Как работают ЖК-дисплеи?

Вы, вероятно, используете предметы, содержащие ЖК-дисплей (жидкокристаллический дисплей) каждый день. Они повсюду вокруг нас - в портативных компьютерах, цифровых часах и наручных часах, микроволновых печах, проигрывателях компакт-дисков и многих других электронных устройствах. ЖК-дисплеи распространены, потому что они предлагают некоторые реальные преимущества по сравнению с другими технологиями отображения. Они тоньше и легче и потребляют гораздо меньше энергии, чем, например, электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).

Но что это за штуки, называемые жидкими кристаллами? Название "жидкокристаллический" звучит как противоречие. Мы думаем о кристалле как о твердом материале, таком как кварц, обычно твердом, как камень, а жидкость, очевидно, отличается. Как любой материал может сочетать в себе два?

В школе мы узнали, что существует три распространенных состояния вещества: твердое, жидкое или газообразное. Твердые вещества действуют так, как они действуют, потому что их молекулы всегда сохраняют свою ориентацию и остаются в одном и том же положении относительно друг друга. Молекулы в жидкостях прямо противоположны: они могут менять свою ориентацию и перемещаться в любом месте жидкости. Но есть некоторые вещества, которые могут существовать в странном состоянии, которое похоже на жидкость и похоже на твердое вещество.
Когда они находятся в этом состоянии, их молекулы, как правило, сохраняют свою ориентацию, как молекулы в твердом теле, но также перемещаются в разные положения, как молекулы в жидкости. Это означает, что жидкие кристаллы не являются ни твердым, ни жидким веществом. Вот так они получили свое, казалось бы, противоречивое название.

Итак, действуют ли жидкие кристаллы как твердые вещества, жидкости или что-то еще? Оказывается, жидкие кристаллы ближе к жидкому состоянию, чем к твердому. Требуется изрядное количество тепла, чтобы превратить подходящее вещество из твердого в жидкий кристалл, и требуется лишь немного больше тепла, чтобы превратить тот же жидкий кристалл в настоящую жидкость. Это объясняет, почему жидкие кристаллы очень чувствительны к температуре и почему они используются для изготовления термометров и настроечных колец. Это также объясняет, почему дисплей ноутбука может вести себя странно в холодную погоду или в жаркий день на пляже.

Оказывается, жидкие кристаллы ближе к жидкому состоянию, чем к твердому. Требуется изрядное количество тепла, чтобы превратить подходящее вещество из твердого в жидкий кристалл, и требуется лишь немного больше тепла, чтобы превратить тот же жидкий кристалл в настоящую жидкость. Это объясняет, почему жидкие кристаллы очень чувствительны к температуре и почему они используются для изготовления термометров и настроечных колец. Это также объясняет, почему дисплей ноутбука может вести себя странно в холодную погоду или в жаркий день на пляже.

Жидкие кристаллы с нематической фазой

Так же, как существует множество разновидностей твердых и жидких веществ, существует также множество жидкокристаллических веществ. В зависимости от температуры и конкретной природы вещества жидкие кристаллы могут находиться в одной из нескольких различных фаз. В этой статье мы обсудим жидкие кристаллы в нематической фазе, жидкие кристаллы, которые делают возможными ЖК-дисплеи.

Одной из особенностей жидких кристаллов является то, что на них воздействует электрический ток. Особый вид нематических жидких кристаллов, называемый twisted nematics (TN), естественно скручен. Подача электрического тока на эти жидкие кристаллы раскручивает их в разной степени, в зависимости от напряжения тока. ЖК-дисплеи используют эти жидкие кристаллы, потому что они предсказуемо реагируют на электрический ток таким образом, чтобы контролировать прохождение света.

Большинство молекул жидких кристаллов имеют форму стержня и в целом классифицируются как термотропные или лиотропные.

Термотропные жидкие кристаллы реагируют на изменения температуры или, в некоторых случаях, давления. Реакция лиотропных жидких кристаллов, которые используются в производстве мыла и моющих средств, зависит от типа растворителя, с которым они смешиваются. Термотропные жидкие кристаллы бывают либо изотропными, либо нематическими. Ключевое отличие заключается в том, что молекулы в изотропных жидкокристаллических веществах расположены случайным образом, в то время как нематические вещества имеют определенный порядок или структуру.

Ориентация молекул в нематической фазе зависит от директора. Режиссером может быть что угодно, от магнитного поля до поверхности с микроскопическими углублениями. В нематической фазе жидкие кристаллы можно дополнительно классифицировать по тому, как молекулы ориентируются друг относительно друга. Смектика, наиболее распространенное устройство, создает слои молекул. Существует много разновидностей смектической фазы, такой как смектика С, в которой молекулы в каждом слое наклоняются под углом к предыдущему слою. Другой распространенной фазой является холестериновая, также известная как хиральная нематическая. На этом этапе молекулы слегка закручиваются от одного слоя к следующему, образуя спираль.

В сегнетоэлектрических жидкокристаллических кристаллах (FLC) используются жидкокристаллические вещества с хиральными молекулами в смектическом С-образном расположении, поскольку спиральная природа этих молекул обеспечивает микросекундное время отклика на переключение, что делает FLC особенно подходящими для современных дисплеев. Стабилизированные поверхностью сегнетоэлектрические жидкие кристаллы (SSFLC) создают контролируемое давление с помощью стеклянной пластины, подавляя спираль молекул, чтобы сделать переключение еще более быстрым.