Вход

Профессии жидких кристаллов

Реферат по физике
Дата добавления: 04 мая 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 354 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Всё чаще мы стали встречаться с т ермином “жидкие кристаллы” . Мы все часто с ними общаемся , и они играют немаловажную роль в нашей жизни . Мног ие соврем енные приборы и устройства работают на ни х . К таким относятся часы , термометры , дисп леи , мониторы и прочие устройства . Что же это за вещест ва с та ким парадоксальным названием “жидкие кристаллы” и почему к ним проявляется столь значительный интере с ? В наше время наука стала производительной силой , и поэтому , как правило , повышенный научный инт ерес к тому или иному явлению или объ екту означает , что это явление или объект представляет интерес для материаль ного прои зводст в а . В этом отноше нии не являются ис ключением и жидкие кри сталлы . Интерес к ним , прежде всего , обусло влен возможностями их эффективного при менения в ряде отраслей производственной деятельно сти . Внедрение жидких кристаллов означает эконом иче скую эффект ивность , простоту , удобство . Жидкий кристалл – это специфическое агрегатное со стояние ве щества , в котором оно проявляет одновре менно свойства кристалла и жидкости . Сразу надо огово риться , что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическо м состоянии . Большинство веществ может находит ься только в трех , всем хорошо известных агрегатных состояниях : твердом или кристалли ческом , жидком и газообразном . Оказывается , не которые органические вещества , обладающие сложным и молеку лами , кроме трех названных состояний , могут образовы вать четвертое агрега тное состояние — жидкокристалли ческое . Это состояние осущес твляется при плавлении кристаллов некоторых в еществ . При их плавлении обра зуется жидкокристаллическая фаза, отлич ающаяся от обычных жидкостей . Эта фаза сущ ествует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой тем пературы , при нагреве до которой жидкий кр исталл переходит в обычную жидкость . Чем ж е жидкий кристалл отличается от жидк о сти и обычного кристалла и чем по хож на них ? Подобно обыч ной жидкости , жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда , в который он помещен . Этим он отличается от известных всем кристаллов . Однако , несмотря на эт о свойство , объединяющее его с жид костью , он обладает свойством , характерным для кри сталлов . Это — упорядочение в пространстве мол екул , образующих кристалл . Правда , это упорядоч ение не та кое полное , как в обычных к ристаллах , но , тем не менее , оно сущест венно влияет на свойства жидких крист аллов , чем и отличает их от обычных жи дкостей . Неполное про странственное упорядочение м олекул , образующих жид кий кристалл , проявляется в том , что в жидких кристал лах нет полного порядка в пространственном располо же н ии центров тяжести молекул , хотя частичный порядок может быть . Это означае т , что у них нет жесткой кри сталлической решетки . Поэтому жидкие кристаллы , по добно обычным жидкостям , обладают свойством текуче ст и. Обязательным свойством жидких кри сталлов , сбли жающим их с обычными кри сталлами , является наличие порядка” пространствен ной ориентации молекул . Такой порядок в ор иентации может проявляться , например , в том , что все длинные оси молекул в жидкокри сталличе ском образце ориентированы одинаково . Эти молек у лы должны обладать вытянут ой формой . Кроме простейше го названного упоря дочения осей молекул , в жидком кристалле м ожет осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул. В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидн ости : нематические , смектические и хо лестерические. Исследования п о физике жидких кристалло в и их при менениям в настоящее время ведутся широким фрон том во всех наиболе е развитых странах мира . Отечествен ные исследования сосредоточены как в а кадемических , так и от раслевых научно-исследовательских учреждени ях и имеют давние традиции . Шир окую известность и призна н ие получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде рабо ты В . К . Фредерикса к В . Н. Цветкова . В последние годы бурного изучения жидких крис таллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жид к их крис т аллах 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 исс ле дователей широко известны научной общественнос ти и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидки х кристаллов. Существование жидких кристаллов было установлено очень давн о , а именно в 1888 году , то ест ь по чти столетие назад . Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием веществ а , но официально его открыли позже. Первым , кто обнаружил жидкие ? кристаллы , бы ?л авст рийский ученый- ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син те з ированное им вещество холестерилбензоат, он об н а ружил , что при температ уре 145° С кристаллы этого ве щ ?ества плавятся , образуя мутную сильно рассе ивающую свет жидкость . При продолжении нагрева по достижени и температуры 179° С жидкость просветляется , т . е. начи на ет вести себя в опт ?ическом отноше н ии , как обычная жидк ость , например вода . Неожиданные ? свойст ва холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе Рассматри вая эту фазу под поляризацион ?ным микроскопом , Рей нитцер об наружил , что о на обладает д вупреломлением . Это означает , что показатель п реломления света , т . е ск орость света е этой фазе , зависит о т поляризации. Явление двупреломления — это типично крис талличе ский эффект , состоящий в том , что с корость света в кри сталле зависит от ори ентации плоскости поляризации света . Существенно , что она достигает экстремального максимальн ог о и минимального значений для двух вза имно ортогональных ориентаций плоскости поляризации . Разумеется , ориентации поляризации , со ответствующие экстремальным значениям скорости с вете в кристалле , определяются анизотропией с войств кристалла и одно значно з а даются ориентацией кристаллических осей отно сите льно направления распространения света. Поэтому сказан ное поясняет , что существование дву преломления в жидкости , которая должна быть изотроп ной , т . е . что ее свойства должны быть независящими от направлен ия , представлялось парадоксальным . Наиболее правдоподобным в то время могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла , кристаллитов , которые и являлись источником двупреломления . Однако более детальные исследов ания , к которы м Рейнитцер привлек известного немецкого фи зика Леймана , показали , что мутная фаза не является двух фазной системой , т . е . не содержит в обычной жидкости кристаллических включений , а являет ся новым фазовым состоянием вещества . Этому фазовому состоянию Лей м ан дал название “жидкий кристалл” в связи с одно вре менно проявляемыми им свойствами жидкости и кристал ла . Употребляется также и другой термин для названия жидких кристаллов . Эт о — “мезофаза ” , что буквально означает “промежуточная фаза ”. В то врем я сущес твование жидких кристаллов пред ст авлялось каким-то курьезом , и никто не мог предполо жить , что их ожидает почти через сто лет большое буду щее в технических приложениях . Поэтому после некото рого интереса к жидким кристаллам сразу после их о т крытия о ни х через некоторое в ремя практически за были. Тем не мене е , уже в первые годы были выяснены мно гие другие удивительные свойства жидких крис таллов . Так , некоторые виды жидких кристаллов обладали не обычно высокой оптической активн остью. Оптической акт ивност ью называют способность неко торых веществ вращать плоскость поляризации проходя щег о через них света . Это означает , что ли нейно поля ризованный свет , распространяясь в таких средах , изме няет ориентацию плоскости п оляризации . Причем угол поворота плоскос т и поляризации прямо пропорционален пути , пройденному светом Так , в твер дых телах , как , впрочем , и в обычных жи д костях , удельная вращательная способность Ра имеет вполне определенный , независящий от д лины волны све та знак . Это означает , что вращение плоск ости поляри зации света в них происходит в определенном направле нии . Против часовой стрелки при положительном ф а и по часовой стрелке при отрицательном Ра . При этом подра зумевается , что наблюде ние за вращением плоскости по ляризации осуще ствляется вдоль направления распрост ранен ия света . Поэтому все оптически активные в еще ства подразделяются на правовращающие (если враще ние происходит по часовой стрелке ) и левовращающие (если вращение происходит проти в часовой стрелки ). В случае оптически активных жидких кристаллов та кая классификация сталкивала сь с трудностями . Дело в том , что напра вление (знак ) вращения в жидких кристал лах зависело от длины волн света . Для коротких длин в олн величина Ра , например , могла быть поло жи тельной , а для более длинноволнового света — отрица тель ной . А могло быть и наоборот . Однако ха рактерным для всех случаев было изменение знака вращения плос кости поляризации в зав исимости от длины волны света , или , как говорят , инверсия знака оптической активности . Такое поведение вращения пл оскости п оляризации со вершенно не укладывалось в рамк и существовавших представлений об оптической активности. Удивительными были также и другие свойства , такие , как сильная температурная зависимость названных ха рактеристик , их очень высокая чувствительно сть к внеш ним магнитным и электричес ким полям и так далее . Но прежде чем пытаться объяснить перечисленные свойства , необ ходимо понять , как устроены жидкие кристаллы , и , в частности , ознакомиться с их стр уктурными свойствами , ибо в конечном итоге для объ я снения описанных свойств наиболее существенными оказываются именно стру ктур ные характеристики жидких кристаллов. Здесь следует сказать , что в конце девятнадцатого — начале двадцатого века многие очень а вторитетные учёные весьма скептически относились к от крытию Рейнит-цера и Лемана . ( Имя Лемана также можно по праву свя зыват ь с открытием жидких кристаллов , поскольку он очень активно участвовал в первых и сследованиях жидких кристаллов , и даже самим термином “жидкие кри сталлы” мы обязаны именно ему .) Дело в том , что не только описанные противоречивые свойства жид ких кри сталлов представлялись многим авторитетам весьма со мнительными , но и в том , что свойства различных жидко кристаллических веществ (соединений , обладавших жид кокристаллической фаз ой ) оказыва л ись существенно раз личным и . Так , одни жидкие кристаллы обладали оче нь большой вязкостью , у других вязкость бы ла невелика . Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением тем пературы резкое изменение окраски , так что их цвет пробегал все тона радуги , другие жидкие кристаллы та кого резкого изменения окраски не про являли . Наконец , внешний вид образцов , или , как принято говорить , тек стура , различных жид ких кристаллов при рассматрива нии их под микроскопом оказывался совсем различным . В од ном случае в поле по л яризационног о микроскопа могли быть видны образования , похожие на нити , в дру гом — наблюдались изображения , похожие на горный рельеф , а в третьем — картина напоминала отпечатки пальцев . Стоял также в опрос , почему жидкокристаллическая фаза наблюдает ся при плавлении только некоторых вещес тв ? Время шло , факты о жидких кристаллах постепенно нак апливались , но не было общего принципа , ко торый позволил бы установить какую-то систему в представле ниях о жидких кристаллах . Ка к говорят , настало время для классифи к ации предмета исследований . Заслуга в создани и основ современной классификации жидких кри сталлов принадлежит французскому ученому Ж . Ф риделю . В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на две большие группы . Одну группу жидких кри с таллов Фридель назвал нематическими , дру гую смектическими . (Почему такие на первый взгляд не понятные названия дал Фридель разно видностям жидких кристаллов , будет понятно не сколько ниже .) Он же пред ложил общий терми н для жидких кристаллов — “мезо морфная фаза” . Эт от термин происходит от греческого слова “мезос” (промежуточный ), а вводя его , Фридель хотел подчеркнуть , что жидкие кристаллы зан имают про межуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температур е , так и по своим физи чес к им свойствам . Нематические жидкие кристаллы в классификации Фриделя включали уже упоминавшие ся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс . Когда классификация жидких кристал лов была созда на , более остро встал вопро с : почему в природе реализу ется жи дкокристаллическое состояние ? Полным ответом на подобный вопрос принято считать создание м икроско пической теории . Но в то время на такую теорию не при ходилось и надеяться (кстати , последовательной микро скопической теори и ЖК не существует и по сей ден ь ), поэтому большим шагом вперед было создание чешским ученым X. Цохером и голландцем С . Озерном феноме нологической теории жидких кр исталлов , или , как ее при нято называть , тео рии упругости ЖК . В 30-х годах в СССР В . К . Фредерике и В . Н . Цветков первым и из учили не обычные электрические свойст ва жидких кристаллов . Можно условно считать , что рассказанное выше отно силось к предыс тории жидких кристаллов , ко времени , когда исследования ЖК велись малочисленными коллек тива ми . Современный этап изучения жидких кр и сталлов , который начался в 60-е годы и придал науке о ЖК сегод няшние формы , методы исследований , широкий размах р абот сформировался под непосредственным влиянием успехов в технических прило ж ениях жидких кристаллов , особенно в системах отображения информации . В это время было понято и практически доказано , что в наш век микроэлектроники , характер изующийся внедрением микроминиатюрных электронных устройств , потребляю щих ничтожные мощности эне ргии для устройств инди кации информ а ции , т . е. связи прибора с человеком , наи более подходящими ока зываются индикаторы на ЖК . Дело в том , что такие устройства отображения инфор мации на ЖК естественным образом вписываются в энер гетику и габариты микроэлектронны х с хем . Они потреб ляют ничтожн ые мощности и могут быть выполнены в виде миниатюрных индикаторов или плоских экранов . Все это предопределяет массовое внедрение жидкокристал лических индикаторов в сис т е мы отобр а жения информа ции , свидете л ями которого мы являемся ” настоящее время . Чтобы осознать этот процес с , достаточно вспом нить о часах или микро калькуляторах с жидкокристалли ческими индикато рами . Но это только начало . На смену тр адиционным и привычным устройствам идут жидко кристаллические системы отображения информации. jkbk часто бывает , технические потребности не только стимулируют разработку проблем , связа нных с практи ческими приложениями , но и часто заставляют переос мыслить общее отн ошение к соответствующему разделу науки . Так произошло и с жидкими кристаллами . Сейчас понятно , что это важнейший раздел физики конденсиро ванного состояния. Другим важным об стоятельством является то , что пров одимость в жидких кристаллах носит ионный харак тер . Это означает , что ответственными за перенос элек трического тока в ЖК явля ются не электроны , как в ме таллах , а г ораздо более массивные частицы . Это поло жител ьно и от р ицательно заряженные фра гменты моле кул (или сами молекулы ), отдавшие или захватившие из быточный электрон . По эт ой причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от количества и хими ческ ой природы содержащихся в них примесей . В част ности , э лектропроводность нематика можно целена правленно изменять , добавляя в него контролируемо” количество ионных добавок , в качестве которых могут выступать некот орые соли. Из сказанного понятно , что ток в ж идком кристалле представляет собой направленное движе ние ионов в системе ориентирова нных палочек-молекул . Если ионы представить се бе в виде шариков , то свойство нематика обладать проводимостью вдоль директора в р . больше , чему , представляется совершенно естес твенным и по нятным . Действительно , при движени и ш ариков вдоль директора они и спытывают меньше помех от молекул-палочек , чем при движении поперек молекул-палочек . В р езультате чего и следует ожидать , что прод ольная проводимость о II будет превосходить поперечную про води мость. Более того , обсуждаемая моде ль шариков-ионов в сист еме ориентированных палочек-молекул с необходи мос тью приводит к следующему важному заключению . Двигаясь под действием электрического тока поперек направления директора (мы считаем , что поле приложе но поперек директора ), ионы , стал к иваясь с молекула ми-палочками , будут стремиться развернуть их вдоль нап равления движения ионов , т . е . вдоль направ ления электрического тока . Мы приходим к з аключению , что электрический ток в жидком кристалле должен приво дить к переориентации директора. Э ксперимен т подтверждает выводы рассмотренной выше прос той механической модели прохождения тока в жидком кристалле . Однако во многих случаях ситуа ция оказывается не такой простой , к ак может показать ся на первый взгляд. Часто постоя нное напряжение , приложе нное к слою не матика , вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул , а периоди ческое в пространстве возмущение ориентации директо ра . Дело здесь в том , что , говоря об ориентирующем молекулы нематик а воздействии ионов но с ителей ток а , мы пока что пренебрегали тем , что ио ны будут вовле кать в свое движение также и молекулы нематика . В ре зультате такого вовлечения прохождение тока в жид ком кр исталле может сопровождаться гидродинамичес кими потоками , вследствие чего может у с тановиться пе риодическое в пространстве распреде ление скоростей течения жидкого кристалла . Вс ледствие обсуждав шейся в предыдущем разделе связи потоков жидкого кристалла с ориентацией директора в слое нематика воз никнет пер иодическое возмущение распред е ления д иректора . Подробней на этом интересном и в ажном в при ложении жидких кристаллов явлении мы остановимся ниже , рассказывая об элект рооптике нематиков. Флексоэлектричес кий эффект. Говоря о форме м о лекул жидкого кристалла , мы пока аппроксимир овали ее ж есткой палочкой . А всегда ли такая аппроксимация хороша ? Рассматривая модели структур молекул , можно прийти к заключению , что не для всех соединений приб лижение молекула-палочка наиболее адекватно и х фор ме . Далее мы увидим , что с формой молекул связан р я д интересных , наблюдаемых на опыте , свойств жид ких крист аллов . Сейчас мы остановимся на одном из таких свойств жидких кристаллов , связанном с отклоне нием ее формы от простейшей м олекулы-палочки , про являющемся в существовании фл ексоэлектрического эффек т а. Интересно , что открытие флексоэлектрического эф фекта , как и ногда говорят о теоретических предсказа ниях , было сделано на кончике пера американским физи ком Р . Мейером в 1969 году. Рассматривая м одели жидких кристаллов , образо ванных не моле кулами-палоч ками , а молекулами более сложн ой формы , он задал себе вопрос : “Как фо рма молекулы может обнаружить себя в макр оскопических свойствах ?” Для конкретности Р . Мейер предположил , что молекулы имеют гр ушеобразную или банановидную форму . Далее он предположил , чт о отклонение формы молекулы от простейшей , рассматривавшейся ранее , сопровождается возникновением у нее электри ческого дипольного момента. Возникновение д ипольного момента у молекулы не симметричной формы — типич ное явление и связано оно с тем , что располож ение “центра тяжести” отрица тельн ого электрического заряда электронов в молеку ле может быть несколько смещено относительно “центра тяжести” положительных зарядов атомн ых ядер моле кулы . Это относительное смещение отрицательных и по ложительных зарядов от н осительно друг друга и приво дит к возникновению электрического дипольного мо мен та молекулы . При этом в целом молекула остается нейт ральной , так как величина о трицательного заряда элек тронов в точности р авна положительному заряду ядер . Величина дип ольн о го момента равна произведению за ряда одного из знаков на величину их относительного смещения . Направлен дипольный момент вдоль направ ления смещения от отрицат ельного заряда к положи тельному . Для грушеобр азной молекулы направление ди польного момента по симметричным соображениям должно совпадать с осью вращения , для банановидной молекулы — направлено поперек длинной оси. Рассматривая ж идкий кристалл таких молекул , легко понять , что без влияния на него внешних воздей ствий дипольный момент макроскопически мало го , но , разуме ется , содержащего большое число молекул объема жид кого кристалла , равен нулю . Это связано с тем , что нап равление директора в жидком кристалле задается орие н тацией длинных осей молекул , количество же молекул , дипольный момент которых на правлен по директору в ту и другую ст орону — для грушеобразных молекул , или для банановидных молекул — п оперек направления ди ректора в ту и друг ую сторону , одинаково . В ре зультате дипольный момент любого макроскопиче ского объема жидк ого кристалла раве н нулю , так как он равен сумме дипольных моментов отдельных молекул. Так , однако , дело обстоит лишь в неискаженном об разце . Стоит путем внешнего воздействия , например ме ханического , исказить , скажем , изогнуть его , ка к моле кулы начнут выстраиваться , и ра спределение направле ний дипольных моментов отдел ьных молекул вдоль ди ректора для грушеподобн ых молекул и поперек директо ра для банан овидных будет неравновероятным . Это означает , что возникает преимущественное направление ориен тации дипольных моментов о т дельных молекул и , как следствие , появляется макроск опический дипольный момент в объеме жидкого кристалла . Причиной такого выстраивания явля ются сферические факторы , т . е . фак торы , об еспечивающие плотнейшую упаковку молекул . Плотней шей упаковке молекул и м енно и соответствует такое выстраивание молекул , при котором их дипольные моменты “смотрят” п реимущественно в одну сто рону. С макроскопиче ской точки зрения рассмотренный эффект проявл яется в возникновении в слое жидкого крис талла электрического поля при д еформации . Как видно из рисунка , это связано с тем , что при выстраива нии диполей на одной поверхности деформированного кристалла ока зывается избыток зарядов одного , а на прот ивоположной поверхности — другого знака . Таким обрезом , нал ичие или отсутствие фл ексоэлектрического эффекта несет информацию о форме молекул и ее дипольном моменте . Для молекул-палочек такой эффект отсутствует . Для только что рассмотренных форм моле кул эффект есть . Од нако , как уже , наверное , заметили наиболее внимательные читатели , д л я грушеподоб ных и банановидных молекул для наблюдения возникновения электрического поля в слое н адо вызвать в нем разли чные деформации . Г рушеподобных молекулы дают эф фект при попере чном изгибе , а банановидные — при продольном изгибе жидкого кристалла Пре дсказанный теоретически флексоэлектри ческий эффект вскоре был обнаружен эксперимен тально . При чем на эксперименте можно было пользоваться как пря мым , так и обратным эффектом . Это означает , что можно не тол ько путем деформации ЖК индуцировать в не м электр и ческое поле и макроскопи ческий диполь ный момент (прямой эффект ), но и , прикладывая к об разцу внешнее электриче ское поле , вызывать дефор мацию ориентации дир ектора в жидком кристалле. Мы поняли что такое жидкие кристаллы , ну а для чего же они н ужны ? Эле ктронная игра , электронны й словарь и телевизор на жк” Известно , како й популярностью пользовались различные электронн ые игры , обычно устанавлива емые в специальной комнате аттракционов в местах об щественного отдыха или фойе кинотеатров . Успехи в разработке матричных жидкокристаллических ди сплеев сделали возможным создание и массовое производство подобных игр в миниатюрном , так сказать , карманном ис полнении . Игра “Ну , погоди !” , ос воена отечественной промышленность ю . Габариты этой игры , как у записной к ниж к и , а основным ее эле ментом является жидкокристаллический матричный дис плей , на котором высвечиваются изображения волка , зай ца , кур и катящихся по желобам яиче к . Задача играюще го , нажимая кнопки управления , заставить волка , пере мещаясь от желоба к жел о бу , ловить скатывающиеся с желобов яички в корзину , чтобы не дать им упасть на землю и разбиться . Здесь же отметим , что , помимо раз влекательного назначения , эта игрушка выполняет роль часов и будильника , т . е . в другом режиме работы на дисплее “высвечива е тся” время и может подаваться зву ковой сигна л в требуемый момент времени. Еще один вп ечатляющий пример эффективности со юза матричных дисплеев на жидких кристаллах и микро эл ектронной техники дают современные электронные словари , которые начали выпускать в Я понии . Они пред ставляют собой миниатюрные выч ислительные машинки размером с обычный карман ный микрокалькулятор , в память которых введен ы слова на двух (или больше ) языках и которые снабжены матричным дисплеем и кл а виатурой с алфавитом . Набирая на кла в иатуре слово на одном языке , вы м оментально получаете на дисплее его перевод на другой язык . Представьте себе , как улучшит ся и облегчится процесс обучения инос транным язы кам в школе и в вузе , если каждый учащийся будет снаб жен подобным словарем ) А набл ю дая , как быстро изде лия микроэлектроники внедряются в нашу жизнь , можно с уверенностью сказать , что такое время не за горами ) Легко предста вить и пути дальнейшего совершенствова ния та ких словарей-переводчиков : переводится не одно слово , а целое предложе н ие . Кром е того , перевод мо жет быть и озвучен . Словом , внедрение таких словарей-переводчиков сули т революцию в изучении языков и технике перевода. Требования к матричному дисплею , используемому в качестве экрана телевизора , оказываются значительно в ыше как по быстродействию , так и по числу элементов , чем в описанных выше электронной игрушке и словаре-переводчике . Это станет понятным , если вспомнить , что в соответствии с телевизионным стандартом изобра же ние на экране формируется из 625 строк (и прибли зи тел ьно из такого же числа элементо в состоит каждая строка ), а время записи одного кадра 40 мс . Поэтому практическая реализация тел евизора с жидкокристалли ческим экраном оказывает ся более трудной задачей . Тем не менее , налицо первые успехи в техническом решен ии и этой задачи . Так , японская фир ма “Сони” наладила про изводство миниатюрного , умещающегося практически на ладони телевизора с черно-белым изображением и размером экр ана 3,6 см . Несо мненно , в будущем удаст ся создать телевизоры на ЖК как с более крупным и э к ранами , так и с цветным изображением. Союз микроэлек троники и жидких кристаллов оказы вается чрез вычайно эффективным не только в готовом и зделии , но и на стадии изготовления интегр альных схем . Как известно , одним из этапов производства микросхем являе тся фотолито графия , которая состоит в нанесении на пов ерхность полупроводникового материала специ альных масок , а затем в вытравливании с помощь ю фотографической техники так называемых лито графических окон . Эти окна в результате да льнейшего процесса про и з водства прео бразуются в элементы и соединения ми кроэлект ронной схемы . От того , насколько малы разм е ры соответствующих окон , зависит число элеме нтов схемы , которые могут быть размещены н а единице площади полупроводника , а от то чности и качества вытравли в ания о кон зависит качество микросхемы . Выше уже говорилось о контроле качества готовых микрос хем с помощью холестерических жидких кристалл ов , которые визуализируют поле температур на работающей схеме и позволяют выделить уч астки схемы с аномальным теплов ы д елением . Не менее полезным оказалось применен ие жидких кристаллов (теперь уж нематических ) на стадии контроля качества литографических работ . Для этого на полупроводниковую пла стину с протравленными литогра фическими окнами наносится ориентированный слой нематика , а затем к ней прикладывается электрическ ое напряжение . В результате в поляризованном свете карти на " вытравленн ых окон отчетливо визуализируется . Более того , этот метод позволяет выявить очень малые по размерам неточности и дефекты литогра фиче ских работ , 1 протяженность которых всего 0,01 мкм . Некоторое время тому назад необыч ной популярностью в США пользовалась новинка юве лирного произво дства , получившая название “перстень настроения” . За год было продано 50 мил лионов таких перстней , т . е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие . Что же п ривлекло внима ние любител и бижутерии к этому перстню ? Оказывается , он обладал совершенно мист ическим св ойством реагиро в ать на настроение его владельца . Реакция состояла в том , что цвет камешка перстня следовал за настроением вла дельца , пробегая все ц вета радуги от красного до фио летового . В от это сочетание таинстве нного свойства уга дывать настроение , декоративность перстня , обеспечи ваемая яркой и меняющейся окраской камешка , плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения. Пожалуй , и менно тогда впервые широкие массы стол кнулис ь с загадочным термином “жидки е крист аллы” . Дело в том , что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением . Однако ни чего толком не было известно , говорилось , только , что кам ешек перстня сделан на жидком кристалле . Д ля чита теля , который знаком с жидкими к ристаллами , нужно сде лать уточнение — на холестерическом жидком кри сталле , а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами . Тем , который только слышал о жидких кри сталлах , а может быть , и не слыш ал о них вообще , чтобы раскрыть секрет п ерстня настрое ния , необходимо сначала познакомить ся с тем , что такое жидкие кристаллы , и тогда он узнает не только о том , как жидкие кристаллы позволяют следить за настроени ем человека , но и о многих дру гих удивит е льных их свойствах и практических применениях. О БУДУЩИХ ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ Жидкие крист аллы сегодня и завтра. Многие оптиче ские эффекты в жидких кристаллах , о которых рассказы валось выше , уже освоены техникой и используются в изделиях мас сового производства . Например , всем из вест ны часы с индикатором на жидких кристалла х , но не все еще знают , что те же жидкие кристаллы использу ются для производств а наручных часов , в которые встро ен кальк улятор . Тут уже даже трудно сказать , как на звать такое устройство , то ли часы , то ли компьютер . Но это уже осво енные промышленностью изделия , хотя всего дес ятилетия назад подобное казалось нереальным . Перспективы же будущих массовых и эффективных при менений жидких кристаллов еще более удивительны . По э т ому стоит рассказать о нескольких технических идеях применения жидких кристаллов , которые пока что не реализованы , но , возможно , в ближайшие нескольк о лет послужат основой создания устройств , которые станут для нас такими же привы чными , какими , скажем , се й час являю тся транзисторные приемники. Управляемые оп тические транспаранты. Рассмотрим пр имер достижения научных исследований в процес се создания жидкокристаллических экранов , отображ ения информации , в частности жидкокристаллических экранов телевизоров . Изв естно , что ма ссовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального , а чисто технологиче ского характера . Хотя принципиально возможность со зд ания таких экранов продемонстрирована , однако а связи со слож н остью их прои зводства при современной технологии их стоимо сть оказывается очень высокой . По этому возник ла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах , в которых изображение , по лучен ное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектирован о в увеличенном виде на обычный экран , подобно тому , как это происходит в кино театре с кадрами кинопленки . Оказалось , что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристал лах , если использовать сэндвич евые структуры , в кото рые н аряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника . Причем запись изображения в жидком кристалле , осуществляемая с помощью фотопо лупроводника , производится лучом света . О подобном проекторе уже рассказывалось в гл аве VII. Теперь же познакомим ся с физическими явлениями , положенными в основу его работы. Принцип записи изображения очень прост . В отсутст вие по дсветки фотополупроводника его проводимость очен ь мала , поэтому практически вся разность п отенциа лов , поданная на электроды оптической яче йки , в кото рую еще дополнительно в веден слой фотополупровод ника , падает на этом слое фотополупроводника . При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутс твию напряжения на нем . При подсветке фото по лупроводника его проводимость резко в о зрастает , так как свет создает в н ем дополнительные носители тока (свободные эл ектроны и дырки ). В результате происхо дит перераспределение электрических напряжений в яче йке — теперь практически все напряжение падает на жид кокристаллическом слое , и состоян ие слоя , в частно сти , его оптические характеристики , изменяются соответ ственно величине поданного напряжения . Таким образом , изменяются оптически е характеристики жидкокристал лического слоя в результате действия света . Ясно , что при этом в принципе може т быть ис пользован любой электрооптический эффект из о писанных выше . Практи чески , конечно , выбор эле ктрооптического эффекта в та ком сэндвичевом устройстве , называемом электрооптическим транспаранто м , определяется наряду с требуемыми оптически ми характери с тиками и чисто техно логическими причинами . Важно , что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происх одит локально — в точке засветки фотополупро водника . П оэтому такие транспаранты обладают очень вы с окой р азрешающей способностью . Так , объем информа ции , содержащейся на телевизионном эк ране , может быть записан на транспаранте р азмерами менее 1х 1 см 2 . Описанный способ записи изображения , поми мо все го прочего , обладает большими достоинст вами , так как он делае т ненужной с ложную систему коммутации , т . е . систему по двода электрических сигналов , которая применяется в матричных экранах на жидких кри сталла х. Пространственно-временные модуляторы света. Уп равляемые оптические тра нспаранты могут быть исполь зованы не то лько как элементы проекционного устрой ства , н о и выполнять значительное число функций , свя занных с преобразованием , хранением и обра боткой оп тических сигналов . В связи с тен денциями развития ме тодов передачи и обработ ки информации с использова ни е м о птических каналов связи , позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор мации , управляемые оптические транспаранты на жид ких кристаллах представляют значитель ный интерес и с этой точки зрения . В этом случае их еще принято на з ы вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС ), или световыми клапанами . Перспе ктивы и мас штабы применения ПВМС в устро йствах обработки опти ческой информации определяю тся тем , насколько се годняшние характеристики оптических транспарантов м о гут быт ь улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению , п овыше ния быстродействия и пространственного разр ешения световых сигналов , а также диапазона длин волн излуче ния , в котором надежно работают эти устройства . К ак уже отмечалось , одна из основных проблем — это проб лема быстродействия жидкокристаллических элементов , одн ако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утвержд ать , что они займут значительное место в системах обр абот ки оптической информаци и . Ниже рассказывается о ря де возможных п рименений модуляторов света. Прежде всего , отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку , кото рая характеризуется интенсивностью светового по т ока . К роме того , достигнуто высокое пр остранственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм . Спектральный диапазон работы мо дуляторов , выполненных на различных полупроводнико вых материалах , перекрывает длины волн от ультрафио летового до ближнего и нфракр асного излучения . Очень важно , что в связи с применением в модуляторах фо то полупроводников удается улучшить временные хар акте ристики устройств по сравнению с быстрод ействием соб ственно жидких кристаллов . Так , мо дуляторы света за счет свойств фотополупр о водника могут зарегистриро вать опти ческий сигнал продолжительностью всего меньше 1 с . Разум еется , изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала пр оис ходит с запаздыванием , т . е . более медле нно , в соответ ствии с времене м измене ния оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии ) элект рического поля. Какие же , к роме уже обсуждавшихся функций , могут выполня ть модуляторы света ? При соответствующем под б оре режима работы модулятора они могут вы де лять контур проектируемого на него изображения . Если кон тур перемещается , то можн о визуализировать его дви жение . При этом существенно , что длина волны записы вающего из ображения излучения и считывающего излу чения могут отличаться . Поэтому модуляторы св е та по зволяют , например , визуализировать и нфракрасное из лучение , или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излуч ения , или создавать изобра жения в инфракрасно м диапазоне длин волн. В другом ре жиме работы модуляторы света могут выделять области , подвергнутые нестационарному осве щению . В этом режиме работы из всего и зображения выделяются , например , только перемещающ иеся по изо бражению световые точки , или м ерцающие его участки . Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^ — 10° раз и более ) В связи же с их высокой пространственной разрешающей спо собностью их использование оказывается эквивален тным усилителю с очень большим (10" — 10^) числом каналов . Пе речисленные функциональные возможности оптических модуляторов д ают Основание использовать их 6 многочисленн ых задачах обработки оптической инфор мации , т аких как распознавание образов , подавление по мех , спектральный и корреляционный анализ , инт ерфе рометрия , в том числе запись голограмм в реальном мас штабе времени , и т . д . Насколько широко перечислен ные возможности жидкокристаллических оптических мо дуляторов реали зуются в надежные технические устрой ства , пок ажет ближайшее будущее. Оптический м икрофон. Только что было рассказ ано об управлении световыми потоками с п омощью света . Однако в системах оптиче ской обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только свет овые сигналы в световые , но и другие с амые разнообразные воздействия в световые сиг налы . Такими воздействиями могут быть давлени е, звук , температура , деформация и т . д . И вот для преобразования этих воз дейст вий в оптический сигнал жидкокристаллические ус тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер спективными элементами оптических сист ем. Конечно , существует масса методов п реобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы , одна ко подавляющее большин ство этих методов связано сна чала с прео бразованием воздействия в электрический сигнал , с помощью которого затем можно управлять световым потоком . Таким образом , ме т оды эти двусту пенчатые и , следовательно , не такие уж простые и эко номичные в реализации . Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том , что с их помощью самые разнообразные воздейс твия можно не посредственно переводить в опти чески й сигнал , что уст раняет промеж уточное звено в цепи воздействие — све товой сигнал , а значит , вносит принципиальное упроще ние в управление световым потоком . Другое достоин ст во ЖК-элементов в том , что они легко совместимы с уз лами волоконно-оптических устро йств. Чтобы проиллюс трировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами , расскажем о прин ципе работы “оптического микрофона” на ЖК — устрой ства , предложе нного для непосредственного перевода акустическо го сигнала в оптический. Принципиальная сх ема устройства оптического мик рофона о чень проста . Его активный элемент представляе т собой ориентированный слой нематика . Звуков ые колебания создают периодические во времени деформации слоя , вызывающие также переориент ации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности ) проходящего поляризованного светового потока. Исследования х арактеристик оптического микрофона на ЖК , вып олненные в Акустическом институте АН СССР , показали , что по своим параметрам он не уступает су ществующим образцам и может быть использ ован в оп тических линиях связи , позволяя осуществлять непосред ственное пр еобразование звуковых сигналов в оптиче ские . Оказалось также , что почти во всем темпера турном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практич е ски не изменяются [9]- Прежде чем перейти к другому п римеру возможного применения ЖК в оптических линиях связи , напомним , что оптическое волокно представляет собой оптиче ский волновод . Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине , что сн аружи на волокно нанесено покры тие , диэ лектрическая проницаемость которого больше , чем во внутренней части волокна , в результате чего про исходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и вн ешнего покрытия . Волноводный ре жим распространени я света в волокне . может быть , также достигнут не только за счет резк ой диэлектрической границы , но и при плавн ом изменении показателя прелом ления (диэлектричес кой проницаемости ) от середины к поверхности волновода . По аналогии с оптическими волокнами в то нком с лое жидкого кристалла также может быть ре ализован волно водный режим распространения света вдоль слоя , если обеспечить соответствующее изменение диэлектриче ской проницаемости в п ределах толщины слоя . А как мы знаем , и зменения диэлектрических характ е ристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул ). Оказывается , в слое нематика или холестерина можно , например , путем приложения электрического поля обеспечить такой характер измене ния ориента ции директора по толщине , что для опреде ленной поляризации света такой слой оказывается опти ческим волноводом. Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оп тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе ским волново дом . Но имеется здесь и очень существен на я разница . Эта разница состоит в том , что если диэлек трические характеристики опт ического волокна , а следо вательно , и его в олноводные свойства , неизменны и фор мируются при его изготовлении , то диэлектрические , а следовательно , и волноводные свойства ЖК-волнов ода легко изменя т ь путем внешних воздействий. Это значит , например , что если жидкокр исталличе ский волновод включен в канал волок онной связи , то световой поток , идущий по этому каналу , можно моду лировать , меняя х арактеристики ЖК-элемента . В про стейшем случае это может бы ть просто прерывание с ве тового потока , которое может происходить в ЖК-элементе при таком переключении электриче ского сигнала на нем , которое приводит к исчезновению его волноводных свойств . Кстати сказать , этот же ЖК-элемент может выполня ть и функции опт и ческого микрофон а , если он устроен так , что акустический сигнал вызывает в нем воз мущение ориентаци и директора. Как сделать стереотелевизор. В качестве еще одного заманчивого , неожиданного и касающегося практически всех применений жидких кристалло в стоит назвать идею создания системы стереотелевидения с применением жидких кристал лов . Причем , что представляется особен но заман чивым , такая система “стереотелевидения на жи дких кристаллах” может быть реализована ценой очень простой модификации передающей теле к амеры и до полнением обычных тел евизионных приемников специ альными очками , стекла которых снабжены жидкокристаллическими фильтрам и. Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста . Есл и учесть , что кадр изображения на телеэкра не формируется постр очно , причем так , что сначала вы свечиваются нечетные строчки , а потом четные , то с по мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег ко сделать так , чтобы правый глаз , например , видел тол ь ко четные строчки , а левый — нечетные . Для этого доста точно си нхронизировать включение и выключение жидко кристаллических фильтров , т . е . возможность восприни мать изображение на экр ане попеременно то одним , то другим глазом , делая попеременно прозрачным то одно , то другое стекло очков с высвечиванием четн ых и нечет ных строк. Теперь соверш енно ясно , какое усложнение передаю щей телека меры даст стереоэффект телезрителю . На до , чтоб ы передающая телекамера была стерео , т . е . чтобы она обладала двумя объективами , со ответствую щими восприятию объекта левым и пр авым глазом чело века , четные строчки на экране формировались с по мощью правого , а нечетные — с помощью левого объ ектива передающей камеры. Система очков с жидкокристаллическими фильтра ми — затворами , синхрониз ированными с работой телеви зора , может оказат ься непракти чной для массового при менени я . Возможно , что более конкурентоспособной ока жется стереосистема , в которой стекла очков снабжены обычными поляроидами . При этом каж дое из стекол оч ков пропускает линейно-поляри зованный свет , плоскость поляризации которого п ерпендикулярна плоскости поля ризации света , пропускаемого вторым стеклом . Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко кристаллической пленки , нанесенной на экран телевизо ра и пропускающей от четных строк свет одной линей ной поляризации , а от нечетных — другой линейной по ляризации , пе рпендикулярной первой. Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализо вана или выживет совсем другая система , по кажет будущее. Очки для к осмонавтов. Знакомясь ранее с ма ской для электросварщика , а теп ерь с очками для стереотелевидения , бы заметили , что в этих устройствах управляемый жидкокр исталлический фильтр перекрывает сразу все по ле зрения одного или обоих глаз . Между тем сущест вуют ситуации , когда нельзя пере крывать все поле зрения человека и в т о же время необходимо перекрыть от дельные участки поля зрения. Например , така я необходимость может возникнуть у космонавто в в условиях их работы в космосе при чрез вычайно ярком солнечном освещении , не ослабленном ни атмосферой , ни облачностью . Э ту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле виден ия позволяют решить управляемые жидкокристалличе ские фильтры. Усложнение очков в этом случае состои т в том , что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр , а нес колько независимо управляемых ф ильтров . Например , фильтры могут быть выполнен ы в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков , каждая из которы х при включении перекрывает только часть поля зрения глаза. Таки е очки могут быть полезны не только космонав там , но и людям други х профессий , работа которых мо жет быть св язана не только с ярким нерассеянным осве щением , но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации. Например , в кабине пилота современно го самолета огромное количество панелей прибо ров . Однако не все из них нужны пилоту одновременно . Поэтому использо вание пилотом очков , ограничивающих поле зрения , мо жет быть полезным и облегчающим его работу , так как помогает сосредоточивать е г о внимание только на части нужных в данн ый момент приборов и устраняет отвлека ющее влияние не нужной в этот момент информ ации . Конечно , в случае пилота можно пойти и по-другому пу ти поставить ЖК-фильтры на индикаторы пр иборов , чтобы иметь возможность экр аниров ать их показания. Подобные очки будут очень полезны также в биоме дицинских исследованиях работы оператора , связанной с восприятием большого количества зрительной и нфор мации . В результате таких исследований мо жно выявить скорость реакции оператора н а зрительные сигналы , оп ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его р аботе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы . Последнее значит определить на илучший способ располож ения панелей приборов , тип индикаторов прибор ов, цвет и характер сигналов разли ч ной степени важности и т . д. Фильтры подобн ого типа и индикаторы на жидких кристалла х , несомненно , найдут (и уже находят ) широко е применение в кино -, фотоаппаратуре . В эти х целях они привлекательны тем , что для управления им и требуется ничтожное кол ичество энергии , а в ряде случаев позво ля ют исключить из аппаратуры детали , совершающи е механические движения . А как известно , м еханические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не надежными. Какие механические детали к ино -, ф отоаппаратуры имеются в виду ? Это прежде в сего диафрагмы , фильт ры — ослабители светового потока , на конец , прерывате ли светового потока в киносъе мочной камере , синхрони зованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю щие покадровое ее экспонирован ие. Принципы устройства таких ЖК-элементов яс ны из предыдущего . В качестве прерывателей и фильтров-ос лабителей естественно использовать ЖК-ячейки , в кото рых под действием электрич еского сигнала изменяется пропускание света п о всей их площади . Для диафраг м бе з механических частей системы ячеек в виде кон центрических колец , которых могут под действием элек т рического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна . Следует также отме тить , что сло истые структуры , содержащие жидки й кристалл и ф ото полупроводник , т . е . элементы типа управляемых оп тических транспар антов , могут быть использованы не только в качестве индикаторов , например , экспозиции , но и для автоматической установки диафрагмы в кино -, фотоаппаратуре. При всей п ринципиальной прост оте обсуждаемых устройств их широкое внедрение в массовую продукци ю зависит от ряда технологических вопросов , связанных с обеспечением длительного срока работы ЖК-элементов , их работы в широком температурном интервале , на конец , конкуренции с традиционным и и устоявшимися техни ческими решениями и т . д . Однако решение всех этих проблем — это только вопрос времени , и скоро , на верное , трудно будет себе представ ить совершенный фо тоаппарат , не содержащий ЖК- устройства.
© Рефератбанк, 2002 - 2017