Реферати

Реферат: Рідкий кристал

Мистецтво створення характеру. Лермонтов, що засуджує поглядом дивлячись на своє покоління, і себе зараховує до нього. Дійсно, "нещастя полягає не в сліпоті, а в нездатності переносити сліпоту".

Волчек Галина Борисовна. Дитинство Галина з родителями провела в Москві. У них будинку часто бували багато талановитих і яскравих людей, представники дивного світу кіно, а сусідами по будинку були Юлій Райзман і Михайло Роом.

Фольклорний хронотоп у творчості А. И. Ертеля. Художній час і художній простір - найважливіші характеристики літературного твору, що забезпечують цілісне сприйняття відбитої дійсності й організуючі його композицію.

Субпопуляції лімфоцитів при геморрагической лихоманці. Характер змін з боку субпопуляций лімфоцитів/макрофагів крові при ГЛПС.

Цей підступний 71-й рахунок. Навряд чи можна знайти організацію , у якій ніколи не використовувався рахунок 71 " Розрахунки з підзвітними особами " . І це зрозуміло , адже розрахунки наявними значно оперативнее , чим банківські платежі .

Професії рідких кристалів

Все частіше ми стали зустрічатися з терміном «рідкі кристали». Ми всі часто з ними спілкуємося, і вони грають важливу роль в нашому житті. Багато які сучасні прилади і пристрої працюють на них. До таких відносяться години, термометри, дисплеї, монітори і інші пристрої. Що ж це за речовини з такою парадоксальною назвою «рідкі кристали» і чому до них виявляється так значна цікавість? У наш час наука стала продуктивною силою, і тому, як правило, підвищений науковий інтерес до того або інакшого явища або об'єкта означає, що це явище або об'єкт представляє інтерес для матеріального производст в а. У цьому відношенні не є виключенням і рідкі кристали. Інтерес до них, передусім, зумовлений можливостями їх ефективного застосування в ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.

Рідкий кристал- цей специфічний агрегатний стан речовини, в якому воно виявляє одночасно властивості кристала і рідини. Відразу треба обмовитися, що далеко не всі речовини можуть знаходитися в рідкокристалічному стані. Більшість речовин може знаходитися тільки в трьох, всій добре відомих агрегатних станах: твердому або кристалічному, рідкому і газоподібному. Виявляється, деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, крім трьох названих станів, можуть утворювати четвертий агрегатний стан - рідкокристалічне. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні обра зуется рідкокристалічна фаза, відмінна від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої більш високої температури, при нагріві до якої рідкий кристал переходить в звичайну рідину. Чим же рідкий кристал відрізняється від рідини і звичайного кристала і чим схожий на них? Подібно обич ний рідині, рідкий кристал володіє текучістю і приймає форму судини, в яку він вміщений. Цим він відрізняється від відомих всім кристалів. Однак, незважаючи на цю властивість, об'єднуючу його з рідиною, він володіє властивістю, характерною для кристалів. Це - упорядкування в просторі молекул, створюючих кристал. Правда, це упорядкування не таке повне, як в звичайних кристалах, але, проте, воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове упорядкування молекул, створюючих рідкий кристал, виявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тягаря молекул, хоч частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної гратки. Тому рідкі кристали, подібно звичайним рідинам, володіють властивістю текучості.

Обов'язковою властивістю рідких кристалів, що зближує їх із звичайними кристалами, є наявність порядку» просторової орієнтації молекул. Такий порядок в орієнтації може виявлятися, наприклад, в тому, що всі довгі осі молекул в рідкокристалічному зразку орієнтовані однаково. Ці молекули повинні володіти довгастою формою. Крім найпростішого названого упорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися більш складний ориентационний порядок молекул.

У залежності від вигляду упорядкування осей молекул рідкі кристали розділяються на три різновиди: нематические, смектические і холестерические.

Дослідження по фізиці рідких кристалло в і їх застосуванням в цей час ведуться широким фронтом у всіх найбільш розвинених країнах світу. Вітчизняні дослідження зосереджені як в академічних, так і галузевих науково-дослідних учреждени ях і мають давні традиції. Широку популярність і призна н ие отримали виконані ще в тридцяті роки в Ленінграде роботи В. К. Фредерікса до В. Н. Цветкова. У останні роки бурхливого вивчення рідких кристалів вітчизняні дослідники також вносять вагомий внесок в розвиток вчення про жид до їх крис т аллах загалом і, зокрема, про оптику рідких кристалів. Так, роботи І. Г. Чистякова, А. П. Капустіна, С. А. Бразовського, С. А. Пікина, Л. М. Блінова і багатьох інших радянських дослідників широко відомі науковій громадськості і служать підмурівком ряду ефективних технічних додатків рідких кристалів.

Існування рідких кристалів було встановлене дуже давно, а саме в 1888 році, тобто майже сторіччя назад. Хоч вчені і до 1888 року стикалися з даним станом речовини, але офіційно його відкрили пізніше.

Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський вчений-ботанік Рейнітцер. Досліджуючи нове синте з ированное їм речовина холестерилбензоат, він об н аружил, що при температурі 145° З кристали цієї речовини плавляться, утворюючи каламутну сильно розсіюючу світло рідину. При продовженні нагріву по досягненні температури 179°З рідина просветляется, т. е. починає поводитися в оптичному отноше н ії, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоат виявляв в каламутній фазі Розглядаючи цю фазу під поляризаційний мікроскопом, Рейнітцер виявив, що вона володіє двупреломлением. Це означає, що показник заломлення світла, т. е швидкість світла е цій фазі, залежить про т поляризацію.

Явище двупреломления-це типово кристалічний ефект, що полягає в тому, що швидкість світла в кристалі залежить від орієнтації площини поляризації світла. Істотно, що вона досягає екстремального максимального і мінімального значень для двох взаємно ортогональних орієнтацій площини поляризації. Зрозуміло, орієнтації поляризації, відповідні екстремальним значенням швидкості світлі в кристалі, визначаються анізотропією властивостей кристала і однозначно задаються орієнтацією кристалічних осей відносно напряму поширення світла.

Тому сказане пояснює, що існування двупреломления в рідині, яка повинна бути изотропной, т. е. що її властивості повинні бути незалежними від напряму, представлялося парадоксальним. Найбільш правдоподібним в той час могло здаватися наявність в каламутній фазі нерасплавившихся малих частинок кристала, кристаллитов, яка і були джерелом двупреломления. Однак більш детальні дослідження, до яким Рейнітцер залучив відомого німецького фізика Леймана, показали, що каламутна фаза не є двофазною системою, т. е. не містить в звичайній рідині кристалічних включень, а є новим фазовим станом речовини. Цьому фазовому стану Лейман дав назву «рідкий кристал» в зв'язку з одночасно властивостями рідини, що виявляються ним і кристала. Вживається також і інший термін для назви рідких кристалів. Це - «мезофаза», що буквально означає «проміжна фаза».

У той час існування рідких кристалів представлялося якимсь курйозом, і ніхто не міг передбачити, що їх чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних додатках. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після їх відкриття про них через деякий час практично забули.

Проте, вже в перші роки були з'ясовані багато які інші дивні властивості рідких кристалів. Так, деякі види рідких кристалів володіли незвичайно високою оптичною активністю.

Оптичною активністю називають здатність деяких речовин обертати площину поляризації минаючого через них світла. Це означає, що лінійно поляризоване світло, розповсюджуючись в таких середовищах, змінює орієнтацію площини поляризації. Причому кут повороту площини поляризації прямо пропорційний шляху, пройденому світлом

Так, в твердих тілах, як, проте, і в звичайних рідинах, питома обертальна здатність Ра має цілком визначений, незалежний від довжини хвилі світла знак. Це означає, що обертання площини поляризації світла в них відбувається в певному напрямі. Проти годинникової стрілка при позитивному фа і за годинниковою стрілкою при негативному Ра. При цьому мається на увазі, що спостереження за обертанням площини поляризації здійснюється вдовж напряму поширення світла. Тому всі оптично активні речовини поділяються на правовращающие (якщо обертання відбувається за годинниковою стрілкою) і левовращающие (якщо обертання відбувається проти годинникової стрілка).

У разі оптично активних рідких кристалів така класифікація стикалася з труднощами. Справа в тому, що напрям (знак) обертання в рідких кристалах залежав від довжини хвиль світла. Для коротких довжин хвиль величина Ра, наприклад, могла бути позитивною, а для більш довгохвильового світла-негативної. А могло бути і навпаки. Однак характерною для всіх випадків була зміна знака обертання площини поляризації в залежності від довжини хвилі світла, або, як говорять, інверсія знака оптичної активності. Така поведінка обертання площини поляризації абсолютно не укладалася в рамки уявлень, що існували про оптичну активність.

Дивними були також і інші властивості, такі, як сильна температурна залежність названих характеристик, їх дуже висока чутливість до зовнішніх магнітних і електричних полів і так далі. Але перш ніж намагатися пояснити перераховані властивості, необхідно зрозуміти, як влаштовані рідкі кристали, і, зокрема, ознайомитися з їх структурними властивостями, бо в кінцевому результаті для пояснення описаних властивостей найбільш істотними виявляються саме структурні характеристики рідких кристалів.

Тут потрібно сказати, що в кінці дев'ятнадцятого - початку двадцятого віку багато які дуже авторитетні вчені вельми скептично відносилися до відкриття Рейніт-цера і Лемана. (Ім'я Лемана також можна по праву зв'язувати з відкриттям рідких кристалів, оскільки він дуже активно брав участь в перших дослідженнях рідких кристалів, і навіть самим терміном «рідкі кристали» ми зобов'язані саме йому.) Справа в тому, що не тільки описані суперечливі властивості рідких кристалів представлялися багатьом авторитетам вельми сумнівними, але і в тому, що властивості різних рідкокристалічних речовин (з'єднань, що володіли рідкокристалічною фазою) виявлялися істотно різними. Так, одні рідкі кристали володіли дуже великою в'язкістю, у інших в'язкість була невелика. Одні рідкі кристали виявляли із зміною температури різку зміну забарвлення, так що їх колір пробігав всі тони райдуги, інші рідкі кристали такої різкої зміни забарвлення не виявляли. Нарешті, зовнішній вигляд зразків, або, як прийнято говорити, текстура, різних рідких кристалів при розгляданні їх під мікроскопом виявлявся зовсім різним. У одному випадку в полі поляризаційний мікроскопа могли бути видно освіти, схожі на нитці, в іншому - спостерігалися зображення, схожі на гірський рельєф, а в третьому - картина нагадувала відбитки пальців. Стояло також питання, чому рідкокристалічна фаза спостерігається при плавленні тільки деяких речовин?

Час йшов, факти про рідкі кристали поступово нагромаджувалися, але не було загального принципу, який дозволив би встановити якусь систему в уявленнях про рідкі кристали. Як говорять, настав час для класифікації предмета досліджень. Заслуга в створенні основ сучасної класифікації рідких кристалів належить французькому вченому Ж. Фріделю. У двадцяті роки Фрідель запропонував розділити всі рідкі кристали на дві великі групи. Одну групу рідких кристалів Фрідель назвав нематическими, іншу смектическими. (Чому такі на перший погляд незрозумілі назви дав Фрідель різновидам рідких кристалів, буде зрозуміло декілька нижче.) Він же запропонував загальний термін для рідких кристалів - «мезо морфная фаза». Цей термін відбувається від грецького слова «мезос» (проміжний), а вводячи його, Фрідель хотів підкреслити, що рідкі кристали займають проміжне положення між істинними кристалами і рідинами як по температурі, так і по своїх фізичних властивостях. Нематические рідкі кристали в класифікації Фріделя включали вже згадувані вище холестерические рідкі кристали як підклас. Коли класифікація рідких кристалів була створена, більш гостро встало питання: чому в природі реалізовується рідкокристалічний стан? Повною відповіддю на подібне питання прийнято вважати створення мікроскопічної теорії. Але в той час на таку теорію не доводилося і сподіватися (до речі, послідовній мікроскопічній теорії ЖК не існує і до цього дня), тому великим кроком уперед було створення чеським вченим X. Цохером і голландцем С. Озерном феноменологічної теорії рідких кристалів, або, як її прийнято називати, теорії пружності ЖК. У 30-х роках в СРСР В. К. Фредеріке і В. Н. Цветков першими вивчили незвичайні електричні властивості рідких кристалів. Можна умовно вважати, що розказане вище відносилося до предисторії рідких кристалів, до часу, коли дослідження ЖК велися нечисленними колективами. Сучасний етап вивчення рідких кристалів, який почався в 60-е роки і додав науці об ЖК сьогоднішні форми, методи досліджень, широкий розмах робіт сформувався під безпосереднім впливом успіхів в технічних прило ж ениях рідких кристалів, особливо в системах відображення інформації. У цей час було зрозуміло і практично доведене, що в наш вік мікроелектроніки, що характеризується впровадженням микроминиатюрних електронних пристроїв, споживаючих нікчемні потужності енергії для пристроїв індикації інформації, т. е. зв'язки приладу з людиною, найбільш відповідними виявляються індикатори на ЖК. Справа в тому, що такі пристрої відображення інформації на ЖК природним образом вписуються в енергетику і габарити мікроелектронних схем. Вони споживають ничтожн ие потужності і можуть бути виконані у вигляді мініатюрних індикаторів або плоских екранів. Все це зумовлює масове впровадження рідкокристалічних індикаторів в сист е ми отобр а жения інформації, свидете л ями якого ми є » теперішній час. Щоб усвідомити цей процес, досить пригадати про години або мікрокалькулятори з рідкокристалічними індикаторами. Але цей тільки початок. На зміну традиційним і звичним пристроям йдуть рідкокристалічні системи відображення информації.jkbkчасто буває, технічні потреби не тільки стимулюють розробку проблем, пов'язаних з практичними додатками, але і часто примушують переусвідомити загальне відношення до відповідного розділу науки. Так сталося і з рідкими кристалами. Зараз зрозуміло, що це найважливіший розділ фізики конденсованого стану.

Іншою важливою обставиною є те, що провідність в рідких кристалах носить іонний характер. Це означає, що відповідальними за перенесення електричного струму в ЖК є не електрони, як в металах, а набагато більш масивні частинки. Це позитивно і негативно заряджені фрагменти молекул (або самі молекули), що віддали або що захопили надлишковий електрон. З цієї причини електропровідність рідких кристалів сильно залежить від кількості і хімічної природи домішок, що містяться в них. Зокрема, електропровідність нематика можна цілеспрямовано змінювати, додаючи в нього контрольована» кількість іонних добавок, як які можуть виступати деякі солі.

З сказаного зрозуміло, що струм в рідкому кристалі являє собою направлений рух іонів в системі орієнтованих паличок-молекул. Якщо іони уявити собі у вигляді кульок, то властивість нематика володіти провідністю вдовж директора в р. більше, чому, представляється абсолютно природним і зрозумілим. Дійсно, при русі кульок вдовж директора вони випробовують менше перешкод від молекул-паличок, чим при русі упоперек молекул-паличок. Внаслідок чого і потрібно чекати, що подовжня провідність об II буде перевершувати поперечну провідність.

Більш того модель кульок-іонів, що обговорюється в системі орієнтованих паличок-молекул з необхідністю приводить до наступного важливого висновку. Рухаючись під дією електричного струму упоперек напряму директора (ми вважаємо, що поле прикладене упоперек директори), іони, стикаючись з молекулами-паличками, будуть прагнути розвернути їх вдовж напряму руху іонів, т. е. вдовж напряму електричного струму. Ми приходимо до висновку, що електричний струм в рідкому кристалі повинен приводити до переорієнтації директора.

Експеримент підтверджує виведення розглянутої вище простої механічної проходження струму в рідкому кристалі. Однак в багатьох випадках ситуація виявляється не такий простій, як може показатися на перший погляд.

Часто постійне напруження, прикладене до шара нематика, спричиняє внаслідок виниклого струму не однорідну зміну орієнтації молекул, а періодичне в просторі обурення орієнтації директора. Справа тут в тому, що, говорячи про орієнтуючий молекули нематика вплив іонів носіїв струму, ми поки що нехтували тим, що іони будуть залучати до свого руху також і молекул нематика. Внаслідок такого залучення проходження струму в рідкому кристалі може супроводитися гидродинамическими потоками, внаслідок чого може встановитися періодичний в просторі розподіл швидкостей течії рідкого кристала. Внаслідок зв'язку потоків рідкого кристала, що обговорювався в попередньому розділі з орієнтацією директора в шарі нематика виникне періодичне обурення розподілу директора. Детальніше на цьому цікавому і важливому в додатку рідких кристалів явищі ми зупинимося нижче, розказуючи про електрооптике нематиков.

Флексоелектрический ефект. Говорячи про форму молекул рідкого кристала, ми поки апроксимувати її жорсткою паличкою. Чи А завжди така апроксимація хороша? Розглядаючи моделі структур молекул, можна прийти до висновку, що не для всіх з'єднань наближення молекула-паличка найбільш адекватно їх формі. Далі ми побачимо, що з формою молекул пов'язаний ряд цікавих, що спостерігаються на досвіді, властивостей рідких кристалів. Зараз ми зупинимося на одній з таких властивостей рідких кристалів, пов'язаній з відхиленням її форми від найпростішої молекули-палички, що виявляється в існуванні флексоелектрического ефекту.

Цікаво, що відкриття флексоелектрического ефекту, як іноді говорять про теоретичні прогнози, було зроблене на кінчику пера американським фізиком Р. Мейером в 1969 році.

Розглядаючи моделі рідких кристалів, освічених не молекулами-паличками, а молекулами більш складної форми, він задав собі питання: «Як форма молекули може виявити себе в макроскопічних властивостях?» Для конкретності Р. Мейер передбачив, що молекули мають грушеобразную або банановидную форму. Далі він передбачив, що відхилення форми молекули від найпростішої, що розглядалася раніше, супроводиться виникненням у неї електричного дипольного моменту.

Виникнення дипольного моменту у молекули несиметричної форми - типове явище і пов'язано воно з тим, що розташування «центра тягаря» негативного електричного заряду електронів в молекулі може бути декілька зміщено відносно «центра тягаря» позитивних зарядів атомних ядер молекули. Це відносне зміщення негативних і позитивних зарядів відносно один одного і приводить до виникнення електричного дипольного моменту молекули. При цьому загалом молекула залишається нейтральною, оскільки величина негативного заряду електронів в точності рівна позитивному заряду ядер. Величина дипольного моменту рівна твору заряду одного із знаків на величину їх відносного зміщення. Направлений дипольний момент вдовж напряму зміщення від негативного заряду до позитивного. Для грушеобразной молекули напрям дипольного моменту по симетричних міркуваннях повинно співпадати з віссю обертання, для банановидной молекули - направлено упоперек довгої осі.

Розглядаючи рідкий кристал таких молекул, легко зрозуміти, що без впливу на нього зовнішніх впливів дипольний момент макроскопічно малого, але, зрозуміло, вмісного велике число молекул об'єму рідкого кристала, рівний нулю. Це пов'язано з тим, що напрям директора в рідкому кристалі задається орієнтацією довгих осей молекул, кількість же молекул, дипольний момент яких направлений по директору в ту і іншу сторону - для грушеобразних молекул, або для банановидних молекул - упоперек напряму директора в ту і іншу сторону, однаково. У результаті дипольний момент будь-якого макроскопічного об'єму рідкого кристала рівний нулю, оскільки він рівний сумі дипольних моментів окремих молекул.

Так, однак, справа йде лише в неспотвореному зразку. Стоїть шляхом зовнішнього впливу, наприклад механічного, спотворити, скажемо, зігнути його, як молекули почнуть шикуватися, і розподіл напрямів дипольних моментів окремих молекул вдовж директора для грушеподобних молекул і упоперек директори для банановидних буде неравновероятним. Це означає, що виникає переважний напрям орієнтації дипольних моментів окремих молекул і, як наслідок, з'являється макроскопічний дипольний момент в об'ємі рідкого кристала. Причиною такого вишиковування є сферичні чинники, т. е. чинники, що забезпечують найщільнішу упаковку молекул. НайЩільнішій упаковці молекул саме і відповідає таке вишиковування молекул, при якому їх дипольні моменти «дивляться» переважно в одну сторону.

З макроскопічної точки зору розглянутий ефект виявляється у виникненні в шарі рідкого кристала електричного поля при деформації. Як видно з малюнка, це пов'язано з тим, що при вишиковуванні діполь на одній поверхні деформованого кристала виявляється надлишок зарядів одного, а на протилежній поверхні - іншого знака. Таким обрізом, наявність або відсутність флексоелектрического ефекту несе інформацію про форму молекул і її дипольний момент. Для молекул-паличок такий ефект відсутній. Для щойно розглянутих форм молекул ефект є. Однак, як вже, напевно, помітили найбільш уважні читачі, для грушеподобних і банановидних молекул для спостереження виникнення електричного поля в шарі треба викликати в ньому різні деформації. Грушеподобних молекули дають ефект при поперечному згині, а банановидние - при подовжньому згині рідкого кристала

Передбачений теоретично флексоелектрический ефект невдовзі був виявлений експериментально. Причому на експерименті можна було користуватися як прямим, так і зворотним ефектом. Це означає, що можна не тільки шляхом деформації ЖК індукувати в ньому електричне поле і макроскопічний дипольний момент (прямий ефект), але і, прикладаючи до зразка зовнішнє електричне поле, викликати деформацію орієнтації директора в рідкому кристалі.

Ми зрозуміли що таке рідкі кристали, ну а для чого ж вони потрібні?

Електронна гра, електронний словник і телевізор на жк»

Відомо, якою популярністю користувалася різна електронна гра, що звичайно встановлюється в спеціальній кімнаті атракціонів в місцях суспільного відпочинку або фойє кінотеатрів. Успіхи в розробці матричних рідкокристалічних дисплеїв зробили можливими створення і масове виробництво подібної гри в мініатюрному, так би мовити, кишеньковому виконанні. Гра «Ну, постривай!», освоєна вітчизняною промисловістю. Габарити цієї гри, як у записника, а основним її елементом є рідкокристалічний матричний дисплей, на якому висвічуються зображення вовка, зайця, курей і яєчок, що котяться по жолобах. Задача що грає, натискаючи кнопки управління, примусити вовка, переміщаючись від жолоба до жолоба, ловити ті, що скочуються з жолобів яички в кошик, щоб не дати їм впасти на землю і розбитися. Тут же відмітимо, що, крім розважального призначення, ця іграшка виконує роль годин і будильника, т. е. в іншому режимі роботи на дисплеї «висвічується» час і може подаватися звуковий сигнал в необхідний момент часу.

Ще один вражаючий приклад ефективності союзу матричних дисплеїв на рідких кристалах і мікроелектронної техніки дають сучасні електронні словники, які почали випускати в Японії. Вони являють собою мініатюрні обчислювальні машинки розміром із звичайний кишеньковий мікрокалькулятор, в пам'ять яких введені слова на двох (або більше) мовах і які забезпечені матричним дисплеєм і клавіатурою з алфавітом. Набираючи на клавіатурі слово на одній мові, ви вмить отримуєте на дисплеї його переклад на іншу мову. Уявіть собі, як поліпшиться і полегшиться процес навчання іноземним мовам в школі і у вузі, якщо кожний учень буде забезпечений подібним словником) А спостерігаючи, як швидко вироби мікроелектроніки впроваджуються в наше життя, можна з упевненістю сказати, що такий час не за горами) Легко представити і шляхи подальшого вдосконалення таких словників-перекладачів: переводиться не одне слово, а ціла пропозиція. Крім того, переклад може бути і озвучений. Словом, впровадження таких словників-перекладачів обіцяє революцію у вивченні мов і техніці перекладу.

Вимоги до матричного дисплея, що використовується як екран телевізора, виявляються значно вище як по швидкодії, так і по числу елементів, чим в описаних вище електронній іграшці і словнику-перекладачі. Це стане зрозумілим, якщо пригадати, що відповідно до телевізійного стандарту зображення на екрані формується з 625 рядків (і приблизно з такого ж числа елементів складається кожний рядок), а час запису одного кадру 40 мс. Тому практична реалізація телевізора з рідкокристалічним екраном виявляється більш важкою задачею. Проте, в наяности перші успіхи в технічному рішенні і цієї задачі. Так, японська фірма «Соні» налагодила виробництво мініатюрного, що уміщається практично на долоні телевізора з чорно-білим зображенням і розміром екрана 3,6 див. Безсумнівно, в майбутньому вдасться створити телевізори на ЖК як з більш великими екранами, так і з кольоровим зображенням.

Союз мікроелектроніки і рідких кристалів виявляється надзвичайно ефективним не тільки в готовому виробі, але і на стадії виготовлення інтегральних схем. Як відомо, одним з етапів виробництва мікросхем є фотолітографія, яка складається в нанесенні на поверхню напівпровідникового матеріалу спеціальних масок, а потім у витравленні за допомогою фотографічної техніки так званих літографічних вікон. Ці вікна внаслідок подальшого процесу виробництва перетворюються в елементи і з'єднання мікроелектронної схеми. Від того, наскільки малі розміри відповідних вікон, залежить число елементів схеми, які можуть бути розміщені на одиниці площі напівпровідника, а від точності і якості витравлення вікон залежить якість мікросхеми. Вище вже говорилося про контроль якості готових мікросхем за допомогою холестерических рідких кристалів, які візуалізують поле температур на працюючій схемі і дозволяють виділити дільниці схеми з аномальним тепловиділенням. Не менш корисним виявилося застосування рідких кристалів (тепер уже нематических) на стадії контролю якості літографічних робіт. Для цього на напівпровідникову пластину з протравленими літографічними вікнами наноситься орієнтований шар нематика, а потім до неї прикладається електричне напруження. У результаті в поляризованому світлі картина " витравлених вікон виразно візуалізується. Більш того цей метод дозволяє виявити дуже малі по розмірах неточності і дефекти літографічних робіт, 1 протяжність яких всього 0,01 мкм.

Деякий час тому назад незвичайною популярністю в США користувалася новинка ювелірного виробництва, що отримала назву «перстень настрою». За рік було продано 5 0 мільйонів таких перснів, т. е. практично кожна доросла жінка мала цей ювелірний виріб. Що ж привернуло увагу любител і біжутерії до цього персня? Виявляється, він володів абсолютно містичною властивістю реагиро в ать на настрій його власника. Реакція полягала в тому, що колір камінчика персня слідував за настроєм власника, пробігаючи всі кольори райдуги від червоного до фіолетового. Ось це поєднання таємничої властивості вгадувати настрій, декоративность персня, що забезпечується яскравим і змінним забарвленням камінчика, плюс низька ціна і забезпечили успіх персню настрою.

Мабуть, саме тоді уперше широка маса зіткнулася із загадковим терміном «рідкі кристали». Справа в тому, що кожному власнику персня хотілося знати його секрет стеження за настроєм. Однак нічого глуздом не було відомо, говорилося, тільки, що камінчик персня зроблений на рідкому кристалі. Для читача, який знайомий з рідкими кристалами, треба зробити уточнення - на холестерическом рідкому кристалі, а секрет персня настрою пов'язаний з його дивними оптичними властивостями. Тим, який тільки чув про рідкі кристали, а можливо, і не чув про них взагалі, щоб розкрити секрет персня настрою, необхідно спочатку познайомитися з тим, що таке рідкі кристали, і тоді він дізнається не тільки про те, як рідкі кристали дозволяють стежити за настроєм людини, але і про багатьох інших дивних їх властивостей і практичні застосування.

ПРО МАЙБУТНІ ЗАСТОСУВАННЯ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

Рідкі кристали сьогодні і завтра. Багато які оптичні ефекти в рідких кристалах, про які розказувалося вище, вже освоєні технікою і використовуються у виробах масового виробництва. Наприклад, всім відомі години з індикатором на рідких кристалах, але не всі ще знають, що ті ж рідкі кристали використовуються для виробництва наручних годин, в які вбудований калькулятор. Тут вже навіть важко сказати, як назвати такий пристрій, чи то години, чи то комп'ютер. Але це вже освоєні промисловістю вироби, хоч всього десятиріччя назад подібне здавалося нереальним. Перспективи ж майбутніх масових і ефективних застосувань рідких кристалів ще більш дивні. Тому варто розказати про декількох технічних ідей застосування рідких кристалів, які поки що не реалізовані, але, можливо, в найближчі декілька років послужать основою створення пристроїв, які стануть для нас такими ж звичними, якими, скажемо, зараз є транзисторні приймачі.

Керовані оптичні транспаранти. Розглянемо приклад досягнення наукових досліджень в процесі створення рідкокристалічних екранів, відображення інформації, зокрема рідкокристалічних екранів телевізорів. Відомо, що масове створення великих плоских екранів на рідких кристалах стикається з труднощами не принципового, а чисто технологічного характеру. Хоч принципово можливість створення таких екранів продемонстрована, однак а зв'язки зі складністю їх виробництва при сучасній технології їх вартість виявляється дуже високою. Тому виникла ідея створення проекційних пристроїв на рідких кристалах, в яких зображення, отримане на рідкокристалічному екрані малого розміру могло б бути спроектоване в збільшеному вигляді на звичайний екран, подібно тому, як це відбувається в кінотеатрі з кадрами кіноплівки. Виявилося, що такі пристрої можуть бути реалізовані на рідких кристалах, якщо використати сендвичевие структури, в які поряд з шаром рідкого кристала входить шар фотополупроводника. Причому запис зображення в рідкому кристалі, здійснюваний з допомогою фотополупроводника, проводиться променем світла. Про подібний проектор вже розказувалося в розділі VII. Тепер же познайомимося з фізичними явищами, встановленими в основу його роботи.

Принцип запису зображення дуже простий. У відсутність підсвічування фотополупроводника його провідність дуже мала, тому практично вся різниця потенціалів, подана на електроди оптичного осередку, в яку ще додатково введений шар фотополупроводника, падає на цьому шарі фотополупроводника. При цьому стан рідкокристалічного шара відповідає відсутності напруження на ньому. При підсвічуванні фотополупроводника його провідність різко зростає, оскільки світло створює в ньому додаткових носіїв струму (вільні електрони і дірки). У результаті відбувається перерозподіл електричних напружень в осередку - тепер практично все напруження падає на рідкокристалічному шарі, і стан шара, зокрема, його оптичні характеристики, змінюється відповідно величині поданого напруження. Таким чином, змінюються оптичні характеристики рідкокристалічного шара внаслідок дії світла. Ясно, що при цьому в принципі може бути використаний будь-який електрооптический ефект з описаних вище. Практично, звісно, вибір електрооптического ефекту в такому сендвичевом пристрої, званому електрооптическим транспарантом, визначається нарівні з необхідними оптичними характеристиками і чисто технологічними причинами.

Важливо, що в транспаранті, що описується зміна оптичних характеристик рідкокристалічного шара відбувається локально - в точці засветки фотополупроводника. Тому такі транспаранти володіють дуже високою дозволяючою здатністю. Так, обсяг інформації, що міститься на телевізійному екрані, може бути записаний на транспаранті розмірами менше за 1х1 см2.

Описаний спосіб запису зображення, крім усього іншого, володіє великими достоїнствами, оскільки він робить непотрібним складну систему комутації, т. е. систему підведення електричних сигналів, яка застосовується в матричних екранах на рідких кристалах.

Просторово-часові модулятори світла. Керовані оптичні транспаранти можуть бути використані не тільки як елементи проекційного пристрою, але і виконувати значне число функцій, пов'язаних з перетворенням, зберіганням і обробкою оптичних сигналів. У зв'язки з тенденціями розвитку методів передачі і обробки інформації з використанням оптичних каналів зв'язку, що дозволяють збільшити швидкодію пристроїв і обсяг інформації, що передається, керовану оптичні транспаранти на рідких кристалах представляють значний інтерес і з цієї точки зору. У цьому разі їх ще прийнято називати просторово-часовими модуляторами світла (ПВМС), або світловими клапанами. Перспективи і масштаби застосування ПВМС в пристроях обробки оптичної інформації визначаються тим, наскільки сьогоднішні характеристики оптичних транспарантів можуть бути поліпшені у бік досягнення максимальної чутливості до керуючого випромінювання, підвищення швидкодії і просторового дозволу світлових сигналів, а також діапазону довжин хвиль випромінювання, в якому надійно працюють ці пристрої. Як вже відмічалося, одна з основних проблем - це проблема швидкодії рідкокристалічних елементів, однак вже досягнуті характеристики модуляторів світла дозволяють абсолютно визначено затверджувати, що вони помістяться значну в системах обробки оптичної інформації. Нижче розказується про ряд можливих застосувань модуляторів світла.

Передусім, відмітимо високу чутливість модуляторів світла до керуючого світлового потоку, яка характеризується інтенсивністю світлового потоку. Крім того, досягнутий високий просторовий дозвіл сигналу - біля 300 ліній на 1 мм. Спектральний діапазон роботи модуляторів, виконаних на різних напівпровідникових матеріалах, перекриває довжини хвиль від ультрафіолетового до ближнього інфрачервоного випромінювання. Дуже важливо, що в зв'язку із застосуванням в модуляторах фотополупроводников вдається поліпшити тимчасові характеристики пристроїв в порівнянні з швидкодією власне рідких кристалів. Так, модулятори світла за рахунок властивостей фотополупроводника можуть зареєструвати оптичний сигнал тривалістю всього менше 1 з. Зрозуміло, зміна оптичних характеристик рідкого кристала в точці реєстрації сигналу відбувається із запізнюванням, т. е. більш повільно, відповідно до часу зміни оптичних характеристик рідкого кристала при накладенні на нього (або знятті) електричного поля.

Які ж, крім функцій, що вже обговорювалися, можуть виконувати модулятори світла? При відповідному підборі режиму роботи модулятора вони можуть виділяти контур зображення, що проектується на нього. Якщо контур переміщається, то можна візуалізувати його рух. При цьому істотно, що довжина хвилі записуючого зображення випромінювання і прочитуючого випромінювання можуть відрізнятися. Тому модулятори світла дозволяють, наприклад, візуалізувати інфрачервоне випромінювання, або за допомогою видимого світла модулювати пучки інфрачервоного випромінювання, або створювати зображення в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль.

У іншому режимі роботи модулятори світла можуть виділяти області, піддані нестаціонарному освітленню. У цьому режимі роботи з всього зображення виділяються, наприклад, світлові точки, що тільки переміщаються по зображенню, або мерехтливі його дільниці. Модулятори світла можуть використовуватися як підсилювачі яскравості світла (в 10^-10° раз і більш) В зв'язку же з їх високою просторовою дозволяючою здатністю їх використання виявляється еквівалентним підсилювачу з дуже великим (10"-10^) числом каналів. Перераховані функціональні можливості оптичних модуляторів дають Підставу використати їх 6 численних задачах обробки оптичної інформації, таких як розпізнавання образів, придушення перешкод, спектральний і кореляційний аналіз, интерферометрия, в тому числі запис голограмм в реальному масштабі часу, і т. д. Наскільки широко перераховані можливості рідкокристалічних оптичних модуляторів реалізовуються в надійні технічні пристрої, покаже найближче майбутнє.

Оптичний мікрофон. Щойно було розказано про управління світловими потоками за допомогою світла. Однак в системах оптичної обробки інформації і зв'язку виникає необхідність перетворювати не тільки світлові сигнали в світлові, але і інші самі різноманітні впливи в світлові сигнали. Такими впливами можуть бути тиск, звук, температура, деформація і т. д. І ось для перетворення цих впливів в оптичний сигнал рідкокристалічні пристрої виявляються знов-таки дуже зручними і перспективними елементами оптичних систем.

Звісно, існує маса методів перетворювати перераховані впливи в оптичні сигнали, однак переважна більшість цих методів пов'язана спочатку з перетворенням впливу в електричний сигнал, за допомогою якого потім можна управляти світловим потоком. Таким чином, методи ці двуступенчатие і, отже, не такі уже прості і економічні в реалізації. Перевага застосування з цією метою рідких кристалів складається в тому, що з їх допомогою самі різноманітні впливи можна безпосередньо переводити в оптичний сигнал, що усуває проміжна ланка в ланцюгу вплив-світловий сигнал, а значить, вносить принципове спрощення в управління світловим потоком. Інше достоїнство ЖК-елементів в тому, що вони легко сумісні з вузлами волоконно-оптичних пристроїв.

Щоб проілюструвати можливості з допомогою ЖК управляти світловими сигналами, розкажемо про принцип роботи «оптичного мікрофона» на ЖК-пристрої, запропонованого для безпосереднього перекладу акустичного сигналу в оптичний.

Принципова схема пристрою оптичного мікрофона дуже проста. Його активний елемент являє собою орієнтований шар нематика. Звукові коливання створюють періодичні у часі деформації шара, зухвалі також переорієнтації молекул і модуляцію поляризації (інтенсивності) минаючого поляризованого світлового потоку.

Дослідження характеристик оптичного мікрофона на ЖК, виконані в Акустичному інституті АН СРСР, показали, що по своїх параметрах він не поступається існуючим зразкам і може бути використаний в оптичних лініях зв'язку, дозволяючи здійснювати безпосереднє перетворення звукових сигналів в оптичні. Виявилося також, що майже у всьому температурному інтервалі існування нематической фази його акустооптические характеристики практично не змінюються

[9]-Перш ніж перейти наприклад іншому можливого

застосування ЖК в оптичних лініях зв'язку, нагадаємо, що оптичне волокно являє собою оптичний хвилевід. Світло з цього хвилевода не виходить назовні по тій причині, що зовні на волокно нанесене покриття, діелектрична проникність якого більше, ніж у внутрішній частині волокна, внаслідок чого відбувається повне внутрішнє відображення світла на межі внутрішньої частини і зовнішнього покриття. Хвилеводний режим поширення світла у волокні. можливо, також досягнуть не тільки за рахунок різкої діелектричної межі, але і при плавній зміні показника заломлення (діелектричної проникності) від середини до поверхні хвилевода.

Аналогічно з оптичними волокнами в тонкому шарі рідкого кристала також може бути реалізований хвилеводний режим поширення світла вдовж шара, якщо забезпечити відповідну зміну діелектричної проникності в межах товщини шара. А як ми знаємо, зміни діелектричних характеристик в ЖК можна добитися зміною орієнтації директора (довгих осей молекул). Виявляється, в шарі нематика або холестерину можна, наприклад, шляхом додатку електричного поля забезпечити такий характер зміни орієнтації директора по товщині, що для певної поляризації світла такий шар виявляється оптичним хвилеводом.

Кожний побачить тут очевидну аналогію між оптичним волокном-хвилеводом і рідкокристалічним хвилеводом. Але є тут і дуже істотна різниця. Ця різниця складається в тому, що якщо діелектричні характеристики оптичного волокна, а отже, і його хвилеводні властивості, незмінні і формуються при його виготовленні, то діелектричні, а отже, і хвилеводні властивості ЖК-хвилевода легко змінювати шляхом зовнішніх впливів.

Це означає, наприклад, що якщо рідкокристалічний хвилевід включений в канал волоконного зв'язку, то світловий потік, що йде по цьому каналу, можна модулювати, міняючи характеристики ЖК-елемента. У найпростішому випадку це може бути просто переривання світлового потоку, яке може відбуватися в ЖК-елементі при такому перемиканні електричного сигналу на ньому, яке приводить до зникнення його хвилеводних властивостей. До речі сказати, цей же ЖК-елемент може виконувати і функції оптичного мікрофона, якщо він влаштований так, що акустичний сигнал спричиняє в ньому обурення орієнтації директора.

Як зробити стереотелевизор. Як ще одне заманливе, несподіване і що стосується практично всіх застосувань рідких кристалів варто назвати ідею створення системи стереотелевидения із застосуванням рідких кристалів. Причому, що представляється особливо заманливим, така система «стереотелевидения на рідких кристалах» може бути реалізована ціною дуже простої модифікації передаючої телекамери і доповненням звичайних телевізійних приймачів спеціальними очками, скло яких забезпечене рідкокристалічними фільтрами.

Ідея цієї системи стереотелевидения надзвичайно проста. Якщо врахувати, що кадр зображення на телеекрані формується порядково, причому так, що спочатку висвічуються непарні строчки, а потім парні, то за допомогою очок з рідкокристалічними фільтрами легко зробити так, щоб праве око, наприклад, бачило тільки парні строчки, а лівий - непарні. Для цього досить синхронізувати включення і вимкнення рідкокристалічних фільтрів, т. е. можливість сприймати зображення на екрані навперемінно то одним, то іншим оком, роблячи навперемінно прозорим то одне, то інше скло очок з висвіченням парних і непарних рядків.

Тепер абсолютно ясно, яке ускладнення передаючої телекамери дасть стереоеффект телеглядачу. Треба, щоб передаюча телекамера була стерео, т. е. щоб вона володіла двома об'єктивами, відповідними сприйняттю об'єкта лівим і правим оком людини, парні строчки на екрані формувалися за допомогою правого, а непарні-за допомогою лівого об'єктиву передаючої камери.

Система очок з рідкокристалічними фільтрами-затворами, синхронізованими з роботою телевізора, може виявитися непрактичною для масового застосування. Можливо, що більш конкурентоздатної виявиться стереосистема, в якій скло очок забезпечене звичайними поляроидами. При цьому кожне з скла очок пропускає лінійно-поляризоване світло, площина поляризації якого перпендикулярна площині поляризації світла, що пропускається другим склом. Стерео ж ефект в цьому випадку досягається за допомогою рідкокристалічної плівки, нанесеною на екран телевізора і проникною від парних рядків світло однієї лінійної поляризації, а від непарної-іншої лінійної поляризації, перпендикулярної першої.

Яка з описаних систем стереотелевидения буде реалізована або виживе зовсім інша система, покаже майбутнє.

Очки для космонавтів. Знайомлячись раніше з маскою для електрозварника, а тепер з очками для стереотелевидения, б помітили, що в цих пристроях керований рідкокристалічний фільтр перекриває відразу все поле зору одного або обох очей. Тим часом існують ситуації, коли не можна перекривати все поле зору людини і в той же час необхідно перекрити окремі дільниці поля зору.

Наприклад, така необхідність може виникнути у космонавтів в умовах їх роботи в космосі при надзвичайно яскравому сонячному освітленні, не ослабленому ні атмосферою, ні хмарністю. Цю задачу як у разі маски для електрозварника або очок для стереотелевидения дозволяють вирішити керовані рідкокристалічні фільтри.

Ускладнення очок в цьому випадку складається в тому, що поле зору кожного ока тепер повинен перекривати не один фільтр, а декілька незалежно керованих фільтрів. Наприклад, фільтри можуть бути виконані у вигляді концентричних кілець з центром в центрі скла очок або у вигляді смужок на склі очок, кожна з яких при включенні перекриває тільки частину поля зору ока.

Такі очки можуть бути корисні не тільки космонавтам, але і людям інших професій, робота яких може бути пов'язана не тільки з яскравим нерозсіяним освітленням, але і з необхідністю сприймати великий обсяг зорової інформації.

Наприклад, в кабіні пілота сучасного літака безліч панелей приладів. Однак не всі з них потрібні пілоту одночасно. Тому використання пілотом очок, що обмежують поле зору, може бути корисним і що полегшує його роботу, оскільки допомагає зосереджувати його увагу тільки на частині потрібних в даний момент приладів і усуває відволікаючий вплив не потрібної в цей момент інформації. Звісно, у разі пілота можна піти і по-іншому шляху поставити ЖК-фільтри на індикатори приладів, щоб мати можливість екранувати їх свідчення.

Подібні очки будуть дуже корисні також в біомедичних дослідженнях роботи оператора, пов'язаної з сприйняттям великої кількості зорової інформації. Внаслідок таких досліджень можна виявити швидкість реакції оператора на зорові сигнали, визначити найбільш важкі і втомливі етапи в його роботі і в кінцевому результаті знайти спосіб оптимальної організації його роботи. Останнє означає визначити найкращий спосіб розташування панелей приладів, тип індикаторів приладів, колір і характер сигналів різної міри важливості і т. д.

Фільтри подібного типу і індикатори на рідких кристалах, безсумнівно, знайдуть (і вже знаходять) широке застосування в кіно-, фотоаппаратуре. У цих цілях вони привабливі тим, що для управління ними потрібно нікчемна кількість енергії, а в ряді випадків дозволяють виключити з апаратури деталі, що здійснюють механічні рухи. А як відомо, механічні системи часто виявляються найбільш громіздкими і ненадійними.

Які механічні деталі кіно-, фотоаппаратури є у вигляду? Це передусім діафрагми, фільтри - ослабители світлового потоку, нарешті, переривники світлового потоку в киносъемочной камері, синхронизованние з переміщенням фотоплівки і що забезпечують покадровое її експонування.

Принципи пристрою таких ЖК-елементів ясні з попереднього. Як переривники і фильтров-ослабителей природно використати ЖК-осередки, в яких під дією електричного сигналу змінюється пропускання світла по всій їх площі. Для діафрагм без механічних частин системи осередків у вигляді концентричних кілець, яких можуть під дією електричного сигналу змінювати площу проникного світло прозорого вікна. Потрібно також відмітити, що шаруваті структури, вмісні рідкий кристал і фотополупроводник, т. е. елементи типу керованих оптичних транспарантів, можуть бути використані не тільки як індикатори, наприклад, експозиції, але і для автоматичної установки діафрагми в кіно-, фотоаппаратуре.

При всій принциповій простоті пристроїв, що обговорюються їх широке впровадження в масову продукцію залежить від ряду технологічних питань, пов'язаних із забезпеченням тривалого терміну роботи ЖК-елементів, їх роботи в широкому температурному інтервалі, нарешті, конкуренції з традиційними і технічними рішеннями, що устоялися і т. д. Однак розв'язання всіх цих проблем - це тільки питання часу, і скоро, напевно, важко буде собі представити довершений фотоапарат, не вмісний ЖК-пристрою.