Жидкокристаллические индикаторы

Принцип действия ЖКИ основан на явлениях взаимодействия световых электромагнитных колебаний с длинными молекулами вещества, находящегося в промежуточном (между жидкостью и кристаллом) состоянии.

Жидкие кристаллы являются органическими материалами. В твердокристаллической фазе они обладают текучестью и способностью принимать форму сосуда, подобно обычным жидкостям, но молекулы ЖК взаимодействуют между собой, создавая упорядоченные состояния различных типов. По своим электрическим свойствам ЖК являются диэлектриками.

Свойства ЖК объясняются особенностью строения молекул. Для них характерны вытянутые формы, типичные размеры молекул – длина 1-3 мкм, ширина 0,5-1 мкм.

В зависимости от силы межмолекулярных связей возникают 3 основные группы мезофаз: смектическая, нематическая и холестерическая.

Смектические ЖК характерны тем, что в них молекулы расположены параллельно своим осям и образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Эти слои лежат один над другим на равном расстоянии. В нематических ЖК оси молекул тоже параллельны, но не образуют отдельных слоев. Длинные молекулы лежат вдоль преимущественного направления, а их центры размещены хаотично. В холестерическиъ ЖК молекулы расположены в слоях. Оси молекул параллельны плоскости слоев, а направление их ориентации меняется монотонно от слоя к слою.

Все ЖК делятся на 2 группы: термотропные и лиотропные. Для термотропных ЖК мезофаза существует в форме раствора в определенном интервале температур, а для лиотропных – в виде раствора определенных пропорций одного вещества в другом.

В ЖКИ используются различные электрооптические эффекты, но наиболее широкое распространение получили динамическое рассеивание и «твист-эффект».

В индикаторах, использующих эффект динамического рассеивания света при приложении электрического поля с Е=5∙10³…10⁴В/см прозрачное вещество (ЖК нематического типа) мутнеет вследствие появления множества центров рассеивания света. На однородном фоне появляется рисунок, яркость которого в 10-40 раз больше яркости фона. С увеличением внешнего освещения яркость высвечивания знака растет, контрастность сохраняется.

В индикаторах на основе «твист-эффекта» при приложении электрического поля той же напряженности меняется прозрачность системы, заполненной нематическим ЖК-веществом и помещенной между двумя поляроидами. На слабо окрашенном фоне появляется черный рисунок.

Конструктивно все типы ЖКИ состоят из тонкого (10-50 мкм) слоя ЖК-вещества между двумя стеклянными пластинами 3 (рис.2), одна из которых прозрачная, и устройств для изменения оптических свойств слоя. На внутренних поверхностях пластин нанесены прозрачные электроды 4 (из окиси олова) необходимой конфигурации, к которым подсоединены выводы 1. Герметичная полимерная прокладка 2 ограничивает объем и зазор между пластинами. Объем, заключенный между двумя электродами, содержит ЖК 5 и имеет толщину 6-25 мкм.

Рис.2

Электроды могут быть сплошными или с вытравленными рисунками для получения заданного изображения. Для работы в условиях низкой освещенности создается подсветка.

Существуют различные методы изготовления ЖКИ, но в основном применяются 2: спекание стекла и полимерная герметизация. Элемент получается полностью герметичным, когда спеканием стекла спаивается передний и задний электроды, за исключением отверстия, которое запаивается после заполнения ЖК-материалом в вакууме.

Электроды изготавливаются в виде нанесенной на стекло металлической пленки. Для обеспечения однородной четкости изображения и большого срока службы ЖКИ содержат инертное покрытие, наносимое на поверхность подложки с проводящими слоями на ней. Материалами для инертного покрытия могут служить винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компауды, полиамиды и насыщенные эфиры.

Достоинства ЖКИ: малая потребляемая мощность, низкие рабочие напряжения, плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора, возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней подсветки, большая долговечность, экономичность, совместимость с КМОП-микросхемами, высокая четкость изображения. Недостатки: сравнительно низкое быстродействие, необходимость внешнего освещения, зависимость параметров от температуры окружающей среды.