Жидкие кристаллы представляют собой уникальное состояние вещества, сочетающее свойства жидкостей и твердых кристаллов. Их молекулы, часто имеющие вытянутую форму, сохраняют упорядоченную ориентацию относительно друг друга, что придает этим материалам анизотропию — то есть зависимость физических свойств (например, оптических) от направления. Ключевой особенностью жидких кристаллов является наличие так называемых оптических осей, с которыми связаны их удивительные оптические свойства: двойное лучепреломление и способность вращать плоскость поляризации света. В отличие от твердых кристаллов, где эти оси зафиксированы, в жидких кристаллах их направление можно легко менять с помощью слабого электрического поля, что и легло в основу множества современных технологий.
Принцип управления ориентацией
Способность молекул жидкого кристалла поворачиваться в электрическом поле объясняется их структурой. Электрический диполь — разделение положительных и отрицательных зарядов — вдоль длинной оси молекулы возникает гораздо легче, чем поперек нее. Другими словами, электронное облако смещается относительно ядра преимущественно вдоль молекулы. Когда прикладывается внешнее электрическое поле, оно создает крутящий момент, который стремится развернуть молекулу так, чтобы ее длинная ось сориентировалась вдоль силовых линий поля.
В реальном устройстве слой жидкого кристалла имеет очень малую толщину (порядка сотых долей миллиметра) и ограничен твердыми поверхностями, которые задают начальную ориентацию молекул. Поэтому электрическое поле, стремящееся повернуть молекулы, вступает в противодействие с упругими силами, стабилизирующими структуру. Поворот оптической оси всего слоя начинается только тогда, когда крутящий момент от поля превысит возвращающий момент упругих сил. Существует определенный порог напряжения (около 1 вольта), после преодоления которого управление становится эффективным. Важно, что все молекулы в жидком кристалле связаны между собой, поэтому поворот одной из них приводит к согласованной переориентации всего ансамбля.
Устройство и работа жидкокристаллического индикатора
Наиболее известное применение жидких кристаллов — это цифровые индикаторы в часах, калькуляторах и других устройствах. Рассмотрим, как устроен такой индикатор для отображения цифр или букв.
Основными элементами являются два скрещенных поляризатора (их оси пропускания света перпендикулярны) и слой жидкого кристалла между двумя стеклянными пластинами. На внутренние поверхности стекол нанесены прозрачные электроды. Нижний электрод обычно сплошной, а верхний разделен на отдельные сегменты, из которых можно составить любую цифру. Под нижним поляризатором находится зеркало. Без подачи напряжения молекулы в слое жидкого кристалла образуют винтовую структуру, плавно поворачиваясь от одной стеклянной поверхности к другой на 90 градусов.
Как формируется изображение:
1. Светлый фон: На участках, где цепь разомкнута (нет напряжения), падающий свет, поляризованный верхним поляризатором, проходит через винтовую структуру жидкого кристалла. При этом плоскость его поляризации поворачивается вслед за молекулами на те же 90 градусов. На выходе из слоя поляризация света совпадает с осью нижнего поляризатора, поэтому свет проходит через него, отражается от зеркала и возвращается к наблюдателю. Этот участок выглядит светлым.
2. Темный символ: Когда на определенный сегмент (например, образующий цифру «8») подается напряжение от слабой батарейки (1–1.5 В), молекулы под этим электродом выстраиваются вертикально. Поляризованный свет, попадая в этот участок, не меняет своей поляризации, так как оптическая ось теперь ориентирована вдоль его пути. Достигнув нижнего поляризатора, ось которого перпендикулярна плоскости поляризации света, луч полностью поглощается. Он не доходит до зеркала и не возвращается. В результате на светлом фоне появляется темная, четко очерченная цифра.
Области применения и перспективы
Жидкокристаллические индикаторы нашли широчайшее применение не только в бытовой электронике (часы, калькуляторы, переводчики), но и в шкалах измерительных приборов, информационных табло и дисплеях настройки. Более сложные устройства — жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) — с большим количеством управляемых элементов (пикселей) и сложными схемами управления используются в качестве экранов телевизоров, мониторов, в приборах ночного видения для преобразования изображения, а также как оптические затворы в высокоскоростных вычислительных машинах.
Перспективы технологии расширяются благодаря возможности смешивать различные жидкокристаллические вещества, получая материалы с новыми структурами и заданными свойствами. Это открывает путь к созданию более эффективных, ярких и энергосберегающих устройств для самых разных областей техники.