|
Конструкция и принцип работы панели ЖК-монитора
Жидкие кристаллы и управление ими
Принято выделять три агрегатные состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.
Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям.
Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам.
Эту фазу вполне можно назвать четвертым агрегатным состоянием.
Правда, не следует забывать, что имеют ее только некоторые вещества и только в определенном диапазоне температур.
Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов.
Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (см. рис. 1).
Рис. 1. Виды порядка жидких кристаллов
Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам.
У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости.
Направление преимущественной ориентации длинных осей молекул в жидких кристаллах обозначается вектором единичной длины, называемым директором.
Основной интерес представляют материалы с нематическим порядком, они применяются в современных жидкокристаллических панелях всех типов (TN, IPS и VA).
В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям.
Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора смещены на различные расстояния.
Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол и директор плавно закручивается по спирали.
Эта слоистая природа, образуемая оптической активностью молекул, и является основным признаком холестерического порядка. Холестерики иногда называют «скрученными нематиками».
Граница между нематическим и холестерическим порядками является в некоторой степени условной.
Холестерический порядок можно получить не только у холестерического материала в чистом виде, но и при помощи добавления к нематическому материалу специальных добавок с содержанием хиральных (оптически активных) молекул.
Такие молекулы содержат асимметрический атом углерода и, в отличие от молекул нематиков, являются зеркально-несимметричными.
Порядок в жидких кристаллах определяется междумолекулярными силами, которые создают упругость ЖК материала.
Да, здесь можно говорить именно об упругих свойствах, хотя природа их отлична от упругих свойств обычных кристаллов, так как жидкие кристаллы все же обладают текучестью.
В нормальном (или основном) состоянии молекулы стремятся вернуться в свое «положение отдыха», например, в нематическом материале — в положение с одинаковой ориентацией директора.
Упругость ЖК меньше упругости обычных кристаллов на несколько порядков и дает совершенно уникальную возможность управлять их положением при помощи внешних воздействий.
Таким воздействием может служить, к примеру, электрическое поле.
Теперь подробней о том, каким образом это поле может влиять на ориентацию молекул.
Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин, пространство между которыми заполнено нематическим материалом.
Расстояние между верхней и нижней пластиной и, соответственно, толщина слоя жидких кристаллов составляет несколько микрон.
Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек.
Для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой (rubbing) поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении.
Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа.
Межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию.
Упорядоченное расположение молекул жидких кристаллов определяет анизотропию их некоторых физических свойств (напомню, анизотропией называется зависимость свойств среды от направления в пространстве).
Жидкости с их хаотичным расположением молекул являются изотропными.
А вот жидкие кристаллы уже обладают анизотропией, что является важным качеством, позволяющим влиять на характеристики проходящего через них света.
Для управления положением молекул используется анизотропия диэлектрической проницаемости.
Она представляет собой разность
Δε = ε|| + ε⊥
где ε|| — диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном вектору директора, ε⊥ — диэлектрическая проницаемость в направлении, перпендикулярном вектору директора.
Значение Δε может быть как положительным, так и отрицательным.
Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин с расстоянием между пластинами в несколько микрон, заполненный нематическим материалом и запечатанный. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек, для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении.
Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа, межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию.
Если создать в образце электрическое поле, энергия жидких кристаллов в этом поле будет зависеть от положения молекул относительно направления поля.
В случае, если положение молекул не соответствует минимальной энергии, произойдет их поворот на соответствующий угол.
В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля, в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией — поперек направления поля. Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.
Пусть материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию, направление электрического поля перпендикулярно исходной ориентации молекул (рис.2).
При подаче напряжения молекулы будут стремиться повернуться вдоль поля.
Но они изначально сориентированы по рельефу внутренних поверхностей образца, созданных протиркой и связаны с ними довольно значительным сцеплением.
Как следствие, при изменении ориентации директора будут возникать крутящие моменты обратного направления.
Пока поле достаточно слабое, силы упругости удерживают молекулы в неизменном положении. При увеличении напряжения, начиная с некоторого значения Ec, ориентационные силы электрического поля превышают силы упругости, и начинает происходить поворот молекул.
Эта переориентация под воздействием поля носит название перехода Фредерикса.
Переход Фредерикса является фундаментальным для организации управления жидкими кристаллами, на нем основан принцип работы всех ЖК-панелей.
Рис. 2. Переход Фредерикса для молекул ЖК с положительной диэлектрической анизотропией
Образуется работоспособный механизм:
Если исходная ориентация директора и направления электрического поля не строго перпендикулярны, то пороговое значение поля Ec снижается, благодаря чему становится возможным воздействовать на положение молекул значительно меньшим полем.
В этом месте придется немного отвлечься от жидких кристаллов, для того, чтобы пояснить понятия «поляризация света» и «плоскость п |