Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) основаны на использовании так называемых жидких кристаллов (ЖК), пред­ставляющих собой некоторые органиче­ские жидкости с упорядоченным рас­положением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля напряженностью 2 - 5 кВ/см структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной.

Эти индикаторы могут иметь различ­ные конструкции и работать либо в проходящем свете, созданном каким-либо специальным источником, либо в свете любого источника (искусствен­ного или естественного), отражающем­ся в индикаторе.

На рис. 40 представлен ЖКИ, работающий на отражение. Индикаторы такого типа применяются в наручных электронных часах, микрокалькуляторах и других устройствах. Между двумя стеклянными пластинками 1 и 3, склеен­ными с помощью полимерной смолы 2, находится слой жидкого кристалла 4 толщиной 10 - 20 мкм. Пластинка 3 покрыта сплошным проводящим слоем (электрод 5) с зеркальной поверхностью. На пластинку 1 нанесены прозрачные слои - электроды А, Б, В, от которых сделаны выводы, не показанные на рисун­ке. Эти электроды имеют форму цифр, или букв, или сегментов для синтези­рования различных знаков.

Рисунок 40 – Жидкокристаллический индикатор, работающий на отражение

В случае если на зна­ковые электроды напряжение не подано, то ЖК прозрачен, световые лучи внешнего естественного освещения про­ходят через него, отражаются от элект­рода 5, выходят обратно и никаких знаков не видно. Но если на какой-то электрод, к примеру А, подано напряже­ние, то ЖК под этим электродом становится непрозрачным, лучи света не проходят через эту часть жидкости (6), и тогда на светлом фоне виден темный знак.

Жидкокристаллические индикаторы весьма экономичны и долговечны. Для управления ЖКИ применяются довольно сложные устройства, обычно на базе интег­ральных микросхем. Находят широкое применение в качестве дисплеев переносных и стационарных электронных устройств – средств связи, измерительной аппаратуры, компьютерной технике. Вместе с тем, на сегодняшний день являются основным типом мониторов и телœевизионных приемников.

Эффективное и надежное использование многих систем промыш­ленной электроники невозможно без участия человека-оператора в управлении, который должен получать необходимые сведения о рабо­те системы и контролируемых параметрах. Этой цели служат устрой­ства, предназначенные для преобразования различных данных в види­мое изображение и называемые устройствами отображения информации.

Устройства отображения информации могут решать простейшие, но весьма важные задачи контроля состояния системы: ʼʼРаботаетʼʼ, ʼʼНе работаетʼʼ, ʼʼВключеноʼʼ, ʼʼВыключеноʼʼ, ʼʼСтопʼʼ и т. д. В более слож­ных случаях на них возлагается функция отображения цифровой, текстовой и графической информа­ции, характеризующей технологический процесс, работу производ­ственного объекта͵ и целой системы.

Название : Справочник - Знакосинтезирующие индикаторы.

Приведены подробные справочные данные о серийно выпускаемых типах индикаторов: электролюминесцснтных, вакуумных люминесцентных, вакуумных накаливаемых, полупроводниковых, газоразрядных, жидкокристаллических. Кратко описаны физические процессы, принципы конструирования, параметры и характеристики, области применения. Рассмотрены схемы управления.

Содержание.

Предисловие редактора. 8
Введение. 10
ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Классификация и условные обозначения знакосинтезирующих индикаторов.
1.1. Классификация. 13
1 2. Условные обозначения. 16
1.3. Основные светотехнические параметры знакосинтезирующих индикаторов.
2. Вакуумные люминесцентные и никаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 27
2.1. Физический принцип действия вакуумных люминесцентных индикаторов.
2.2. Конструктивные особенности вакуумных люминесцентных индикаторов. 28
2.3. Принцип действия и управления вакуумных люминесцентных индикаторов.
2.4. Типы вакуумных люминесцентных индикаторов и их основные параметры.
2.5. Области применения вакуумных люминесцентных индикаторов. 32
2.6. Вакуумные накаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 33
3. Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 35
3.1. Физический принцип действия. 35
3.2. Конструктивные особенности. 43
3.3. Принцип управления. 45
3.4. Основные параметры. 49
3.5. Области применения и перспективы развития. 49
4. Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 50
4.1 Электрооптические эффекты в жидких кристаллах, используемые в индикаторах. 50
4.2. Особенности конструкции жидкокристаллических индикаторов. 55
4.3. Принципы управления. 57
5. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 60
5.1. Физический принцип действия. 60
5.2. Основные материалы. 62
5.3. Конструктивные особенности. 64
5.4. Управление индикаторами. 65
5.5. Перспективы развития. 68
6. Электролюминесцентные знакоситезирующие индикаторы. 69
6.1. Физический принцип действия. 69
6.2. Конструктивные особенности. 71
6.3. Типы электролюминесцентных индикаторов и их основные параметры. 73
6.4. Области применения. 74
7. Методика оценки эффективности применения знакосинтезирующих индикаторов в средствах отображения информации. 76
7.1. Основы методики. 76
7.2. Алгоритмы оценки эффективности применения знакосинтезирующих индикаторов в средствах отображения информации. 83
8. Рекомендации по применению и эксплуатации. 85
8.1. Выбор знакосинтезирующих индикаторов. 85
8.2. Эксплуатация знакосинтезирующих индикаторов. 135
ЧАСТЬ II. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗНАКОСИНТЕЗИРУЮЩИХ ИНДИКАТОРОВ И СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ ИМИ.
Общие сведения. 137
Условные обозначения параметров. 137
Единичные знакосинтезирующие индикаторы. 140
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 140
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 152
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 156
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 175
Цифровые знакосинтезирующие индикаторы. 179
Цифровые одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 179
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 179
Вакуумные накаливаемые знакосинтезирующие индикаторы. 197
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 210
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 213
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 215
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 276
Цифровые многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 278
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 278
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 312
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 317
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 351
Буквенно-цифровые знакосинтезирующие индикаторы. 355
Вакуумные люминесцентные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы.
Газоразрядные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 382
Жидкокристаллические одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 388
Полупроводниковые одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 390
Электролюминесцентные одноразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 407
Газоразрядные многоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 412
Шкальные знакосинтезирующие индикаторы. 425
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 425
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 428
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 435
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 56
Мнемонические знакосинтезирующие индикаторы. 459
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 459
Жидкокристаллические знакосинтезирующие индикаторы. 463
Электролюминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 479
Графические знакосинтезирующие индикаторы. 488
Вакуумные люминесцентные знакосинтезирующие индикаторы. 488
Газоразрядные знакосинтезирующие индикаторы. 497
Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. 543
Электролюминесцентные знакоснинтезирующие индикаторы. 554
Интегральные схемы управления знакосинтезирующими индикаторами. 560
Список литературы.

Классификация знакосинтезирующих индикаторов .

В настоящее время принята классификация ЗСИ по следующим признакам: виду отображаемой информации; виду элементов отображения информации и способу формирования информационного поля; расстоянию наблюдения и числу наблюдателей; помехоустойчивости; привычности начертания знаков; числу знакомест; способу преобразования энергии; физическому принципу, положенному в основу работы; конструктивному оформлению; материалу корпуса; значению питающего напряжения; виду питающего напряжения (тока); числу элементов; способу управления.

По виду информации, для отображения которой ЗСИ предназначены, они делятся на: единичные - для отображения информации в виде точки, круга, квадрата, прямоугольника или другой простой геометрической фигуры; цифровые - для отображения информации в виде цифр; буквенно-цифровые - для отображения информации в виде букв различных алфавитов, цифр, знаков препинания, математических и других специальных знаков и символов; шкальные - для отображения информации в виде уровней или значений величин, дискретных, аналоговых и дискретно-аналоговых шкал или их частей как оцифрованных, так и неоцифрованных; мнемонические - для отображения информации в виде мнемосхем или их частей; графические - для отображения информации в виде букв различных алфавитов, цифр, знаков препинания, математических и других специальных знаков и символов, графиков и другой сложной информации, в том числе и телевизионной.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Справочник - Знакосинтезирующие индикаторы - Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

В настоящее время широкое распространение получили жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). От светодиодных они отличаются тем, что не излучают свет, а лишь меняют коэффициент пропускания или поглощения света на определенных участках. При этом такие участки будут выглядеть темнее, либо светлее окружающих. Они могут быть выполнены в виде сегментов, либо точек.

ЖКИ формируют изображение лишь при наличии внешнего источника света, который может располагаться как перед индикатором, так и за ним.

Работа ЖКИ индикаторов основана на использовании специальных веществ, которые называются жидкими кристаллами. Их структура имеет свойства характерные как для жидкости (возможность перемещения молекул), так и для твердых тел – упорядоченность. Чаще всего для создания цифровых ЖКИ используются вещества, обладающие нематическими свойствами. Их молекулы представляют собой длинные нити, которые могут определенным образом ориентироваться. Такая ориентация в частности происходит под действием внешнего электрического поля.

В большинстве жидкокристаллических индикаторов используется эффект вращения плоскости поляризации. Свет представляет собой поток электромагнитного излучения, причем векторы электрического и магнитного полей могут в ходе распространения луча менять свое направление в пространстве (это характерно для неполяризованного света), а могут сохранять его (в этом случае свет считается поляризованным).

Свет от обычных источников (ламп накаливания, светодиодов, солнца и т. п.) неполяризован. Однако, пропуская световой поток через особым образом обработанные прозрачные пластинки (поляризаторы) со специальной структурой внешнего слоя, можно получить свет поляризованный в том или ином направлении.

Если два поляризатора расположить так, чтобы направления поляризации совпадали (рис. 3.17), то, пройдя через первый свет поляризуется, а так как направление поляризации у второй пластинки такое же, то он пройдет и через нее. Для наблюдателя такая структура будет прозрачной.

Если один из поляризаторов повернуть на 90 градусов (рис.3.18), то пройдя первый из них и получив вертикальное направление поляризации поток света не будет пропущен второй пластинкой (поглотится), так как направление ее поляризации горизонтально, а такой компоненты в дошедшем потоке нет. При освещении внешним источником данная структура будет казаться наблюдателю темной. Если первый поляризатор выполнить в виде набора участков в виде точек или полосок, направлением поляризации которых можно управлять независимо друг от друга, то удастся формировать различные знаки и символы. Однако такой способ управления на практике не используется, так как он требует механического воздействия на соответствующие элементы индикатора. В ЖКИ для изменения направления вектора поляризации применяются жидкие кристаллы.

Упрощенная структура ячейки жидкокристаллического индикатора приведена на рис. 3.19. Между двумя поляризаторами со скрещенными направлениями поляризации помещается тонкий слой жидкого кристалла нематической структуры, молекулы которого представляют собой длинные параллельные нити. Они располагаются вдоль осей поляризации на границах пластинок и плавно меняют свое направление в области между ними.

Если на такую структуру направить поток света, то после прохождения нижней пластинники он поляризуется и будет плавно менять направление поляризации по мере распространения к верхней, так как молекулы жидкого кристалла также выполняют роль поляризатора с изменяющимся в пространстве направлением. Поэтому до второй пластинки свет дойдет уже вертикально поляризованным и пройдет ее без поглощения. Для наблюдателя данная структура будет казаться прозрачной.

Если между пластинками поляризаторов приложить электрическое поле, то молекулы жидкого кристалла вытянутся вдоль него и дополнительного поворота плоскости поляризации света не произойдет. Световой поток будет поглощаться как в слое жидкого кристалла, так и вторым поляризатором. Так как в этом случае ячейка не пропускает свет, то она будет темной.

В жидкокристаллических индикаторах электрод заднего поляризатора делается сплошным, а электроды переднего выполняются в виде сегментов или точек. Они изготавливаются на основе токопроводящих окислов металлов, тонкие пленки которых прозрачны. Жидкие кристаллы являются диэлектриками, поэтому такой индикатор представляет собой аналог конденсатора и практически не потребляет тока от источника постоянного напряжения. Для управления им требуется очень маленькая мощность, составляющая единицы и доли микроватт на ячейку. Поэтому такие индикаторы находят широкое применение в автономных системах, питающихся от встроенных источников энергии.

Особенностью жидкокристаллической ячейки является относительно большое время реакции на воздействие электрического поля. Оно составляет десятки миллисекунд, в то время как светодиодные индикаторы являются практически безынерционными.

При использовании для управления индикатором постоянного напряжения долговечность его работы оказывается невысокой. Это связано с возникновением процессов электролиза жидкого кристалла и разрушением его структуры. Чтобы избежать данного эффекта для управления используют знакопеременное напряжение с частотой десятки герц. При этом молекулы жидкого кристалла будут периодически поворачиваться вслед за изменением направления поля, ячейка останется темной, но так как каждый из электродов попеременно будет выполнять роль анода и катода, то процессы электролиза не будут успевать развиваться. Вследствие того, что частоты управляющих сигналов низки, токи через соответствующие участки индикатора, представляющие собой конденсаторные структуры будут сравнимы с токам утечки.

Однако применение двуполярного напряжения в цифровых устройствах затруднено тем, что в этом случае потребуется второй источник питания и аналоговые управляющие схемы. Поэтому данная задача решается путем использования логических элементов, выполняющих операцию суммирования по модулю два, которые могут функционировать в качестве управляемого инвертора.

Если на один из входов такого элемента подать периодический сигнал с частотой, а на другой - информационный сигнал(рис. 3.20), то напряжение на его выходе будет совпадать с периодическим сигналом при нулевом значениии окажется в противофазе с ним при единичном значении (рис. 3.21).

При этом разность потенциалов между входом на который подается периодический сигнал и выходом будет равна нулю когда
и окажется знакопеременной в случае, если
.

Для управления ЖКИ его общий электрод подключается к источнику периодического сигнала, а сегмент к выходу соответствующего элемента исключающее ИЛИ. Схема управления семисегментным индикатором в статическом режиме работы приведена на рис.3.22.

В
следствие относительно большой инерционности жидкокристаллических индикаторов реализовать рассмотренные ранее динамические системы управления не представляется возможным. Однако путем усложнения структуры ЖКИ и использования многофазных сигналов были построены динамические системы управления индикаторами сегментного и матричного типов.

В настоящее время разработаны жидкокристаллические индикаторы, сохраняющие состояние ячеек и при отключении питания.

Жидкокристаллические индикаторы широко применяются в различных устройствах для отображения символьной и графической информации. На их основе разработаны LCD (liquid crystal display) жидкокристаллические панели, представляющие собой матрицу ячеек, с возможностью независимого управления каждой из них.

Различают несколько разновидности таких панелей, в частности с пассивной (TN) и активной (TFT) матрицами. Упрощенная структура первой из них приведена на рис. 3.23. Конструктивно такая матрица представляет собой систему из двух стеклянных пластин, между которыми размещается слой жидкокристаллического вещества, а на пластины наносятся взаимно-перпендикулярные прозрачные электроды, соединенные со схемами управления столбцами C и строками R. Ячейка матрицы располагается на пересечении строки и столбца. Ее эквивалентную схему можно представить в виде совокупности резистора, конденсатора и светопропускающего клапана.

П
ри отсутствии разности потенциалов на электродах ячейки матрицы прозрачны. На панель направляется свет от специального источника и в таком состоянии она выглядит как светящийся экран. Наличие между электродами соответствующих ячеек напряжения, превышающего определенный уровень, вызывает изменение положения молекул жидкого кристалла и эти ячейки перестают пропускать свет.

В местах их расположения появляются темные точки, из которых формируется изображение. Варьируя величину управляющего напряжения можно менять степень поворота молекул и коэффициент светопропускания ячейки, что позволяет воспроизводить градации яркости.

При формировании изображения осуществляется сканирование матрицы по строкам, для чего на каждую из них поочередно подается импульс напряжения отрицательной полярности U1. Одновременно на столбцы, связанные с ячейками, которые должны изменить свое состояние поступает положительный импульс с амплитудой U2. Это условно отображено на рис. 3.23 в виде знаков +,- и 0 для нулевого уровня управляющего сигнала.

При опросе первой строки и наличии положительного напряжения на столбцах С1 и С3 происходит перезаряд конденсаторов соответствующих ячеек (Я1, Я3) до некоторого положительного напряжения. К моменту окончания импульса опроса напряжение на ячейке Я2 из-за воздействия отрицательного потенциала строки станет отрицательным, а на Я4, вследствие положительного потенциала столбца С1 изменится в положительную сторону (рис.3.24).

В следующем такте сканирования, верхние обкладки конденсаторов ячеек Я1, Я3 окажутся соединенными с корпусом и к ним будет приложено суммарное напряжение величиной
. Это вызовет перевод ячеек в непрозрачное состояние и формирование темных участков в местах их расположения. На данном интервале времени разность потенциалов на электродах ячеек Я2, Я4 недостаточна для изменения их состояния. После окончания сканирования строкиR3 изменит свое состояние ячейка Я9 и т.д. Полярность напряжения на ячейках периодически меняет знак, что не дает развиваться процессам электролиза.

LCD панель с пассивной матрицей проста по конструкции, но обладает рядом существенных недостатков. Из-за небольшого времени воздействия на ячейку напряжения превышающего пороговое (заштрихованная область на рис. 3.24) необходимо использовать жидкокристаллические материалы со значительным временем релаксации, то есть перехода после возбуждения в первоначальное состояние. Это не позволяет отображать быстроменяющиеся сцены. Кроме того, наличие остаточного напряжения на ячейках приводит к невысокой контрастности изображения, определяемой отношением яркости полностью затемненной и прозрачной ячеек. Еще одним недостатком является наличие связи между ними, что вызывает смазывание динамически меняющихся изображений. В настоящее время такие панели практически полностью вытеснены активными с тонкопленочными управляющими полевыми транзисторами.

Структура активной TFT (thin film transistor) матрицы и упрощенные временные диаграммы ее работы приведены на рис. 3.25 и рис. 3.26. Здесь работой каждой ячейки управляет полевой транзистор, изготовленный по тонкопленочной технологии и размещенный на индикаторной панели. Затворы транзисторов соединяются со строками матрицы, а истоки со столбцами.

В

момент поступления положительного импульса на строку открываются транзисторы, связанные с ячейками данной строки. Конденсаторы тех ячеек, которые должны изменить свое состояние заряжаются под действием напряжения, подаваемого на соответствующие столбцы. При переходе к следующей строке, транзисторы предыдущей закрываются, а так как ячейка практически не потребляет тока, то ее состояние остается неизменным до следующего цикла сканирования, то есть в течение кадра.

Для того, чтобы предотвратить деградацию участков жидкого кристалла вследствие электролиза, напряжение на них должно периодически менять знак. С этой целью через кадр полярность импульсов, поступающих на столбцы меняется на противоположную.

В такой матрице ячейки (пиксели) оказываются электрически изолированными друг от друга, что обеспечивает хороший контраст изображения. Сохранение напряжения после снятия управляющего воздействия позволяет использовать жидкокристаллические вещества с малым временем релаксации. Это обеспечивает небольшое время отклика панели и возможность воспроизведения быстроменяющихся изображений.

В цветных LCD панелях каждый пиксель выполняется на основе трех независимо управляемых ячеек с соответствующими светофильтрами. При сложении красного, синего и зеленого цветов с различными интенсивностями формируются вся цветовая гамма в видимом диапазоне.

Н
овым направлением в системах отображения информации, работающих на отражение является использование так называемых электронных чернил. Базовыми элементами дисплеев на их основе являются микрокапсулы, внутри которых находятся окрашенные частицы двух цветов – белые, заряженные положительно и черные с отрицательным зарядом (рис. 3.27). Внутреннее пространство микрокапсулы заполнено прозрачной жидкостью.

Слои микрокапсул расположены между двумя рядами взаимно перпендикулярных электродов строк и столбцов, верхние из которых прозрачны. При подаче разности потенциалов на строку и столбец, в точке их пересечения возникает электрическое поле. Окрашенные частицы собираются у электрода с противоположным знаком потенциала. При этом соответствующая точки изображения (пиксел) окрасится в черный, либо в белый цвет, так как пигментные частицы, сгруппировавшиеся в верхней части микрокапсулы, скроют от наблюдателя нижний слой.

Дисплеи на базе электронных чернил, которые часто называются цифровой бумагой, способны сохранять изображения и при отсутствии питания, подача напряжения необходима лишь для изменения состояния пиксела. В качестве подложки используются: стекло, пластик, металлическая фольга и другие материалы. Такие устройства могут быть сделаны гибкими и имеют очень малую толщину.

В настоящее время недостатками устройств отображения на базе электронных чернил являются большое время переключения пиксела (0,5 – 1 сек.) и ограниченное количество воспроизводимых оттенков серого.

Контрольные вопросы.

С какой целью последовательно со светодиодом при его подключении к источнику напряжения устанавливается резистор?

Какова скважность восьмиразрядных систем динамической индикации, функционирующих по методу компарации и мультиплексирования?

Сколько внешних выводов у светодиодной матрицы размером 5×7?

В каком случае система скрещенных поляризаторов будет прозрачной – при наличии, либо при отсутствии жидкокристаллического вещества между ними?

Чем обусловлена необходимость двуполярного напряжения для управления ЖКИ?

Чем объясняется более высокая контрастность активной ЖКИ панели по сравнению с пассивной?

Жидкокристаллические индикаторы появились недавно (70-е годы) и стали широко применяться в качестве СОИ. ЖК-индикаторы - пассивные устройства. Они не генерируют свет и требуют дополнительной подсветки, сами же выполняют роль модулятора, работая в режиме пропускания или отражения света.

Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические жидкости, имеющие удлиненные стержнеобразные молекулы. Различают ЖК трех типов (рис. 5.2): смектические, нематические и холестерические.

В смектических ЖК сильно вытянутые молекулы располагаются слоями одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Ориентированы молекулы параллельно друг другу. У нематических ЖК отсутствует слоистая структура, а молекулы также ориентированы параллельно друг другу своими длинными осями. Холестерические ЖК имеют структуру слоистую, но в каждом слое молекулы вытянуты в некотором преимущественном направлении.

Рис. 5.2 - Типы жидкокристаллических индикаторов:

а - смектические; б - нематические; в - холестерические

Ориентация отдельной молекулы ЖК подвергается непрерывным тепловым флюктуациям, однако в любой точке жидкости существует средняя ориентация, характеризуемая единичным вектором, называемым директором D. Когда ЖК-вещество занимает большой объем, то в молекуле появляются области с независимыми ориентациями директора. Для придания одинаковой ориентации во всем рабочем пространстве ЖК заключают в узкое (несколько десятков микрометров) пространство между подложками. В результате специфическая ориентация молекул ЖК определяется и соседними молекулами, и граничной поверхностью подложки. Ориентирующее действие достигается напылением на подложки тонких пленок SiO 2 .

Молекулы ЖК представляют собой индивидуальные диполи. Ориентация молекул может меняться в результате различных электрогидродинамических эффектов, обусловленных протеканием даже небольшого тока или под действием электрического поля.

Конструкция элементарной ячейки ЖК-индикатора проста и содержит две стеклянные пластины, имеющие на внутренней стороне прозрачное проводящее покрытие. Между пластинами залит ЖК. Толщина ЖК лежит в пределах от 6 до 25 мкм. Такая конструкция по сути представляет собой плоский конденсатор. При отсутствии напряжения на ячейке ЖК-вещество однородно и прозрачно. При приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура. При превышении порогового напряжения доменная структура превращается в ячеистую, затем в жидкости возникает вихревое движение. ЖК теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот эффект называют динамическим рассеиванием. В настоящее время распространены индикаторы на основе эффекта динамического рассеивания, а также индикаторы, использующие полевой твист-эффект (закручивание) и эффект типа «гость-хозяин».

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, использующие полевой твист-эффект (от англ. twist - закручивание). Работа ячейки со скрещенными поляризатором П и анализатором А показана на рис. 5.3.

В отсутствие напряжения питания на ячейке молекулы ЖК закручены приблизительно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек П и А.

Поляризатор - это оптический элемент, пропускающий свет, поляризованный в одном направлении, и гасящий свет, поляризованный в противоположном направлении, в зависимости от ориентации поляризатора. Если оси второго поляризатора, называемого анализатором, параллельны осям первого, то свет проходит через второй поляризатор; если же оси анализатора перпендикулярны, излучение гасится.

Рис. 5.3 - Работа ЖК-индикатора на твист-эффекте при напряжениях:

а - нулевом; б - превышающем пороговое

Свет, падающий сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поляризации совпадает с направлением директора D у верхней подложки. При прохождении через ЖК плоскость поляризации света вращается (как директор у молекул ЖК) и свет проходит через анализатор. При питании ячейки напряжением выше порогового, вектор поляризации ЖК приобретает вертикальное направление и ЖК не вращают плоскость поляризации, а анализатор не пропускает свет.

ЖК-индикаторы имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния (меньше рабочие токи 1-3 мкА/ см 2 вместо 10 мкА/ см 2 , и поэтому большую долговечность). Быстродействие ЖК на твист-эффекте гораздо выше, чем при использовании динамического рассеяния.

К недостаткам ЖК-индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Применение поляризаторов приводит к потерям до 50 % света, а также повышает стоимость индикаторов.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость-хозяин». Стержневидные молекулы красителя (гость) вводятся в ЖК (хозяин). Молекулы красителя стремятся ориентироваться параллельно осям молекул ЖК (рис. 5.4).

Рис. 5.4 - Работа ЖК-ячейки на эффекте «гость-хозяин» при напряжениях:

а - нулевом; б - превышающем пороговое; 1 - молекулы красителя; 2 - молекулы ЖК

В начальном состоянии, при нулевом напряжении на ЖК-ячейке, свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 5.4, а ). При наложении достаточно сильного электрического поля ЖК-вещество переходит в состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь нее (рис. 5.4, б ).

Описанная система перспективна, так как позволяет получить почти черное позитивное изображение на белом фоне при высокой яркости и достаточно широком угле обзора. Контраст у индикаторов на эффекте «гость-хозяин» несколько хуже вследствие поглощения света красителем.

Достоинства ЖК-индикаторов заключаются в следующем:

Малая потребляемая мощность (110 мкВт/см 2);

Работа при высоком уровне внешней освещенности;

Простота конструкции и технологии изготовления;

Низкая стоимость, низкое рабочее напряжение.

К основным недостаткам ЖК-индикаторов следует отнести узкий диапазон рабочих температур (от -10 до +60° С), длительные переходные процессы, к тому же зависящие от температуры.

В табл. 5.5 приведены параметры некоторых ЖК-индика-торов, выпускаемых в нашей стране.

Таблица 5.5

В настоящее время проводятся работы по созданию матричных ЖК-индикаторов. Значительные успехи достигнуты в создании полицветных ЖК-индикаторов с использованием цветных светофильтров.

Типы жидкокристаллических индикаторов

Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) был создан на эффекте динамического рассеяния, являю­щемся токовым эффек­том.

Работа такого ин­дикатора иллюстриру­ется рис. 2.25. В ячей­ке, заполненной нематиком с отрицательной диэлектрической ани­зотропией, при планарной ориентации в от­сутствии или при малом напряжении на электродах вещество однородно и прозрачно (рис. 2.25,а).

При приложении к ячей­ке порогового напряжения, не зависящего от толщины слоя и слабо зависящего от температуры, возникает волнистая доменная структура - своеобразный рисунок, обусловленный упорядоченным изменением направления директора (рис. 2.31, б). При превышении порогового напряжения доменная струк­тура превращается в ячеистую (рис. 2.31, в). При напряжениях, значительно превышающих пороговое, в жидкости возникает вих­ревое движение. В результате возникновения вихрей жидкий кристалл полно­стью теряет оптическую однородность и рассеивает свет во всех направлениях. Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием.

В настоящее время наиболее распространены индикаторы, ис­пользующие полевой твист-эффект. Работа ячейки со скрещен­ными поляризатором Пи анализатором Апоказана на рис. 2.26. В отсутствие напряжения молекулы в ней закручены приблизи­тельно на 90° благодаря ориентирующему действию подложек (рис. 2.26, а). В этом случае свет, падающий на ячейку сверху, поляризуется таким образом, что его вектор поля­ризации совпадает с направ­лением директора D у верхней подложки. При прохождении сквозь слой жидкокристаллического вещества плоскость поляризации света вращается и при попадании в нижнюю подложку оказыва­ется перпендикулярной пло­скости чертежа. В результате свет свободно выходит через анализатор и попадает к на­блюдателю.

При наложении на ячейку напряжения, создающего поле значительно выше порогового, вещество с положительной диэлектрической анизотропией стре­мится повернуться по электрическому полю и его директор D при­обретает вертикальное направление (рис. 2.26, б). Теперь уже жидкокристаллическая ячейка не вращает плоскость поляризации, а анализатор не про­пускает свет.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) на твист-эффекте имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте динамического рассеяния, в несколько раз меньшие рабочие напряжения (3-10 вместо 15-40 В), большую долговечность, обусловленную меньшими ра­бочими токами (плотность тока 1-3 мкА/см 2 вместо 10 мА/см 2).

К недостаткам жидкокристаллических индикаторов на твист-эффекте относится меньший, чем у индикаторов на эффекте динамического рассеяния, угол обзора, что связано с узкой диаграммой направленности света при твист-эффекте и влиянием поляризаторов. Путем повы­шения управляющего напряжения до 5-6 В этот угол можно уве­личить до ±45° для управления постоянным напряжением, однако при использовании импульсных напряжений угол обзора заметно снижается. Еще одним существенным недостатком твист-индика­торов является необходимость использования поляризаторов, что приводит к потерям свыше 50 % света, повышает стоимость инди­катора и уменьшает его долговечность.

Индикаторы без поляризаторов могут быть созданы на основе эффекта «гость - хозяин», который иллюстрируется рис. 2.27. Стержневидные дихроические молекулы красителя (гость), кото­рые введены в ЖК-вещество, стремятся ориентироваться парал­лельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглоща­ют свет с поляризацией вдоль длинной оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией, то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение света.

В качестве основного электрооптического эффекта в таком жидком кристалле можно использовать переход из холестерического в нематическое состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру и свет с любым направлением поляризации поглощается (рис. 2.27, а). При наложении доста­точно сильного электрического поля жидкокристаллическое вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все мо­лекулы красителя ориентиро­ваны вертикально, а падающий на ячейку свет свободно про­ходит сквозь нее (рис. 2.27, б). Описанная система перспек­тивна, так как позволяет по­лучить почти черное позитив­ное изображение на белом фоне при высокой яркости и до­статочно широком угле обзора.

Создание матричных жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) с информационной ем­костью, достаточной для построения графических СОИ или теле­визионных экранов, затруднено тем, что ЭО в них реагируют на действующее значение приложенного напряжения. Отношение этих значений напряжения на включенном и выключенном ЭО с ростом числа строк, по которым производится развертка, падает. В связи с этим жидкокристаллические экраны строят, используя комбинирован­ную термическую и электрическую матричную адресации или вво­дя в каждый ЭО интегрированные схемные элементы, обеспечи­вающие переход от матричной адресации к однокоординатной.

Схема фазовых переходов, происходящих в жидкокристалли­ческом веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана на рис. 2.28. При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, ве­щество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное изотропное (стрелка 3). При охлаждении харак­тер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет. Без электрического поля вещество переходит в смектическую фазу, для которой характер­ны макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света (стрелка 1). Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточном нематическом состоянии происходит ориентация молекул по полю (стрелка 2).В конечной смектической фазе воз­никает упорядоченная ориентация и вещество оказывается опти­чески прозрачным.

В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как омически нагреваемые резистивные полоски, а столбцы - как прозрачные полоски. Развертка изображения ведется по строкам, а на столбцы подаются информационные импульсы. Время ввода информации в одну строку равно 50 мкс, так как количество на­греваемого жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики. После охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее свет) сохраняется, т. е. индикатор запоминает информацию.

Для работы жидкокристаллического индикатора важное значение имеет способ его подсветки. В твист-индикаторах применяют три системы под­светки: отражательную, просветную и отражательно-просветную.

В отражательной системе подсветки (рис. 2.29) внешний свет в жидкокристаллическую ячейку попа­дает только после прохождения левого поляризатора ЛП. Если на сегменты ячейки СЯне подано напряжение, свет после пово­рота вектора поляризации на 90° проходит через правый поляри­затор ПП и отражается рефлектором Р(рис. 2.29, а). При обрат­ном проходе свет снова поворачивается на 90° в слое жидкокристаллического вещества и свободно выходит наружу. Около тех сегментов индикатора, на которые подано напряжение, жидкокристаллическое вещество не способно вра­щать вектор поляризации, вследствие чего лучи света задержива­ются правым поляризатором (рис. 2.29, б). В таком индикаторе видны темные сегменты на светлом фоне.

Рис 2.36. Отражательная ЖК-ячейка на твист-эффекте: а - без напряжения; б – под напряжением

В просветной системе источник света располагается позади одного из поляризаторов. В качестве источника можно использовать миниа­тюрную лампу накаливания с диффузором или люминесцентный источник.

Просветно-отражательная система,в которой отражатель час­тично пропускает свет, идущий сзади, а частично отражает свет, падающий спереди, является наиболее универсальной.

Отражательные индикаторы применяются при достаточной, а просветные - при низкой освещенности окружающей среды.

Б. Характеристики жидкокристаллических индикаторов

Так как жидкокристаллические индикаторы отно­сятся к классу пассивных, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность (для просветных индикато­ров вместо контрастности часто пользуются коэффициентом про­пускания, который определяют как отношение интенсивностей выходящего света к падающему).

Вольтконтрастная характеристика жидкокристаллического ин­дикатора зависит не от амплитудного, а от действующего значения приложенного напряжения. Типичные вольтконтрастные характеристики твист-индикатора для углов наблюдения 0 и 45° показаны на рис. 2.30. Для пара­метрического задания кривой можно взять напряжения, соответ­ствующие 5, 10, 50 и 90 % контраста, обозначая их U 5 , U 10 , U 50 , U 90 .

Динамические параметры жидкокристаллических индикаторов определяются вре­менами реакции τ рк и релаксации τ рл. Кривая изменения конт­раста при наложении импульса на­пряжения имеет следующие участки: задержку включения, время нараста­ния (в сумме они равны времени ре­акции), задержку выключения (обыч­но очень малую) и время спада (две последние составляющие в сумме дают время релаксации).

Температурный диапазон работы жидкокристаллического индикатора часто ограничивается τ рк и τ рл, типичные значения которых составляют десятки миллисекунд при комнатной температуре и существенно возрастают при ее снижении. Времена τ рк, τ рл пропорциональны вязкости жидкокристаллического вещества, которая зависит от температуры как

η в = η в0 exp[ε a /(kT) ], (2.33)

где энергия активации ε а лежит в диапазоне (5-8)×10 - 20 Дж. Формула (2.33) показывает, что изменение температуры с 250 до 300 К меняет η в в 10-50 раз. Поэтому, даже если при снижении температуры рабочее вещество остается в жидком состоянии, ин­дикатор может оказаться неработоспособным из-за плохих дина­мических параметров. Приборы, рассчитанные на работу при низ­ких температурах окружающей среды, должны быть заполнены смесью ЖК-веществ, имеющей при этой температуре малую вяз­кость.

Таблица 2.8

Для повышения срока службы жидкокристаллических индикаторов их питают пе­ременным напряжением, исключая этим направленный характер электрохимических процессов. Чтобы даже небольшая составляю­щая постоянного напряжения не попадала на ЖК, используют ту же тонкую пленку SiO 2 , что и для пассивации.