ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ

На стеклянные панели наносится  тонкий слой металла, образующий электроды. Если теперь к электродам подвести напряжение, то молекулы жидкого кристалла  развернутся вдоль электрического поля, вращение плоскости поляризации  исчезнет, и свет не сможет пройти через  поляризационные плёнки.

Электроды на жидкокристаллический индикатор наносятся в виде точек, пиктограмм или сегментов для  отображения различных видов информации[7].

Достоинства ЖК-индикаторов  заключаются в следующем:

- малая потребляемая мощность (110 мкВт/см²);

- работа при высоком  уровне внешней освещенности;

- простота конструкции  и технологии изготовления;

- низкая стоимость, низкое  рабочее напряжение.

К основным недостаткам ЖК-индикаторов  следует отнести узкий диапазон рабочих температур (от -10 до +60° С), длительные переходные процессы, к  тому же зависящие от температуры[8].

 

3. Особенность жидкокристаллического индикатора

 

Жидкий кристалл — это  специфическое агрегатное состояние  вещества, в котором оно проявляет  одновременно свойства кристалла и  жидкости. 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 молекулами, кроме трех названных состояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении образуется 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 жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это — упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но тем не менее оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести. Обязательным свойством жидких кристаллов, сближающим 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 жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково. 
Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул[9].

Важной особенностью жидкокристаллического  индикатора является низкий ток потребления — единицы или сотни микроампер (в зависимости от принципа работы). В интервале рабочих температур ток потребления несколько увеличивается с ростом температуры. Жидкокристаллический индикатор имеет низкое быстродействие, связанное с инерционными процессами перестройки структур органических кристаллов. Быстродействие существенно зависит от температуры. В зоне температур, близких к нижнему пределу, быстродействие резко падает. Проверку времени реакции и релаксации серийных приборов производят визуально по появлению и исчезновению (при прямом наблюдении) знаков при подаче на них прерывистого напряжения управления с длительностью воздействия 800 мс и длительностью паузы 800 мс. Жидкокристаллические индикаторы   работают в весьма узком интервале температур. Подавляющее большинство жидкокристаллических индикаторов не работает при окружающей температуре ниже +1 °С, так как в этих условиях материал переходит в состояние полутвердого кристалла. При приближении к нижнему температурному пределу индикатор реагирует на приложение напряжения все медленнее и в конце концов полностью теряет работоспособность. Индикаторы восстанавливают свои характеристики после возвращения их из среды с низкой температурой в среду с температурой, соответствующей температуре рабочего диапазона. В связи с этим хранение индикаторов разрешается при температуре до —40°С [10].

По числу разрядов в  одном корпусе цифро-знаковые индикаторы делятся на 1-разрядные, 4-разрядные, 6-разрядные, 9-разрядные. Нумерация разрядов принята возрастающей слева направо.

Существуют также жидкокристаллические индикаторы, отображающие различные символы, специальные знаки и надписи.

Цифро-знаковые жидкокристаллические индикаторы изготавливаются в пластмассовых корпусах или из стекла с компаундным упрочнением по периметру с выводами под распайку или под разъем.

В процессе эксплуатации следует избегать попадания на контактную площадку влаги и пыли, вызывающих межэлектродные замыкания. Очищать поверхность индикатора рекомендуется чистым батистом, слегка смоченным этиловым спиртом.

Система обозначений жидкокристаллических индикаторов содержит несколько  букв и цифр. Сочетание ИЖК означает: индикатор жидкокристаллический. Четвертый элемент обозначения: буква Ц означает— цифровой, а С — символьный. Пятый элемент — цифра, указывающая номер разработки. Цифра после дефиса указывает число разрядов индикатора, а число через косую дробную черту соответствует высоте в миллиметрах цифры (символа) в разряде.

Приборы, разработанные до введения описанной системы, обозначены иначе. Например, наименование ЦИЖ-5 расшифровывается следующим образом: цифровой индикатор жидкокристаллический, номер разработки 5, а ИЖК-2 — индикатор жидкокристаллический, номер разработки 2[11].

Важным параметром индикатора является время релаксации – время, необходимое для возвращения  молекул жидкого кристалла в  исходное состояние после выключения поля. Оно определяется поворотом  молекул и составляет 30-50 мс. Такое  время достаточно для работы различных  индикаторов, но на несколько порядков превышает время, необходимое для  работы компьютерного монитора.

Время релаксации резко зависит  от температуры жидкокристаллического  индикатора. Именно временем релаксации определяется минимальная температура  использования жидкокристаллических индикаторов. Время релаксации современных  жидкокристаллических индикаторов  при температуре –25°C достигает  нескольких секунд. Это время смены  информации неприемлемо для большинства  практических приложений.

Не менее важным параметром жидкокристаллического индикатора является контрастность изображения. При нормальной температуре контрастность  изображения достигает нескольких сотен. При повышении температуры  контрастность изображения падает и при температуре порядка +50°C изображение становится практически  неразличимым.

Следующий параметр, характеризующий  жидкокристаллический индикатор –  это угол обзора. Угол обзора жидкокристаллического  индикатора существенно зависит  от скважности динамического режима индикации. Чем больше скважность –  тем меньше получается угол обзора индикатора.

В современных жидкокристаллических компьютерных мониторах используется специальный метод формирования статического формирования изображения  при динамическом способе его  подачи на дисплей. Это TFT технология. При  использовании этой технологии около  каждого элемента изображения формируется  запоминающий конденсатор и ключевой транзистор, который подключает этот конденсатор к цепям формирования изображения только в момент подачи информации именно для этого элемента изображения.[12]

Особенностью работы жидкокристаллического  индикатора является то, что на него следует подавать переменное напряжение. Это связано с тем, что при  подаче на жидкокристаллический индикатор  постоянного напряжения происходит электролиз жидкого кристалла и  индикатор выходит из строя.

Напряжение для работы жидкокристаллического индикатора формируется логическими элементами, поэтому обычно используется прямоугольное  колебание со скважностью равной двум. Его легко можно получить на выходе делителя частоты на два.

Логические сигналы содержат постоянную составляющую. Ее можно убрать, подав сигнал на выводы жидкокристаллической ячейки в противофазе друг другу.

Если ячейку жидкокристаллического  индикатора следует оставить прозрачной, то на ее выводы подаются синфазные  напряжения. В результате разность потенциалов получается равной нулю.

В результате контроллер жидкокристаллического  индикатора можно собрать с использованием схем “исключающего ИЛИ”. Подобная схема приведена на рисунке 10.

                             

Рисунок 10. Принципиальная схема контроллера семисегментного жидкокристаллического индикатора.

В этой схеме скважность прямоугольного колебания, равную двум, обеспечивает делитель частоты, собранный  на D-триггере. Если на вход сегмента подается единичный потенциал, то логический элемент “исключающее ИЛИ” инвертирует  колебание, подаваемое на подложку жидкокристаллического  индикатора COM. Этот сегмент становится непрозрачным.

Если же на вход сегмента поступает нулевой потенциал, то на выходе элемента “исключающее ИЛИ” колебание не инвертируется. Тем  самым на соответствующий сегмент  подается нулевая разность потенциалов. Этот сегмент остается прозрачным[13].

 
1.4 Использование ЖКИ в технологиях

     Применение индикаторов характеризуется прежде всего тем, что именно этими приборами электроника широко входит в быт человека. Можно упомянуть такие изделия, как электронные цифровые часы, калькуляторы, автомобильные индикаторные панели, настроенные шкалы радиоприемников, указатели программ телевизоров, индикаторы кухонного оборудования.

В промышленности эти приборы  являются обязательным элементом периферийных устройств ЭВМ, автоматизированных систем управления, контрольно-измерительной аппаратуры, сервисных устройств транспортных и связных систем. В военной технике системы отображения информации необходимы на командных пунктах, в различных навигационных устройствах, системах наведения, в приборных щитах самолетов, танков, подводных лодок [14].

Все это предопределяет массовое производство индикаторных приборов: годовой выпуск приборов (в пересчете на знак) превышает 1 млрд., объем производства почти такой же, как у диодов всех типов, очень высоки и темпы роста — удвоение объема за 5—6 лет.

Индикаторные средства играют решающую роль в переходе от телефона к терминалу и к видеотелефону; в будущем найдут свое разрешение проблемы твердотельного телевидения, электронной книги и газеты. Не исключено, что совершенствование полупроводниковых светоизлучающих диодов даст в конце концов средство для воспроизводимого получения тех 10 млн. оттенков, которые насчитывают наиболее полные цветовые каталоги; решит все сегодняшние проблемы колориметрии; породит новые виды изобразительного искусства и в конечном счете начнет активно воздействовать на формирование эстетического мира человека.

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 технологического характера. Хотя принципиально возможность  создания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень  высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное 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 которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света[15].

Циферблатами многих современных  часов служат жидкокристаллические индикаторы. Давайте расмотрим, как  жидкокристаллический индикатор отображает ту или иную цифру, букву, дату и т. п. Здесь имеются: два поляризатора, оси которых скрещены; две полированные стеклянные пластинки со скрещенными осями полировки; слой нематика между стеклами, вынужденный иметь твист-ориентацию; прозрачные электроды, нанесенные на стекла. Кроме того, под нижним поляризатором расположено зеркало, отражающее дошедший до него свет. Нижний электрод сделан сплошным, а верхний — фигурным. Фигурный электрод состоит обычно из нескольких маленьких электродов — сегментов, из которых можно составить любую цифру, букву, число и слово. Например, для изображения цифры достаточно семи сегментов. Каждый сегмент имеет свой собственный электрический контакт и включается в цепь по специальной команде. Электрическая цепь питается от пары слабеньких батареек (по 1,5 В каждая). Сигналы—команды замыкания цепи с нужным набором сегментов, т. е. цифр, букв и т. д., подаются миниатюрным генератором, работающим по специальной программе[16].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Колесо вращается с постоянным угловым ускорением 2 рад/с². Через 0,5 с после начала движения полное ускорение точек обода колеса стало равно 0,14 м/c². Найти радиус колеса.