Глава 3. Жидкокристаллические индикаторы
В жидкокристаллических индикаторах (ЖКИ, LCD - Liguid Crictal Device) используются особенности свойств жидких кристаллов (ЖК), представляющих собой органические жидкости с упорядоченным расположением молекул. В настоящее время среди плоскопанельных индикаторов объём выпуска ЖКИ наибольший (в 2001 г. - 90 %), а в перспективе – в 2005 г. - он составит 2 млрд штук (АМ ЖКИ и ПМ ЖКИ) при стоимости - 55,8 млрд долл. США. Вместе с ЭЛТ они являются бесспорными лидерами, опережая их в некоторых областях применения.
3.1. Основные свойства и разновидности ЖК
В жидких кристаллах наряду с упорядоченным расположением молекул и анизотропией физических свойств, свойственных твердой фазе, имеют место текучесть, поверхностное натяжение, вязкость и другие свойства, присущие жидкостям. В определённом интервале температур ЖК могут образовывать капли и не имеют формы для большого объёма. Впервые особенности свойств ЖК были обнаружены в 1888 г., когда австрийский ботаник Ф. Райнитцер заметил, что бензойнокислый холестерин из вязкого состояния при 145 0С переходит в мутную жидкость, которая при 179 0С просветляется и становится прозрачной. Вещества с подобным изменением состояния в зависимости от температуры называют термотропными ЖК. Лиотропные ЖК - растворы мыла в воде, растворы некоторых органических веществ в дихлорэтане и других полярных диэлектриках, сложные органические соединения.
В основе принципиальной возможности использования ЖК для модуляции светового потока лежит сильная зависимость их структуры от внешних факторов (температуры, давления, напряжённости электромагнитных полей и др.). Среднее удельное сопротивление ЖК составляет (106..1017) Ом×см и зависит от наличия примесей. Диэлектрическая проницаемость и показатель преломления определяются ориентацией молекул и являются анизотропными величинами. ЖК прозрачны для световых лучей, но под действием электрических, магнитных или акустических полей расположение молекул в них изменяется, что приводит к изменению коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния и преломления. Это позволяет модулировать интенсивность оптического излучения за счёт изменения его амплитуды, фазы, длины волны, плоскости поляризации, направления распространения, коэффициентов рассеяния или отражения слоя ЖК.
Перечисленные возможности обусловлены особенностями строения ЖК. Молекулы ЖК имеют сигарообразный, вытянутый вид. Силы Ван дер Ваальса обеспечивают упорядоченное расположение молекул, вследствие чего их длинные оси в среднем ориентируются вдоль некоторого общего направления. Тепловое движение приводит к отклонениям длинных осей отдельных молекул от этого направления на углы до 400. В зависимости от характера упорядочения расположения молекул различают смектические, нематические и холестерические ЖК.
В смектических (от слова "мыло") ЖК (СЖК) молекулы упакованы в мономолекулярные слои, слабо связанные между собой. Скольжение слоёв относительно друг друга обеспечивает текучесть и вязкость в объёме СЖК. СЖК имеют разные модификации, определяемые расположением молекул в пределах каждого монослоя. Например, в А-модификации длинные оси молекул ориентированы нормально к поверхности слоя, но нет упорядоченной упаковки.
Нематические (от слова нить) ЖК (НЖК) по сравнению с СЖК менее упорядочены. При общей параллельной ориентации длинных осей вдоль общего направления может происходить взаимное скольжение по этому направлению. При этом весь объём НЖК оказывается разделенным на локальные микрообъёмы, различающиеся направлением преимущественной ориентации. Такая оптически неоднородная структура сильно рассеивает падающее излучение, и НЖК кажутся мутными и в проходящем, и в отражённом свете.
Холестерические ЖК (ХЖК) представляют собой разновидность НЖК. Их структура образована параллельными слоями, в каждом из которых длинные оси молекул ориентированы вдоль плоскости слоя. При этом преимущественные ориентации длинных осей молекул в соседних слоях систематически повернуты на один и тот же угол, так что в целом получается спиральная структура с осью, перпендикулярной к плоскостям слоёв. Шаг спирали составляет 0,2-20 мкм и сильно зависит от температуры и внешних полей.
3.2. Характеристики ЖК
Важными характеристиками ЖК являются оптическая и диэлектрическая анизотропии. Оптическая анизотропия - это разность показателей преломления световой волны, поляризация которой соответственно параллельна (n1) или перпендикулярна (n2) к направлению преимущественной ориентации длинных осей молекул. Обычно
n=n1
– n2=0.3..0,5. Показатель преломления
определяется величиной фазовой скорости v световой
волны в веществе:
,
(3.1)
v = c/(
)0.5.(3.2)
В
приведённых выражениях c – скорость света, 
– относительная диэлектрическая
проницаемость ЖК, 
– магнитная проницаемость
(в ЖК=1).
Диэлектрическая анизотропия характеризуется величиной 
e=e1-e2, определяемой разностью
диэлектрической проницаемости в направлении, параллельном (e1) и перпендикулярном (e2) к преимущественной
ориентации больших осей молекул ЖК. Внешнее электрическое поле вызывает
поэтому ориентацию молекул: если De>0,
они располагаются параллельно полю, если De<0,
то молекулы стремятся расположиться перпендикулярно к полю.
У веществ с отрицательной величиной De угол между дипольным моментом молекул и длинной осью близок к 900, т.е. молекулы ориентируются перпендикулярно к вектору поля. При положительной анизотропии угол близок к нулю и молекулы ориентируются параллельно силовым линиям электрического поля.
Значение положительной диэлектрической анизотропии в ЖК изменяется в пределах 0,3..20, а отрицательной – значительно меньше: 0,2..0,5. Диэлектрическая анизотропия уменьшается при увеличении температуры ЖК.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.