Практичне заняття №4

Рідкокристалічні індикатори

Питання практичного заняття

1. Визначення рідкокристалічних індикаторів.

2. Види рідкокристалічних індикаторів.

3. Матеріали, для виготовлення рідкокристалічних індикаторів.

4. Фізичні ефекти, що лежать в основі виготовлення рідкокристалічних індикаторів.

Теоретичні відомості

Рідкі кристали — речовини, що мають одночасно властивостями як рідин (текучість), так і кристалів (анізотропія). По структурі рідкі кристали є рідинами, схожими на желе, що складаються з молекул витягнутої форми, певним чином впорядкованих у всьому об'ємі цієї рідини. Найбільш характерною властивістю рідких кристалів є їх здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для вживання їх в промисловості.

У рідких кристалів незвичайні оптичні властивості. Нематики і смектики — оптично одноосні кристали. Холестерики внаслідок періодичної будови сильно відображають світло у видимої області спектру. Оскільки в нематиках і холестериках носіями властивостей є рідка фаза, то вона легко деформується під впливом зовнішньої дії, а оскільки крок спіралі в холестериках дуже чутливий до температури, то, отже, і віддзеркалення світла різко міняється з температурою, наводячи до зміни кольору речовини.

По своїх загальних властивостях рідкі кристали можна розділити на дві великі групи: термотропні рідкі кристали, що утворюються в результаті нагрівання твердої речовини, і що існують в певному інтервалі температур і тисків, та ліотропні рідкі кристали, що представляють собою двох або більш компонентні системи, що утворюються в сумішах стержневидних молекул даної речовини і води (або інших полярних розчинників). Ці стержневидні молекули мають на одному кінці полярну групу, а більша частина стержня є гнучким гідрофобним вуглеводневим ланцюгом. Такі речовини називаються амфіфілами.

Рідкокристалічні індикатори відносяться до оптоелектронних індикаторів з пасивним растром, в яких використовуються електрооптичні і термооптичні ефекти.

У індикаторах застосовуються в основному нематичні рідкі кристали, які мають наступні властивості. Міжмолекулярні взаємодії слабкі, тому структура рідини (характер взаємної орієнтації молекул) може легко змінюватися під впливом зовнішніх дій. В’язкість незначна, переорієнтація відбувається досить швидко. Оптична і електрична анізотропія: показник заломлення і діелектрична проникність у напрямі уздовж великих осей молекул (n_║и ε_║ ) і перпендикулярно їм (n_┴ и ε_┴ ) мають різні значення, що призводить до подвійного променезаломлення. Залежно від знаку величини розрізняють позитивну (Δε>0) і негативну (Δε<0) діелектричну анізотропію, тобто молекули орієнтуються уподовж або впоперек електричного поля.

Сильна анізотропія властивостей і можливість перебудови структури виявляються у ряді електрооптичних ефектів.

Рідкі кристали – це суміші складних органічних сполук з дуже високим питомим опором (до 10¹⁴ Ом•м), які застосовуються в приладах, керованих електричним полем і малим енергоспоживанням. Введення спеціальних домішок дозволяє знизити значення опору до 10⁸-10⁶ Ом•м, що необхідне для використання в індикаторах, керованих електричним струмом. Рідкокристалічний стан таких матеріалів реалізується в обмежених діапазонах температур (від -30 до 80°С).

Розглянемо основні фізичні ефекти, що використовуються в рідкокристалічних індикаторах.

Ефект динамічного розсіяння полягає в тому, що в сильному електричному полі рідкокристалічний матеріал стає непрозорим. Ці індикатори керуються електричним струмом.

Твіст-ефект полягає в зміні електричним полем орієнтації молекул рідкого кристала, що приводить до зміни напряму плоскості поляризації світла. Для керування поляризацією світла додатково використовуються поляроїдні плівки. Орієнтація структури рідкого кристала поблизу електродів забезпечується орієнтуючою дією їх поверхні, що створюється за допомогою механічного натирання пластин, напилення плівок GeО₂ або SiО₂ або нанесення орієнтованих шарів органічної поверхнево-активної речовини. Індикатори на твіст-ефекті мають більший кут огляду і вищу роздільну здатність. Можливість відображення кольорових зображень здійснюється при використанні необхідних світлофільтрів і підсвічуванням білим світом.

Ефект «гість-господар» (G-H) полягає у тому, що у структуру рідкого кристала вбудовуються протяжні молекули барвника. При зміні електричним полем орієнтації молекул рідкокристалічного матеріалу відбувається переорієнтація молекул фарбника, унаслідок чого змінюється забарвлення поверхні.

Термооптичний ефект фазового переходу в смектичних рідких кристалах полягає у тому, що при проходженні через рідкий кристал імпульсу струму відбувається його нагрівання і перехід в ізотропну, безладно орієнтовану фазу. Охолоджування її в електричному полі забезпечує прозору структуру, при охолоджуванні у відсутності поля матеріал непрозорий. Цей стан зберігається тривалий час, що використовується також в пристроях пам'яті. Для стирання пам'яті пропускається додатковий імпульс струму. Конструкції і технологія виготовлення рідкокристалічних індикаторів досить прості і відпрацьовані. Випускаються два різновиди конструкцій індикаторів, що працюють на віддзеркалення і на просвіт. Вони відрізняються розташуванням джерела світла відносно користувача.

Переваги рідкокристалічних індикаторів: мала споживана потужність (до 10 мкВт/см.), низька напруга збудження (2-20 В), що обумовлюється сумісність з різними видами інтегральними мікросхемами; високий контраст в умовах сильного зовнішнього засвічення (К≥0,9), простота реалізації малих (1,5-3 мм) та великих (до 500 мм) знаків, панельна плоска конструкція широкий вибір вихідних рідкокристалічних з'єднань, простота технологічного процесу і низька вартість. До недоліків рідкокристалічних індикаторів відносяться: обмежений діапазон робочих температур, невисока швидкодія (до 0,1 с), необхідність зовнішнього засвічення, невеликий кут огляду (<50^о).