3. Жидкокристаллические индикаторы

1. Принцип действия и конструктивные модификации

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет. Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:

• малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления составляет несколько единиц мкВт/см²);

• низкие рабочие напряжения (1,5(5 В) и хорошая совместимость с КМОП- микросхемами;

• удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);

• возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;

• большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).

Основные недостатки - сравнительно низкое быстродействие, ограниченный угол обзора и необходимость внешнего освещения.

Жидкие кристаллы (ЖК) называют также анизотропными жидкостями, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. Плотность ЖК близка к плотности воды и коэффициент отношения их плотностей незначительно отличается от единицы. Жидкие кристаллы - диамагнитный материал, ЖК выталкиваются из магнитного поля; ЖК относятся к диэлектрикам; удельное сопротивление составляет 10⁶... 10¹⁰ Ом(см и зависит от наличия и концентрации проводящих примесей. Теплопроводность ЖК в направлении вдоль молекул отличается от теплопроводности в поперечном по отношению к молекулам направлении.

Вследствие анизотропии электрических и оптических свойств в ЖК наблюдаются различные электрооптические эффекты:

• связанные с движением вещества - динамическое рассеяние (ДР);

• с поворотом молекул в электрическом поле - твист-эффект (ТЭ);

• эффект гость - хозяин (Г - X).

Конструктивные схемы ЖКИ показаны на рисунках 5.2 и 5.3.

Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса:

• индикаторы, работающие на просвет;

• индикаторы, работающие на отражение.

Рисунок 5.2 - Конструкция ЖКИ, работающего на просвет: 1,3 - стеклянные пластины; 2 - склеивающее соединение; 4 - задний прозрачный электрод; 5 - передний прозрачный электрод; 6 - жидкий кристалл

Рисунок 5.3 - Конструкция ЖКИ, работающего на отражение: 1,3 - стеклянные пластины; 2 - склеивающее соединение; 4 - задний отражающий электрод; 5 - передний прозрачный электрод; 6 - ЖК

У первого типа (рис 5.2)обе стеклянные пластины прозрачны, электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и ярость индикатора определяются цветом и яркостью источника света.

У второго типа (рис 5.3) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала, на соответствующую пластину наносится прозрачная проводящая и отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).

Пример ЖК-индикатора со сложным структурным рисунком, применяемого в устройствах бытовой аппаратуры, с указанием реальных размеров, приведен на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - ЖК индикатор со сложным структурным рисунком

На рисунке 5.5 показан набор букв, знаков и цифр, которые можно получить на 16-сегментном знакосинтезирующем ЖК индикаторе.

Рисунок 5.5 - Изображения букв, знаков и цифр, получаемых на 16 сегментном ЖК индикаторе

Конфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму, образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света.

В ЖКИ, работающем на основе Динамического Рассеяния (ДР), при приложении электрического поля напряженностью около 5 кВ/см (примерно 30 В - к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникает турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствии поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят, тогда на черном фоне возникает белое изображение.

В ЖКИ с использованием Твист-Эффекта (ТЭ), работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются так, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях, в промежуточных слояхосуществляется постепенный поворот направления ориентации.

В отсутствии электрического поля свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризации оказывается повернутой на 90°; свет проходит через индикатор. Поляризатор пропускает свет только определенной поляризации. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, все молекулы ориентируются вдоль электрического поля. Плоскость поляризации света, проходящего в этом случае через индикатор, не вращается, и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.

В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.

К числу достоинств таких ЖКИ относится высокая эффективность.

• Индикаторы на эффекте ДР характеризуются уровнем потребляемой мощности 5...10 мкВт/см² для постоянного тока (0,5...1,0 мкА/см²) и 50...200 мкВт/см² для переменного тока (2...10 мкА/см²).

• Рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20 В.

• Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/см² (менее 2 мкА/см²).

• Рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ТЭ не превышает 5 В.

• Долговечность при эксплуатации на переменном токе составляет более 40 тысяч часов.

По экономичности ЖКИ намного превосходят современные светоизлучающие диоды. К достоинствам ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ можно отнести способность сохранять и увеличивать контраст изображения при повышении уровня внешней освещенности, прямую совместимость с КМОП-микросхемами, обеспечивающую возможность низковольтного управления ЖКИ. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6 - 0,8 мм.

Вместе с тем ЖКИ характеризуются сравнительно низким быстродействием (десятки миллисекунд, особенно при пониженной температуре) и явно выраженной зависимостью параметров от температуры окружающей среды.

Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.

В индикаторах на эффекте Гость - Хозяин тонкий слой ЖК - «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя». Слой ЖК - «хозяина» за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя «гостя» окраску, а под воздействием электрического поля он обесцвечивается. В этом случае на окрашенном фоне возникают участки, имеющие другой цвет.

Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-X хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте.