Русак С.В. 09-гео-1
Лабораторная работа №7
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет. Они обладают рядом достоинств, к числу которых относятся:
· малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист-эффекта удельная мощность потребления несколько единиц мкВт/см2)
· низкие рабочие напряжения (1,5-5 В) и хорошая совместимость с КМОП-микросхемами
· удобное конструктивное исполнение - плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);
· возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;
· большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).
Основные недостатки — сравнительно низкое быстродействие, ограниченный угол обзора и необходимость внешнего освещения.
Жидкие кристаллы (ЖК) называют также анизотропными жидкостями электрические и оптические свойства которых, зависят от направления их наблюдения. Плотность ЖК близка к плотности воды и незначительно отличается от единицы. Жидкие кристаллы - диамагнитный материал; ЖК выталкиваются из магнитного поля; ЖК относятся к диэлектрикам; удельное сопротивление составляет 106 – 1010 Ом-см и зависит от наличия и концентрации проводящих примесей. Теплопроводность ЖК в направлении вдоль молекул отличается от теплопроводности в поперечном по отношению к молекулам направлении
Работа ЖКИ основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.
В ЖКИ наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества — динамическое рассеяние (ДР), а также с поворотом молекул в электрическом поле —твист-эффект (ТЭ) и эффект гость —хозяин (Г —X). Конструктивные схемы простых ЖКИ показаны на рис. 1.
Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (рис..1,а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых (рис. 1,б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала; на соответствующую пластину наносится прозрачная, проводящая, отражающая свет пленка (например, пленка алюминия, никеля, золота). Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).
В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряженностью около 5 кВ/см (примерно 30 В — к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы'на основе этилена, эпоксидные компаунды и т. п.
В ЖКИ с использованием ТЭ, работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих jc ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации.
В отсутствие электрического поля свет в индикаторе следует за вращением молекул и на выходе индикатора плоскость его поляризация оказывается повернутой на 90°; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.
Опыт практического применения ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ выявил достоинства индикаторов этих типов, показал их конкурентоспособность с другими классами индикаторов. К' числу достоинств таких ЖКИ относится высокая эффективность. Индикаторы на эффекте ДР характеризуются уровнем потребляемой мощности 5... 10 мкВт/см2 для постоянного тока (0,5... 1,0 мкА/см2) и 50... 200 мкВт/см для переменного тока (2... 10 мкА/см). Для индикаторов на основе ТЭ удельная потребляемая мощность составляет не более 20 мкВт/ см2 (менее 2 мкА/см2). К достоинствам ЖКИ на эффекте ДР и ТЭ можно отнести способность сохранять и увеличивать контраст изображения при повышении уровня внешней освещенности, прямую совместимость с КМОП-микросхемами, обеспечивающую возможность низковольтного управления ЖКИ; рабочее напряжение ЖКИ на эффекте ДР не превышает 20, а на ТЭ — 5 В. Они имеют удобное конструктивное оформление. Индикаторы плоские; толщина индикатора практически определяется толщиной двух стекол и может составлять 0,6... 0,8 мм. Велика их долговечность при эксплуатации на переменном токе — более 40 тыс. ч.
Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах
В индикаторах на эффекте Г—X тонкий слой ЖК — «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя». Слой ЖК — хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску; под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г—X хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте.
Жидкокристаллические индикаторы, предназначенные для работы в условиях низкой освещенности- (менее 35 кд/м2) работают с подсветкой. Для подсветки используются лампы накаливания со средней мощностью примерно 0,5 Вт для знака высотой 2,5 см. Подсветка может быть создана различными
Рис. 3. Конструкции ЖКИ с подсветкой:
1 - ЖК; 2,6 — лампа подсветки; 3 — рефлектор; 4 — жалюзи; 5 — направление излучения лампы (сплошными линиями со стрелками показано оптимальное направление наблюдения-изображения)
способами, например с использованием лампы накаливания, свет которой проходит через жалюзи, что обеспечивает удобство наблюдения изображения в направлении, перпендикулярном поверхности индикации (рис..3,а). Для увеличения угла обзора можно попользовать две лампы накаливания (рис. 3,б). Сверхминиатюрную лампу накаливания можно встроить непосредственно между пластинами ЖК (рис.3,в).
Для повышения механической прочности ЖКИ изготовляют с металлическими крышками, которые закрывают заднюю стеклянную пластину, слой ЖК и герметически соединяются с лицевой пластиной. Такое конструктивное решение повышает влагостойкость индикатора. Для этого же ЖКИ размещают в пластмассовых корпусах. Источник опорного напряжения U0n подключен к выводам оптически прозрачного электрода, имеющего высокое сопротивление. Измеряемое напряжение Uиз подано - между одним из концов этого же электрода и электродом с низким сопротивлением. Распределение потенциала по длине индикатора при трех значениях измеряемого напряжения (Uиз =0, 0< Uиз <Uon, Uиз =Uon). Индикатор возбуждается, если результирующее напряжение на жидком кристалле | Uиз +Uon| превышает пороговое напряжение возникновения электрооптического эффекта Unop.
Участок невозбужденного жидкого кристалла; соответствующий отрезку длины индикатора, на котором выполняется условие |U3an+U0n| <UпoP образует отсчетное окно, которое при изменении значения UИзм перемещается по длине индикатора. Положение отсчетного окна на длине индикатора Lинд можно отградуировать в единицах измеряемой величины. Для уменьшения ширины отсчетного окна (повышения точности измерений) удобно использовать жидкие кристаллы, работающие с использованием твист-эффекта; в этом случае пороговое напряжение мало —около 1... 2 В.
Управление ЖКИ
Способы управления индикаторными панелями на основе ЖК материалов определяются особенностями их физических эффектов. При работе на постоянном токе долговечность примерно на порядок ниже, чем на переменном. Это обусловлено миграцией примесей к электродам под действием постоянной составляющей управляющего сигнала, что ведет к снижению контрастности изображения. На рис 9 приведена схема импульсов управления напряжениями сдвинутыми по фазе так что на пары электродов подается биполярный сигнал не имеющий постоянной составляющей.
Время запаздывания включения и выключения ячеек ЖК индикатора показывает, что время выключения на порядок превосходит время включения. Известны способы уменьшения времени выключения путем подачи короткого импульса с высокой амплитудой или возбуждающего напряжения частотой 10 – 40 кгц в течение нескольких миллисекунд