2.6.1.  Жидкокристаллические индикаторы

Жидкокристаллическое (ЖК) веще­ство, или жидкий кристалл – органиче­ское соединение, характеризующееся со­четанием свойств жидкости (например, текучестью) и твердого кристалла (напри­мер, оптической анизотропией).

Жидкокристаллическое состояние вещества является промежуточ­ным между жидким и твердым его состояниями. Вещество, находя­щееся в жидкокристаллическом состоянии, обладает свойствами и жидкости (текучестью, способностью образовывать капли), и крис­таллического тела (упорядоченным расположением молекул), благо­даря чему ряд его физических свойств зависит от направления измерения. Общим  признаком жидкокристаллических веществ является удлиненная  (сигарообразная) форма их молекул.

Способностью находиться в жидкокристаллическом состоянии чаще всего обладают органические соединения, причем это свойство проявляется лишь при определенном для каждого вещества диапазоне температур. За границами этого диапазона вещество принимает свой­ства либо твердого тела, либо изотропной жидкости. По характеру взаимной ориентации молекул различают три типа жидкокристал­лических веществ: нематические, холестерические и смектические.

Интерес к жидким кристаллам (ЖК) для элементов индикации вызван изменением ориентации их молекул под воздействием электри­ческого поля и связанным с этим изменением светопропускной спо­собности (прозрачности) жидкокристаллических веществ. В таких индикаторах используются нематические и холестерические ЖК. Смектические жидкокристаллические вещества из-за высокой вяз­кости широкого применения здесь не нашли. Ориентация молекул в нематическом и холестерическом ЖК в отсутствие электрического поля показана на рис. 2.15.

Нематическое ЖК-веществосо­единение, молекулы которого парал­лельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произ­вольные расстояния.

В жидких кристаллах наблюдается большое количество электро­оптических эффектов, влияющих на светопропускную способность. Они могут  вызываться либо проводимостью ЖК, либо электрическим полем (полевые эффекты). Из электрооптических эффектов, обусловленных проводимостью, наи­большее применение для элементов индикации нашло динамическое рассеяние света, а из полевых эффектов – скручивание нематической фазы.

Рис. 2.15. Ориентация молекул в нематическом (а) и холестерическом (б) жидких кристаллах

Рис. 2.16. Конструкция ЖК-индикато­ра:

1 – стеклянные пластины; 2 – электроды из окиси олова; 3 – слой жидкого кристалла; 4 –  уплотнительные прокладки; 5 – внешние выводы

Простейший ЖК-индикатор, основанный на эффекте динами­ческого  рассеяния света (рис. 2.16), состоит из двух параллельных стеклянных пластин 1 с нанесенными на их внутренних поверхностях прозрачными электродами 2 из окиси олова (при работе «на просвет») и слоя жидкокристаллического вещества 3 между ними. При работе в режиме отражения света один из электродов выполня­ется зеркально отражающим (из алюминия, никеля). Толщина слоя жид­кого кристалла составляет 10 – 25 мкм. Уплотнительные прокладки 4 изолируют объем жид­кого кристалла и определяют зазор между пластинами. Проводя­щие электроды связаны с внешними выводами 5 прибора. Индикатор требует внешнего освещения или подсвета.

В индикаторах с эффектом динамического рассеяния света в нематический ЖК вносится добавка небольшого количества ионных соединений (электролита). При отсутствии напряжения ориентация вытянутых молекул ЖК упорядочена (см. рис. 2.15, а). Молекулы располагаются перпендикулярно плоскостям обоих электродов (рис. 2.17, а) или имеют относительно них некоторый наклон. В ис­ходной ориентации молекул слой ЖК прозрачен.

С приложением напряжения (рис. 2.17, б) возникает движение ионов электро­лита в направлении электродов (показано направление движения только положительных ионов), вызывающее беспорядоч­ное перемещение молекул жидкого кристалла (турбулентное движе­ние) и его перемешивание. Создается динамическая неустойчивость ориентации молекул ЖК, и их упорядоченная ориентация нарушает­ся. Молекулы создают сильное рассеивающее действие падающему свету, ЖК тер