prosdo.ru 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 результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров.

В 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора – цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Сегодня, в результате прогресса в этой области широкое распространение получили LCD-дисплеи для настольных компьютеров. Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии обладает анизотропией свойств, присущими кристаллическим телам связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

.Вследствие этого в нем и других подобных ЖК 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. 1,6) «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).


Конфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму (рис. 2), образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света.

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. (рис. 3).

Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят (рис. 4); тогда на черном фоне возникает белое изображение.

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.


В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.

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.

Вместе с тем ЖКИ характеризуются сравнительно низким быстродействием (десятки миллисекунд, особенно при пониженной температуре) и явно выраженной зависимостью параметров от температуры окружающей среды.

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. 5. 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..5,а). Для увеличения угла обзора можно попользовать две лампы накаливания (рис. 5,6). Сверхминиатюрную лампу накаливания можно встроить непосредственно между пластинами ЖК (рис.5,в).

Для повышения механической прочности ЖКИ изготовляют с металлическими крышками (рис..6), 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 (рис 7).Один из возможных принципов построения аналогового ЖКИ иллюстрируется рис.8 . 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 показано на рис .8,6 (Uиз =0, 0< Uиз on, Uиз =Uon). Индикатор возбуждается, если результирующее напряжение на жидком кристалле | Uиз +Uon| превышает пороговое напряжение возникновения электроопти ческого. эффекта Unop. –

Рис. 9. Знакопеременное управляющее напряжение ЖКИ:

а — импульсы напряжения прямоугольной формы; б — напряжения, сдвинутые по фазе
Рис. 10. Реакция ЖК ячейки на импульс управляющего напряжения; а — импульс управляющего напряжения; б — ток через ЖК

Участок невозбужденного жидкого кристалла; соответствующий отрезку длины индикатора, на котором выполняется условие |U3an+U0n| P образует отсчетное окно, которое при изменении значения UИзм перемещается по длине индикатора.

На рис. 8,в показаны три положения отсчетного окна, соответствующие указанным значениям измеряемой величины. 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.

На рис 10 приведены временные диаграммы запаздывания включения и выключения ячеек ЖК индикатора которые показывают, 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

Современные жидкокристаллические мониторы

Э
Рис 11 Схема экрана LCD монитора
кран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой [см. рис. 11]. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного п
а)

б)
ластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристал- лическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).


Рис 12 Схема поворота векторов поляризации в LCD мониторе

а — при отсутствии напряжения;

б— при наличии напряжения

П лоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели [см. рис. 11,12]. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы.Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором его поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем[см. рис. 12.а]. В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) [см. рис. 12.б]

Контрольные вопросы:

1 Какие виды индикаторов используются в геодезической практике?

2 Принципы работы заложенные в основу работы ЖКИ индикаторов

3 Достоинства и недостатки ЖКИ индикаторов

4 Способы управления ЖКИ индикаторами.

5