http://trappist.elis.ugent.be/ELISgroups/lcd/lc/lc2.php

Анизотропия электрических и оптических свойств наряду со свойством текучести жидких кристаллов обусловливает многообразие электрооптичесих эффектов. Наиболее важны ориентационные эффекты, не связанные с протеканием тока через вещество и обусловленные чисто диэлектрическим взаимодействием внешнего электрического поля Е с анизотропией εа среды. Во внешнем поле жидкий кристалл стремится ориентироваться так, чтобы направление, в котором его диэлектрическая проницаемость максимальна, совпало с направлением поля; при этом либо L || Е, либо L перпендикулярно E в зависимости от знака Е_а. С переориентацией директора связано изменение направления оптической оси, т.е. практически всех оптических свойств образца (двойного лучепреломления, поглощения света, вращения плоскости поляризации и т.д.). Теоретически процесс переориентации описывается добавлением к исходной энергии Ф квадратичного члена

и нахождением нового устойчивого состояния с помощью минимизации Ф. Если, например, в исходном состоянии вектор L, параллелен прозрачным электродам и ε_а>0, то при некотором критическом значении поля L перпендикулялрно E произойдёт переориентация L, т.е. оптические оси нематического жидкого кристалла, в направлении Е, причём . Этот переход, так же как и его магнитный аналог, называется переходом Фредерикса.

 Наибольшее практическое значение имеет так казываемый твист-эффект, представляющий собой тот же переход Фредерикса, но в предварительно накрученной (твист-) структуре (рис. 1). В отсутствие поля свет, предварительно поляризованный с помощью, например, плёночного поляроида, проходит сквозь твист-структуру с поворотом плоскости поляризации на угол π/2. Если на стёкла нанесены прозрачные электроды, то при наложении электрического поля в случае ε_а>0 директор переориентируется стёклам и ячейка теряет способность поворачивать плоскость поляризации света. На выходе ячейки обычно ставят плёночный анализатор и наблюдают изменение оптического пропускания. Этот эффект применяют в чёрно-белых индикаторах информации.

Для цветных устройств используется другой эффект, вызванный переориентацией молекул красителя («гость»), введённых в жидкокристаллическую матрицу («хозяин») вместе с самом матрицей (эффект «гость–хозяин»). Красители, ориентированные жидкими кристаллами, обладают сильным дихроизмом, зависящим от внешнего поля (анализатор в этом случае не нужен).
Геликоидальная структура холестерических жидких кристаллов может быть «раскручена» электрическим полем, так что все её специфические свойства (оптическая активность, круговой дихроизм, селективное отражение света) исчезают. При выключении поля эти свойства восстанавливаются, что даёт целую гамму важных электрооптических эффектов.
Особые ориентационные эффекты характерны для сегнето-электрических жидких кристаллов В этих веществах поле Е может взаимодействовать со спонтанной поляризацией Ρ, что приводит к вкладу ~РЕ в энергию Ф. Переориентация Р сопровождается переориентацией оптической оси, причём знак отклонения L зависит от знака поля (линейный электрооптический эффект). В нематических жидких кристаллах дипольная поляризация в поле Е также может сопровождаться слабым, линейным по Е искривлением молекулярной ориентации, если молекулы обладают специальной асимметрией формы (флексоэлектрический эффект).
В слоистых структурах смектических жидких кристаллов под действием электрич. поля Е возникают волнообразные искажения слоев. Аналогичные деформации можно наблюдать и в псевдослоистых структурах холестерических жидких кристаллов.
Большинство перечисленных электроонтических эффектов имеет свои магнитооптические аналоги. Взаимодействие магнитного поля Н с диамагнитным жидким кристаллом описывается добавлением квадратичного члена – χ_a(НL)²/2 к свободной энергии Ф. Для парамагнитных жидких кристаллов возможны и линейные по Н эффекты. При протекании тока через жидкий кристалл вследствие анизотропии их проводимости возникает объёмный заряд, взаимодействующий с внешним электрическим полем. Это при определенных условиях приводит к электрогидродинамической неустойчивости, проявляющейся в образовании стационарных пространственно-периодических картин распределения скорости жидкого кристалла и его ориентации. Под микроскопом эти картины представляют собой системы параллельных тёмных и светлых полос вследствие модуляции коэффициента преломления для поляризованного света (домены). Увеличение напряжённости поля приводит к появлению более сложных картин, а затем – к чрезвычайно сильному рассеянию света, вызванному турбулентным течением жидкого кристалла и нестационарными возмущениями его ориентации (динамическое рассеяние света).

 

***

Вещество, называемое жидким кристаллом, обладает текучестью подобно жидкости и упорядоченным расположением молекул подобно кристаллу. Вещества, проявляющие жидкокристаллические свойства в определенном диапазоне температур, называют термотропными жидкими кристаллами, а проявляющие такие свойства в растворах, – лиотропными жидкими кристаллами.
Жидкие кристаллы бывают трех видов, отличающихся молекулярной структурой (рис. 2).

В нематической структуре распределение центров масс молекул произвольно, но все молекулы вытянуты вдоль одной оси. В смектической структуре все молекулы вытянуты вдоль одной оси, центры масс молекул принадлежать определенным плоскостям, но расположенны в этих плоскостях произвольно. Холестерическая структура – это расположение молекул в параллельных плоскостях так, что в каждой плоскости все молекулы вытянуты вдоль одной оси, а оси повернуты на одинаковый угол от плоскости к плоскости.
Молекулы жидких кристаллов обычно имеют форму длинных узких цилиндров, содержат прочные радикалы; минимальный размер молекулы 1,3–1,4 нм (13–14 Ǻ).
Главная особенность жидких кристаллов – способность легко изменять структуру при внешних воздействиях. Другая особенность – анизотропия электрических, магнитных и оптических свойств, связанная с упорядоченностью структуры. Благодаря этим двум особенностям можно изменять физические свойства жидких кристаллов низким электрическим напряжением при малом расходе энергии, что позволяет использовать их в оптических преобразователях.
Применяются жидкие кристаллы и в индикаторах. Для поглощения света используют способ «гость–хозяин»: растворяют в жидком кристалле дихроичный краситель – краситель, меняющий свет при изменении поляризации света (рис. 3, а).

Используют также способ «скручивание–нематика» (рис. 3, б). При двойном лучепреломлении и отсутствии электрического поля длинные оси молекул жидкого кристалла образуют внутри ячейки девяностоградусный виток спирали, что вызывает поворот плоскости поляризации на 90 градусов. Если приложить электрическое поле, ориентация молекул из спиральной становиться параллельной вектору поля и вращение поляризации прекращается.
В индикаторах на жидких кристаллах используют также явления отражения и рассеивания света. Если в холестерической структуре растояние между плоскостями с одинаковой анизотропией соответсвует длине световой волны, то структура будет отражать монохроматический свет на этой волне. При турбулентном движении молекул из-за двойного лучепреломления возникает динамическое рассеяние. В этом случае могут образовываться также фоконные структуры, вызывающие рассеяние.
Жидкие кристаллы создают изображение в жидкокристаллических дисплеях. Это пассивные приборы, работающие на основе изменения оптических свойств среды. Они используются в микрокалькуляторах и часах, на приборных панелях автомобилей, в LCD дисплеях и т.д.

Электронно-управляемое двойное лучепреломление (ECB) или вертикально выровненный нематик (VAN) – электрооптический эффект, который был впервые описан в 1971 году. С использованием данного эффекта может быть увеличено количество цветов отображаемых на жидкокристаллических индикаторах.
ECB режим цветного дисплея реализуется путем управления двойным лучепреломлением жидких кристаллов и парой оптимизированных поляризаторов с замедляющими пленками, которые управляются частотой рабочего напряжения, возбуждающего слой жидкого кристалла и управляющего поворотом его молекул. Таким образом, длина волны светового возбудителя пикселя определяется частотой напряжения, приложенного к этому пикселю.
Большинство производителей жидкокристаллических индикаторов сегодня предлагают данную технологию.
Типы ECB-изделий:
- STN: многоцветные на зеленом фоне;
- FSTN: многоцветные на бледном фоне.
Отличительные особенности ECB цветных LCD модулей:
- Малое энергопотребление – в условиях с нормальной освещенностью не требуется подсветка, что уменьшает потребление, т.к. исключен самый мощный элемент дисплея.
- Простая управляющая электроника – только один пиксель используется для формирования четырех цветов и, соответственно, требуется установка только одного драйвера на общем и сегментном выводах. Это также улучшает шаг выводов разъема, снижает стоимость и сложность сборки.
- Нет цветовых фильтров – Отражающее действие возможно во многих окружающих средах. Цветовые фильтры увеличивают стоимость и требуют обеспечение подсветкой достаточной освещенности для компенсации потерь в данном пикселе.
- Низкая стоимость – Простая электроника и отсутствие фильтров позволило значительно уменьшить стоимость по сравнению с пассивными цветными STN-модулями.
- Время срабатывания: около 250 мс.
- Низкое пропускание: около 1.5 при 20 %.
- Область применения: игры и т.д. Технология ECB очень чувствительна к высоким и низким температурам и обладает невысоким быстродействием, поэтому не подходит для применения в автомобильной электронике и видеосистемах.
- Всегда заказная разработка.