Жидкокристаллические индикаторы

Основы теории

В 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер впервые описал необычное поведение бензоата холестерина, который появился при 145⁰ С, превращаясь в мутную жидкость, причем мутность исчезла при температуре 179⁰ С, выше которой вещество вело себя как обычная прозрачная жидкость. В 1889 году физик О. Леманн обнаружил, что в указанном интервале температур это вещество обладает оптической анизотропией, свойственной твердым кристаллам. Так как это вещество обладает и текучестью, О. Леманн ввел для подобного состояния вещества термин «жидкий кристалл» (ЖК). В дальнейшем выяснилось, что ЖК- состояние встречается примерно у одного из 200 органических соединений и может наблюдаться у одних веществ в строго определенном интервале температур (термотропные ЖК), у других – в определенном интервале концентрации растворов этих веществ (лиотропные ЖК). Кроме того, было установлено, что в зависимости от молекулярного строения возможны различные структуры ЖК: холестерическая, нематическая и смектическая (в соответствии с рис. 7.1).

а б в

Рис. 7.1. Структуры жидких кристаллов:

а-смектическая, б-нематическая, в-холестерическая

В основе принципиальной возможности практического использования ЖК лежит сильная зависимость их структуры от внешних факторов: температуры, давления, электрических и магнитных полей. Эта зависимость объясняется слабостью межмолекулярных сил, обеспечивающих упорядоченную структуру ЖК, вследствие чего малые изменения внешних факторов могут вызывать существенные изменения в структуре. В электронике используются лишь термотропные ЖК.

У чистых веществ температурный интервал существования ЖК- состояния невелик, но он увеличивается при смешивании жидких кристаллов различной молекулярной структуры. При этом наблюдается понижение температуры перехода в твердокристаллическое состояние и изменение температуры перехода в состояние изотропной жидкости. В настоящее время термотропные ЖК – металлы (чистые вещества и смеси) перекрывают температурный диапазон от –20⁰ С до +250⁰ С.

Все ЖК состоят из молекул вытянутой формы. Вандерваальсовы взаимодействия 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 среднеквадратического направления на углы до 40⁰. Различные структуры ЖК отличаются характером упорядочения молекул.

Наиболее широкое практическое использование нашли нематические жидкие кристаллы (НЖК).

Нематематические ЖК (в соответствии с рис. 7.1, б) менее упорядочены по сравнению со смектическими. Весь объем НЖК можно разбить на небольшие области, различающиеся направлениями преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднородность среды и наблюдается сильное рассеяние света. Поэтому ЖК и в проходящем, и в отраженном свете представляется мутным. Одинаково ориентируя молекулы внешним полем, можно добиться однородности и практически полного просветления ЖК.

Важными характеристиками НЖК являются оптическая и диэлектрическая анизотропия. Мерой оптической анизотропии служит разность

, (7.1)

где n_{пар (} n_{перп )} – показатель преломления для световой волны, электрический вектор которой параллелен (перпендикулярен) направлению преимущественной ориентации.

У всех НЖК . Обычно , а средний показатель преломления лежит в интервале от 1,4 до 1,8. Мерой диэлектрической анизотропии (ДА) служит величина

, (7.2)

где – диэлектрическая проницаемость, измеряемая вдоль (поперек) направления преимущественной ориентации.

В соответствии со знаком различают положительную ДА, когда , и отрицательную ДА, когда . Величина и знак зависят от частоты поля. При частотах порядка десятков килогерц возможно изменение знака. Вследствие ДА внешнее однородное электрическое поле вызывает ориентацию молекул НЖК: при положительной ДА длинные оси молекул стремятся расположиться вдоль поля, при отрицательной ДА – поперек поля. В основном именно эти свойства НЖК используют в подавляющем большинстве ЖК- устройств, в частности, для электрического управления двойным лучепреломлением и для динамического рассеяния света.

Суть первого эффекта в том, что при неизменном направлении распространения света через НЖК включение внешнего электрического поля вызывает переориентацию молекул НЖК, величина которой растет с ростом напряженности поля. Таким образом, изменяется взаимная ориентация луча света и оптической оси ЖК. Вследствие этого разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами можно менять от 0 до (d- толщина ЖК вдоль луча) или от dDn до 0 (в зависимости от исходной взаимной ориентации луча и осей молекул и от знака De). Эффект динамического рассеяния заключается в следующем. В НЖК с отрицательной ДА вводиться органическая легирующая примесь, вследствие диссоциации которой, в объеме НЖК появляются свободные носители заряда (ионы). При включении внешнего переменного электрического поля возникают преимущественная ориентация молекул НЖК и колебания пространственного заряда. Взаимодействие этих явлений приводит к тому, что при напряженностях внешнего поля, меньших некоторой пороговой, в ЖК устанавливается течение в виде цилиндрических вихрей (домены Вильямса). При дальнейшем росте поля возрастают токи проводимости, которые при величине поля, равной критической, приводят к разрушению упорядоченной структуры ЖК, созданной полем; к возникновению турбулентности, и вследствие этого, оптической неоднородности, сопровождаемой сильным рассеянием света.

Для работы ЖК – устройства существенна ориентация молекул ЖК относительно поверхности пластин. Различают ориентации: гомеотропную (длинные оси молекул перпендикулярны плоскости пластин), гомогенную (длинные оси молекул параллельны некоторому общему направлению в плоскости пластин), квазигомогенную (длинные оси молекул различных областей ЖК параллельны различным направлениям в плоскости пластин). При отсутствии внешних полей, ориентация молекул в ЖК-ячейке определяется ориентацией молекул, находящихся вблизи поверхности стеклянных пластин; поэтому поверхностные свойства внутренних плоскостей пластин имеют чрезвычайно важное значение для характеристик ЖК – устройств. Специальная обработка поверхности пластин позволяет ориентировать поверхностные молекулы ЖК гомеотропно, гомогенно, квазигомогенно. Для создания полупрозрачных проводящих покрытий обычно используют смесь SnO₂ и In₂O₃.

Наибольше распространение на практике получили два типа ЖК – ячеек: на основе эффекта динамического рассеяния и твист-эффекта (в соответствии с рис. 7.2 а, б).