ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

ИНДИКАТОРНЫЕ ПРИБОРЫ Жидкокристаллические индикаторы Основы теории

В 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер впервые описал необычное поведение бензоа­та холестерина, который плавился при 145 °С, превращаясь в мутную жидкость, причем мутность исчезала при 179°С, выше которой вещество вело себя как обычная прозрачная жидкость. В 1889 г. физик О. Леманн обнаружил, что в указанном интервале температур это вещество обладает оптической анизотропией, свойственной твердым кристаллам. Так как это вещество обладает и текучестью, 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 (рис. 8.1).

Ние и изменение температуры перехода в состояние изотропной жидкости. В настоящее время термотропные ЖК-металлы (чистые вещества и смеси) перекрывают температурный диапазон от -20 до +250 °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 направле - ' ния на углы до 40°. Различные структуры ЖК отличаются характером упорядочения молекул.

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

Нематические ЖК-НЖК (см. рис. 8.1, 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 (ДА). Мерой оптической анизотропии служит разность

Д" = и™р-илерп. (8-0

Где Ипар(Яперп) — показатель преломления световой волны, электрический вектор которой параллелен (перпендикулярен) направлению преимущественной ориентации.

У всех НЖК Ап > 0. Как правило, Ап > 0,2, а средний показатель преломления "ср = ("пар + "перлУ2 лежит в интервале 1,4... 1,8. Мерой ДА служит величина

Де = е — е, (8.2)

Пар перп1 '

Где Епар(еперп) — диэлектрическая проницаемость, измеряемая вдоль (поперек) направления преимущественной ориентации.

В соответствии со знаком Де различают положительную (Де > 0) и отрицательную (Де < 0) ДА. Величина и знак Де 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 — поперек. В основном именно эти свойства НЖК используют в подавляющем большинстве ЖК-устройств, в частности, для электрического управления двойным лучепреломлением и динамического рассеяния света.

Суть первого эффекта состоит 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 нуля до с! Ап (с! — толщина ЖК вдоль луча) или от с! Ап до нуля (в зависимости от исходной взаимной ориента­ции луча и осей молекул и от знака Де). Эффект динамического рассеяния заключается в следующем. В НЖК с отрицательной ДА вводится 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, меньше 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, 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 хоздания полу­прозрачных проводящих покрытий, как правило, используют смесь 8п02 и 1п2Оэ.

Наибольшее распространение на практике получили два типа ЖК-ячеек: на основе эф­фекта динамического рассеяния и твист-эффекта (рис. 8.2). На рисунках показано располо­жение молекул при разных управляющих токах.

11

|г=о