК, так и ориента­цию молекул плеохроического красителя,т.е. можно изменять цвет ЖК-ячейки. В такой ЖК-ячейке ЖК называют «хозяи­ном», а краситель — «гостем», а само явление называют опти­ческим эффектом «гость-хозяин». На рис.18 показано превращение ЖК р-типа с гомогенной упаковкой молекул в кристалл с гомеотропной упаковкой под действием электриче­ского поля. Аналогичная индикация осуществляется также в комбинированной системе, объединяющей в себе эффект фазо­вого перехода и эффект «гость — хозяин».

Термооптический эффект. Если нагреть ЖК, то он превратится в обычную изотропную жидкость, однако если ее охладить до первоначальной температуры, то упаковка молекул в ЖК бу­дет отличаться от первоначальной. Например, прозрачная смесь холестерического и нематического ЖК после однократного нагревания и последующего охлаждения до первоначальной температуры окажется непрозрачной. Если полученную непро­зрачную смесь поместить в высокочастотное электрическое поле, она вернется в исходное прозрачное состояние.

Способ возбуждения ЖК индикаторной панели

Жидкокристаллическая индикаторная панель представляет со­бой двумерную матрицу XY управляющих электродов. Точки пересечения электродов образуют ЖК-ячейки, которые возбуж­даются при приложении напряжения к соответствующей паре электродов, воспроизводя таким образом один элемент изобра­жения. На рис.19 приведена электрическая характеристика такой ЖК-ячейки. При приложении напряжения меньше поро­гового V_th ячейка находится в закрытом состоянии (не возбуж­дается). Если приложенное напряжение больше порогового V_th+, ячейка переходит в открытое состояние (возбуждает­ся). Способы возбуждения жидкого кристалла подразделяются в зависимости от того, присоединен или не присоединен актив­ный элемент к точке пересечения электродов. Ниже рассмот­рим случай, когда такой активный элемент отсутствует. ЖК-ячейка может быть представлена в виде эквивалентной параллельной CR-цепочки. Сопротивление составляет порядка 10¹⁰—10¹¹ Ом-см. При возбуждении i-го и j-го взаимно ортого­нальных электродов XY-матрицы точку пересечения (i,j) на­зывают выбранной точкой. При k i, l j точки (i,l) (k, j) на­зывают полувыбранными точками, а точку (k, l) называют невыбранной точкой. Если сопротивление в невыбранных точ­ках матрицы возбуждения XY-электродов положить равным бесконечности, то эквивалентная схема со стороны XY-электродов будет иметь вид, показанный на рис. 20, а

Рис.19. Электрическая характеристика ЖК-ячейки.

-21

Рис.20. Эквивалентная схема ЖК-ячеики (a) ( k i l j), и распределение напряжения (б).

На рис.20, б приведены напряжения, соответствующие указан­ному состоянию ЖК-ячеек. При увеличении матрицы напря­жения, приложенные к полувыбранным точкам, возрастают и становятся равными 1/2V.

При поточечной последовательной развертке элементов изо­бражения в выбранных точках потребуется значительное время для развертывания всего изображения. Во избежание этого применяется линейная последовательная развертка, в которой осуществляется одновременное воспроизведение всех элементов изображения на одном электроде. В случае когда половина ЖК-ячеек на одном электроде находится в открытом (возбуж­денном) состоянии под напряжением V, благодаря линейной последовательной развертке напряжение, приложенное к ос­тальным ЖК-ячейкам, также будет равно V. Если использует­ся схема возбуждения, в которой напряжение невыбранного электрода устанавливается равным нулю, а напряжения элект­родов в выбранной части XY-матрицы — равным + V, -V, то напряжение, приложенное к ЖК-ячейкам в невыбранных точ­ках будет равняться 1/2V.

Возбуждение активного матричного индикатора на ЖК

Активным матричным индикатором называется прибор, в кото­ром каждая индикаторная ячейка возбуждается независимо от других ячеек через активный элемент в точке пересечения XY-матрицы адресации, т. е. в нем нет тех ограничений, которые были ранее, что дает воз­можность улучшить характеристики индикатора. Для практи­ческой реализации активного матричного индикатора с боль­шим экраном применяется интеграция ЖК-ячейки со схемой управления. В таком индикаторе используется матрица транзи­сторов, стоки которых соединены с электродами ЖК-ячейки, представляющей собой элемент отображения (рис.21). На­пряжение на электродах ячейки задается с помощью МОП-транзисторов, размещенных в виде матрицы на кремниевой подложке. Затворы и стоки МОП-транзисторов присоединяются соответственно к XY-шинам возбуж­дения матрицы адресации. При возбуждении какой-то затвор­ной шины отпираются МОП-транзисторы этого столбца и через шины, к которым присоединены стоки транзисторов осуществ­ляется инжекция заряда в накопительную емкость от источни­ка постоянного напряжения. Оптические свойства жидкокри­сталлической ячейки соответствуют напряжению, поддерживае­мому на накопительной емкости. Так как интенсивность отраженного света можно линейно изменять в зависи­мости от потенциала шин, к которым присоединены стоки транзисторов, то ока­зывается возможной инди­кация тоновых изображе­ний.

На рис.22 приведен пример активного матрич­ного ЖК-индикатора на аморфных кремниевых тон­копленочных транзисторах. Индикаторная панель пред­ставляет собой конструк­цию, в которой тонкопле­ночные транзисторы образуют на стеклянной подложке коммутационную матри­цу адресации. ЖК-ячейка построена на эффекте «гость—хозя­ин». Так как при использовании кремниевой пластины имеет место ограничение на диаметр пластины, то максимальный раз­мер изображения может составлять примерно 4 дюйма (10,0 см). При использовании аморфного кремния таких огра­ничений не существует и можно изготовить индикаторную па­нель с площадью изображения более 130Х'130 см².

Рис.21. Схема управления активного матричного ЖК-индикатора (G и D –затвор и сток тенкопленочного транзистора)

Рис.22. Жидкокристаллическая индикаторная панель с матрицей тонкопленочных транзисторо

Цветное воспроизведение.

В результате действия эффекта двойного лучепреломления, управляемого электрическим полем, и тенсивность света, про­шедшего через анализатор будет представляться следующим выражением:

/ == I_P sin² 2 sin² dn/,

где  — угол между направлением поляризации падающего све­та и направлением проекции оси ориентации молекул ЖК на поверхность стекла. При =л/4 интенсивность света, прошед­шего через анализатор, будет максимальной. Поскольку угол поворота направления поляризации зависит от длины волны  , максимальное пропускание будет соответствовать определен­ной длине волны светового излучения, для которой этот угол составит 90°, что может быть использовано для цветного вос­произведения.

В ЖК-индикаторе, использующем эффект «гость—хозяин», цветное воспроизведение можно осуществлять, используя дихроизм красителя, являющегося «гостем». Краситель в этом случае определяет только цвет воспроизведения.

Цветное воспроизведение произвольного изображения лю­бого цвета можно получить на основе комбинации трех основ­ных цветов, управляя цветом в каждой ЖК-ячейке. Для этой цели применяются цветные светофильтры. В этой системе ЖК используется только для управления проходящим через него светом, а цвет светового излучения определяется цветными фильтрами. На рис.23 показана возможность воспроизведе­ния на индикаторе цветного телевизионного изображения на основе «твист-эффекта» в нематическом ЖК.

Рис. 23. Цветное воспроизведение изображения в индикаторе на ЖК.