Общие сведения о жидких кристаллах и их свойствах

Жидкий кристалл (ЖК) – это специфическое вещество, которому присущи одновременно свойства кристалла и жидкости. Далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. У некоторых органических жидких веществ, обладающих сложными молекулами, может проявляться жидкокристаллическое состояние. Это состояние получается, например, при плавлении некоторых молекулярных кристаллов с образованием жидкокристаллической фазы, отличающейся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале между температурой плавления кристалла и температурой, при нагреве до которой ЖК переходит в жидкость. Подобно жидкости, ЖК обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещён. Также он обладает свойством, характерным для кристаллов – упорядоченное положение молекул в пространстве. Это положение не такое упорядоченное, как в кристаллах. У молекул нет жёсткого порядка в пространственном расположении центров тяжести, имеется только частичный порядок (например, все длинные оси молекул ориентированы одинаково). Тем не менее, это свойство существенно влияет на свойства ЖК и отличает их от жидкостей.

ЖК обладают особенностями: 1) анизотропия (проявление различных оптических, магнитных, электрических свойств в разных направлениях), обусловленная упорядоченностью структуры; 2) способность легко изменять структуру при внешних воздействиях.

Благодаря этим особенностям, можно изменять физические свойства ЖК низким электрическим напряжением при малом расходе энергии, что делает возможным их использование в оптических преобразователях.

В зависимости от характера расположения молекул, т.е. по типу их упорядоченности, ЖК подразделяют на смектические (смектики) и нематические (нематики). Существует разновидность нематических ЖК – холестерические ЖК (холестерики).

Смектики. Характеризуются слоистым строением, как показано на рис.1а. Центры тяжести удлинённых молекул находятся в плоскостях, равноудалённых друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счёт упругого дисперсионного взаимодействия. Текучесть обеспечивается лишь взаимным скольжением слоёв, поэтому среда достаточно вязкая. Из-за высокой вязкости смектические ЖК не получили широкого применения в технике.

Нематики. В нематиках длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, поэтому возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических ЖК (рис.1б). При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора.

Рис.1. Схематическое изображение молекул ЖК: а – смектические; б – нематические; в – холектерические, S – пучок света; L – вектор поляризации.

Холестерики. На расстоянии порядка нескольких молекулярных длин, холестерический жидкий кристалл имеет такую же структуру, как нематик. Молекулы преимущественно ориентированы вдоль директора и отсутствует пространственная периодичность в их центрах тяжести. Однако директор не имеет постоянного направления в пространстве. Существует направление, называемое холестерической осью, при движении вдоль которой направление директора периодически меняется. Возникающая структура является спиральной, она показана на рис.1в. Свойство поворачивать вектор поляризации светового потока получило название “твист – эффекта”.

Принцип работы ЖКИ

“Твист – эффект” используется в ЖКИ на отражение, где изображение рассматривается в отражённом свете. На рис.2. показаны упрощенная структура индикатора и путь прохождения светового луча S _пад и S ’_пад в двух случаях: управляющее напряжение отсутствует (левая часть рисунка), управляющее напряжение приложено к слою ЖК между двумя электродами круговой формы (правая часть рисунка).

 

Рис.2. Принцип работы холестерического ЖКИ на отражение: 1 – горизонтальный поляризатор; 2 – слой ЖК; 3 – вертикальный поляризатор; 4 – зеркало; 5 – управляющее напряжение; 6 – прозрачные электроды.

 

Структура индикатора состоит из слоя ЖК толщиной несколько десятков микрон, заключённого между двумя прозрачными стеклянными пластинами. На эти пластины нанесены тонкие прозрачные плёночные электроды из окиси олова SnO. При включении напряжения молекулы ориентируются перпендикулярно поверхности пластин вдоль линий поля. Сверху и снизу от слоя ЖК расположены пластины скрещенных поляризаторов, причём верхний поляризует свет горизонтально, а нижний – вертикально, как показано широкими стрелками. За нижним поляризатором установлено зеркало, отражающее свет к наблюдателю.

Проходя через верхний поляризатор, луч S _пад в левой части рисунка приобретает горизонтальную поляризацию L и далее падает на слой ЖК. Проходя через слой ЖК, благодаря “твист – эффекту” вектор L закручивается по часовой стрелке на угол 90^о, и луч выходит из слоя ЖК вертикально поляризованным. Поэтому он проходит без потерь нижний поляризатор и отражается от зеркала. При отражении поляризация L не изменяется и нижний поляризатор луч снова проходит без потерь. В слое ЖК происходит обратная раскрутка L против часовой стрелки на 90^о, и на выходе луч имеет горизонтальную поляризацию L. Верхний поляризатор проходится без потерь, и отражённый луч S _отр направляется к наблюдателю. Таким образом, эта часть индикатора в отражённом свете кажется наблюдателю светлой.

В правой части рис. 2 луч S ¢ _пад также поляризуется и попадает в слой ЖК. Но при включении напряжения молекулы ЖК ориентируются вдоль линий электрического поля, “твист – эффект” пропадает, и луч падает на нижний поляризатор по-прежнему горизонтально поляризованным. Вертикальный поляризатор полностью задерживает этот луч. Отражённого луча нет, и наблюдателю эта часть индикатора кажется тёмной или чёрной. Таким образом, включая напряжение, можно формировать тёмные символы на белом фоне. Символам – электродам можно придать любую форму: сегментов индикатора, мнемонических знаков, графических символов и др.

Аналогично можно построить индикатор на просвет, для которого потребуется дополнительный источник света вместо зеркала. Под действием электрического поля молекулы ЖК переориентируются параллельно полю. На рис.3а. показано действие индикатора в выключенном состоянии, при котором свет поляризуется, благодаря “твист – эффекту”, и под действие электрического поля (рис.3б), когда свет через поляризаторы не проходит.

 

 

Рис.3 . Принцип действия ЖКИ на просвет: а – выключенное состояние; б – под действием электрического поля.

 

Такой индикатор способен работать в полной темноте, но требует значительных затрат мощности на питание источника света.

 

⇐ Предыдущая27282930313233343536Следующая ⇒

Поделиться: