тации в поле необходимо использовать нематик с положительной анизотропией; перпендикулярно электродам (гомеотропная ориентация) - для нематнка с отрицательной анизотропией. При подключении напряжения кристалл ориентируется согласно знаку диэлектрической анизотропии: параллельно полю при еа>0 и перпендикулярно при еа<0. Поскольку толщина слоя ЖК задается (конечная), а на границах с электродами существует жесткая ориентация, изменение ориентации ЖК в поле носит пороговый характер и начинается лишь с некоторой критической разности потенциалов, не зависящей от толщины слоя (переход Фредерикса).

Напряженность поля Фредерикса Еф - n[4nki/ % , где fell - модуль упругости поперечного изгиба жидкого кристалла; 8а - диэлектрическая постоянная ЖК. Для современных ЖК веществ поле Фредерикса составляет единицы вольт.

Ориентация ЖК внутри слоя будет меняться от электродов к центру слоя (здесь достигается максимальная деформация при заданном напряжении), и в силу того что ЖК оптически анизотропен, это приводит к изменению двулучепреломления слоя в зависимости от напряжения.

Для наблюдения рассматриваемых эффектов ячейка с предварительно ориентированным ЖК помещается между скрещенными поляроидами. При изменении напряжения на электродах ячейки окраска света, прокодящего через всю систему, будет меняться. Получаемые цвета имеют иитерференционную природу и определяются разностью хода поляризованного и неполяризованного лучей, получающейся при прохождении света через слой ЖК. При возрастании напряжения разность хода возрастает от максимального значения, равного rind (d - толщина слоя; «а - показатель двулучепреломления ЖК), до нуля для гомогенной ориентации или от нуля до максимальной разности хода для гомеотроппой начальной ориентации ЖК. Если оптическую ось кристалла направить под углом 45° к осям скрещенных поляроидов, то спектр пропускания такой системы W(A,) =sin2 (я/Д), где / - разность хода поляризованного и неполяризованного лучей; X - длина волны. Это значит, что каждому значению приложенного напряжения соответствует определенная окраска прошедшего света.

Переходные времена ориентационных эффектов имеют тот же порядок, что и для ДРС. Время реакции обратно пропорционально квадрату напряжения, а время релаксации - квадрату толщины слоя.

Заманчивая идея получить индикатор с цветными элементами отображений, цвет которых изменяется простым изменением питающего напряжения, на практике труднореализуема, поскольку требует создания очень равномерного по толщине слоя ЖК и однородной ориентации по всей площади индикатора. Изменение толщины слоя ЖК на десятые доли микрона приводит к заметному изменению цвета. Это означает, что такой индикатор при любом изменении внешних условий (температура, давление, механические воздействия) тоже неуправляемо меняет цвет, а если цветом кодируется информация, то индикатор теряег работоспособность. Кроме того, получение требуемого цвета достаточного качества возможно лишь при работе на просвет или на проекцию с использованием, по возможности, параллельного пучка света.

Эффект гость - хозяин наблюдается в ячейках или индикаторах описанной выше конструкции при использовании ЖК, в котором растворен дихроичный краситель. Молекулы должны иметь тоже анизотропную форму (вытянутую, палочкообразную или плоскую), подобную молекуле ЖК. При этол1 молекулы красителя ориентируются ЖК и при переориентации последнего в электрическом поле переорнеити-руются вместе с ним. Для получения достаточно большого контраста

молекулы красителя должны иметь высокую степень дихроизма. Механизм эффекта таков: при переориентации слоя вещества с дихроич-ным красителем изменяется спектр поглощения ячейки, что связано со способностью молекул дихроичного красителя избирательно поглощать свет в зависимости от их ориентации относительно падающего светового потока. При использовании нематиков эффект переориентации слоя наблюдается в поляризованном свете (требуется одни поляроид); направление поляризации поляроида должно совпадать с направлением ориентации ЖК. Для закрученной холестерической структуры с малым щагом можно получить достаточную контрастность без поляроидов. Поскольку здесь поглощаются оба направления поляризации, но такая система требует значительно больших управляющих напряжений (десятки вольт). Эффект характерен для нематиков с положительной и отрицательной анизотропией, причем контрастность получается разных знаков.

Для разрабатываемых в настоящее время индикаторов на эффекте гость - хозяин синтезированы и осваиваются промышленностью многоцветные красители с дихроизмом разных знаков. Следует отметить, что индикаторы на описываемом эффекте ие являются многоцветными, при переключении цвет лишь изменяет насыщенность н пока не представляется возможным получение разных цветов в одном элементе отображения.

Твист-эффект наблюдается в нематическом ЖК с положительной диэлектрической анизотропией, структура которого закручена на 90°. Такая структура образуется, если направление ориентации молекул на противоположных стенках ячейки взаимно перпендикулярно. Для наблюдения эффекта ячейку следует поместить между поляроидами так, чтобы направление ориентации молекул на одной из стенок ячейки совпадало с направлением пропускания поляроидов. В этом случае невозбужденная ячейка поворачивает плоскость поляризации проходящего через нее света на 90°. При создании электрического поля напряженностью выше порога Фредерикса молекулы ориентируются по полю, а при достаточно высокой напряженности жидкокристаллический слой становится оптически одноосным с оптической осью, перпендикулярной электродам. Такая структура уже не вращает плоскость поляризации. Поэтому если рассматривать ячейку в параллельных поляроидах, то при повышении напряжения система начинает пропускать свет, а в скрещенных поляроидах пропускание системы падает. В настоящее

время эффект наиболее широко используется в единичных, цифро-буквениых и матричных индикаторах, которые изготавливаются как на отражение, так и иа просвет. Вольт-контрастная характеристика твист-эффекта показана на рис. 4.3. Переходные времена этого эффекта при комнатной температуре 30-200 мс в зависимости от типа ЖК материала, толщины слоя ЖК и управляющего напряжения. Широкое применение эффекта в современных индикаторах обусловлено; низкими управляющими напряжениями (единицы вольт), значительной крутизной вольт-контрастной характеристики, возможностью по-Рис. 4.3. Типовая вольт- лучения контраста обоих знаков, контрастная характерно- Возможность ориентации молекул как

тика ЖКИ на основе холестерического ЖК в электрическом поле, твист-эффекта так и нематического связана с их диэлек-

Прической анизотропией. В нематнческок ЖК ориентирующему действию поля противостоят упругие моменты из-за наличия заданной ориентации на границах ЖК вещества. В холестерических же ЖК при деформации возникает внутренний упругий момент, связанный со спиральной структурой вещества с некоторым шагом р, зависящим от природы вещества. Поэтому при большом значении отношения толщины слоя ЖК к шагу влиянием ориентирующего действия стенок можно пренебречь.

Управляемый электрическим полем холестерико-нематический фазовый переход наблюдается в ЖК с холестерической структурой и положительной диэлектрической анизотропией. При напряженности электрического поля выше критической происходит раскручивание спиральной структуры ЖК, щаг спирали стремится к бесконечности, молекулы как в нематике выстраиваются вдоль силовых линий поля. Критическая напряженность поля кр = (1р) V iki/ где р -шаг спирали; 22 - модуль упругости КруЧвННЯ.

Оптический эффект выглядит как исчезновение рассеивающего свет начального состояния слоя ЖК при подключении напряжения. Слой ЖК в поле достаточной напряженности становится совершенно прозрачен. Существует нелинейная зависимость коэффициента пропускания света от приложенного напряжения к ЖК ячейке. Пороговое напряжение зависит от шага спирали, диэлектрической анизотропии и толщины слоя ЖК. При комнатной температуре времена реакции и релаксации примерно одинаковы (50-100 мс). Однако при напряжении смещения, близком к пороговому, время релаксадии можно увеличить более чем на два порядка при одновременном небольшом уменьшении времени реакции. Это свойство вместе с большой крутизной вольт-контрастной характеристики позволяет создавать матричные экраны для отображения больших объемов цифро-буквенной и графической информации.

4.1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ

Из описанных физических принципов действия следует, что типовая элементарная ячейка ЖК индикатора состоит из двух прозрачных стеклянных пластин, с внутренней стороны которых располагается прозрачная система электродов нужного для отображения информации рисунка. Между пластинами помещается ЖК вещество. Если ячейка работает на просвет, то задний электрод делается прозрачным, а при работе ячейки на отражение он выполняется с большим коэффициентом отражения. Передний электрод всегда прозрачен.

Существенными преимуществами ЖК ЗСИ являются: низкое энергопотребление, высокий контраст изображения, который не снижается с увеличением внешней освещенности, конструктивно-технологическая совместимость с микросхемами управления. Одни из недостатков - необходимость внешней подсветки для наблюдения в ночное время суток.

По виду отображаемой информации ЖК ЗСИ делятся на цифровые, буквенно-цифровые, графические, мнемонические, шкальные. Цифровые и буквенно-цифровые ЖК ЗСИ конструктивно оформляются как сегментные или матричные, одноразрядные и многоразрядные. В конструкциях с небольшим числом элементов каждый элемент имеет свой вывод для подключения источника питания и индикаторы имеют вполне удовлетворительное значение контраста. Но более заманчиво создание многоэлементных матричных ЖК ЗСИ. Уровень технологического оборудования позволяет решать эту задачу с достаточно высокой разрешающей способностью. Однако возникает проблема управления та-