2.Рідкокристалічні індикатори

Рідкокристалічні індикатори (РКІ) належать до «молодих» і бурхливо прогресуючих оптоелектронним приладам. Рідкокристалічний стан речовини характеризується одночасним поєднанням властивостей рідини (текучість) і кристалу (анізотропія оптична). Такий стан може виявлятися в деякому температурному інтервалі між точкою кристалізації (Тк) і точкою перетворення речовини в однорідну прозору рідину (Тж). Є кілька структурних різновидів рідких кристалів (РК);

для індикаторних приладів використовуються нематичні РК, що характеризуються наступними основними особливостями:

- Молекули цих речовин мають сильно витягнуту, ниткоподібну конфігурацію;

- В рівноважному стані проявляється тенденція до орієнтації великих осей молекул вздовж якогось переважного напрямку;

- Міжмолекулярні взаємодії дуже слабкі, тому структура рідини (характер орієнтації молекул) може легко змінюватися під впливом зовнішніх факрорів;

- Має місце оптична і електрична анізотропія: значення показників заломлення і діелектричної постійної в напрямку вздовж великих осей молекул (n₁₁ и ε_{11 ‌‌}) і перпендикулярно йому (n ┴ і ε ┴) різними (РК - кристали з подвійним променезаломленням);

- Залежно від знаку величини Δε = ε₁₁ - ε₁ розрізняють позитивну і негативну діелектрічну анізотропію - при прикладанні електричного поля молекули РК першого типу орієнтуються уздовж поля, другого типу - поперек поля;

- Наявність анізотропії та можливість перебудови структури проявляються в двох різновидах електро-оптичних ефектів; зміна характеру поляризації що проходить (відбитого) світла і зміна коефіцієнта відбиття (пропускання) світла.

В якості рідких кристалів можуть виступати дуже багато органічних сполук (тисячі), найкращі для технічних застосувань результати дають їх суміші.

«Класичні» нематичні суміші є МББА (н-(п-метоксібензіліден) - п-(н-бутіланілін)) та Ебба (н-(п-етоксібензіліден) - п-(н - бутіланілін)), що забезпечують отримання ΔТжк = Тж- Тк = 15 ... 70 °. Серед всіх структурних різновидів рідких кристалів нематичних відрізняються найменшою в'язкістю, що забезпечує їх найбільша швидкодія, що визначається часом переорієнтації молекул ~ 10^-1 с (і до ІО^-2 ... 10^-3 с в спеціальних робочих режимах). Питомий опір нематичних РК дуже великий (~ 10¹⁷ Ом*см і для його деякого зменшення (що часом необхідно) в рідину вводяться органічні домішки, при

дисоціації яких виникають вільні іони.

Історично першим електрооптичні ефектом, використаних у індикаторної техніки, став ефект динамічного розсіювання. Якщо до шару злегка проводящого нематичного РК з негативною діелектричною анізотропією

докласти електричне поле, то молекули орієнтуються поперек поля, а виникаючий потік іонів прагне ларушити цю орієнтацію.

З а певного значення струму провідності виникає стан турбулентності, руйнуючий раніше упорядоченну структуру РК. Безперервні хаотичні зміни показника заломлення ділянок рідини викликають розсіювання світла (звідси і назва ефекту), зовні проявляється як помутніння РК. Вольт-контрастна характеристика РКІ представлена на рис.

Кращі характеристики індикаторів дає використання твіст-ефекту, суть якого полягає в наступному. У зазорі між двома пластинами тим або

іншим способом сягають «скручування» номатичної

структури РК, тобто такого розташування молекул, коли

їхні великі осі паралельні обмежуючим по поверхням, а спрямування цих осей поблизу однієї і другої пластин взаємно перпендикулярні (рис. 3.8, а). У товщі рідини орієнтація молекул змінюється поступово від верхньої граничної орієнтації до нижньої. Технологічно така скручена структура досягається, наприклад, шляхом однонаправленного натирання внутрішніх поверхонь

скляних пластин у взаємно перпендикулярних напрямках, що і веде до відповідної орієнтації молекул.

Шар скручених нематичних РК обертає площину поляризації світла, що проходить на п / 2. Якщо до комірки прикласти електричне поле, то (за умови використання матеріалів з позитивною діелектричною анізотропією) всі молекули орієнтуються вздовж поля (рис. 3.8,6) і ефект скручування пропадає. Тепер шар рідини не змінює поляризації світла що проходить через нього. Розміщуючи на вході і виході осередку поляроідні пластини, перетворять модуляцію поляризації світла в амплітудну.

Твіст-ефект на відміну від ефекту динамічного розсіювання є чисто польовим: для його реалізації пропускання струму через структуру не потрібно. Це дає суттєвий виграш в енергоспоживанні.

Пристрій рідкокристалічного індикатора (рис. 3.9) досить зручний, тут зручно реалізуюгся сучасні плоскі панельні конструкції. Для отримання низьких керуючих напруг (одиниці вольт) зазор між пластинами повинен бути невеликим (~ 10^-3 см), а використовувана рідина повинна мати круто наростаючу вольт-контрастну характеристику (рис. 3.7). Характерно, що вартість РКІ (на відміну від напівпровідникових) дуже мало залежить від їхньої площі - виготовляються прилади з висотою цифр від 3 до 500 мм. Використовуються конструкції, що працюють як у відбитому світлі (більшість типів), так і в прохідному. Всі РКІ працюють на змінному струмі; при спробах використати постійну керуючу напругу виявляються істотними електролітичні ефекти і термін служби приладу стає неприпустимо малим.

Рідкі кристали являють собою досить зручну основу для створення інформаційних табло підвищеної інформаційної ємності і екранів мало-кадрового телебачення. Причини цього - мала споживча потужність, висока контрастність, низьке споживче живлення, технологічність. Основні труднощі пов'язані зі схемами управління:

низька швидкодія

РКІ утрудняє використання мулиіплексних режімів, призводить до створення РК матриць з великим кількістю зовнішніх виводів. Перспективи подолання

цієї проблеми бачаться в розробці конструкції екрану, в якому замість

однієї зі скляних обкладок звичайного РКІ використовується кремнієва пластина, що містить схему управління і має на своїй поверхні матрицю елементарних електродів. Кожен з цих електродів є оптичним відбивачем.

Такетехнологічне суміщення растру та схеми керування різко скорочує кількість зовнішніх виводів. Удосконалення РКІ ведеться в напрямку отримання кольорових зображень (для цього залучаються інші, відмінні від описаних, електрооптичні ефекти), підвищення швидкодії, довговічності (значення, близькі до 105 год, представляються цілком реальними), створення злементів з вбудованою пам'яттю.