Физика и химия агрегатов
С позиций физики агрегатные состояния веществ определяются соотношением между средней кинетической энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией отрыва. Дело в том, что в отличие от дальнодействующих сил - гравитационных, электромагнитных - силы молекулярного взаимодействия короткодействующие, иными словами имеют конечный радиус действия. Газы - это вещества, в которых кинетическая энергия выше энергии отрыва, поэтому взаимодействия молекул случайны, их главное желание - разбежаться, что они и реализуют немедленно. Жидкости, в принципе, приграничная область. Ее молекулы достаточно быстры, чтобы бежать от соседей, но не столь энергичны, чтобы оторваться от коллектива. Средняя кинетическая энергия "членов жидкого сообщества" выше радиуса молекулярного взаимодействия, но ниже энергии отрыва от поверхности. Отсюда главные свойства жидких сред - текучесть и способность сохранять объем. Жидкая среда по физической классике - это неупорядоченное сообщество.
Для твердых тел характерен дальний порядок. В этом случае "тепловые метания" молекул меньше радиуса взаимодействия, что превращает их в оседлых членов сообщества. Некоторые жидкости - это особенно характерно для высокомолекулярных органических соединений - при охлаждении, постепенно отвердевая, переходят в аморфное или стеклообразное состояния, в которых сохраняется присущая жидкостям беспорядочность размещения элементов, но проявляется оседлость, характерная для молекул твердых тел. Однако настоящие твердые тела - это кристаллы, в которых место положения любой молекулы по отношению к остальным определено кристаллической системой среды. Это и называют дальним порядком. Здесь все определено по всему объему кристалла: и место для каждого члена, и форма элементарной (кристаллической) ячейки, и форма самого монокристалла. Бывают - с этим мы чаще всего встречаемся - поликристаллические вещества, составленные из множества спаянных мелких кристаллов. Металлы, камни - большая часть неорганических веществ, используемых нами - поликристаллические.
Это затянутое вступление понадобилось, чтобы высветить главную особенность жидких кристаллов, которая попросту не укладывается в ту стройную физическую схему агрегатных состояний вещества, которая расписана выше. Для жидких кристаллов характерна и текучесть, и дальний порядок. Отягощенный повседневным опытом разум очень трудно воспринимает такое, почти невозможное, сочетание. Наука это называет мезофазой, т. е. промежуточной (в данном случае между кристаллической и жидкой фазами агрегатного состояния). Мир неорганической химии подобного не знает. В какой-то мере, особенно при температурах, близких к точке замерзания, жидкокристаллические свойства можно обнаружить у воды.
Вода - это вещество настолько особое, что именно в нем можно заподозрить промысел божий. Воде присущ почти необозримый спектр аномальных свойств, без которых не могла бы состояться сама Жизнь! Назову лишь некоторые. Максимальная плотность воды на четыре градуса выше точки замерзания - это единственное вещество с такой особенностью. Поэтому лед плавает, а не тонет, защищая живое под ним. Это универсальный растворитель. Диэлектрическая проницаемость воды намного выше нормы для жидких сред. И многое, многое другое... Частично уникальность физико-химических свойств воды можно объяснить тем, что H2O - только идеализированная форма главного вещества жизни, а на деле - это сложный полимер, состав и форма которого очень умно, с позиций влияния на биологические процессы, зависят от температуры.
Жидкие кристаллы
 |
| Рис.1 |
Все известные жидкокристаллические среды пришли из органики, что далеко не случайно. Главное требование к претендентам - резкая анизотропия формы. Это может быть распрямленная нитевидная молекула или гантелеобразная. Известны жидкие кристаллы, образованные молекулами в виде дисков, укладывающихся в столбики, или даже гребнеобразные. Сложные полимеры "предпочитают" скручиваться в клубки. Поэтому молекулы жидких кристаллов, обычно, содержат элементы, препятствующие скручиванию - это бензольные кольца. Различают три типа жидких кристаллов: смекатические, нематические и холестерические.
Самые "кристаллические" среди жидких кристаллов - смекатические. Для смекатических кристаллов характерна двумерная упорядоченность. Молекулы размещаются так, чтобы их оси были параллельны. Более того, они "понимают" команду "равняйся" и размещаются в стройных рядах, упакованных на смекатических плоскостях, и в шеренгах - на нематических, что поясняет рис. 1а. Смекатическим жидким кристаллам свойственно многое из того, о чем пойдет речь ниже, и нечто особенное - долговременная память. Записав, например, изображение на такой кристалл, можно затем долго любоваться "произведением". Однако эта особенность смекатических кристаллов для воспроизводящих элементов индикационных устройств, телевизоров и дисплеев не слишком удобна. Тем не менее, они находят применение в промышленности, к примеру, в индикаторах давления.
Упорядоченность нематических сред ниже, чем у смекатических. Молекулам дозволено смещаться относительно длинных осей, поэтому упорядоченность становится "односторонней", а реакция на внешнее воздействие относительно быстрой, память - короткой. Смекатические плоскости отсутствуют, а вот нематические сохраняются. Эту особенность нематиков поясняет рис. 1б.
Термин "холестерические жидкие кристаллы" не случаен, поскольку наиболее характерным и на практике самым используемым кристаллом этого класса является печально известный холестерин. Молекулы холестерина и аналогов размещаются в нематических плоскостях. Особенность молекул холестерического типа в том, что при достаточно сильном боковом притяжении их вершины отталкиваются. Поэтому энергетически выгодным для них становится такое размещение, когда длинные оси молекул несколько развернуты. Это условно поясняет рис. 1в. Поэтому к плоскостному размещению добавляется винтообразная структура, ортогональная нематическим плоскостям. Иногда холестерическую структуру размещения называют твист эффектом. Замечу, что холестерин - доступный и достаточно дешевый материал, сырьем для которого богата любая скотобойня. Очень сложные жидкокристаллические структуры образуют растворы мыла в воде. Здесь можно получить слоистые, дисковые и даже шарообразные структуры. Словом, выбор материала широк.
В достаточно больших объемах кристаллической жидкости образуются домены, физические свойства которых подобны кристаллам. Однако в целом она проявляет свойства, подобные обычным жидкостям. Доменная структура жидких кристаллов образуется по тем же причинам и законам, что в сегнтоэлектриках и ферромагнетиках. Ситуация резко меняется в пленках, толщина которых сопоставима с радиусом взаимодействия молекул жидкости и пластин, формирующих слой. Это важно подчеркнуть, поскольку именно взаимодействие жидкого кристалла и формообразующих элементов создает тот легко управляемый прибор, который столь активно встраивается в современную электронную технику.
Эффекты
Жидкокристаллическое состояние достаточно неустойчиво и по этой причине весьма подвержено внешнему влиянию. Наиболее известно и достаточно давно используется термооптическое явление - зависимость цвета жидкого кристалла от температуры. Термооптические жидкокристаллические пленки способны регистрировать температуру с точностью до долей градуса и используются для контроля тепловых полей. К примеру, в медицине с их помощью можно определить разницу температур различных участков тела и, тем самым, выявить воспаленные области. В промышленности можно вести поиск перегретых участков аппаратуры. Чувствительны жидкие кристаллы и к давлению.
Жидкие кристаллы - и это очень важно для тех применений, о которых мы поговорим позже, - обладают резко выраженной анизотропией (зависимостью физических параметров от направления - характерная особенность всех кристаллов, кроме кубических). Это относится к вязкости, к упругости, к электропроводности, к диэлектрической проницаемости, а также к многим другим параметрам среды. Управлять этими параметрами можно, например, с помощью электрических и магнитных полей. С их помощью можно воспроизвести самые разные оптические эффекты.
Электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток способны переориентировать молекулы. Если воздействие переменно, и достаточной величины, то оно способно закрутить молекулы. В итоге в среде возникнут кавитационные микровихри. Каждый такой вихрь является по отношению к свету рассеивающим элементом. Подобное воздействие приводит к помутнению и окрашиванию среды. Именно этот эффект и используется в индикаторах, где достаточно двух положений: есть эффект или он отсутствует.
 |
| Рис.2 Ортогональные функции состояния поляризации света |
Там, где важно воспроизведение градаций, используются электрооптические эффекты двойного лучепреломления и оптической активности.
Оптика кристаллов существенно отличается от той, которую мы знаем по опыту общения со стеклянными приборами, причем важную роль начинает играть поляризация. Каждый фотон определенным образом поляризован в плоскости, ортогональной направлению распространения. В целом же световой поток неполяризован или, как часто говорят, естественно поляризован, поскольку функции состояния поляризации отдельных фотонов случайны.
В анизотропной и оптически активной средах могут распространяться только волны строго определенной поляризации - линейной, круговой или эллиптической. Рис. 2 поясняет, как это выглядит.
Электромагнитные волны строго поперечны, при этом векторы электрической E, магнитной H напряженности и волновой K образуют тройку взаимно ортогональных векторов. По давней традиции за направление (вектор) поляризации электромагнитной волны принимают направление вектора H напряженности магнитного поля световой волны. При линейной поляризации направление этого вектора сохраняется в пространстве (рис. 2а). Другая функция поляризации - круговая. В этом случае вектор поляризации вращается, за один период волны описывая полный круг (рис. 2б). Представим, что вращающийся вектор поляризации - штопор. Если такой штопор ввинчивается в направлении волнового вектора, то волну называют правой (правоциркулярной), если, напротив, вывинчивается, то левой (левоциркулярной). Волны с правой и левой круговой поляризацией по этой функции ортогональны. В некоторых случаях возникают волны с эллиптической поляризацией (рис. 2в). На рисунке поясняется, как выглядят функции эллиптической поляризации.
В анизотропных средах могут распространяться только волны, поляризованные линейно. При заданном направлении света разрешены только два взаимно ортогональных направления поляризации, определяемые параметрами анизотропии среды - это важно, поскольку именно с этим обстоятельством тесно связана электрооптическая модуляция света. В оптически активных средах разрешенными являются две круговые поляризации - правая и левая. Эллиптическая поляризация характерна для анизотропных сред с заметным поглощением излучения или вблизи оптической оси одноосных анизотропных сред, обладающих также и оптической активностью. Скорости ортогонально поляризованных волн во всех рассмотренных случаях различны.
Низкочастотное электромагнитное поле способно в достаточно широких пределах менять скорости световых волн. Зависимость фазовой скорости света от напряженности электрического поля и называют электрооптическим эффектом, который используется для модуляции света в жидкокристаллических дисплеях и телевизорах.
 |
| Рис.3 Электрооптический модулятор |
Электрооптическая модуляция
На первый взгляд конструкция электрооптического модулятора достаточно проста. Она поясняется рис. 3. Электрооптическая ячейка (например, сосуд с нематическим жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор - это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент. На эту операцию тратится половина светового потока. Пленочные поляризаторы, а они чаще всего и используются, отсекаемый компонент просто поглощают. Однако в тех случаях, когда речь идет о модуляции световых потоков очень высокой интенсивности, поглощенная энергия может привести к опасным перегревам поляризатора.
За поляризатором световой поток линейно поляризован вдоль вектора Pп. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кристаллом - пусть это будут векторы P1 и P2. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными среды. Если эти углы равны 450, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляризации анализатора и поляризатора, обычно, либо скрещены (ортогональны), либо параллельны. При скрещенных поляризаторах модуляция позитивная, при параллельных - негативная.
 |
| Рис.4 Зависимость интенсивности луча на выходе модулятора от сдвига фазы |
Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями P1 и P2 различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют). При этом из-за приобретенного сдвига фаз функции поляризации меняется и становится эллиптической. Приборов, способных регистрировать фазовые сдвиги или функцию поляризации, в принципе, нет, и приходится прибегать к косвенным методам - преобразованию фазового сдвига в изменение интенсивности потока. Вот эту функцию и выполняет анализатор. Он просто вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана анализатором. Интенсивность этой компоненты пропорциональна косинусу удвоенного фазового сдвига. График соответствующей зависимости при скрещенных поляризаторе и анализаторе показан на рис. 4.
Диэлектрическая проницаемость, а с ней и коэффициенты преломления компонент в ячейке, зависят от приложенного к электродам электрического напряжения. Поэтому от напряжения будет зависеть и фазовый сдвиг. Если фазовый сдвиг линейно зависит от напряжения, то функцию, представленную на рис. 4 можно рассматривать, как модуляционную характеристику. В действительности она сложнее. В основе управления жидкокристаллической средой лежит переориентация молекул - процесс, зависящий от вязкости среды, характера сил взаимодействия с границами ячейки и многих других факторов.
При использовании оптически активных жидких кристаллов конструкция модулятора та же, что и в рассмотренном выше случае анизотропных сред. Отличие только в функциях поляризации компонент в кристалле. Вошедшая в оптически активную среду волна распадается на круговые волны с левой и правой циркуляциями вектора поляризации. И в этом случае скорости компонент различны, а фазовый сдвиг зависит от приложенного напряжения. На выходе из ячейки волны интерферируют, в итоге возникает линейно поляризованная волна повернутая относительно поляризатора на угол, равный фазовому сдвигу. Анализатор вырезает соответствующий компонент. Так формируется волна, модулированная по интенсивности. Зависимость интенсивности выходящего света от фазового сдвига также определяется функцией, показанной на рис. 4.
Светоклапанные модуляторы
 |
| Рис.5 Конструкция светоклапанного модулятора |
Оптические модуляторы, осуществляющие пространственную модуляцию, часто называют светоклапанными, поскольку процесс модуляции можно описать с помощью некоторого виртуального перемещаемого окошка, с переменной прозрачностью. На стеклянные пластины наносят полосковые электроды. Две пластины соединяют, оставляя зазор, который заполняется жидким кристаллом. Полосковые решетки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электродов образуются конденсаторы - это по сути элементарные модуляторы. Остается добавить поляризатор и анализатор - и светоклапанный модулятор на жидком кристалле, вчерне, готов (рис. 5).
В зависимости от назначения, способов коммутации и других факторов к элементам представленной базовой конструкции могут добавляться другие элементы. К примеру, к местам пересечения полосковых электродов, обычно, подсоединяют МОП транзисторы так, что их затворы подключены к горизонтальным электродам, а истоки - к вертикальным.
Если панель предназначена для воспроизведения цветного изображения, добавляются цветовые фильтры RGB. Размеры и форма элемента цветового фильтра соответствует размерам модулирующей ячейки. В каждой последующей строке фильтры сдвигаются на один элемент. Это позволят избежать визуализации вертикальных структур. Однако в этом случае проявляется диагональные структуры.
Число строк и ячеек в строках и панели зависит от стандарта, для работы в котором предназначена эта панель.
Плоские телевизоры, дисплеи и светоклапанные модуляторы видеопроекторов
Панели с активными ячейками на жидких кристаллах - достаточно удобный прибор воспроизведения изображений. При подаче потенциала на некоторую пару полосовых электродов, активизируется ячейка, на которой вертикальный и горизонтальный электроды пересекаются. Коммутируя потенциалы по тем или иным законам, можно реализовать самые различные режимы перемещения активного "окна", включая и случайные. Эта особенность полезна для ряда специальных приложений. Чаще всего - и это естественно - применяются стандартные режимы развертки, используемые в телевидении и компьютерах.
В состав ЖК панели, естественно, входят и схемы управления, одна из основных функций которых - коммутация управляющих импульсов. Они содержат схемы кадровой и строчной развертки. Видеосигнал представлен последовательностью импульсов-отсчетов. Тактовая частота определяется стандартом воспроизводимого сигнала. В принципе, ЖК панели могут быть многостандартными и работать с телевизионными и компьютерными сигналами. Схема строчной развертки переключает с тактовой частотой импульсы-отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки в интервале строчного гасящего импульса осуществляет перекоммутацию горизонтальных электродов.
В современных схемах управления ЖК панелями используют самые разные ухищрения с тем, чтобы исправить недостатки или упростить систему управления и т.п. Уже упоминалось, что модуляционная характеристика прибора существенно нелинейная, из-за чего снижается - и заметно - число передаваемых градаций. Элементы нелинейной обработки видеосигнала позволяют существенно ослабить влияние нелинейности модулятора на качество изображения. Применение сдвоенных схем строчной развертки, одна из которых управляет нечетными электродами, другая - четными, позволяет снизить тактовые частоты строчной развертки. Примеры подобного рода можно множить и множить. Современная интегральная техника готова предложить достаточно сложные электронные схемы, размещенные на ограниченном пространстве стандартного чипа.
Энергопотребление экранов и дисплеев на жидких кристаллах незначительно. В них не используются дефицитные и особо дорогостоящие детали. Тем не менее, по стоимости ЖК экраны в сотню и более раз дороже аналогичных экранов на кинескопах. Это сдерживает массовое применение таких экранов в бытовой технике, где наиболее ходовыми являются телевизоры с небольшими экранами, например, прогулочные. Без ЖК дисплеев трудно представить портативные компьютеры, электронные записные книжки и т.п.
ЖК экраны плоских телевизоров и дисплеев работают на просвет. В этом случае за ячейкой, если смотреть с лицевой стороны экрана, размещают источник света. Причем входящий световой поток должен иметь достаточно малую расходимость. Дело в том, что характеристика, представленная на рис. 4, вычислена для идеального случая нерасходящегося (параллельного) светового потока. Скрещенными поляризаторами в отсутствии модуляции такой поток полностью задерживается. Расходящийся поток полностью не перекрывается скрещенными поляризаторами. Это - эффект просачивания. Просочившийся компонент в процессах модуляции не участвует и образует фоновую засветку, снижающую контрастность воспроизводимого изображения.
При достаточно малых углах расходимости просачивание относительно терпимо, но начиная с некоторого угла быстро нарастает. Конкретные значения критического угла расходимости зависят от длины пути света в ячейке, разности обыкновенного и необыкновенного коэффициентов преломления жидкого кристалла и некоторых других физических параметров среды. Эффект просачивания и определяет требования к направленности используемого светового потока. По необходимости направленное излучение ведет к тому, что изображение на ЖК экране воспринимается лишь в узком интервале (10...150) углов наблюдения, группирующихся вокруг нормали к экрану. Изобретательская мысль не могла пройти мимо этого недостатка. Специалисты фирмы Uchida разработали, так называемую, трехмерную ячейку, в которой интервалы углов наблюдения расширены примерно в два раза. Около десятка ведущих фирм-производителей ЖК панелей уже используют технологию трехмерных ячеек.
 |
| Рис.6 Светомодулирующий блок видеопроектора ILA |
Изобретатели ищут и новые способы управления ячейками панели, поскольку традиционное решение, связанное с коммутацией системы скрещенных полосковых электродов не во всем удовлетворительна. Интересное решение этой проблемы применено в видеопроекторе ILA фирмы JVC. В качестве светоклапанного модулятора используется оптронная пара" фотосопротивление - электрооптическая ячейка". Конструкция прибора поясняется рис. 6
Рабочими элементами ЖК панели являются фотосопротивление, интерференционный отражающий слой, слой жидкого кристалла, прозрачная пластина с токопроводящим слоем. Изображение, воспроизводимое кинескопом, проецируется на фотосопротивление (фоторезист). Сопротивление фоторезиста зависит от уровня его освещенности. В соответствии с распределением темных и светлых участков меняется сопротивление на соответствующих участках. Вследствие этого меняется и электрический потенциал. Таким образом, в жидком кристалле формируется неоднородное поле электрической напряженности, функция распределения потенциала в котором повторяет изображение на поверхности фотосопротивления.
Светоклапанный блок рис. 6 принципиально работает только на отражение. По этой причине, если использовать обычные пленочные поляризаторы, то поляризующему слою придется выполнять одновременно функции поляризатора и анализатора. Как упоминалось выше, модуляция в этом случае негативная. В том нет большой беды, поскольку исправить негатив на позитив можно электронными средствами. Хуже другое. По многим причинам использовать весь динамический диапазон модулятора света крайне нежелательно, а при меньших индексах появляется остаточный световой поток, заметно снижающий контрастность. Обычная мера борьбы с этим недостатком - введение в схему рис. 3 дополнительного элемента, сдвигающего фазу компонент на 450 за один проход светового потока, а значит туда и обратно он сдвинет фазу на 900, что соответствует повороту вектора поляризации на соответствующий угол. В итоге схема, работающая с отраженным потоком, при одном поляризаторе превращается в схему модуляции со скрещенными поляризатором и анализатором. В проекторе ILA фирма JVC нашла иное решение.
Известной американской корпорацией Hughes Aircraft Corp. создан оригинальный поляризующий элемент - зеркало, которое при падении света под углом 45 град., компонент, поляризованный вдоль поверхности зеркала, полностью проходит через зеркало, а компонент с ортогональной поляризацией полностью отражается (в данном случае направление поляризации отраженного луча совпадет с направлением проходящей волны). Благодаря этой особенности зеркало справляется одновременно с ролями поляризатора и анализатора. Но главное в другом: в схеме с зеркалом-поляризатором нет элементов, которые должны поглощать отсекаемую часть светового потока. Все лишнее здесь просто отводится в сторону источника, где и рассеивается. Поэтому видеопроекторы ILA могут работать с более мощными световыми потоками, чем те, где для поляризации используется абсорбционная анизотропия, т. е. поляризующие пленки. Это серьезное преимущество.
Итак, создатели ILA рискнули вернуть в видеопроектор кинескопы, сохранив за ними функцию формирования изображения, а по сути развертки. Кинескопам здесь не надо перенапрягаться, чтобы выдать как можно более яркий световой поток. Следовательно, резко возрастает надежность их работы. Принципиальное отсутствие в светоклапанном модуляторе светопоглощающих элементов позволяет свободно распорядиться мощностью используемых световых потоков.
Еще одна оригинальная идея воплощена в плазматроне - гибриде ЖК дисплея и газоразрядных элементов. Первый шаг в направлении плазматрона сделала фирма Tektronix около семи лет назад. Технологические трудности изготовления матрицы плазматрона два года назад преодолела фирма Sony. Первый образец плоского телевизора - плазматрона был показан в 1995 г. на выставке в Берлине. Основная идея, реализованная в плазматроне, - замена горизонтальных полосковых электродов газоразрядными каналами. В качестве источника направленного света в плазматроне используется "стена", составленная из люминесцентных ламп.
Можно с уверенностью утверждать, что для совершенствования ЖК панелей все еще остаются - и не малые - резервы. Над этой проблемой работают самые знаменитые компании мира, среди них, кроме уже названных, особо активны Sharp, Toshiba, Hitachi, NEC. В группу "сильнейших" стремительно врывается Samsung. Среди российских организацией наиболее известен НИИ "Платан", которому принадлежит ряд перспективных разработок ЖК устройств самого разного назначения.