Лекция 13. Индикаторные приборы. Жидкокристаллические индикаторы

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. 13.1).

а — смектическая; б — нематическая; в — холестерическая.

У чистых веществ температурный интервал существования ЖК-состояния невелик, но он увеличивается при смешивании жидких кристаллов различной молекулярной структуры. При этом наблюдается понижение температуры перехода в твердокристаллические состояние и изменение температуры перехода в состояние изотропной жидкости.

ЖК состоят из молекул вытянутой формы. Вандерваальсовы взаимодействия обеспечивает 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 направле­ны до 40°. Различные структуры ЖК отличаются характером упорядочения молекул, злее широкое практическое использование нашли тематические жидкие кристаллы

Нематические ЖК-НЖК (см. рис. 13.1, б) - менее упорядочены по сравнению со смектическими. Весь объем НЖК можно разбить на небольшие области, различающиеся направлениями преимущественной ориентации, вследствие чего возникает оптическая неоднород-1ы и наблюдается сильное рассеяние света. Поэтому ЖК и в проходящем, и в от­свете представляется мутным. Одинаково ориентируя молекулы внешним полем, можно добиться однородности и практически полного просветления ЖК.

Важными характеристиками НЖК являются оптическая и диэлектрическая анизотропия оптической анизотропии служит разность
∆n = n_пар – n_перп, (13.1)
n_пар(n_перп) - показатель преломления световой волны, электрический вектор которой (перпендикулярен) направлению преимущественной ориентации.

У всех НЖК ∆n > 0. Как правило, ∆n > 0,2, а средний показатель преломления n_ср = (n_пар + n_перп)/2 лежит в интервале 1,4... 1,8. Мерой ДА служит величина

В соответствии со знаком ∆ε различают положительную (∆ε > 0) и отрицательную(∆ε < 0) ДА. Величина и знак ∆ε зависят от частоты поля. При частотах порядка десятков килогерц можно 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 НЖК используют в подавляющем большинстве ЖК-устройств, в частности, для электрического управления двойным лучепреломлением и динамического рассеяния

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, изменения ориентация луча света и оптической оси ЖК. Вследствие этого разность хода между обыкновенным и необыкновенным лучами можно менять от нуля до d∆n (d – толщина вдоль луча) или от d∆n до нуля (в зависимости от исходной взаимной ориентации луча и осей молекул и от знака ∆ε). 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 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 создания полу­прозрачных проводящих покрытий, как правило, используют смесь SnO₂ и 1п₂О₃.

ЖК – ячейка на основе твист-эффекта (б).