3 Приборы на жидких кристаллах

Анализ конструкций ранее рассмотренных приборов и устройств функциональной электроники показал, что в качестве континуальной среды в них используется твердое тело. Однако с позиций системного анализа вполне допустимо использование вещества и в другом агрегатном состоянии. Для жидкой континуальной среды, например, это могут быть жидкие кристаллы.

В настоящее время известны много тысяч органических веществ, способных находиться в жидкокристаллическом состоянии. Под этим состоянием будем понимать одновременное обладание свойствами жидкости (текучесть, существенная роль сил поверхностного натяжения) и свойствами кристаллов (анизотропия свойств).

Динамическими неоднородностями в жидких кристаллах служат молекулы или группы молекул, образующих в определенном температурном интервале мезофазу (промежуточную фазу) (рис. 9.6.а). Анизотропия свойств жидкого кристалла, например, оптической поляризуемости, определяется преимущественным расположением удлиненных молекул (палочкообразная форма) параллельно друг другу.

Различают три группы мезофазы и, соответственно, три вида жидких кристаллов: нематический, смектический, холестерический.

Нематические жидкие кристаллы (НЖК) имеют ориентацию длинных осей молекул в одном направлении при беспорядочном расположении центров тяжести молекул (рис. 9.6.б). Ориентацию длинных осей молекул определяет директор . В НЖК ориентация директора параллельна или нормальна электродам.

Рис. 9.6 – Структурная формула и основные типы жидких кристаллов

Основным признаком смектических жидких кристаллов (СЖК) является их слоистое строение (рис. 9.6.в). В СЖК-ячейках директор I направлен перпендикулярно поверхности слоев, хотя расположение молекул в слое хаотическое.

Холестерические жидкие кристаллы (ХЖК) состоят из отдельных слоев молекул, в которых длинные оси молекул располагаются вдоль плоскости и закручены от слоя к слою по спиралям с определенным шагом. Различают право- и левозакрученные спирали ХЖК. Возможны и смеси типов ЖК, другие виды мезофаз.

Управление свойствами ЖК осуществляется с помощью физических полей (электрического, теплового), а также токовых эффектов.

К полевым эффектам относятся фазовый переход и эффект "гость-хозяин", термооптический эффект. Сущность фазового перехода сводится к просветлению ЖК-ячейки холестерического типа при приложении к электродам достаточного электрического поля. В этом случае все молекулы ЖК ориентируются по полю, образуя нематический тип ЖК. Если к ЖК подмешать плеохроический краситель (обладает свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул), то с помощью электрического поля меняется ориентация молекул как ЖК ("хозяин"), так и молекул плеохроического красителя ("гость"), а вместе с тем и цвет ЖК-ячейки. Термооптический эффект заключается в изменении прозрачности ЖК-ячейки при ее нагреве и помещении в высокочастотное электрическое поле.

К токовым эффектам относятся динамическое рассеяние света, "твист-эффект", эффект электрического управления двулучепреломлением.

Динамическое рассеяние света сводится к помутнению ячейки с тематическим типом ЖК при пропускании через нее постоянного или переменного тока низкой частоты. Динамическое рассеяние устраняется при приложении высокочастотного поля. "Твист-эффект" реализуется в ЖК- ячейках нематического типа при помощи однонаправленного натирания поверхностей стеклянных пластин во взаимно перпендикулярных направлениях. Молекулы ЖК оказываются скрученными на 90°. Поляризация света, прошедшего через ячейку, меняется между оптическими пластинами. Если к электродам приложить напряжение, то укладка молекул ЖК становится гомеотропной и ориентированной перпендикулярно пластинам. В этом случае поляризация света не меняется. Ячейка становится оптическим затвором, если ее поместить между скрещенных поляризаторов.

Эффект электрического управления двулучепреломлением или эффект деформации вертикально ориентированной фазы сводится к превращению пучка линейно поляризованного света в эллиптически поляризованный после прохождения ЖК-ячейки с гомеотропной упаковкой молекул. Поэтому интенсивностью прошедшего через ЖК-ячейку света можно легко управлять с помощью приложенного электрического поля. Заметим, что если интенсивность проходящего света зависит от длины волны, то цветовой тон можно менять величиной прикладываемого напряжения.

На этих же эффектах базируются все идеи детектирования ранее записанной информации.

ЖК-приборы, как правило, используются в качестве индикаторов. Однако они легко комбинируются с другими типами приборов и устройств функциональной электроники.

Конструкция активного матричного индикатора, например, предусматривает автономное возбуждение каждой ячейки через активный элемент в точке пересечения ху - матрицы адресации. ЖК-ячейка и схема управления располагаются в разных слоях структуры типа "сэндвич".

Существуют различные конструктивные решения матричных индикаторов. Наиболее простой является конструкция, в которой адрес xy задается с помощью матрицы МОП-транзисторных структур, работающих в режиме ключа. Ячейка такой матрицы представлена на рис. 9.7.а.

Рис. 9.7 – Активный матричный индикатор: а - элемент матрицы управления; б - структура типа "сэндвич"

Затворы (З_j) и стоки (С_i) транзисторных структур (1) присоединяются к шинам ху - матрицы адресации. При возбуждении какой-либо ячейки осуществляется инжекция заряда в накопительную емкость (2). Индикатор формируется на стеклянной пластине (3), на которой формируется матрица аморфных кремниевых тонкопленочных транзисторных структур (4) (рис. 9.7.б). В узлах матрицы формируются транзисторы, работающие в режиме ключа и позволяющие в заданной точке создать локальную ЖК-ячейку. Сам жидкий кристалл (5) работает на эффекте "гость-хозяин" с молекулами плеохроического красителя (6). Оптические качества ячейки определяются потенциалом электрода стока (1). Ячейка состоит из ориентированной пленки (7), прозрачного электрода (8), второй склеенной пластинки (9) и поляризационного фильтра (10). Цветное воспроизведение изображения можно получить на основе комбинации трех основных цветов, управляя цветом в каждой ЖК-ячейке. При этом применяются цветные фильтры, монтируемые в оптическую часть индикатора.

Нет принципиальных ограничений на использование комбинаций ПЗС-структура-ЖК-ячейка, сегнетоэлектрик-ЖК, а также других слоистых структур, использующих взаимодействие динамических неоднородностей с молекулами ЖК. На этом принципе можно построить также аналоговые процессоры с индикацией на ЖК.