Реферат к проекту Жидкие кристаллы

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №10
города-курорта Железноводска.



Реферат на тему:

Жидкие кристаллы
и их применение в современной технике.


Автор: Берестовой Максим Андреевич
Ученик 10 Г класса МКОУ СОШ №10
города-курорта Железноводска


Научный руководитель:
Зайцева Евгения Алексеевна
Квалификационная категория: высшая





Железноводск 2013г
Содержание
13 TOC \o "1-3" \h \z \u 1413 LINK \l "_Toc229377689" 14Введение 13 PAGEREF _Toc229377689 \h 1431515
13 LINK \l "_Toc229377690" 141. История открытия жидких кристаллов 13 PAGEREF _Toc229377690 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc229377691" 142.Группы жидких кристаллов 13 PAGEREF _Toc229377691 \h 1481515
13 LINK \l "_Toc229377692" 142.1. Лиотропные жидкие кристаллы 13 PAGEREF _Toc229377692 \h 1481515
13 LINK \l "_Toc229377693" 142.2 Термотропные жидкие кристаллы 13 PAGEREF _Toc229377693 \h 1491515
13 LINK \l "_Toc229377694" 142.2.1 Смектические жидкие кристаллы (смектики S). 13 PAGEREF _Toc229377694 \h 1491515
13 LINK \l "_Toc229377695" 142.2.2 Нематические жидкие кристаллы (нематики N) 13 PAGEREF _Toc229377695 \h 14101515
13 LINK \l "_Toc229377696" 142.2.3 Холестерические жидкие кристаллы (холестерики Сhоl) 13 PAGEREF _Toc229377696 \h 14111515
13 LINK \l "_Toc229377697" 143. Свойства жидких кристаллов 13 PAGEREF _Toc229377697 \h 14131515
13 LINK \l "_Toc229377698" 144. Применение жидких кристаллов 13 PAGEREF _Toc229377698 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc229377699" 144.1 Применение жидких кристаллов в медицине 13 PAGEREF _Toc229377699 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc229377700" 144.2 Применение жидких кристаллов на производстве 13 PAGEREF _Toc229377700 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc229377701" 144.3 Применение жидких кристаллов в интегральных схемах 13 PAGEREF _Toc229377701 \h 14141515
13 LINK \l "_Toc229377702" 144.4 Мониторы на жидких кристаллах 13 PAGEREF _Toc229377702 \h 14151515
13 LINK \l "_Toc229377703" 144.4.1 Мониторы с активной матрицей 13 PAGEREF _Toc229377703 \h 14191515
13 LINK \l "_Toc229377704" 144.4.2.Сегнетоэлектрические дисплеи 13 PAGEREF _Toc229377704 \h 14211515
5. О будущих применениях жидких кристаллов...22
13 LINK \l "_Toc229377705" 14Заключение 13 PAGEREF _Toc229377705 \h 14221515
13 LINK \l "_Toc229377706" 14Литература 13 PAGEREF _Toc229377706 \h 14241515
13 LINK \l "_Toc229377707" 14Приложение 1 13 PAGEREF _Toc229377707 \h 14261515
13 LINK \l "_Toc229377708" 14Приложение 2 13 PAGEREF _Toc229377708 \h 14271515
15Введение
Сенсация года! Некоторое время тому назад необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внимание любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагировать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового. 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 столкнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ничего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.
Зачем нужны ЖК? Все чаще на страницах научных, а последнее время и научно-популярных журналов появляется термин «жидкие кристаллы» (в аббревиатуре ЖК) и статьи, посвященные жидким кристаллам. В повседневной жизни мы сталкиваемся с часами, термометрами на жидких кристаллах. Цель моего исследования, выяснить: что же это за вещества с таким парадоксальным названием «жидкие кристаллы» и почему к ним проявляется столь значительный интерес?
В ходе работы передо мною стояли следующие задачи:
1. Ознакомление со структурой строения различных видов жидких кристаллов, их свойствами и принципами действия.
2. Выяснение условий управления жидкими кристаллами.
3. Рассмотрение перспектив актуального развития технологий, работающих на жидких кристаллах.
4. Исследование характеристик мониторов с разными принципами работы.
В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства. В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.
Жидкие кристаллы представляют собой системы, в которых уникальным образом сочетаются свойства жидкостей (текучесть) и кристаллов (анизотропия). Эти жидкости сохраняют ориентацию молекул и являются анизотропными по своим оптическим свойствам. В то же время они чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. В частности, очень слабые электрические и магнитные поля способны изменить ориентацию системы и её оптические свойства. То же можно сказать и о реакции жидких кристаллов на малые изменения температурного поля. Электрооптические эффекты используются в ставших широко известными системах отображения информации. Термооптические эффекты широко используются в медицине и при производстве микросхем для определения локальных областей с повышенной температурой.
На пути к практическому применению этих эффектов встает большое количество физических задач, которые требуют своего решения. К ним относятся построения моделей жидких кристаллов, исследование поведения жидких кристаллов во внешних полях, вблизи порогов неустойчивости, задачи распространения линейных и нелинейных волн, многочисленные задачи гидродинамики анизотропных жидкостей, описание фазовых переходов между жидкими кристаллами с различной симметрией.
1. История открытия жидких кристаллов
Впервые образование новой, необычной фазы было замечено австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888, изучавшим роль холестерина в растениях. Нагревая синтезированное им твердое вещество холестерилбензоат, он обнаружил, что при температуре
·1450С кристаллы плавятся и образуют мутную, сильно рассеивающую свет жидкость, ныне называемую жидким кристаллом, которая при дальнейшем нагревании
·1790С становится совершенно прозрачной, то есть начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Так же у этого соединения имеются две точки плавления, три различные фазы: твердая, жидкокристалическая и жидкая. Интервал этого перехода достаточно велик и составляет 34°С. Рейнитцер отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. А рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации. [4]
Рейнитцер описал свой эксперимент в статье, опубликованной в одном из химических журналов в 1888 г. Обращает на себя внимание необыкновенно деликатный слог письма, которое Рейнитцер написал немецкому физику Отто Леману: «... я осмеливаюсь просить Ваше высокоблагородие переслать Вам два вещества с просьбой по возможности более тщательно исследовать их физическую изомерию. Оба вещества (холестерилацетат и холестерилбензоат) обнаруживают такие выдающиеся и красивые явления, что я надеюсь, это в какой-то мере заинтересует Вас. В связи с этим, а также из собственного». [5]
Вскоре Леман провел систематическое исследование органических соединений и нашел, что они по своим свойствам похожи на холестерилбензоат. Каждое из соединений вело себя как жидкость по своим механическим свойствам и как кристаллическое твердое тело – по оптическим свойствам. Леман показал, что мутная промежуточная фаза – это кристаллоподобная структура и предложил для нее термин «жидкий кристалл» – Flussige Kristalle. Затем Ж. Фридель указал, что название «жидкий кристалл» вводит в заблуждение, так как соответствующие вещества не являются ни реальными кристаллами, ни реальными жидкостями. Он предложил называть эти соединения мезоморфными (греч. «мезос» промежуточный, средний) и разделил их на три класса. Соединения, имеющие свойства, схожие с мылами он назвал смектическими, далее шли нематические (греч. «нема» – нить) структуры, схожие со смектиками по своим оптическим свойствам, а затем – холестерические системы, поскольку к ним относилось большое число производных холестерина.[4]
Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения.
В 1963 г. американец Дж. Фергюсон использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение, интерес к жидким кристаллам резко возрос.
В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.
В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, 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 исследователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов.
2.Группы жидких кристаллов
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:
2.1. Лиотропные жидкие кристаллы
Представляют собой двух- или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи по гр. с двух концов, филос любящий). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.
Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода.
Существует много типов лиотропных жидкокристаллических текстур. Их многообразие объясняется различной внутренней молекулярной структурой, которая является более сложной, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы мицеллы. Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными.
Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ в определенных растворителях. Например, водные растворы мыл, полипептидов, липидов, белков, ДНК и др. образуют жидкие кристаллы в определенном интервале концентраций и температур. Структурными единицами лиотропных жидких кристаллов являются надмолекулярные образования различных типов, распределенные в среде растворителя и имеющие цилиндрическую, сферическую или др. форму.
2.2 Термотропные жидкие кристаллы
Это вещества, для которых мезоморфное состояние характерно в определенном интервале температур и давлений. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Каждая мезофаза существует в определенном температурном интервале. У разных веществ этот интервал различен. В настоящее время известны соединения, имеющие жидкокристаллическую фазу в интервале от отрицательных температур до 300-4000С. Структурные переходы всегда осуществляются по схеме: твердокристаллическая фаза смектическая нематическая аморфно-жидкая. Термотропные жидкие кристаллы можно получить также в результате охлаждения изотропной жидкости. Эти переходы являются фазовыми переходами первого рода (с выделением теплоты фазового перехода). Теплота перехода жидкого кристалла в аморфную жидкость в десятки раз меньше теплоты плавления органических твердых кристаллов.
В свою очередь, термотропные жидкие кристаллы подразделяются на три больших класса:
2.2.1 Смектические жидкие кристаллы (смектики S).
Они имеют слоистую структуру, с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без помех скользить друг по другу. В наиболее распространенной упаковке продольные оси молекул направлены приблизительно под прямым углом к плоскости слоя. Каждая молекула может двигаться в двух измерениях, оставаясь в слое, и вращаться вокруг своей продольной оси. Расстояние между молекулами слоя может быть либо постоянным, либо беспорядочно меняющимся. Слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул, Кроме того, возможно упорядоченное и неупорядоченное расположение молекул в самих слоях. Все это обусловливает возможности образования различных полиморфных модификаций. Известно свыше десятка полиморфных смектических модификаций, обозначаемых буквами латинского алфавита: смектики А, В, С и т. д. (или SА, SВ, SC и т. д.).Типичным смектиком является терефтал-бис(nара-бутиланилин)
2.2.2 Нематические жидкие кристаллы (нематики N)
В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, В нематических жидких кристаллах молекулы расположены параллельно или почти параллельно друг другу. Они могут двигаться во всех направлениях и вращаться вокруг своих продольных осей, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Их можно уподобить карандашам в коробке: карандаши могут вращаться и скользить вперед и назад, но должны оставаться параллельными друг другу. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может служить N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин.

Рисунок 1 - Расположение молекул ЖК
2.2.3 Холестерические жидкие кристаллы (холестерики Сhоl)
Образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. В этих жидких кристаллах молекулы упакованы в параллельных слоях так, что продольные оси всех молекул лежат в плоскости слоя. При этом «архитектура» молекулярной упаковки такова, что продольные оси молекул одного слоя повернуты на небольшой угол относительно молекул соседнего слоя. Это угловое смещение постепенно нарастает от слоя к слою как бы по спирали, один виток которой соответствует толщине около 0,5 мкм. Спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски жидкого кристалла.
Холестерики образуется двумя группами соединений: производными оптически активных стероидов, главным образом холестерина (отсюда и название), и нестероидными соединениями, принадлежащими к тем же классам соединений, которые образуют нематические жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной кислоты, азо- и азоксисоединений и др.).В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат.
Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором называемым «директором».

Рисунок 2 - Строение холестерика
В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л.Д.Ландау, а открыт лишь в 1977году Чандрасекаром.[1]
Рисунок 3 - Нематические дискотики(слева), колончатые дискотики (справа)
3. Свойства жидких кристаллов.
У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.
Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.
Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146° С, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.
Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.[3]
4. Применение жидких кристаллов
Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов.
4.1 Применение жидких кристаллов в медицине
Зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла: таким образом жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
Рисунок 4 – результат диагностики тканей человека.
4.2 Применение жидких кристаллов на производстве
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары
· вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.
4.3 Применение жидких кристаллов в интегральных схемах
Одним из этапов производства микросхем является фотолитография, которая состоит в нанесении на поверхность полупроводникового материала специальных масок, а затем в вытравливании с помощью фотографической техники так называемых литографических окон. Эти окна в результате дальнейшего процесса производства преобразуются в элементы и соединения микроэлектронной схемы. От того, насколько малы размеры соответствующих окон, зависит число элементов схемы, которые могут быть размещены на единице площади полупроводника, а от точности и качества вытравливания окон зависит качество микросхемы. Выше уже говорилось о контроле качества готовых микросхем с помощью холестерических жидких кристаллов, которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить участки схемы с аномальным тепло-выделением. Не менее полезным оказалось применение жидких кристаллов (теперь уже нематических) на стадии контроля качества литографических работ. Для этого на полупроводниковую пластину с протравленными литографическими окнами наносится ориентированный слой нематика, а затем к ней прикладывается электрическое напряжение. В результате в поляризованном свете картина вытравленных окон отчетливо визуализируется. Более того, этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литографических работ, протяженность которых всего 0,01 мкм.[2]
4.4 Мониторы на жидких кристаллах
Несмотря на большое число возмлжных применений ЖК, основное их применение связано с электро-оптическими (ЭО) приборами. Для таких применений ЖК (нематик) должен обладать четырьмя необходимыми свойствами, а именно: поверхностным упорядочением, переориентацией директора электрическим полем или диэлектрической анизотропией, вращением плоскости поляризации света или оптической анизотропией и ориентационной эластичностью (способностью молекул к различным поворотам).
Рассмотрим все свойства по отдельности.
1.Поверхностное упорядочение. Обычно ЭО дисплей представляет собой стеклянную кювету толщиной меньше 20 мкм, в которую помещен ЖК. Направление директора ЖК может быть задано обработкой поверхностей кюветы таким образом, чтобы молекулы ЖК выстраивались в определенном направлении параллельно плоскости кюветы или перпендикулярно к ней. Один из способов обработки поверхности заключается в нанесении на нее тонкого слоя твердого полимера и последующего «натирания» его в одном направлении.
2. Диэлектрическая анизотропия ЖК может быть записана как разность диэлектрической проницаемости в направлении параллельном директору и перпендикулярном ему. Если директор выстраивается параллельно полю то
·
·>0.
3. Оптическая анизотропия связана с анизотропией коэффициента преломления – n, или двулучепреломлением. Это означает, что материал имеет два значения n для направлений поляризации света параллельно и перпендикулярно директору, разница между ними
·n есть мера оптической анизотропии. Для работы ЖК дисплея эта величина должна быть >0,2.
4. Ориентационная эластичность необходима для обеспечения поворота молекул при приложении поля и возврата их в исходное положение после выключения поля. Это свойство описывается эластичными константами наклона, закручивания и изгиба К11, К22 и К33.
Рисунок 5 - сегментный и точечный дисплей
Используя различные ориентации директора (изначально с помощью поверхностного упорядочения) затем с помощью приложения электрического поля можно сконструировать простейший ЭО прибор. При этом верхнюю и нижнюю поверхность кюветы натирают в перпендикулярных направлениях, так что директор ЖК поворачивается от верха кюветы к низу на 900, таким образом, вращая плоскость поляризации. Контраст изображения достигается с помощью скрещенных поляроидов. В скрещенных поляроидах эта ячейка выглядит светлой. Если теперь приложить электрическое поле, директор молекул ЖК будет выстраиваться параллельно полю, вращение плоскости поляризации исчезнет, и свет в скрещенных поляроидах перестанет проходить. Напряжение, необходимое для поворота директора составляет обычно 2В-5В и определяется диэлектрической анизотропией и эластичными константами. Прохождение света через ЖК ячейку в скрещенных поляроидах без напряжения и с напряжением. Важно, что действие электрического поля не связано с дипольным моментом молекулы и поэтому не зависит от направления поля. Это позволяет использовать для управления переменное поле (постоянное поле может приводить к накоплению зарядов на электродах и выходу прибора из строя). Важным параметром является также время возвращения ЖК в исходное состояние после выключения поля, оно определяется поворотом длинных молекул и составляет 30-50 мс. Такое время достаточно для работы различных дисплеев, но на несколько порядков превышает время необходимое для работы телевизионных экранов. Как можно видеть на рис. 6,
Рисунок 6 - конструкция ЖК дисплея
ЖК дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Две панели расположены очень близко друг к другу. Сверху и снизу помещены две поляризационные пленки. Для подсветки обычно используется лампа, иногда дисплеи, например, дисплеи часов работают в отраженном свете. Для подачи информации на стеклянные панели наносится слой полупрозрачного ITO, в качестве электрода. Электроды наносятся в виде точек или сегментов, на которые подается отдельная информация. Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки (0.3 мкм), соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компонента. Комбинируя три основных цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Первые ЖК дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня они достигли 15-дюймовых размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся дисплеи с диагональю 20-дюймов и более.
Технология создания ЖК дисплеев, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения. Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии.[2]
4.4.1 Мониторы с активной матрицей
Лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже. В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются тонкие пленки Thin Film Transistor (или ТFT). Это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм. Впервых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si). Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в ЖК-панели. Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов. Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1-дюймового дисплея TFT около 0,011 дюйма (или 0,28 мм). В последнее время появились сообщения об изготовлении полностью полимерного пикселя, при этом транзистор также сделан из полимера.[2]
4.4.2.Сегнетоэлектрические дисплеи
Несмотря на широкое применение дисплеев с активной матрицей на основе нематических ЖК, у них имеется принципиальный недостаток – большое время релаксации (время поворота директора ЖК после выключения электрического поля). Сейчас существует принципиально другая технология для изготовления плоских, быстро переключающихся дисплеев, основанная на применении сегнетоэлектрических, жидкокристаллических смектиков. На первый взгляд кажется странным, что для создания быстрых приборов используется более вязкая (по сравнению с нематиком) смектическая фаза ЖК. Молекулы такого смектика обладают дипольным моментом и расположены слоями, в каждом слое наклонены под одинаковым углом к плоскости слоя. Одинаковый угол наклона возникает вследствие взаимодействия диполей молекул наличия сегнетоэлектрической фазы. Приложение электрического поля может изменить направление диполей на противоположное и соответственно изменится угол наклона молекул. Таким образом, в слое молекул имеется две возможные ориентации диполей и самих молекул (без электрического поля и с ним). В сегнетоэлектрическом дисплее исходно поляризаторы света устанавливаются таким образом, чтобы свет не проходил (один параллельно направлению директора молекул, другой – перпендикулярно). После приложения электрического поля, диполи молекул поворачиваются параллельно полю, а директор молекул разворачивается на некоторый угол
· по отношению к поляризатору, при этом свет начинает частично проходить через структуру. Время поворота молекул в этом случае достаточно мало
· 1мкс, что на 2-3 порядка меньше времени возврата молекул в нематической фазе. Японскими электронными кампаниями уже разработаны телевизионные экраны на основе ЖК сегнетоэлектриков.[2]
5. О будущих применениях жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы сегодня и завтра.
Многие оптические эффекты в жидких кристаллах, о которых рассказывалось выше, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем известны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы используются для производства наручных часов, в которые встроен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как назвать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных применений жидких кристаллов еще более удивительны. Поэтому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются транзисторные приемники.
Управляемые оптические транспаранты. Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света.
Такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1Х1 см. Этот способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах.
Пространственно-временные модуляторы света. Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов могут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства.
Заключение.

При всей принципиальной простоте обсуждаемых жидкокристаллических устройств их широкое внедрение в массовую продукцию зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы жидкокристаллических - элементов, их работы в широком температурном интервале, наконец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д.
Чтобы доказать преимущество жидкокристаллических устройств, я провел сравнительную характеристику, по десяти бальной шкале, трех самых распространенных видов мониторов телевизора: монитора с электронно-лучевой трубкой, плазменного монитора и ЖК монитора.
Данные характеристики представлены в приложении 2. Из данных таблицы видно, что по многим критериям первенство одерживает жидкокристаллический монитор.
Я надеюсь, что решение проблемы широкого применения жидких кристаллов это только вопрос времени, и скоро, наверное, трудно будет себе представить совершенный фотоаппарат или телевизор, не содержащий жидкокристаллические устройства.
Тема « Жидкие кристаллы» актуальна, и если в неё вникнуть глубже, то она будет интересна каждому, даст ответы на многие вопросы, а самое главное – безграничное применение жидких кристаллов. Жидкие кристаллы загадочны по своей сущности и настолько неординарны, что в моей работе была рассказана лишь малая часть того, что известно о жидких кристаллах и их применении в настоящее время. Может быть, что жидкокристаллическое состояние вещества – это та ступенька, которая объединила неорганический мир с миром живой материи. Будущее новейших технологий принадлежит жидким кристаллам и жидкокристаллическим агрегатам!
















Литература.

1). Шабурин М. В., Алексеенко Д. Г. Жидкие кристаллы М. 1981. 520 с.
2). Браун Г., Уолкен Дж. Жидкие кристаллы и биологические структуры. М. 1998. 290 с.
3). Титов В.В., Севостьянов В.П., Кузьмин Н.Г., Семенов А.М. Жидкокристаллические дисплеи: строение, синтез, свойства жидких кристаллов "Микровидеосистемы". М.2003. 260 с.
4). Носов А. В. Наноэлектроника М. 1995. 350 с.
5). Николаев Л.А. Теоретическая химия. М: Высшая школа, 1984.-400с.
6). Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия
7). http://nanometer.ru
8). http://wikipedia.ru
Приложение 1

K - твердое кристаллическое состояние, I - изотропная жидкость (расплав), N - нeматики, S (SA, SB, SF) - смектики, D - дискотики, Ch - холестерики.
Приложение 2
«Сравнительная характеристика монитора с электронно-лучевой трубкой, плазменного монитора и ЖК монитора по десяти бальной шкале».

Критерий
монитора
С электронно-лучевой трубкой
Плазменный
Жидкокристаллический

Внешний вид
3
10
10

Прочность
10
8
6

Срок службы (гарантия)
10
8
8

Безопасность для человека
3
7
10

Разрешение
6
10
10

Вес
3
7
10

Толщина
2
9
10

Количество цветов
8
10
10

Яркость
4
10
10

Энергопотребление
7
7
10

Долговечность
10
7
7

Подсветка
0
10
10

Время отклика
8
10
6

Частота развертки
5
10
7

Нагрев ТV
4
7
10

Угол обзора
8
8
10

Качество обзора
7
8
10

Мерцание
7
8
10 (нет)

Цена
10
7
5










13 PAGE \* MERGEFORMAT 14215






Рисунок 3Заголовок 1Заголовок 2Заголовок 315