Жидкокристаллические индикаторы

Жидкие кристаллы — это вещества, которые не переходит путем плавления из твердого состояния непосредственно в жидкую фазу, а прежде проходят через паракристаллическую стадию, в которой молекулы частично упорядочены. В этой стадии жидкий кристалл — беловатая или прозрачная жидкость — все еще имеет некоторые из оптических свойств твердого кристалла.

Существуют три главных типа жидких кристаллов — смектический, нематический и холестерический (скрученный нематический), которые различаются порядком выравнивания молекул, имеющих форму стержня. Жидкие кристаллы смектического типа содержат молекулы, параллельные друг другу, которые формируют слой, но внутри слоя не существует никакой структуры. Нематические типы образуют стержнеподобные молекулы, ориентирующиеся параллельно друг другу, которые также не имеют структурированного слоя. Холестерические типы содержат параллельные молекулы, слои этих молекул имеют винтообразный или спиральный вид.

Механическое напряжение, электрическое и магнитное поля, давление и температура могут изменить молекулярную структуру жидких кристаллов. Жидкий кристалл также рассеивает свет, создавая при этом свечение. Эти свойства позволяют использовать жидкие кристаллы для показа букв и чисел на калькуляторах, цифровых часах и дисплеях автомобильных приборов. Жидкокристаллические дисплеи (liquid crystal display — LCD) также используются для портативных экранов компьютера и даже телевизионных экранов. LCD потенциально можно использовать во многих областях, и исследования и этой области продолжаются. Этот тип индикаторов позволяет получать достаточно качественное изображение на экранах компьютера.

В некоторые индикаторах используется холестерическая разновидность жидких кристаллов. Индикатор работает следующим образом. Поляризованный свет проходит через жидкий кристалл, который поворачивает плоскость его поляризации на 50″. Затем свет проходит через второй поляризатор, который установлен под углом в к первому. Зеркало позади этой структуры отражает свет так, что он снова возвращается через поляризатор, кристалл и первый поляризатор. В итоге свет просто отражается, но только тогда, когда жидкий кристалл находится в описанном состоянии.

Когда к кристаллу прикладывается напряжение около 10 В и с частотой 50 Гц, он становится дезорганизованным, и проходящий через него свет больше не меняет поляризацию на 90″. Это означает, что свет, поляризованный первым поляризатором, не будет проходить через второй и по-этому не будет отражен от зеркала. В результате на индикаторе появляется темная область.

Области с кристаллами объединяются в сегменты почти таким же способом, как к светодиоды, чтобы обеспечить необходимый вид индикатора. Размер каждой индивидуальной области может быть очень маленьким, например, формата одного пикселя телевизора или экраны компьютера. На рисунке показан принцип работы жидкокристаллического индикатора.

Рис. Принцип действия жидкокристаллического индикатора

LCD потребляют очень маленькую мощность, но требуют источника света, чтобы можно было прочитать показание в темноте. Вместо того, чтобы использовать отражающее зеркало позади индикатора, можно применить эффект обратного рассеяния. Для этой конструкции идеально подходит электролюминесценция под воздействием постоянного тока. Здесь используется состав на основе сульфида цинка, который помещается между двумя электродами (практически аналогично жидкому кристаллу). Данный состав излучает свет под воздействием напряжения. На рисунке показано, как эффект обратного рассеяния может быть эффективно использован для индикации.

Рис. Использование эффекта обратного рассеяния света для индикации