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-вещество – соединение, 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
