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.