Течнокристални индикатори
Съдържание
Течнокристални индикатори
Индикаторите с течни кристали се появиха наскоро (70-те години) и станаха широко използвани като SDI. LCD индикаторите са пасивни устройства. Те не генерират светлина и изискват допълнително осветление, а самите те действат като модулатор, работещ в режим на предаване или отразяване на светлината.
Течните кристали (LC) са органични течности с удължени пръчковидни молекули. Има три вида ФА (фиг. 5.2): смектични, нематични и холестерични.
В смектичните LC силно удължени молекули са подредени в слоеве с еднаква дебелина, близки до дължината на молекулите. Молекулите са ориентирани успоредно една на друга. Нематичните LC нямат слоеста структура и молекулите също са ориентирани успоредно една на друга с дългите си оси. Холестеричните ФК имат слоеста структура, но във всеки слой молекулите са удължени в някаква предпочитана посока.
Ориз. 5.2 - Видове течнокристални индикатори:
а- смектичен;b- нематичен;v- холестеричен
Ориентацията на отделна LC молекула е обект на непрекъснати топлинни колебания, но във всяка точка на течността има средна ориентация, характеризираща се с единичен вектор, наречен директор D. Когато LC веществото заема голям обем, в молекулата се появяват региони с независими ориентации на директора. За да се даде същата ориентация в цялото работно пространство, LC е затворен в тясно (няколко десетки микрометра) пространство между субстратите. В резултат на това специфичната ориентация на LC молекулите се определя както от съседните молекули, така и от граничната повърхност на субстрата. ОриентиранеДействието се постига чрез разпръскване на тънки слоеве от SiO2 върху субстратите.
LC молекулите са отделни диполи. Ориентацията на молекулите може да се промени в резултат на различни електрохидродинамични ефекти поради потока дори на малък ток или под въздействието на електрическо поле.
Дизайнът на единичната клетка на LCD индикатора е прост и съдържа две стъклени пластини с прозрачно проводящо покритие от вътрешната страна. LC се запълва между плочите. Дебелината на LC варира от 6 до 25 μm. Този дизайн е по същество плосък кондензатор. При липса на напрежение върху клетката LC веществото е хомогенно и прозрачно. Когато прагово напрежение се приложи към клетка, възниква вълнообразна домейн структура. Когато праговото напрежение бъде превишено, доменната структура се превръща в клетъчна и тогава в течността възниква вихрово движение. LCD губи оптична еднородност и разпръсква светлина във всички посоки. Този ефект се нарича динамично разсейване. В момента индикаторите, базирани на ефекта на динамичната дисперсия, са широко разпространени, както и индикаторите, използващи ефекта на усукване на полето (усукване) и ефекта от типа "гост-домакин".
В момента най-често срещаните индикатори, които използват полевия ефект на усукване (от английски twist - усукване). Работата на клетка с кръстосани поляризатор Р и анализатор А е показана на фиг. 5.3.
При липса на захранващо напрежение в клетката, LC молекулите се усукват с приблизително 90° поради ориентиращото действие на P и A субстратите.
Поляризаторът е оптичен елемент, който пропуска светлина, поляризирана в една посока, и потушава светлина, поляризирана в обратна посока, в зависимост от ориентацията на поляризатора. Ако осите на втория поляризатор, т.наранализаторът са успоредни на осите на първия, след което светлината преминава през втория поляризатор; ако осите на анализатора са перпендикулярни, радиацията се потушава.
Ориз. 5.3 - Работата на LCD индикатора върху ефекта на усукване при напрежения:
а- нула;b- превишаване на прага
Светлината, падаща отгоре, е поляризирана по такъв начин, че нейният поляризационен вектор съвпада с посоката на директора D в горния субстрат. При преминаване през LC, равнината на поляризация на светлината се върти (като директор за LC молекули) и светлината преминава през анализатора. Когато клетката се захранва с напрежение над прага, поляризационният вектор на LC придобива вертикална посока и LC не върти поляризационната равнина, а анализаторът не пропуска светлина.
LCD индикаторите имат предимства пред индикаторите за динамично разсейване (по-малко работни токове от 1-3 μA/cm 2 вместо 10 μA/cm 2 и следователно по-голяма издръжливост). Ефективността на LCD върху ефекта на усукване е много по-висока, отколкото при използване на динамично разсейване.
Недостатъците на LCD индикаторите за ефекта на усукване включват по-малък ъгъл на видимост от индикаторите за ефекта на динамичното разсейване, което е свързано с тесен модел на излъчване на светлина с ефект на усукване и влиянието на поляризаторите. Използването на поляризатори води до загуби до 50% от светлината, а също така увеличава цената на индикаторите.
На базата на ефекта "гост-домакин" могат да бъдат създадени индикатори без поляризатори. Пръчковидни молекули на багрилото (гост) се въвеждат в FA (гостоприемник). Молекулите на багрилото са склонни да се ориентират успоредно на осите на LC молекулите (фиг. 5.4).
Ориз. 5.4 - Работата на LCD клетката върху ефекта "гост-домакин" при напрежения:
а- нула;b- превишаване на прага; 1 - молекули на багрилото; 2 - LC молекули
В първоначалното състояние, при нулево напрежение върху LCD клетката, се абсорбира светлина с произволна посока на поляризация (фиг. 5.4,a). Когато се приложи достатъчно силно електрическо поле, LC веществото преминава в състояние, при което всички молекули на багрилото са ориентирани вертикално и светлината, падаща върху клетката, свободно преминава през нея (фиг. 5.4,b).
Описаната система е обещаваща, тъй като дава възможност да се получи почти черно положително изображение на бял фон при висока яркост и достатъчно широк ъгъл на гледане. Контрастът на индикаторите на ефекта "гост-домакин" е малко по-лош поради абсорбцията на светлина от багрилото.
Предимствата на LCD индикаторите са следните:
- ниска консумация на енергия (110 μW/cm 2 );
- работа при високо ниво на външно осветление;
- простота на дизайна и технологията на производство;
- ниска цена, ниско работно напрежение.
Основните недостатъци на LCD индикаторите включват тесен диапазон от работни температури (от -10 до +60 ° C), дълги преходни процеси, които също зависят от температурата.
В табл. 5.5 показва параметрите на някои LCD индикатори, произведени у нас.
В момента се работи за създаване на матрични LCD индикатори. Значителен напредък е постигнат в създаването на многоцветни LCD индикатори с помощта на цветни филтри.