ПАСИВНІ ІНДИКАТОРИ. РІДКОКРИСТАЛІЧНІ ІНДИКАТОРИ

Рідкокристалічні індикатори (РКІ). Рідкокристалічний , або мезоморфное стан - це стан речовини, при якому воно має властивості, властивими як твердим кристалам, так і рідин. Переваги РКІ в порівнянні з іншими індикаторами: мала споживана потужність (одиниці мкВт / см 2 ); низькі робочі напруги (для більшості РКІ це 1,5 ... 5 В) і хороша сумісність з КМОП інтегральними схемами 1 (див. гл. 7); простота конструктивного виконання при малій товщині індикатора; велика довговічність.

До основних недоліків можна віднести порівняно низьку швидкодію, обмежений кут огляду і необхідність зовнішнього освітлення.

Рідкі кристали (РК), як і тверді, мають анізотропію фізичних властивостей, мають впорядкованістю орієнтації і в той же час їм, як і рідини, властива текучість, поверхневий натяг і в'язкість. Виділяють наступні два основних типи ЖК: смектичні (текучі кристали), нематические (власне рідкі кристали). Смектичні ЖК складаються з сильно витягнутих, з довжиною до 3 мм і шириною до 1 мм, лінійних молекул, які утворюють шари, розташовані один під іншим на рівній відстані і мають однакову товщину, близьку до довжини молекул. У нематических ЖК не відбувається утворення окремих шарів. Різновидом смектических ЖК є холестерические речовини , в яких орієнтація молекул змінюється від шару до шару. Рідкі кристали мають середній питомий опір 10 6 ... 10 10 Ом • см, залежне від наявності домішки. Діелектрична проникність е і показник заломлення п залежать від орієнтації молекул і тому є анізотропними величинами. На відміну від активних індикаторів РКІ не генерують оптичне випромінювання, а модулюють його інтенсивність за рахунок зміни таких його характеристик, як амплітуда, фаза, довжина хвилі, площину поляризації і напрямок поширення. Так, наприклад, при проходженні світла через РК відбувається поворот площини поляризації електромагнітної хвилі на кут - 7 • 10 4 град / мм, в той час як у кварцу ця величина порядку 15 град / мм. У РКІ запис інформації відбувається в результаті цілеспрямованих змін параметрів жидкокристаллической середовища під дією електричних, магнітних і акустичних полів. Ці зміни призводять до варіації коефіцієнтів відбиття, поглинання і розсіяння, зміни показника заломлення. Конструкція РКІ дуже проста: між двома скляними пластинами, на які нанесені напівпрозорі електроди, укладено жидкокристаллическое речовина, товщина якого визначається прокладками між пластинами (10 ... 20 мкм).

1 Комплементарні метал-оксид-напівпровідникові інтегральні схеми.

Принцип дії РКІ заснований на зміні оптичних властивостей РК під дією електричного поля. Для цих змін, як правило, потрібні малі напруги і низька споживана потужність. На практиці використовуються РКІ, що працюють на просвіт і відображення. У першому типі РКІ обидві скляні пластини прозорі. При роботі РКІ на відображення другий електрод повинен бути дзеркально відображає. Під індикатором, що працюють в світлі, розміщується джерело світла і матово-чорний екран. Між верхніми фігурними електродами, що формують певний знак, і нижнім загальним електродом подається керуюча напруга від одиниць до десятків В, струм на один знак досягає ~ 1 мкА, т. Е. Витрати щільності потужності на один знак рівні ~ 1 мкВт / см 2 . Різні типи РКІ працюють в діапазоні температур від -20 до 55 ° С. Довговічність РКІ становить десятки тисяч годин.

Розглянемо більш докладно основні фізичні ефекти, що використовуються в різних типах РКІ. Найбільш широке практичне застосування знайшли РКІ на основі нематичних рідких кристалів (НЖК), що володіють оптичної і діелектричної анізотропією. Зазвичай міру діелектричної анізотропії визначають величиною Де = е, - £ ", де £ | і £ "- відповідно діелектрична проникність уздовж і поперек напрямку переважної орієнтації молекул РК. Величина і знак Д £ визначаються частотою електричного поля. Зазвичай величину Д £ визначають на частотах порядку десятків кГц. Якщо Д £> 0, то довгі осі молекул НЖК прагнуть розташуватися уздовж поля, а при Д £ <0 - поперек поля. В основному саме ці властивості НЖК, що викликають електрооптичні ефекти, пов'язані з рухом речовини (динамічне розсіювання ), з поворотом молекул і площини поляризації світла в електричному полі (твіст- ефект), з анізотропією оптичного поглинання розчинів дихроїчних барвників ( "гість *) в НЖК ( "господар") (ефект "гость- господар"), використовуються в переважній більшості РКІ.

Ефект динамічного розсіювання реалізується в НЖК з Д £ <0, куди вводиться легирующая домішка, що приводить до утворення вільних іонів. Під дією зовнішнього змінного електричного поля відбувається орієнтація більшої частки молекул НЖК в певному напрямку, і, крім того, виникають коливання об'ємного заряду. В результаті при напряженностях зовнішнього поля, менших деякої граничної величини, в ЖК

встановлюється протягом молекул у вигляді упорядкованих циліндричних вихорів. При порогової напруженості помітні струми провідності руйнують зібрану полем впорядковану структуру через виникнення турбулентності (турбулентного течії), що в кінцевому рахунку призводить до сильного розсіювання світла. Таким чином, при напряженностях, менших порогової, встановлюється гомогенна орієнтація молекул, при якій оптична вісь утворилася структури ЖК перпендикулярна променю падаючого світла, а при напряженностях, великих порогової, виникає їх хаотична орієнтація, яка веде до деполяризації світла.

Якщо задні електроди зробити дзеркальними, а передні напівпрозорими, то при напруженості поля між електродами менше порогової ЖК буде прозорим і дзеркальні електроди будуть добре видні у відбитому світлі. При критичних або ще більших напряженностях ЖК стає мутним, при цьому дзеркальні електроди будуть не видно, т. Е. Якщо встановити на обох пластинах систему електродів і міняти керуючу напругу, можна отримати ту чи іншу видиме зображення. Пристрій осередки на ефекті динамічного розсіювання представлено на рис. 15.11, а, де 1 - скляні пластини, 2 - прозорий електрод, 3 - ізоляційна прокладка, 4 - прозорий електрод, 5 - шар ЖК, 6 - висновки.

РКІ на ефекті динамічного розсіювання характеризуються рівнями споживаної потужності 5 ... 10 мкВт / см 2 для щільності постійного струму у = 0,5 .. Л мкА / см 2 і 50 ... 200 мкВт / см 2

Мал. 15.11

для змінного струму } = 2 ... 10 мкА / см 2 . Робоча напруга для цих приладів зазвичай не перевищує 20 В, термін служби (довговічність) на змінному струмі - більше 40 тис. Годин.

Твіст-ефект заснований на повороті площини поляризації світла, що виникає при поширенні світла вздовж осі холестерістіческой спіралі або при скручуванні нематической структури. У нематических ЖК скручування структури домагаються спеціальною обробкою поверхні пластин, що дозволяє орієнтувати довгі осі приповерхневих молекул РК або перпендикулярно площині пластин ( гометронная орієнтація ), або паралельно деякого загального напрямку в площині пластин ( гомогенна орієнтація). Якщо довгі осі молекул різних областей ЖК паралельні різними напрямками площині пластин, то орієнтація називається квазигомогенную. За відсутності зовнішніх полів орієнтація молекул в об'ємі жидкокристаллической осередку визначається орієнтацією молекул, що знаходяться поблизу поверхні скляних пластин, при цьому укладання молекул поблизу обох пластин гомогенна, але напрямок осей молекул поблизу однієї пластини становить кут 90 ° з цим напрямком у одної пластини. Таким чином, в обсязі ЖК виникає спіральна укладання нематических плоских структур, при цьому поворот площин становить всього чверть витка спіралі. Проходить через такий ЖК плоскополяризоване світло перетворюється в слабо еліптично-поляризоване, азимут якого повернутий на 90 ° щодо поляризації падаючого світла. Якщо з обох сторін від осередку поставити схрещені поляризатор і аналізатор, то за відсутності керуючої напруги на електродах світло вільно проходить через аналізатор і дана ділянка ЖК-осередки буде світлим. При напрузі на електродах більше порогового площину поляризації світла не буде обертатися і тоді світ не буде пропускатися схрещеними поляризаторами, т. Е. Ділянка осередку буде темним.

РКІ, що використовує твіст-ефект, представлений на рис. 15.11,6, де використані ті ж позначення, що і на рис. 15.11, а.

Ефект "гість-господар" використовує анизотропию оптичного поглинання дихроїчних (від грец. "Двоколірних") барвників в нематического рідкому кристалі. Введення молекул барвника ( "гостя") в НЖК в невеликих концентраціях (1 ... 2%) зберігає температури фазових переходів і вязкоупругие властивості суміші

на рівні НЖК-господаря, але при цьому помітно змінюється електропровідність і оптичні властивості барвника. Контраст зображення в РКІ на ефекті "гість-господар" залежить від оптичних властивостей барвника, товщини суміші, концентрації в ній барвника і умов спостереження. Оптична анізотропія в розглянутому ефекті обумовлена тим, що молекули НЖК ефективно орієнтують молекули барвника в певному напрямку.

Оскільки РКІ - пасивні пристрої, то основним їх оптичним параметром є контрастність, а не яскравість, як в активних індикаторах. Контрастність знака по відношенню до фону визначається коефіцієнтом К , який представляє відношення різниці коефіцієнтів яскравості фону (Б ф ) і знака індикатора (В 3 ) до коефіцієнта яскравості фону, виражене у відсотках, т. Е. До = --- 100%. До іншим параметрам В Ф

РКІ відносяться струм споживання / п , напруга управління 1 / упр , робоча частота напруги управління / раб , мінімальна напруга управління t / ynp хв , максимально допустима напруга управління U ynp макс , час реакції f і час релаксації £ рк . Однією з основних характеристик РКІ є вольт-контрастна.

РКІ зазвичай живлять змінним напругою, щоб уникнути спрямованих електрохімічних процесів, які скорочують термін служби індикаторів, тому вольт-контрастна характеристика РКІ представляє залежність контрастності зображення До від діючого значення прикладеної напруги управління £ / упр . Зі збільшенням напруги U ynp до деякого порогового значення U nop контраст сильно зростає. При U ynp > U nop темп збільшення контрасту зі збільшенням U ynp стає набагато меншою. Значення U ynp М |! Н вибирається на пологом ділянці кривої поблизу U nop , т. Е. Р хв "1 / пор .

Розглянемо деякі характеристики РКІ, пов'язані з споживаним струмом. Вольт-амперна характеристика (ВАХ) РКІ представляє залежність струму споживання / п = f (U ynp ) при Т = const і / р аб "const (рис. 15.12, а).

Струм споживання / п залежить від керуючої напруги, робочої частоти, температури і конструктивно-технологічес-

Мал. 15.12

ких особливостей РКІ. У найзагальнішому випадку / п включає активну (іонну) і реактивну (емкостную) складові, що досить добре ілюструється еквівалентною схемою на рис. 15.12, бу де Я р - опір розводки, Я жк , С жк - відповідно опір і ємність РК-шару, Я д , С д - опір і ємність подвійного електричного переходу.

Ємнісна складова струму / п є визначальною на більшій частині ВАХ. На низьких частотах ВАХ РКІ на твіст-ефекті практично лінійна. Нелінійність ВАХ при малих напругах (див. Рис. 15.12, а), близьких до 1 / пор ~ ~ 1 / упр .мін "обумовлена зростанням ємності РКІ, що пов'язано з поворотом шарів довгих осей молекул НЖК в напрямку електричного поля.

На низьких і не дуже високих частотах керуючого напруги через те, що С жк <£ С д , частотна залежність / п буде визначатися процесом заряду ємності С жк через малий опір Я р і лінійно залежати від частоти (рис. 15.13, ділянка I ).

Починаючи з частоти 15 ... 20 кГц лінійність частотної характеристики / п = Я, (/) може порушуватися (див. Рис. 15.13, ділянка II) через зміну співвідношення між опором місткості ЖК і активним і реактивним опорами розводки.

Мал. 15.13

Мал. 15.14

Температурна залежність / п = / (Г) також визначається співвідношенням між ємнісний і повної складовими струму / п і може бути значною, якщо частка іонної складової велика (рис. 15.14, крива /, частка іонного струму 50%). При малій частці іонного струму залежність / п від температури дуже незначна (рис. 15.14, крива 2 , частка іонного струму 20%).

Тимчасові характеристики РКІ пов'язані зі швидкістю протікання електрооптичних ефектів. Часи реакції * до і релаксації t пропорційні в'язкості рідини, квадрату товщини РК і приблизно обернено пропорційні квадрату різниці напруг між прикладеним і граничним значеннями. Час реакції £ ак визначається інтервалом часу при включенні індикатора, протягом якого струм споживання / п збільшується до 0,8 від максимального значення; час релаксації - інтервал часу при виключенні, протягом якого струм споживання знижується до 0,2 від максимального значення. Оскільки швидкість перемикання визначається товщиною ЖК, його товщину роблять можливо малої.

В даний час розроблені РКІ з кольоровими і поліцветнимі зображеннями. Кольорове зображення можливо отримати різними методами: наприклад, змінювати колір індикатора, здійснювати циклічну зміну кольорів в системі зображення, створювати фотографічні об'єкти з різними характеристиками поглинання шляхом добавки дихроїчних барвників до ЖК. При орієнтації молекул барвника за рахунок електричного поля для отримання бажаного кольору застосовують РК із відмінними властивостями в порівнянні з ЖК, використовуваними для динамічного розсіювання світла. НЖК, в який вводиться барвник, повинен мати великий дипольний момент уздовж довгої осі молекули. При подачі напруги молекули барвника орієнтуються відповідно до напрямку поля, оскільки дипольний момент НЖК збігається з напрямком поля, що і змушує молекули барвника орієнтуватися. Вимкнення напруги змушує молекули НЖК (господар) разом з молекулами барвника (гість) перебудовуватися в вихідну конфігурацію, і осередок приймає свій первісний колір. Для отримання кольорового зображення в РКІ застосовуються також оптичні фільтри з електронним настроюванням. Застосування різнокольорових шарів ЖК дозволяє створити фільтри з електронним управлінням кольором у всій видимій частині спектру. За рахунок зміни концентрації барвника можна оптимізувати контрастність. Якщо підтримувати концентрацію барвника на рівні 1% або нижче, то можна отримати максимальну контрастність. У цих умовах досягається найбільша зміна адсорбирующих властивостей. Ця зміна убуває на половину свого максимального значення при концентрації барвника > 5%.

Використання фотохромних (одноколірних) барвників, що змінюють свій колір при різних довжинах хвиль падаючого світла, дозволяє також побудувати ЖК перемикачі кольору. У фотохромних кристалах можна змінювати колір як електронними, так і оптичними засобами. В одній і тій же комірці РКІ використовуються суміші барвників різного типу, наприклад, плеохроіческіх (багатобарвних) і фотохромних. Це дозволяє змінювати колір в межах прийнятого спектра (плеохроіческіе барвники) з використанням електричного поля або при опроміненні світлом певної довжини хвилі (фотохромні барвники), або обома способами одночасно. Плеохроизм, окремий випадок дихроизма, - різне поглинання анізотропним речовиною проходить через нього світла (а, отже, і різний фарбування) в залежності від напрямку його поширення та поляризації.

Електрохромние індикатори (Ехі). У Ехі використовується явище зміни кольору під дією прикладеного електричного поля. В даний час розроблені Ехі на основі реакції відновлення металевих оксидів WOз і реакції відновлення органічних сполук - віологенов (компаундів та інших з'єднань) на поверхні електродів. Конструктивне виконання електрохромних індикаторів багато в чому подібно ЕЛІ.

В роботі Ехі на основі тонких плівок ¥ 0 3 можна виділити три стадії: запис, запам'ятовування, стирання. Запис і стирання реалізуються при подачі на електроди Ехі постійної напруги (1,0 ... 1,5 В) або струму, при цьому в першому випадку струм, що протікає між електродами, буде змінним, а в другому - напруга між електродами буде залежати від часу.

Ехі мають час реакції ~ 50 мс при Т = 300 К, термін служби - 10 7 циклів, працюють при низьких температурах (до -25 ° С). Енергетичні характеристики Ехі: мінімальний заряд, що потребується для фарбування Ехі на ААЮ 3 , - 4 мкл / см 2 , на віологенах - 2 мкл / см 2 , споживана потужність при напрузі 1 В відповідно 4 і 2 мДж / см 2 , розсіює потужність для сигналу з частотою 1 Гц і шпаруватістю 2 - від 2 до 8 мВт / см 2 . Переваги Ехі: мала споживана потужність, широкий діапазон робочих температур, малі робочі напруги (~ 1 В), велика контрастність, яка не залежить від кута зору. Недоліки Ехі: невеликий вибір кольорів, великі часи реакції і релаксації, відносно малий термін служби.

Електрофоретичні індикатори (ЕФД). Електрофорез - спрямований рух дисперсних частинок в рідині (колоїдних і зважених твердих частинок, бульбашок газу, крапель іншої рідини) під дією електричного поля.

У ЕФД реалізується рух зважених заряджених пігментних частинок в пофарбованої безводної рідини під дією електричного поля. В результаті електрофорезу змінюється коефіцієнт відбиття і колір робочої речовини.

ЕФД складається з шару колоїдної рідини товщиною

25 ... 100мкм, вміщеній між двома скляними пластинами з розташованими на їх внутрішніх поверхнях прозорими електродами.

Типові параметри елемента ЕФД товщиною 50 мкм: час переміщення пігментних частинок 100 мс при максимальному значенні в імпульсі напруги 30 В і щільності струму ~ 1 мкА / см 2 , споживана потужність <12 мкВт / см 2 для імпульсів з частотою повторення 1 Гц і шпаруватістю 2 , рекомендований діапазон температур -15 ... + 50 ° С, ресурс роботи ~ 10 й циклів. Збільшення температури призводить до зростання потужності, що розсіюється.

ПОРІВНЯННЯ ІНДИКАТОРІВ РІЗНОГО ТИПУ

Вибір кількісних заходів для оцінки якості індикаторів є досить складним завданням, оскільки немає загальних методів і критеріїв оцінки через досить різноманітного призначення індикаторів, оскільки вкрай складно враховувати спільно набір параметрів середовища, що роблять негативний вплив на оператора, і корисний ефект від роботи індикатора. Реакція оператора на інформацію, що отримується за допомогою індикатора, часто є досить суб'єктивною, тому важко розробити якісні методи моделювання, що задовольняють заданим вимогам. В силу цього часто використовується найпростіший спосіб - порівняння переваг та недоліків приладів.

Перелік параметрів для оцінки якості індикаторів включає наступні показники: яскравість, роздільну здатність, контрастність, число градацій яскравості, колір, розміри, кут огляду, часи реакції і релаксації, пам'ять, довговічність, надійність, економічність, можливість мультиплексного управління і ряд інших. Оскільки найпростіший спосіб оцінки носить описовий характер, то виділимо найбільш характерні достоїнства індикаторів.

Напівпровідникові індикатори мають яскраве і насичене світіння, легко управляються, добре поєднуються з інтегральної технікою, економічні, технологічні, довговічні.

Електронно-променеві індикатори забезпечують хорошу інформаційну ємність, яскравість в широкій колірній гамі, суміщення зображень різних типів, високу швидкодію.

Вакуумно-люмінесцентні індикатори відрізняються хорошими ергономічними параметрами: великим кутом огляду, економічні. Вони дозволяють реалізувати безпосереднє сполучення з МОП-інтегральними схемами; знаходять широке застосування як багаторозрядні індикатори.

Газорозрядні індикаторні панелі можуть мати великі розміри, високу роздільну здатність, точність і надійність, мають цифровий матричної адресацією високої точності, забезпечують поєднання функцій індикації з адресацією і запам'ятовуванням інформації.

Пасивні індикатори мають низький рівень керуючих напруг, малу споживану потужність, просту конструкцію; вони технологічні, добре поєднуються з мікросхемами.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >