ЖК мониторы. Часть I


ЖКД. Часть I

Михаил Тычков aka Hard



Доброго времени суток.

Наверняка каждый из Вас видел (а у кого-то уже есть)
жидкокристаллические мониторы (LCD - Liquid Crystal Display).
А многие ли из Вас имеют представление, как они работают? Не многие? Тогда читайте!

Что представляет из себя LCD монитор? Во-первых, корпус, во-вторых -
сам жидкокристаллический дисплей, в-третьих - лампа подсветки и куча всевозможных
прибамбасов. И обо все этом я сейчас буду пытаться Вам рассказать.

Но что бы продолжить рассказ, придется совершить экскурс в физику и
химию веществ. Почему в качестве рабочего агента были выбраны жидкости, а точнее
жидкие кристаллы? Дело в том, что молекулы твердых веществ малоподвижны. Они
мерно покачиваются на своих местах и приходят в движение только при сильном нагревании.
Газы тоже не подходят. Их молекулы - ребята ненадежные. Кинетическая энергия молекул
газов превышает энергию межмолекулярных связей. Остается жидкость. Следует заметить,
что жидкость - это пограничная среда. Молекулы жидкости достаточно подвижны, но при этом
запаса их кинетической энергии не хватает (в диапазоне заданных температур) для разрыва
межмолекулярных связей. Но в технологии LCD применяются непросто жидкости, а жидкие
кристаллы. Что за фигня такая? Вообще надо сказать, что жидкие кристаллы - удивительные
вещества, обладающие рядом уникальных свойств. В обычных кристаллах место каждой
молекулы жестко предопределено кристаллической структурой и межмолекулярные силы очень
велики. Эту структуру называют дальним порядком. Кроме этого, существуют и
поликристаллические структуры, которые представляют собой связь мелких кристаллов.
Подобную структуру представляют собой большинство неорганических веществ. Так вот
жидкие кристаллы - что-то среднее, между кристаллической структурой и жидкостями и
представляют собой сложные органические вещества. Сейчас известно уже около сотни тысяч
органических веществ, которые могут находиться в жидкокристальном состоянии, и число
таких соединений непрерывно растет.

В зависимости от характера расположения молекул различают
три основных типа структур жидкокристаллических соединений: нематический,
холестерический и смектический.

Нематический тип жидких кристаллов характеризуется наличием только
одномерного ориентационного порядка длинных или коротких осей молекул. При этом центры
тяжести молекул расположены в пространстве хаотично, что свидетельствует об отсутствии
трансляционного порядка. Именно нематический тип жидких кристаллов и применяется в
производстве LCD мониторов.

Холестерический тип жидких кристаллов образовывается хиральными
(оптически активными) молекулами, содержащими асимметрический атом углерода. Это означает,
что такие молекулы являются зеркально-несимметричными в отличие от зеркально-симметричных
молекул нематиков.

Смектический тип жидких кристаллов ближе всего к истинно
кристаллическим телам. Молекулы располагаются в слоях, и их центры тяжести
подвижны в двух измерениях (на смектической плоскости). При этом длинные оси
молекул в каждом слое могут располагаться как перпендикулярно плоскости слоя
(ортогональные смектики), так и под некоторым углом (наклонные смектики).
Направление преимущественной ориентации осей молекул принято называть директором.

Ну как не устали еще? Двигаемся дальше. Анизотропия физических свойств -
основная особенность жидких кристаллов. Анизотропия (от греч. anisos - неравномерный и
tropos - направление) - зависимость свойств среды от направления. Анизотропия характерна,
например, для механических, оптических, магнитных, электрических и других свойств
кристаллов (Советский Энциклопедический Словарь, "Советская Энциклопедия" М.1988 стр. 59).

Основой любого жидкокристаллического индикатора является так называемая
электрооптическая ячейка. Две плоские стеклянные пластинки с нанесенным на них прозрачным
проводящим слоем из окиси олова или окиси индия, выполняющие роль электродов, разделяются
тонкими прокладками из непроводящего материала (полиэтилен, тефлон). Образовавшийся зазор
между пластинками, который колеблется от 5 до 50 мкм (в зависимости от назначения ячейки),
заполняется жидким кристаллом, и вся "сандвичевая" конструкция по периметру "запаивается"
герметиком или другим изолирующим материалом. Полученная таким образом ячейка может быть
помещена между двумя очень тонкими пленочными поляризаторами, плоскости поляризации которых
образуют определенный угол с целью наблюдения эффектов ориентации молекул под действием
электрического поля. Приложение к тонкому жидкокристаллическому слою даже небольшого
электрического напряжения (1,5-3 В) вследствие относительно низкой вязкости и внутреннего
трения анизотропной жидкости приводит к изменению ориентации жидкого кристалла.
При этом важно подчеркнуть, что электрическое поле воздействует не на отдельные молекулы,
а на ориентированные группы молекул (рои или домены), состоящие из десятков тысяч молекул,
вследствие чего энергия электростатического взаимодействия значительно превышает энергию
теплового движения молекул. В итоге жидкий кристалл поворачивается в зависимости от направления приложенного к нему
электрического поля. Если воздействие поля переменно, то группы молекул кристалла скручиваются или
выпрямляются. Эти движения кристаллов приводят к рассеиванию лучей света.

Вследствие большой величины двулучепреломления Dn процесс
ориентации ведет к резкому изменению структуры и оптических свойств жидкого кристалла.
Двойное лучепреломление - раздвоение светового луча при прохождении через анизотропную
среду. В некоторых кристаллах, например турмалине, каждый из раздвоенных лучей поглощается
по-разному в разных направлениях, что приводит к различной окраске (дихроизму). Двойное
лучепреломление может быть естественным и наведенным - под действием электрического поля,
магнитного, поля упругих сил.

Читать дальше