Жидкие кристаллы как основа развития современных технологий

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования и науки Самарской губернии

ГОУ СПО Самарский приборостроительный техникум

Дневное отделение

Специальность 1910

Радиоэлектронные приборные устройства

РЕФЕРАТ

на тему: «ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — КАК ОСНОВА РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Выполнил:

студент группы Р-62

Вильмас Ю.Г.

Руководитель:

Решеткова Е.А.

Самара 2005 г.

План

  • Введение 3
  • 1. Открытие жидких кристаллов 4
    • 1.1. Четвертое агрегатное состояние вещества — мегафаза 4
    • 1.2. Явление двупреломления 6
    • 1.3. Необычные свойства жидких кристаллов 7
    • 1.3. Флексоэлектрический эффект 13
  • 2. Сфера применения жидких кристаллов 16
    • 2.1. Дисплеи на жидких кристаллах 16
    • 2.2. Изготовление интегральных схем 18
    • 2.3. Жидкокристаллический перстень 19
    • 2.4. Жидкокристаллические телевизоры 20
  • 3. О будущих применениях жидких кристаллов 22
    • 3.1. Перспективы применения жидких кристаллов 22
    • 3.7. Управляемые оптические транспаранты 22
    • 3.7. Пространственно-временные модуляторы света 24
    • 3.4. Оптический микрофон 26
    • 3.7. Жидкокристаллические волноводы 27
    • 3.5. Стереотелевизор 29
    • 3.7. Очки для космонавтов 30
    • 3.7. Жидкокристаллические фильтры 32
  • Заключение 33
  • Литература 34

Введение

Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы».

Мы общаемся с ними, и они играют немаловажную роль в нашей жизни. Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятся часы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства.

Что же это за вещества с та-ким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес?

В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материаль-ного производства.

В этом отношении не являются ис-ключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями их эффективного при-менения в ряде отраслей производственной деятельно-сти.

Внедрение жидких кристаллов означает экономиче-скую эффективность, простоту, удобство.

1. Открытие жидких кристаллов

1.1. Четвертое агрегатное состояние вещества — мегафаза

Жидкий кристалл — это специфическое агрегатное со-стояние вещества, в котором оно проявляет одновре-менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово-риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном.

Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку-лами, кроме трех названных состояний, могут образовы-вать четвертое агрегатное состояние -- жидкокристалли-ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра-зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.

Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид-костью, он обладает свойством, характерным для кри-сталлов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та-кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про-странственное упорядочение молекул, образующих жид-кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал-лах нет полного порядка в пространственном располо-жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри-сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по-добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче-сти.

Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли-жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе-ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше-го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.

В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.

Исследования по физике жидких кристаллов и их при-менениям в настоящее время ведутся широким фрон-том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен-ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени-ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского, С. А. Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских иссле-дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.

Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.

Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст-рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син-тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна-ружил, что при температуре 145 °C кристаллы этого ве-щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179 °C жидкость просветляется, т. е. начина-ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри-вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей-нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

1.2. Явление двупреломления

Явление двупреломления - это типично кристалличе-ский эффект, состоящий в том, что скорость света в кри-сталле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух вза-имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и одно-значно задаются ориентацией кристаллических осей отно-сительно направления распространения света.

Поэтому сказанное поясняет, что существование дву-преломления в жидкости, которая должна быть изотроп-ной, т. е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого фи-зика Леймана, показали, что мутная фаза не является двух-фазной системой, т. е. не содержит в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновре-менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал-ла. Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это — «мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».

В то время существование жидких кристаллов пред-ставлялось каким-то курьезом, и никто не мог предполо-жить, что их ожидает почти через сто лет большое буду-щее в технических приложениях. Поэтому после некото-рого интереса к жидким кристаллам сразу после их от-крытия о них через некоторое время практически за-были.

Тем не менее, уже в первые годы были выяснены мно-гие другие удивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристаллов обладали не-обычно высокой оптической активностью.

1.3. Необычные свойства жидких кристаллов

Оптической активностью называют способность неко-торых веществ вращать плоскость поляризации проходя-щего через них света. Это означает, что линейно поля-ризованный свет, распространяясь в таких средах, изме-няет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскости поляризации прямо пропорционален пути, пройденному светом.

Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жид-костях, удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный, независящий от длины волны све-та знак. Это означает, что вращение плоскости поляри-зации света в них происходит в определенном направле-нии. Против часовой стрелки при положительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. При этом подра-зумевается, что наблюдение за вращением плоскости по-ляризации осуществляется вдоль направления распрост-ранения света. Поэтому все оптически активные веще-ства подразделяются на правовращающие (если враще-ние происходит по часовой стрелке) и левовращающие (если вращение происходит против часовой стрелки).

В случае оптически активных жидких кристаллов та-кая классификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак) вращения в жидких кристал-лах зависело от длины волн света. Для коротких длин волн величина Ра, например, могла быть положи-тельной, а для более длинноволнового света — отрица-тельной. А могло быть и наоборот. Однако характерным для всех случаев было изменение знака вращения плос-кости поляризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсия знака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации со-вершенно не укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.

Удивительными были также и другие свойства, такие, как сильная температурная зависимость названных ха-рактеристик, их очень высокая чувствительность к внеш-ним магнитным и электрическим полям и так далее. Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необ-ходимо понять, как устроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурными свойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно структур-ные характеристики жидких кристаллов.

Здесь следует заметить, что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву свя-зывать с открытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первых исследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кри-сталлы» мы обязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивые свойства жидких кри-сталлов представлялись многим авторитетам весьма со-мнительными, но и в том, что свойства различных жидко-кристаллических веществ (соединений, обладавших жид-кокристаллической фазой) оказывались существенно различными. Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем-пературы резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкие кристаллы та-кого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, тек-стура, различных жидких кристаллов при рассматрива-нии их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в дру-гом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?

Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представле-ниях о жидких кристаллах. Со временем ученые подошли к проведению классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации жидких кри-сталлов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю.

В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, дру-гую смектическими. Он же пред-ложил общий термин для жидких кристаллов — «мезо морфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают про-межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физи-ческим свойствам.

Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когда классификация жидких кристаллов была созда-на, более остро встал вопрос: почему в природе реализу-ется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание микроско-пической теории. Но в то время на такую теорию не при-ходилось и надеяться (кстати, последовательной микро-скопической теории жидких кристаллов не существует и по сей день), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноме-нологической теории жидких кристаллов, или, как ее при-нято называть, теории упругости жидких кристаллов.

В 30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили не-обычные электрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, что рассказанное выше отно-силось к предыстории жидких кристаллов, ко времени, когда исследования жидких кристаллов велись малочисленными коллек-тивами.

Современный этап изучения жидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о жидких кристаллах сегод-няшние формы, методы исследований, широкий размах работ сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических приложениях жидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время было понято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники, характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляю-щих ничтожные мощности энергии для устройств инди-кации информации, т. е. связи прибора с человеком, наи-более подходящими оказываются индикаторы на жидких кристаллах.

Дело в том, что такие устройства отображения инфор-мации на ЖК естественным образом вписываются в энер-гетику и габариты микроэлектронных схем. Они потреб-ляют ничтожные мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал-лических индикаторов в системы отображения информа-ции, свидетелями которого мы являемся в настоящее время.

Чтобы осознать этот процесс, достаточно вспом-нить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристалли-ческими индикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычным устройствам идут жидко-кристаллические системы отображения информации. Так часто бывает, технические потребности не только стимулируют разработку проблем, связанных с практи-ческими приложениями, но и часто заставляют переос-мыслить общее отношение к соответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчас понятно, что это важнейший раздел физики конденсиро-ванного состояния.

Другим важным обстоятельством является то, что проводимость в жидких кристаллах носит ионный харак-тер. Это означает, что ответственными за перенос элек-трического тока в жидких кристаллах являются не электроны, как в ме-таллах, а гораздо более массивные частицы. Это поло-жительно и отрицательно заряженные фрагменты моле-кул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие из-быточный электрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими-ческой природы содержащихся в них примесей. В част-ности, электропроводность нематика можно целена-правленно изменять, добавляя в него контролируемое количество ионных добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.

Из сказанного понятно, что ток в жидком кристалле представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в p раз больше, чему, представляется совершенно естественным и по-нятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость будет превосходить поперечную про-водимость.

Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системе ориентированных палочек-молекул с необходи-мостью приводит к следующему важному заключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (считаем, что поле приложе-но поперек директора), ионы, сталкиваясь с молекула-ми-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мы приходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приво-дить к переориентации директора.

Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многих случаях ситуа-ция оказывается не такой простой, как может показать-ся на первый взгляд.

Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периоди-ческое в пространстве возмущение ориентации директо-ра. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовле-кать в свое движение также и молекулы нематика. В ре-зультате такого вовлечения прохождение тока в жид-ком кристалле может сопровождаться гидродинамичес-кими потоками, вследствие чего может установиться пе-риодическое в пространстве распределение скоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждав-шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз-никнет периодическое возмущение распределения директора.

1.3. Флексоэлектрический эффект

Говоря о форме мо-лекул жидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. Рассматривая модели структур молекул, можно прийти к заключению, что не для всех соединений приб-лижение молекула-палочка наиболее адекватно их фор-ме. C формой молекул связан ряд интересных, наблюдаемых на опыте, свойств жид-ких кристаллов. Особого внимания заслуживают свойства жидких кристаллов, связанные с отклоне-нием его формы от простейшей молекулы-палочки, про-являющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.

Открытие флексоэлектрического эф-фекта, как иногда говорят о теоретических предсказа-ниях, было сделано на кончике пера американским физи-ком Р. Мейером в 1969 году.

Рассматривая модели жидких кристаллов, образо-ванных не молекулами-палочками, а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулы может обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейер предположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил, что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее, сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.

Возникновение дипольного момента у молекулы не-симметричной формы — типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести» отрица-тельного электрического заряда электронов в молекуле может быть несколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомных ядер моле-кулы. Это относительное смещение отрицательных и по-ложительных зарядов относительно друг друга и приво-дит к возникновению электрического дипольного момен-та молекулы. При этом в целом молекула остается нейт-ральной, так как величина отрицательного заряда элек-тронов в точности равна положительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению за-ряда одного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольный момент вдоль направ-ления смещения от отрицательного заряда к положительному. Для грушеобразной молекулы направление ди-польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы — направлено поперек длинной оси.

Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять, что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопически малого, но, разуме-ется, содержащего большое число молекул объема жид-кого кристалла, равен нулю. Это связано с тем, что нап-равление директора в жидком кристалле задается ориен-тацией длинных осей молекул, количество же молекул, дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — для грушеобразных молекул, или для банановидных молекул — поперек направления ди-ректора в ту и другую сторону, одинаково. В ре-зультате дипольный момент любого макроскопиче-ского объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул.

Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном об-разце. Стоит путем внешнего воздействия, например ме-ханического, исказить, скажем, изогнуть его, как моле-кулы начнут выстраиваться, и распределение направле-ний дипольных моментов отдельных молекул вдоль ди-ректора для грушеподобных молекул и поперек директо-ра для банановидных будет неравновероятным. Это означает, что возникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельных молекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объеме жидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы, т. е. фак-торы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковке молекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором их дипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сто-рону.

С макроскопической точки зрения рассмотренный эффект проявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля при деформации. Это связано с тем, что при выстраива-нии диполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избыток зарядов одного, а на противоположной поверхности — другого знака. Таким обрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффект отсутствует. Для только что рассмотренных форм моле-кул эффект есть. Однако, для грушеподобных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое надо вызвать в нем разли-чные деформации. Грушеподобных молекулы дают эф-фект при поперечном изгибе, а банановидные -- при продольном изгибе жидкого кристалла

Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоре был обнаружен экспериментально. При-чем на эксперименте можно было пользоваться как пря-мым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путем деформации жидких кристаллов индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический диполь-ный момент (прямой эффект), но и, прикладывая к об-разцу внешнее электрическое поле, вызывать дефор-мацию ориентации директора в жидком кристалле.

2. Сфера применения жидких кристаллов

2.1. Дисплеи на жидких кристаллах

Известно, какой популярностью пользовались различные электронные игры, обычно устанавлива-емые в комнате аттракционов в местах об-щественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработке матричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном ис-полнении.

Первой такой игрой в России стала игра «Ну, погоди!», ос-воена отечественной промышленностью. Габариты этой игры, как у записной книжки, а основным ее эле-ментом является жидкокристаллический матричный дис-плей, на котором высвечиваются изображения волка, зай-ца, кур и катящихся по желобам яичек. Задача играюще-го, нажимая кнопки управления, заставить волка, пере-мещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь же отметим, что, помимо раз-влекательного назначения, эта игрушка выполняет роль часов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается» время и может подаваться зву-ковой сигнал в требуемый момент времени.

Еще один впечатляющий пример эффективности со-юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро-электронной техники дают современные электронные словари и переводчики, которые начали выпускать в Японии. Они пред-ставляют собой миниатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманный микрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кла-виатурой с алфавитом. Набирая на клавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее его перевод на другой язык. Представьте себе, как улучшит-ся и облегчится процесс обучения иностранным язы-кам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снаб-жен подобным словарем. А наблюдая, как быстро изде-лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами. Легко представить и пути дальнейшего совершенствова-ния таких словарей-переводчиков: переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод мо-жет быть и озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию в изучении языков и технике перевода.

Появление в нашей современной жизни органайзеров, способных накапливать, обрабатывать и анализировать информацию позволяет пользователю вести индивидуальное планирование своего времени, учитывая возможность выполнения ряда действий, связанных с контактами, встречами и т. д. Органайзер заблаговременно напомнит о наступлении времени и даты особо важных мероприятий.

Миниатюризация происходит в данном случае в основном из-за уменьшения дисплея. Как видно, жидкокристаллический дисплей решает эту задачу очень просто.

При изучении дисциплины «Измерительные приборы» мы увидели многогранность использования жидкокристаллических дисплеев. Эти дисплеи используются в приборах, где необходима высокая точность измерения и низкое энергопотребление. Специалист, занимающийся ремонтом радиоаппаратуры, в настоящее время стремиться использовать вместо громоздких стрелочных приборов — миниатюрные измерительные приборы с жидкокристаллическими дисплеями.

Требования к матричному дисплею, используемому в качестве экрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и по числу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии с телевизионным стандартом изображе-ние на экране формируется из 625 строк (и приблизи-тельно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а время записи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора с жидкокристалли-ческим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее, ученые и конструкторы добились налицо грандиозных успехов в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма «Сони» наладила про-изводство миниатюрного, умещающегося практически на ладони телевизора с цветным изображением и размером экрана 3,6 см.

2.2. Изготовление интегральных схем

Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказы-вается чрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадии изготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специ-альных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса про-изводства преобразуются в элементы и соединения ми-кроэлектронной схемы. От того, насколько малы разме-ры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепловыделением.

Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уже нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литогра-фическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете картина «вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографических работ, протяженность которых всего 0,01 мкм.

2.3. Жидкокристаллический перстень

Некоторое время тому назад необыч-ной популярностью в США пользовалась новинка юве-лирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима-ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро-вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла-дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио-летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга-дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи-ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол-кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ни-чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле — на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Продолжением развития перстня на жидких кристаллах явилось производство медицинских приборов, использующих данный эффект. В первую очередь это относится к измерителям температуры тела человека. Градусники приобрели безопасную форму игрушки, для измерения температуры тела маленьких детей.

Во время эпидемии атипичной пневмонии, когда определяющим признаком заболевания человека является температура его тела, использовались быстродействующие жидкокристаллические термометры. Достаточно одного легкого прикосновения к жидкокристаллическому датчику в виде полоски и с высокой точностью определяется температура тела человека.

2.4. Жидкокристаллические телевизоры

Создание телевизоров с жидкокристаллическими экранами стало новой исторической вехой применения жидких кристаллов (LCD). Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей, потому что происходит регулярно снижении цен, из-за совершенствования технологий производства.

Экран LCD — это экран просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB — красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных моделях разнится от 15 мс (миллисекунды, 1мс — одна тысячная секунды) до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на начальной яркости — 60 000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день). Для сравнения: у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог — 15 000−20 000 часов (приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Примером совершенства может служить экран LCD телевизора LG RZ-23LZ20 который передает около 17 миллионов цветов, с высоким разрешением 1280×768 пикселей, с контрастностью 400:1 и яркостью в 450 кд/м. Это — прекрасный образец жидкокристаллической технологии.

Угол обзора у жидкокристаллических телевизоров последних моделей достигает 160−170 градусов по вертикали и горизонтали, а это делает проблему гораздо менее острой, чем она была несколько лет назад.

Недостатком жидкокристаллических экранов является наличие неработающих пикселей. Неработающие пиксели — пиксели, которые постоянно включены в каком-то одном состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. Разные производители допускают различное количество неработающих пикселей на экране, о чем пишут в инструкциях по использованию товара. Например, в инструкции может быть написано «если на панели вы обнаружили не более четырех неработающих пикселей, то панель считается полностью работоспособной». В жидкокристаллических мониторах вообще не допускается наличие неработающих пикселей, так как на монитор мы смотрим с гораздо более близкого расстояния, чем на телевизор, и сразу можем разглядеть этот «мусор».

3. О будущих применениях жидких кристаллов

3.1. Перспективы применения жидких кристаллов

Многие оптиче-ские эффекты в жидких кристаллах, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из-вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу-ются для производства наручных часов, в которые встро-ен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как на-звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при-менений жидких кристаллов еще более удивительны. По-этому стоит рассмотреть некоторые технические идеи применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются персональные компьютеры.

3.7. Управляемые оптические транспаранты

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологиче-ского характера. Хотя принципиально возможность со-здания таких экранов продемонстрирована, однако, а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По-этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен-о на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в кото-рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо-лупроводника, производится лучом света.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст-вие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциа-лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото-рую еще дополнительно введен слой фотополупровод-ника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотопо-лупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо-дит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно-сти, его оптические характеристики, изменяются соответ-ственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристал-лического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практи-чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та-ком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами.

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветки фотополупро-водника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вы-сокой разрешающей способностью. Так, объем информа-ции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1×1 см2.

Описанный способ записи изображения, помимо все-го прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кри-сталлах.

3.7. Пространственно-временные модуляторы света

Управляемые оптические транспаранты могут быть исполь-зованы не только как элементы проекционного устрой-ства, но и выполнять значительное число функций, свя-занных с преобразованием, хранением и обработкой оп-тических сигналов. В связи с тенденциями развития ме-тодов передачи и обработки информации с использова-нием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор-мации, управляемые оптические транспаранты на жид-ких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назы-вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы применения ПВМС в устройствах обработки опти-ческой информации определяются тем, насколько се-годняшние характеристики оптических транспарантов мо-гут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повыше-ния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излуче-ния, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем — это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации.

Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового по-тока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мо-дуляторов, выполненных на различных полупроводнико-вых материалах, перекрывает длины волн от ультрафио-летового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фото-полупроводников удается улучшить временные характе-ристики устройств по сравнению с быстродействием соб-ственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистриро-вать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала проис-ходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответ-ствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем под-боре режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если кон-тур перемещается, то можно визуализировать его дви-жение. При этом существенно, что длина волны записы-вающего изображения излучения и считывающего излу-чения могут отличаться. Поэтому модуляторы света по-зволяют, например, визуализировать инфракрасное из-лучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобра-жение в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве-щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо-бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света. В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают основание использовать их в многочисленных задачах обработки оптической инфор-мации, таких как распознавание образов, подавление по-мех, спектральный и корреляционный анализ, интерфе-рометрия, в том числе запись голограмм в реальном мас-штабе времени, и т. Д. Насколько широко перечислен-ные возможности жидкокристаллических оптических мо-дуляторов реализуются в надежные технические устрой-ства, покажет ближайшее будущее.

3.4. Оптический микрофон

Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. Д. И вот для преобразования этих воз-действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус-тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер-спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна-ко подавляющее большинство этих методов связано сна-чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту-пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко-номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не-посредственно переводить в оптический сигнал, что уст-раняет промежуточное звено в цепи «воздействие — све-товой сигнал», а значит, вносит принципиальное упроще-ние в управление световым потоком.

Другое достоинст-во жидкокристаллических элементов в том, что они легко совместимы с уз-лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью жидких кристаллов управлять световыми сигналами, рассмотрим прин-цип работы «оптического микрофона» на жидких кристаллах — устрой-ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик-рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на жидких кристаллах, выполненные в Акустическом институте А Н России, показали, что по своим параметрам он не уступает су-ществующим образцам и может быть использован в оп-тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред-ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче-ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются.

3.7. Жидкокристаллические волноводы

Прежде чем перейти к другому примеру возможного применения жидких кристаллов в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покры-тие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего про-исходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный ре-жим распространения света в волокне может быть, также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя прелом-ления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода.

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волно-водный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектриче-ской проницаемости в пределах толщины слоя. Изменения диэлектрических характеристик в жидком кристалле можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер измене-ния ориентации директора по толщине, что для опреде-ленной поляризации света такой слой оказывается опти-ческим волноводом.

Здесь проявляется очевидная аналогия между оп-тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе-ским волноводом. Но имеется существен-ная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлек-трические характеристики оптического волокна, а, следо-вательно, и его волноводные свойства, неизменны и фор-мируются при его изготовлении, то диэлектрические, а, следовательно, и волноводные свойства жидкокристаллического волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристалличе-ский волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно моду-лировать, меняя характеристики жидкокристаллического элемента. В про-стейшем случае это может быть просто прерывание све-тового потока, которое может происходить в жидкокристаллическом элементе при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этот же жидкокристаллический элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем воз-мущение ориентации директора.

3.5. Стереотелевизор

В качестве еще одного заманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристаллов стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристаллов. Причем, что представляется особен-но заманчивым, такая система «стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой очень простой модификации передающей телекамеры и до-полнением обычных телевизионных приемников специ-альными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра-не формируется построчно, причем так, что сначала вы-свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по-мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег-ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь-ко четные строчки, а левый — нечетные. Для этого доста-точно синхронизировать включение и выключение жидко-кристаллических фильтров, т. Е. возможность восприни-мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет-ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю-щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На-до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. Е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую-щими восприятию объекта левым и правым глазом чело-века, четные строчки на экране формировались с по-мощью правого, а нечетные — с помощью левого объ-ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра-ми — затворами, синхронизированными с работой телеви-зора, может оказаться непрактичной для массового при-менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока-жется стереосистема, в которой стекла очков, снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч-ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля-ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко-кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизора и пропускающей от четных строк свет одной линей-ной поляризации, а от нечетных — другой линейной по-ляризации, перпендикулярной первой.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой