Жидкокристаллические индикаторы

Жидкокристаллические индикаторы

Необычное сочетание слов «жидкие кристаллы» многим знакомо, однако далеко не все представляют себе, что же стоит за этим странным и, казалось бы, противоречивым понятием.

История открытия жидких кристаллов

Со времени открытия жидких кристаллов прошло более ста лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина — холестерилбензоата. При температуре плавления (Тпл), 145С, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, которая при 179С становилась прозрачной. В отличие от точки плавления температуру, при которой происходило просветление образца, Рейнитцер назвал точкой просветления (Тпр). Пораженный этим необычным явлением, свидетельствующим как будто о двойном плавлении, Рейнитцер отправил свои препараты немецкому кристаллографу Отто Леману с просьбой помочь разобраться в странном поведении холестерилбензоата. Исследуя их при помощи поляризационного микроскопа, Леман установил, что мутная фаза, наблюдаемая Рейнитцером, является анизотропной. Поскольку свойство анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.

С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК-вещества часто еще называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК-фазу — мезофазой (от греческого «мезос» — промежуточный). Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и по праву наряду с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.

Структура жидких кристаллов

Сейчас известно уже около сотни тысяч органических веществ, которые могут находиться в ЖК-состоянии, и число таких соединений непрерывно растет. Если в первые десятилетия после открытия жидких кристаллов основными представителями этих соединений являлись только вещества, состоящие из асимметричных молекул стержнеобразной формы, — так называемые каламитики (от греческого «каламис» — тростник), то впоследствии было обнаружено, что в ЖК-состояние могут переходить самые разнообразные вещества, имеющие молекулы более сложной формы (диски, пластины и др.) Молекулы ЖК-соединений очень часто называют мезогенами, а группировки или фрагменты молекул, способствующие формированию ЖК-фазы, — мезогенными группами.

Среди мезогенных групп чаще всего встречаются бензольные кольца, связанные непосредственно друг с другом или с помощью различных химических группировок (-CH=CH-, -CH=N-, -NH-CO- и др.). Характерной особенностью всех ЖК-соединений является асимметричная форма молекул, обеспечивающая анизотропию поляризуемости и тенденцию к расположению молекул преимущественно параллельно друг другу вдоль их длинных (каламитики и санидики) и коротких (дискотики) осей.

В зависимости от характера расположения молекул согласно классификации, предложенной еще Фриделем, различают три основных типа структур ЖК-соединений: смектический, нематический и холестерический. Указанные типы структур относятся к так называемым термотропным жидким кристаллам, образование которых осуществляется только при термическом воздействии на вещество (нагревание или охлаждение).

Смектический тип жидких кристаллов (смектики) ближе всего к истинно кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя (ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики). Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором, который обычно обозначается вектором n.

Нематический тип жидких кристаллов (нематики) характеризуется наличием только одномерного ориентационного порядка длинных (каламитики) или коротких (дискотики) осей молекул. При этом центры тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии трансляционного порядка.

Наиболее сложный тип упорядочения молекул жидких кристаллов холестерический (холестерики), образуемый хиральными (оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Это означает, что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных молекул нематиков. Примером, иллюстрирующим отсутствие зеркальной симметрии, могут служить, например, левая и правая руки человека, которые мы никогда не можем совместить друг с другом. Впервые холестерическая мезофаза наблюдалась для производных холестерина, откуда и произошло ее название. Холестерики во многих отношениях подобны нематикам, в которых реализуется одномерный ориентационный порядок; они образуются также при добавлении небольших количеств хиральных соединений (1-2 мол. %) к нематикам. В этом случае дополнительно реализуется спиральная закрученность молекул, и очень часто холестерик называют закрученным нематиком.

Как управлять жидкими кристаллами?

Основой любого жидкокристаллического индикатора является так называемая электрооптическая ячейка. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным проводящим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются тонкими прокладками из непроводящего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки), заполняется жидким кристаллом, и вся «сандвичевая» конструкция по периметру «запаивается» герметиком или другим изолирующим материалом.

Полученная таким образом ячейка может быть помещена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием электрического поля. Приложение к тонкому ЖК-слою даже небольшого электрического напряжения (1,5-3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла. При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы, а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул, вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл стремится повернуться таким образом, чтобы направление максимальной диэлектрической постоянной совпало с направлением электрического поля. А вследствие большой величины двулучепреломления Dn процесс ориентации ведет к резкому изменению структуры и оптических свойств жидкого кристалла.

Основные преимущества таких индикаторов

- низкие управляющие напряжения (1,5-5 В),
- малые потребляемые мощности (1-10 мкВт),
- высокая контрастность изображения,
- легкость встраивания в любые электронные схемы (например, в автомобилях и самолетах),
- надежность в работе
- относительная дешевизна.

Увеличивая число сегментов-электродов и придавая им более сложную конфигурацию, можно создавать плоские телевизионные экраны, мониторы современных компьютеров, а также использовать ЖК-индикаторы в системах оптической связи и оптической обработки информации в быстродействующих ЭВМ.

Основные термины

Пиксел (pixel, dot) – минимальный дискретный элемент изображения на дисплее. Для матричных дисплеев пиксел образуется в узлах пересечения строк и столбцов. Цветной пиксел состоит из трех RGB пикселов.

Размер пиксела (Dot size) – размер прямоугольника рабочей обкладки модулятора ЖК-ячейки по горизонтали (H) и вертикали (V) в мм.

Шаг пиксела (Dot pitch) – к соответствующему размеру пиксела добавляется расстояние до соседнего пиксела (по горизонтали или вертикали).

Формат символьного дисплея (Char x Line) – число символов в строке Х число строк.

Формат графического дисплея (Dot format) – разрешение по вертикали (V) и разрешение по горизонтали (H) в пикселах. Для триагулярной структуры RGB указываются цветные цветные пикселы (dot), состоящие из трех RGB.

Видимая область экрана (Viewing Area) – область экрана, ограниченная металлической рамкой (Bezel), состоящая из рабочего поля и технологического зазора до рамки.

Рабочее поле (Display Area) – площадь изображения на экране в мм.

Габариты дисплея (Module Size) – размеры конструкции дисплея по трем измерениям в мм.

Коэффициент мультиплексирования (Duty Cycle) – коэффициент мультиплексирования строк 1/N, где N – чимло адресуемых строк.

Частота кадровой развертки (Frame frequency) – частота регенерации изображения на экране в Гц.

Диапазон рабочих температур (Operating temperature) – диапазон температур, при которых гарантируется нормальная работа дисплея.

Температура хранения (Storage temperature) – диапазон температур, при которых допускается хранение дисплея в выключенном состоянии.

Сайты производителей:

ЖКИ-модуль

ЖКИ-модуль представляет собой недорогое и удобное решение, позволяющее сэкономить время и ресурсы при разработке новых изделий, при этом способен обеспечить отображение большого объема информации при хорошей различимости и низком энергопотреблении.

Типовой модуль ЖКИ состоит из ЖК-панели, узла подсветки и управляющей микросхемы. По способу взаимодействия со светом ЖК-панели делятся на три основных типа: пропускающие, отражающие и переотражающие.
Пропускающие ЖК-панели имеют источник света, расположенный в задней части, т.е. свет от источника проходит через ЖКИ к наблюдателю. Эта конструкция характеризуется высоким качеством изображения при слабом освещении и, соответственно, не используется в устройствах, предназначенных для работы при солнечном свете.
Отражающие ЖК-панели снабжены задним рефлектором, обеспечивающим хорошую контрастность при высоком уровне освещенности. При использовании таких дисплеев в затемненных помещениях необходима подсветка.
Переотражающие ЖК-панели имеют дополнительный прозрачно-отражающий слой и задний источник света. Дисплеи на их основе обеспечивают неплохую контрастность изображения как при дневном свете (который отражается от упомянутого слоя), так и при слабом освещении. Качество изображения при дневном освещении, как правило, хуже, поскольку коэффициент отражения полупрозрачного слоя не очень высокий.

В системах подсветки ЖК-панелей используются следующие источники света:
- светодиоды (LED) любого цвета свечения;
- лампы накаливания;
- электролюминесцентные лампы;
- люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL).

Наиболее часто применяются светодиоды и электролюминесцентные лампы. Полупроводниковые светодиоды обладают очень большим сроком службы, но не обеспечивают хорошую равномерность подсветки всей площади экрана ЖКИ. Электролюминесцентные лампы обеспечивают равномерную подсветку, но имеют ограниченный ресурс (5000–10000 ч); как правило, они применяются в цветных графических дисплеях высокого разрешения.

Графические ЖКИ-модули обладают большей гибкостью. В отличие от алфавитно-цифровых модулей, жестко фиксирующих размеры и положение символов, графические модули не накладывают сколь либо серьезных ограничений на отображаемую информацию, причем это могут быть не только символы алфавита, но и спецзнаки, графики, диаграммы, элементы оформления.