1.2. Устройство, принцип работы жки.
В индикаторах на чёрно-белом контрасте используется один из двух электрооптических эффектов - эффект динамического рассеяния и твист - эффект. Эффект динамического рассеяния света наблюдается, например, в НЖК или смесях на их основе при наложении электрического поля 5-10 кВ, достаточного, для нарушения ориентации молекул, и проявляется в том, что хаотически ориентированные молекулы резко увеличивают рассеяние света, т.е. на однородном поле появляется рисунок, соответствующий областям наложения поля. Причем яркость рисунка может превышать яркость фона в 40 раз. При возрастании внешнего освещения яркость высвечиваемых участков также растет, а контрастность при этом сохраняется.
Твист - эффект (полевой твист - эффект), который используется в современных ЖКИ более широко, внешне проявляется по другому - на слабоокрашенном фоне при такой же напряженности поля появляется черный рисунок. Он наблюдается в НЖК, помещенном между двумя поляроидами. На практике создают преимущественно ориентацию молекул нематика благодаря стеклянным пластинам с выделенными направлениями полировки поверхности. Так, если в собранной ячейке ЖКИ пластины повернуты на 90% друг по отношению к другу, то директоры L молекул ЖК располагаются в пространстве между электродами по спирали. При подаче электрического поля достаточной напряженности спиралевидная ориентация нарушается, поскольку дипольные молекулы ориентируйся вдоль силовых линий поля. В соответствии с этим эффектом изменяются оптические характеристики пространства ЖК между электродами на пластинах, т.е. в отсутствие электрического поля большая часть светового потока проходит через ЖК - ячейку, испытывая поворот плоскости поляризации, в силу чего теряется от 50% и боле падающего светового патока. Когда же на такой ЖКИ подают достаточное напряжение, поворота директоров L молекул ЖК по направлениям пластин поляризатора и анализатора происходить не будет и свет через ячейку в таком состоянии не проходит.
ЖКИ на твист-эффекте с учётом принципа их работы имеют меньший угол обзора, чем ЖКИ на эффекте динамического рассеяния. Но они отличаются более высокой плотностью тока при работе ячейки- 10 мкА/см2 по сравнению с 3 мкА/см2 для ЖКИ на твист эффекте, большим рабочим напряжением 15 - 40 В (1.5 - 10 В см2 для ЖКИ на твист эффекте) и несколько меньшим сроком службы.
К перспективным типам ЖКИ, в которых используется цветовой контраст, относятся индикаторы основанные на эффекте гость-хозяин. В них в состав ЖК (хозяина) введены молекулы красителя (гостя), которые также имеют продолговатую форму. В исходном состоянии молекулы обоих видов ориентированы параллельно поверхности стекол. Тогда свет, поляризованный вдоль этого направления, поглощается красителем из-за потерь энергии при взаимодействии с имеющими дипольное строение молекулами красителя и, следовательно не проходят через ячейку. При подаче на ячейку электрического поля вызывающего поворот длинных осей молекул ЖК, которые увлекают за собой и молекулы красителя, ячейка становится прозрачной, для падающего светового потока. Цветное изображение в ЖКИ можно получить так же используя эффект избирательного отражения света холестерическими ЖК. Он заключается в том, что при отражении света в ХЖК от тех плоскостей, молекулы в которых ориентированы в одинаковом направлении, возникает интерференция в одинаковом направлении, в результате чего усиливается свет с длиной волны, равной шагу спирали. ЖК при этом кажется окрашенным и управляя шагом' спирали холестерина путем изменения электрического поля, можно
изменять цвет окраски ЖКИ.
К параметрам ЖКИ, помимо уже упомянутых выше рабочего напряжения, плотности тока, угла обзора, относятся так же: яркостный контраст (К), пороговая чувствительность, инерционность, интервал рабочих температур. Величина К на пороге срабатывания обычно составляет 0.85 - 0.95 и является зависимой от угла наблюдения. Пороговая чувствительность, т.е. минимальное рабочее напряжение на электродах ЖКИ, при котором достигается приемлемый яркостный контраст, помимо конструктивных особенностей ЖКИ, зависит от температуры окружающей среды. Повышение температуры, сопровождающееся снижением вязкости ЖК, обычно приводит к существенному возрастанию потребления тока, а в дальнейшем - к потере изображения. Если в результате нагрева не произошло разрушение, то после охлаждения ЖКИ индикация восстанавливается. Такую картину можно наблюдать, например, в ЖКИ электронных наручных часов, оставленных на длительное время под яркими лучами солнца. Уменьшение температуры сопровождается снижением быстродействия ЖКИ, которое в нормальных условиях невелико и составляет 0.1 с. Как правило, для применяемых ЖКИ интервал рабочих температур составляет -10...+60ºС. При соблюдении требуемых условий эксплуатации срок службы ЖКИ, т.е. период, за который контрастность снижается вдвое по сравнению с первоначальной, обычно составляет 10000ч.
Типичной является такая конструкция ЖКИ, в которой ЖК вещество находится в виде тонкого слоя (толщиной 10-50 мкм) между двумя стеклянными пластинами толщиной от 1 до 5 мм в зависимости от площади, на внутренней поверхности которых нанесены прозрачные тонкопленочные электроды (чаще всего из оксида олова 8п02), поверхностное сопротивление которых не превышает 300 Ом/м. Электроды имеют определенную конфигурацию (топологию), например, сегментов в 7-сегментных цифровых индикаторах электронных наручных часов, микрокалькуляторов, переносных измерительных приборов. Электроды соединены более узкими пленочными проводниками с контактными площадками (внешними выводами ячейки ЖКИ) на периферийных участках стеклянных пластин. В ЖКИ, работающих на отражение, тыльный электрод выполняется из металлической пленки. Для увеличения срока службы ЖКИ на стеклянные пластинки с электродами (подложки) наносят прозрачное инертное покрытие, нерастворимое в нематической жидкости. Примерами материалов для инертных покрытий, склеиваемых с подложками, служат винил ацетатные смолы, полиамиды смолы на основе этилена. Требуемая величина зазора между пластинами и герметичность ЖКИ обеспечивается прокладкой. Возможность работа ЖКИ в условиях низкой внешней освещенности создается при использовании разнообразных конструкций, содержащих подсветку одной или несколькими миниатюрными лампами накаливания. Ход лучей в системе "лампа - ЖК - ячейка", которая дополнительно может содержать экраны, рефлекторы, жалюзи и т.п. элементы, определяет угол обзора. Наиболее широкий угол обзора получается при боковой подсветке.
Технология ЖКИ основана на использовании групповых методов обработки. В частности, широкое применение находят тонкопленочная технология, фотолитография, методы сборки и герметизации, используемые в современной микроэлектронике. Характерной технологической особенностью ЖКИ на твист - эффекте является придание поверхностям стекол ориентирующего воздействия на ЖК вещество. Это достигается вакуумным напылением под малым углом к поверхности подложек монооксида кремния (8Ю) или/и нанесением полимерных пленок путем окунания в раствор, сушке и так называемого '"натирания" на технологических приспособлениях с фетровыми накладками. Тогда направление длинных осей молекул ЖК вещества в тончайших слоях, прилегающих к пластинам, будет совпадать с направлением углового напыления или натирания.
Сборка ЖКИ производится путем спекания стекла или с использованием полимерной герметизации. В первом варианте процесса герметизация обеспечивается спаиванием лицевого и тыльного стекол за счет спекания при температуре размягчения стекла, при этом оставляют отверстие, которое запаивают после заполнения ЖК веществом в вакууме. Во втором варианте процесса сборки используется герметизирующая полимерная прокладка, а герметизация осуществляется нагревом элементов конструкции при небольшом давлении.
Питание ЖКИ осуществляется переменным током, исключая этим направленный характер электрохимических процессов и обеспечивая по сравнению с питанием постоянным током десятикратное продление срока службы. Для ЖКИ с большим количеством и высокой плотностью расположения электродов осуществляется мультиплексное управление ими. В частности, мультиплексное питание является единственно возможным для матричных ЖКИ.
Контрольные вопросы.
1. Чем характеризуется жидкокристаллическое состояние вещества?
2. Привести примеры органических соединений образующих мезофазу.
3. Что собой представляют смектическне и нематические ЖК?
4. Что такое холестерические и лиотропные ЖК?
5. В чем состоит эффект динамического рассеяния в ЖК?
6. Что такое твист - эффект в ЖК?
7. Из каких основных элементов состоит типовая конструкция ЖКИ?
8. Назовите основные операции изготовления ЖКИ и поясните сущность.
9. Какие материалы применяются для изготовления элементов ЖКИ?
10. Какими основными параметрами характеризуются ЖКИ?