Как да контролираме течните кристали
Връзки с течни кристали
7. Как да контролираме течните кристали
Основата на всеки LCD индикатор е така наречената електрооптична клетка, чието устройство е показано на фиг. 12. Две плоски стъклени пластини, покрити с прозрачен проводящ слой от калаен оксид или индиев оксид, действащи като електроди, са разделени от тънки дистанционни елементи, изработени от непроводим материал (полиетилен, тефлон). Получената междина между плочите, която варира от 5 до 50 микрона (в зависимост от предназначението на клетката), се запълва с течен кристал, а цялата "сандвич" структура по периметъра се "запечатва" с уплътнител или друг изолационен материал (фиг. 12). Така получената клетка може да бъде поставена между два много тънкослойни поляризатора, равнините на поляризация на които образуват определен ъгъл, за да се наблюдават ефектите от ориентацията на молекулите под действието на електрическо поле. Прилагането дори на малко електрическо напрежение (1,5–3 V) към тънък LC слой поради относително ниския вискозитет и вътрешното триене на анизотропна течност води до промяна в ориентацията на течния кристал. Тук е важно да се подчертае, че електрическото поле не действа върху отделни молекули, а върху ориентирани групи от молекули (рояци или домени), състоящи се от десетки хиляди молекули, в резултат на което енергията на електростатичното взаимодействие значително надвишава енергията на топлинното движение на молекулите. В резултат на това течният кристал има тенденция да се върти по такъв начин, че посоката на максималната диелектрична константа съвпада с посоката на електрическото поле. И поради голямата стойност на двойното пречупване Dn, процесът на ориентация води до рязка промяна в структурата и оптичните свойства на течния кристал.[6]
Експозиция за първи пътелектрически и магнитни полета върху течни кристали е изследван от българския физик В.К. Фредерикс, а процесите на тяхната ориентация се наричат електрооптични преходи (или ефекти) на Фредерикс. Една от трите най-често срещани молекулярни ориентации е показана на фиг. 12. a е планарната ориентация, която е характерна за нематици с отрицателна диелектрична анизотропия (De 0) (фиг. 12, b). В този случай дългите оси на молекулите с надлъжен диполен момент са разположени по посока на полето, перпендикулярно на клетъчната повърхност. И накрая, възможна е усукване или усукана ориентация на молекулите (фиг. 12в). Тази ориентация се постига чрез специална обработка на стъклени пластини, при която дългите оси на молекулите се завъртат в посока от долното към горното стъкло на електрооптичната клетка. Това обикновено се постига чрез триене на стъкло в различни посоки или използване на специални ориентиращи агенти, които задават посоката на молекулярната ориентация.[4]
Ориз. Фиг. 13 Схема на работа на LCD индикатора върху ефекта на усукване: a - преди включване на електрическото поле, b - след включване на полето, c - седемсегментен буквено-цифров електрод, управляван от електрическото поле.
Работата на всеки LC индикатор се основава на структурни пренареждания между посочените типове молекулярна ориентация, които се индуцират, когато се прилага слабо електрическо поле. Помислете например как работи LCD циферблатът на електронен часовник. Основата на циферблата е вече познатата ни електрооптична клетка, макар и донякъде допълнена (фиг. 13, а, б). В допълнение към стъклата с разпръснати електроди, два поляризатора, чиито поляризационни равнини са противоположни, но съвпадат с посоката на дългите оси на молекулите на електродите, се добавя още един, разположен под долнатаполяризаторно огледало (не е показано). Долният електрод обикновено се прави плътен, а горният е оформен, състоящ се от седем малки електродни сегмента, с които можете да изобразите всяка цифра или буква (фиг. 13, c). Всеки такъв сегмент се "захранва" с електричество и се включва по зададена програма от миниатюрен генератор. Първоначалната ориентация на нематика е усукана, т.е. имаме така наречената усукваща ориентация на молекулите (виж фиг. 12, c и 13, a). Светлината пада върху горния поляризатор и става равнинно поляризирана в съответствие с неговата поляризация.
При липса на електрическо поле (т.е. в изключено състояние), светлината, "следвайки" ориентацията на усукване на нематика, променя посоката си в съответствие с оптичната ос на нематика и на изхода ще има същата посока на поляризация като долния поляризатор (виж фиг. 13, а). С други думи, светлината ще се отрази от огледалото и ще видим светъл фон. Когато се включи електрическо поле за нематичен течен кристал с положителна диелектрична анизотропия (De> 0), ще настъпи преход от ориентация на усукана усукване към хомеотропна ориентация на молекулите, т.е. дългите оси на молекулите ще се обърнат в посока, перпендикулярна на електродите, и спиралната структура ще се срине (фиг. 13, b). Сега светлината, без да променя посоката на първоначалната поляризация, съвпадаща с поляризацията на горния поляризатор, ще има посока на поляризация, противоположна на долния поляроид, и те, както се вижда на фиг. 13b са в кръстосано положение. В този случай светлината няма да достигне до огледалото и ще видим тъмен фон. С други думи, включително полето, можете да рисувате всякакви тъмни символи (букви, цифри) на светъл фон, като използвате например проста седемсегментна система от електроди (фиг. 13, c).[7]
Това е принципът на работавсеки LCD. Основните предимства на тези индикатори са ниски управляващи напрежения (1,5–5 V), ниска консумация на енергия (1–10 μW), висок контраст на изображението, лекота на интегриране във всякакви електронни схеми, оперативна надеждност и относителна евтиност [4].
И така, течните кристали имат двойни свойства, съчетавайки свойството на течности (флуидност) и свойството на кристални тела (анизотропия). Тяхното поведение не винаги е възможно да се опише с помощта на обичайните методи и концепции. Но именно в това се състои тяхната привлекателност за изследователите, търсещи опознаване на все още неизвестното.
Напоследък бяха открити и интензивно изследвани течнокристални полимери, появиха се полимерни LC сегнетоелектрици и активно се изследват гъвкави верижни органоелементи и металосъдържащи LC съединения, които образуват нови видове мезофази. Светът на течните кристали е безкрайно голям и обхваща най-широката гама от природни и синтетични обекти, привличайки вниманието не само на физици, химици и биолози, но и на практически изследователи, работещи в голямо разнообразие от отрасли на съвременните технологии (електроника, оптоелектроника, информатика, холография и др.).