Реферат: Жидкий кристалл
Профессии жидких кристаллов
Всё чаще мы стали встречаться с термином «жидкие кристаллы».Мы все часто с ними общаемся, и они играют немаловажную роль в нашей жизни.Многие современные приборы и устройства работают на них. К таким относятсячасы, термометры, дисплеи, мониторы и прочие устройства. Что же это за веществас таким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляетсястоль значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, ипоэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению илиобъекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материальногопроизводства. В этом отношении не являются исключениеми жидкие кристаллы. Интерес к ним, прежде всего, обусловлен возможностями ихэффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности.Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту,удобство.
Жидкий кристалл – это специфическоеагрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойствакристалла и жидкости. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могутнаходиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ можетнаходиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердомили кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторыеорганические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названныхсостояний, могут образовывать четвертое агрегатное состояние — жидкокристаллическое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При ихплавлении образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале оттемпературы плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, принагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же жидкийкристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них?Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладаеттекучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличаетсяот известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющееего с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это —упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, этоупорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оносущественно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычныхжидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих жидкийкристалл, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка впространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядокможет 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 собычными кристаллами, является наличие порядка» пространственной ориентациимолекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что вседлинные оси молекул в жидкокристаллическом образце ориентированы одинаково.Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейшего названногоупорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться болеесложный ориентационный порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллыразделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их применениям в настоящее время ведутся широкимфронтом во всех наиболее развитых странах мира. Отечественные исследованиясосредоточены как в академических,так и отраслевых научно-исследовательских учрежденияхи имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы вЛенинграде работы В. К. Фредерикса к В. Н. Цветкова. Впоследние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователитакже вносят весомый вклад в развитие учения о жидкихкристаллах в целом и, вчастности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И. Г. Чистякова, А. П. Капустина, С. А. Бразовского,С. А.Пикина, Л. М. Блинова и многих других советских исследователейшироко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Существование жидких кристаллов было установленоочень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные идо 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально егооткрыли позже.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, былавстрийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуяновое синтезированное им вещество холестерилбензоат, он обнаружил,что при температуре 145° С кристаллы этого вещества плавятся, образуя мутнуюсильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижениитемпературы 179°С жидкость просветляется, т. е.начинает вести себя в оптическом отношении, какобычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоатобнаруживал в мутной фазе Рассматривая эту фазу под поляризационныммикроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Этоозначает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависитот поляризации.
Явление двупреломления—это типичнокристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристаллезависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что онадостигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимноортогональных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентацииполяризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете вкристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаютсяориентацией кристаллических осей относительно направления распространениясвета.
Поэтому сказанное поясняет, что существованиедвупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т. е. что еесвойства должны быть независящими от направления, представлялосьпарадоксальным. Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие вмутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые иявлялись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, ккоторым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Леймана, показали, чтомутная фаза не является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычнойжидкости кристаллических включений, а является новым фазовым состояниемвещества. Этому фазовому состоянию Лейман дал название «жидкий кристалл» всвязи с одновременно проявляемыми им свойствами жидкости и кристалла.Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов. Это —«мезофаза», что буквально означает «промежуточная фаза».
В то время существование жидких кристаллов представлялоськаким-то курьезом, и никто не мог предположить, что их ожидает почти через столет большое будущее в технических приложениях. Поэтому после некоторогоинтереса к жидким кристаллам сразу после их открытия о них через некотороевремя практически забыли.
Тем не менее, уже в первые годы были выяснены многие другиеудивительные свойства жидких кристаллов. Так, некоторые виды жидких кристалловобладали необычно высокой оптической активностью.
Оптической активностью называют способность некоторыхвеществ вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Этоозначает, что линейно поляризованный свет, распространяясь в таких средах,изменяет ориентацию плоскости поляризации. Причем угол поворота плоскостиполяризации прямо пропорционален пути, пройденному светом
Так, в твердых телах, как, впрочем, и в обычных жидкостях,удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный, независящий отдлины волны света знак. Это означает, что вращение плоскости поляризациисвета в них происходит в определенном направлении. Против часовой стрелки приположительном фа и по часовой стрелке при отрицательном Ра. При этом подразумевается,что наблюдение за вращением плоскости поляризации осуществляется вдольнаправления распространения света. Поэтому все оптически активные вещества подразделяютсяна правовращающие(если вращение происходит по часовой стрелке) илевовращающие(если вращение происходит против часовой стрелки).
В случае оптически активных жидких кристаллов такаяклассификация сталкивалась с трудностями. Дело в том, что направление (знак)вращения в жидких кристаллах зависело от длины волн света. Для коротких длинволн величина Ра, например, могла быть положительной, а для болеедлинноволнового света—отрицательной. А могло быть и наоборот. Однакохарактерным для всех случаев было изменение знака вращения плоскостиполяризации в зависимости от длины волны света, или, как говорят, инверсиязнака оптической активности. Такое поведение вращения плоскости поляризации совершенноне укладывалось в рамки существовавших представлений об оптической активности.
Удивительными были также и другие свойства, такие, каксильная температурная зависимость названных характеристик, их очень высокаячувствительность к внешним магнитным и электрическим полям и так далее. Нопрежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства, необходимо понять, какустроены жидкие кристаллы, и, в частности, ознакомиться с их структурнымисвойствами, ибо в конечном итоге для объяснения описанных свойств наиболеесущественными оказываются именно структурные характеристики жидких кристаллов.
Здесь следует сказать, что в конце девятнадцатого — началедвадцатого века многие очень авторитетные учёные весьма скептически относилиськ открытию Рейнит-цера и Лемана. (Имя Лемана также можно по праву связывать соткрытием жидких кристаллов, поскольку он очень активно участвовал в первыхисследованиях жидких кристаллов, и даже самим термином «жидкие кристаллы» мыобязаны именно ему.) Дело в том, что не только описанные противоречивыесвойства жидких кристаллов представлялись многим авторитетам весьма сомнительными,но и в том, что свойства различных жидкокристаллических веществ (соединений,обладавших жидкокристаллической фазой) оказывались существенно различными.Так, одни жидкие кристаллы обладали очень большой вязкостью, у других вязкостьбыла невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкоеизменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие жидкиекристаллы такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний видобразцов, или, как принято говорить, текстура, различных жидких кристалловпри рассматривании их под микроскопом оказывался совсем различным. В одном случаев поле поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие нанити, в другом — наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а втретьем — картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почемужидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ?
Время шло, факты о жидких кристаллах постепеннонакапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установитькакую-то систему в представлениях о жидких кристаллах. Как говорят, настало времядля классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современнойклассификации жидких кристаллов принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. Вдвадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большиегруппы. Одну группу жидких кристаллов Фридель назвал нематическими, другуюсмектическими. (Почему такие на первый взгляд непонятные названия дал Фридельразновидностям жидких кристаллов, будет понятно несколько ниже.) Он же предложилобщий термин для жидких кристаллов — «мезо морфная фаза». Этот терминпроисходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), а вводя его, Фридельхотел подчеркнуть, что жидкие кристаллы занимают промежуточное положение междуистинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическимсвойствам. Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали ужеупоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс. Когдаклассификация жидких кристаллов была создана, более остро встал вопрос: почемув природе реализуется жидкокристаллическое состояние? Полным ответом наподобный вопрос принято считать создание микроскопической теории. Но в товремя на такую теорию не приходилось и надеяться (кстати, последовательноймикроскопической теории ЖК не существует и по сей день), поэтому большим шагомвперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С. Озерном феноменологическойтеории жидких кристаллов, или, как ее принято называть, теории упругости ЖК. В30-х годах в СССР В. К. Фредерике и В. Н. Цветков первыми изучили необычныеэлектрические свойства жидких кристаллов. Можно условно считать, чторассказанное выше относилось к предыстории жидких кристаллов, ко времени,когда исследования ЖК велись малочисленными коллективами. Современный этап изученияжидких кристаллов, который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегодняшниеформы, методы исследований, широкий размах работ сформировался поднепосредственным влиянием успехов в технических приложенияхжидких кристаллов, особенно в системах отображения информации. В это время былопонято и практически доказано, что в наш век микроэлектроники,характеризующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств, потребляющихничтожные мощности энергии для устройств индикации информации, т. е. связи прибора с человеком, наиболее подходящимиоказываются индикаторы на ЖК. Дело в том, что такие устройства отображенияинформации на ЖК естественным образом вписываются в энергетику и габаритымикроэлектронных схем. Они потребляют ничтожныемощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоскихэкранов. Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристаллическихиндикаторов в системы отображенияинформации, свидетелями которого мы являемся » настоящее время. Чтобы осознать этот процесс,достаточно вспомнить о часах или микрокалькуляторах с жидкокристаллическимииндикаторами. Но это только начало. На смену традиционным и привычнымустройствам идут жидкокристаллические системы отображения информации.jkbk часто бывает, технические потребностине только стимулируют разработку проблем, связанных с практическимиприложениями, но и часто заставляют переосмыслить общее отношение ксоответствующему разделу науки. Так произошло и с жидкими кристаллами. Сейчаспонятно, что это важнейший раздел физики конденсированного состояния.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимостьв жидких кристаллах носит ионный характер. Это означает, что ответственными заперенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как в металлах, агораздо более массивные частицы. Это положительно и отрицательно заряженныефрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточныйэлектрон. По этой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависитот количества и химической природы содержащихся в них примесей. В частности,электропроводность нематика можно целенаправленно изменять, добавляя в негоконтролируемо» количество ионных добавок, в качестве которых могут выступатьнекоторые соли.
Из сказанного понятно, что ток в жидком кристаллепредставляет собой направленное движение ионов в системе ориентированныхпалочек-молекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойствонематика обладать проводимостью вдоль директора в р. больше, чему,представляется совершенно естественным и понятным. Действительно, при движениишариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем придвижении поперек молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, чтопродольная проводимость о II будет превосходить поперечную проводимость.
Более того, обсуждаемая модель шариков-ионов в системеориентированных палочек-молекул с необходимостью приводит к следующему важномузаключению. Двигаясь под действием электрического тока поперек направлениядиректора (мы считаем, что поле приложено поперек директора), ионы,сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдольнаправления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Мыприходим к заключению, что электрический ток в жидком кристалле должен приводитьк переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простоймеханической модели прохождения тока в жидком кристалле. Однако во многихслучаях ситуация оказывается не такой простой, как может показаться на первыйвзгляд.
Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика,вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентациимолекул, а периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Делоздесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы нематика воздействии ионовносителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в своедвижение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения прохождениетока в жидком кристалле может сопровождаться гидродинамическими потоками,вследствие чего может установиться периодическое в пространстве распределениескоростей течения жидкого кристалла. Вследствие обсуждавшейся в предыдущемразделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематикавозникнет периодическое возмущение распределения директора. Подробней на этоминтересном и важном в приложении жидких кристаллов явлении мы остановимсяниже, рассказывая об электрооптике нематиков.
Флексоэлектрический эффект. Говоря о форме молекулжидкого кристалла, мы пока аппроксимировали ее жесткой палочкой. А всегда литакая аппроксимация хороша? Рассматривая модели структур молекул, можно прийтик заключению, что не для всех соединений приближение молекула-палочка наиболееадекватно их форме. Далее мы увидим, что с формой молекул связан рядинтересных, наблюдаемых на опыте, свойств жидких кристаллов. Сейчас мыостановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов, связанном с отклонениемее формы от простейшей молекулы-палочки, проявляющемся в существовании флексоэлектрического эффекта.
Интересно, что открытие флексоэлектрического эффекта, какиногда говорят о теоретических предсказаниях, было сделано на кончике пераамериканским физиком Р. Мейером в 1969 году.
Рассматривая модели жидких кристаллов, образованных не молекулами-палочками,а молекулами более сложной формы, он задал себе вопрос: «Как форма молекулыможет обнаружить себя в макроскопических свойствах?» Для конкретности Р. Мейерпредположил, что молекулы имеют грушеобразную или банановидную форму. Далее он предположил,что отклонение формы молекулы от простейшей, рассматривавшейся ранее,сопровождается возникновением у нее электрического дипольного момента.
Возникновение дипольного момента у молекулы несимметричнойформы — типичное явление и связано оно с тем, что расположение «центра тяжести»отрицательного электрического заряда электронов в молекуле может бытьнесколько смещено относительно «центра тяжести» положительных зарядов атомныхядер молекулы. Это относительное смещение отрицательных и положительныхзарядов относительно друг друга и приводит к возникновению электрическогодипольного момента молекулы. При этом в целом молекула остается нейтральной,так как величина отрицательного заряда электронов в точности равнаположительному заряду ядер. Величина дипольного момента равна произведению зарядаодного из знаков на величину их относительного смещения. Направлен дипольныймомент вдоль направления смещения от отрицательного заряда к положительному.Для грушеобразной молекулы направление дипольного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения, для банановидной молекулы —направлено поперек длинной оси.
Рассматривая жидкий кристалл таких молекул, легко понять,что без влияния на него внешних воздействий дипольный момент макроскопическималого, но, разумеется, содержащего большое число молекул объема жидкогокристалла, равен нулю. Это связано с тем, что направление директора в жидкомкристалле задается ориентацией длинных осей молекул, количество же молекул,дипольный момент которых направлен по директору в ту и другую сторону — длягрушеобразных молекул, или для банановидных молекул — поперек направления директорав ту и другую сторону, одинаково. В результате дипольный момент любогомакроскопического объема жидкого кристалла равен нулю, так как он равен суммедипольных моментов отдельных молекул.
Так, однако, дело обстоит лишь в неискаженном образце.Стоит путем внешнего воздействия, например механического, исказить, скажем,изогнуть его, как молекулы начнут выстраиваться, и распределение направленийдипольных моментов отдельных молекул вдоль директора для грушеподобных молекули поперек директора для банановидных будет неравновероятным. Это означает, чтовозникает преимущественное направление ориентации дипольных моментов отдельныхмолекул и, как следствие, появляется макроскопический дипольный момент в объемежидкого кристалла. Причиной такого выстраивания являются сферические факторы,т. е. факторы, обеспечивающие плотнейшую упаковку молекул. Плотнейшей упаковкемолекул именно и соответствует такое выстраивание молекул, при котором ихдипольные моменты «смотрят» преимущественно в одну сторону.
С макроскопической точки зрения рассмотренный эффектпроявляется в возникновении в слое жидкого кристалла электрического поля придеформации. Как видно из рисунка, это связано с тем, что при выстраиваниидиполей на одной поверхности деформированного кристалла оказывается избытокзарядов одного, а на противоположной поверхности — другого знака. Такимобрезом, наличие или отсутствие флексоэлектрического эффекта несет информацию оформе молекул и ее дипольном моменте. Для молекул-палочек такой эффектотсутствует. Для только что рассмотренных форм молекул эффект есть. Однако,как уже, наверное, заметили наиболее внимательные читатели, для грушеподобных ибанановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слоенадо вызвать в нем различные деформации. Грушеподобных молекулы дают эффектпри поперечном изгибе, а банановидные — при продольном изгибе жидкого кристалла
Предсказанный теоретически флексоэлектрический эффект вскоребыл обнаружен экспериментально. Причем на эксперименте можно было пользоватьсякак прямым, так и обратным эффектом. Это означает, что можно не только путемдеформации ЖК индуцировать в нем электрическое поле и макроскопический дипольныймомент (прямой эффект), но и, прикладывая к образцу внешнее электрическоеполе, вызывать деформацию ориентации директора в жидком кристалле.
Мы поняли что такое жидкие кристаллы, ну а для чего жеони нужны?
Электронная игра, электронный словарь и телевизор на жк»
Известно, какой популярностью пользовались различныеэлектронные игры, обычно устанавливаемые в специальной комнате аттракционов вместах общественного отдыха или фойе кинотеатров. Успехи в разработкематричных жидкокристаллических дисплеев сделали возможным создание и массовоепроизводство подобных игр в миниатюрном, так сказать, карманном исполнении.Игра «Ну, погоди!», освоена отечественной промышленностью. Габариты этой игры,как у записной книжки, а основным ее элементом является жидкокристаллическийматричный дисплей, на котором высвечиваются изображения волка, зайца, кур икатящихся по желобам яичек. Задача играющего, нажимая кнопки управления,заставить волка, перемещаясь от желоба к желобу, ловить скатывающиеся сжелобов яички в корзину, чтобы не дать им упасть на землю и разбиться. Здесь жеотметим, что, помимо развлекательного назначения, эта игрушка выполняет рольчасов и будильника, т. е. в другом режиме работы на дисплее «высвечивается»время и может подаваться звуковой сигнал в требуемый момент времени.
Еще один впечатляющий пример эффективности союза матричныхдисплеев на жидких кристаллах и микроэлектронной техники дают современныеэлектронные словари, которые начали выпускать в Японии. Они представляют собойминиатюрные вычислительные машинки размером с обычный карманныймикрокалькулятор, в память которых введены слова на двух (или больше) языках икоторые снабжены матричным дисплеем и клавиатурой с алфавитом. Набирая наклавиатуре слово на одном языке, вы моментально получаете на дисплее егоперевод на другой язык. Представьте себе, как улучшится и облегчится процессобучения иностранным языкам в школе и в вузе, если каждый учащийся будет снабженподобным словарем) А наблюдая, как быстро изделия микроэлектроники внедряютсяв нашу жизнь, можно с уверенностью сказать, что такое время не за горами) Легкопредставить и пути дальнейшего совершенствования таких словарей-переводчиков:переводится не одно слово, а целое предложение. Кроме того, перевод может бытьи озвучен. Словом, внедрение таких словарей-переводчиков сулит революцию визучении языков и технике перевода.
Требования к матричному дисплею, используемому в качествеэкрана телевизора, оказываются значительно выше как по быстродействию, так и почислу элементов, чем в описанных выше электронной игрушке исловаре-переводчике. Это станет понятным, если вспомнить, что в соответствии стелевизионным стандартом изображение на экране формируется из 625 строк (иприблизительно из такого же числа элементов состоит каждая строка), а времязаписи одного кадра 40 мс. Поэтому практическая реализация телевизора сжидкокристаллическим экраном оказывается более трудной задачей. Тем не менее,налицо первые успехи в техническом решении и этой задачи. Так, японская фирма«Сони» наладила производство миниатюрного, умещающегося практически на ладонителевизора с черно-белым изображением и размером экрана 3,6 см. Несомненно, вбудущем удастся создать телевизоры на ЖК как с более крупными экранами, так ис цветным изображением.
Союз микроэлектроники и жидких кристаллов оказываетсячрезвычайно эффективным не только в готовом изделии, но и на стадииизготовления интегральных схем. Как известно, одним из этапов производствамикросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхностьполупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании спомощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна врезультате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы исоединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размерысоответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут бытьразмещены на единице площади полупроводника, а от точности и качествавытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контролекачества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которыевизуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участкисхемы с аномальным тепловыделением. Не менее полезным оказалось применениежидких кристаллов (теперь уж нематических) на стадии контроля качествалитографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленнымилитографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к нейприкладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном светекартина " вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этотметод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефектылитографических работ, 1 протяженность которых всего 0,01 мкм.
Некоторое время тому назад необычной популярностью в СШАпользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстеньнастроения». За год было продано 50 миллионов такихперстней, т. е. практически каждая взрослая женщинаимела это ювелирное изделие. Что же привлекло внимание любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладалсовершенно мистическим свойством реагировать нанастроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстняследовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного дофиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение,декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка,плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.
Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы столкнулисьс загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцуперстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ничеготолком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан нажидком кристалле. Для читателя, который знаком с жидкими кристаллами, нужносделать уточнение — на холестерическом жидкомкристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическимисвойствами. Тем, который только слышал о жидких кристаллах, а может быть, и неслышал о них вообще, чтобы раскрыть секрет перстня настроения, необходимосначала познакомиться с тем, что такое жидкие кристаллы, и тогда он узнает нетолько о том, как жидкие кристаллы позволяют следить за настроением человека,но и о многих других удивительных их свойствах и практических применениях.
О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ
Жидкие кристаллы сегодня и завтра. Многие оптическиеэффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоенытехникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известнычасы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкиекристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроенкалькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как назвать такое устройство, то личасы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всегодесятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовыхи эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтомустоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов,которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько летпослужат основой создания устройств, которые станут для нас такими жепривычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.
Управляемые оптические транспаранты. Рассмотримпример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллическихэкранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров.Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллахсталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологическогохарактера. Хотя принципиально возможность создания таких экрановпродемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства присовременной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтомувозникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которыхизображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло быбыть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как этопроисходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройствамогут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевыеструктуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слойфотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле,осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. Оподобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся сфизическими явлениями, положенными в основу его работы.
Принцип записи изображения очень прост. В отсутствиеподсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практическився разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которуюеще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слоефотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствуетотсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимостьрезко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока(свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределениеэлектрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает нажидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптическиехарактеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Такимобразом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя врезультате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использованлюбой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выборэлектрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемомэлектрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическимихарактеристиками и чисто технологическими причинами.
Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптическиххарактеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветкифотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокойразрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионномэкране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1х1 см2.
Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего,обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную системукоммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяетсяв матричных экранах на жидких кристаллах.
Пространственно-временные модуляторы света. Управляемыеоптические транспаранты могут быть использованы не только как элементыпроекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанныхс преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи стенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованиемоптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств иобъем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидкихкристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этомслучае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света(ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС вустройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшниехарактеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторонудостижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышениябыстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а такжедиапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Какуже отмечалось, одна из основных проблем — это проблема быстродействияжидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристикимодуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займутзначительное место в системах обработки оптической информации. Нижерассказывается о ряде возможных применений модуляторов света.
Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторовсвета к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностьюсветового потока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешениесигнала — около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы модуляторов,выполненных на различных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волнот ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что всвязи с применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшитьвременные характеристики устройств по сравнению с быстродействием собственножидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводникамогут зарегистрировать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с.Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точкерегистрации сигнала происходит с запаздыванием, т. е. более медленно, всоответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристаллапри наложении на него (или снятии) электрического поля.
Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнятьмодуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора онимогут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контурперемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, чтодлина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучениямогут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например,визуализировать инфракрасное излучение, или с помощью видимого светамодулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображения винфракрасном диапазоне длин волн.
В другом режиме работы модуляторы света могут выделятьобласти, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всегоизображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображениюсветовые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могутиспользоваться как усилители яркости света (в 10^—10° раз и более) В связи же сих высокой пространственной разрешающей способностью их использованиеоказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"—10^) числомканалов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов даютОснование использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической информации,таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный икорреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм вреальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленные возможностижидкокристаллических оптических модуляторов реализуются в надежные техническиеустройства, покажет ближайшее будущее.
Оптический микрофон. Только что было рассказано обуправлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптическойобработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не толькосветовые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия всветовые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура,деформация и т. д. И вот для преобразования этих воздействий в оптическийсигнал жидкокристаллические устройства оказываются опять-таки очень удобными иперспективными элементами оптических систем.
Конечно, существует масса методов преобразовыватьперечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинствоэтих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрическийсигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Такимобразом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экономичныев реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит втом, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно непосредственнопереводить в оптический сигнал, что устраняет промежуточное звено в цепивоздействие—световой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощение вуправление световым потоком. Другое достоинство ЖК-элементов в том, что онилегко совместимы с узлами волоконно-оптических устройств.
Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлятьсветовыми сигналами, расскажем о принципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устройства,предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала воптический.
Принципиальная схема устройства оптического микрофона оченьпроста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика.Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающиетакже переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности)проходящего поляризованного светового потока.
Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК,выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрамон не уступает существующим образцам и может быть использован в оптическихлиниях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковыхсигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурноминтервале существования нематической фазы его акустооптические характеристикипрактически не изменяются
[9]-Прежде чем перейти к другому примеру возможного
применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, чтооптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этоговолновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесенопокрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутреннейчасти волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение светана границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режим распространениясвета в волокне. может быть, также достигнут не только за счет резкойдиэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломления(диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода.
По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкогокристалла также может быть реализован волноводный режим распространения светавдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрическойпроницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрическиххарактеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осеймолекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путемприложения электрического поля обеспечить такой характер изменения ориентациидиректора по толщине, что для определенной поляризации света такой слойоказывается оптическим волноводом.
Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оптическимволокном-волноводом и жидкокристаллическим волноводом. Но имеется здесь иочень существенная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлектрическиехарактеристики оптического волокна, а следовательно, и его волноводныесвойства, неизменны и формируются при его изготовлении, то диэлектрические, аследовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешнихвоздействий.
Это значит, например, что если жидкокристаллическийволновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этомуканалу, можно модулировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В простейшемслучае это может быть просто прерывание светового потока, которое можетпроисходить в ЖК-элементе при таком переключении электрического сигнала на нем,которое приводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этотже ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроентак, что акустический сигнал вызывает в нем возмущение ориентации директора.
Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одногозаманчивого, неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристалловстоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидкихкристаллов. Причем, что представляется особенно заманчивым, такая система«стереотелевидения на жидких кристаллах» может быть реализована ценой оченьпростой модификации передающей телекамеры и дополнением обычных телевизионныхприемников специальными очками, стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрами.
Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Еслиучесть, что кадр изображения на телеэкране формируется построчно, причем так,что сначала высвечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с помощьюочков с жидкокристаллическими фильтрами легко сделать так, чтобы правый глаз,например, видел только четные строчки, а левый — нечетные. Для этого достаточносинхронизировать включение и выключение жидкокристаллических фильтров, т. е.возможность воспринимать изображение на экране попеременно то одним, то другимглазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков свысвечиванием четных и нечетных строк.
Теперь совершенно ясно, какое усложнение передающейтелекамеры даст стереоэффект телезрителю. Надо, чтобы передающая телекамерабыла стерео, т. е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствующимивосприятию объекта левым и правым глазом человека, четные строчки на экранеформировались с помощью правого, а нечетные—с помощью левого объективапередающей камеры.
Система очков с жидкокристаллическими фильтрами—затворами,синхронизированными с работой телевизора, может оказаться непрактичной длямассового применения. Возможно, что более конкурентоспособной окажетсястереосистема, в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами. При этомкаждое из стекол очков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскостьполяризации которого перпендикулярна плоскости поляризации света,пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается спомощью жидкокристаллической пленки, нанесенной на экран телевизора ипропускающей от четных строк свет одной линейной поляризации, а от нечетных—другойлинейной поляризации, перпендикулярной первой.
Какая из описанных систем стереотелевидения будетреализована или выживет совсем другая система, покажет будущее.
Очки для космонавтов. Знакомясь ранее с маской дляэлектросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что вэтих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу всеполе зрения одного или обоих глаз. Между тем существуют ситуации, когда нельзяперекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельныеучастки поля зрения.
Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтовв условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении, неослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски дляэлектросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемыежидкокристаллические фильтры.
Усложнение очков в этом случае состоит в том, что полезрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а нескольконезависимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в видеконцентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок настекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зренияглаза.
Такие очки могут быть полезны не только космонавтам, но илюдям других профессий, работа которых может быть связана не только с яркимнерассеянным освещением, но и с необходимостью воспринимать большой объемзрительной информации.
Например, в кабине пилота современного самолета огромноеколичество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно.Поэтому использование пилотом очков, ограничивающих поле зрения, может бытьполезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать еговнимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлекающеевлияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можнопойти и по-другому пути поставить ЖК-фильтры на индикаторы приборов, чтобыиметь возможность экранировать их показания.
Подобные очки будут очень полезны также в биомедицинскихисследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количествазрительной информации. В результате таких исследований можно выявить скоростьреакции оператора на зрительные сигналы, определить наиболее трудные иутомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной организацииего работы. Последнее значит определить наилучший способ расположения панелейприборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различной степениважности и т. д.
Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах,несомненно, найдут (и уже находят) широкое применение в кино-, фотоаппаратуре.В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожноеколичество энергии, а в ряде случаев позволяют исключить из аппаратуры детали,совершающие механические движения. А как известно, механические системы частооказываются наиболее громоздкими и ненадежными.
Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются ввиду? Это прежде всего диафрагмы, фильтры — ослабители светового потока,наконец, прерыватели светового потока в киносъемочной камере, синхронизованныес перемещением фотопленки и обеспечивающие покадровое ее экспонирование.
Принципы устройства таких ЖК-элементов ясны из предыдущего.В качестве прерывателей и фильтров-ослабителей естественно использоватьЖК-ячейки, в которых под действием электрического сигнала изменяетсяпропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей системыячеек в виде концентрических колец, которых могут под действием электрическогосигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует такжеотметить, что слоистые структуры, содержащие жидкий кристалл и фотополупроводник,т. е. элементы типа управляемых оптических транспарантов, могут бытьиспользованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и дляавтоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.
При всей принципиальной простоте обсуждаемых устройств ихширокое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологическихвопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элементов, ихработы в широком температурном интервале, наконец, конкуренции с традиционнымии устоявшимися техническими решениями и т. д. Однако решение всех этих проблем— это только вопрос времени, и скоро, наверное, трудно будет себе представитьсовершенный фотоаппарат, не содержащий ЖК-устройства.