У 2008 р., наукова громадськість відзначить 120 років з моменту відкриття рідких кристалів - нового стану речовини. Тоді учені виявили, що речовини в рідкокристалічному стані володіють текучістю, як звичайні рідини, і в той же час їх оптичні властивості вражаюче схожі на властивості твердих кристалів.

Набагато пізніше стала ясна фізична причина існування четвертого стану речовини і його основна умова.

РОЗДІЛ 1. РІДКІ КРИСТАЛИ — НОВИЙ СТАН РЕЧОВИНИ

1.1 Навіщо потрібні РК

У буденному житті ми стикаємося з годинниками, термометрами на рідких кристалах. Інтерес до них перш за все обумовлений можливостями їх ефективного застосування у ряді галузей виробничої діяльності. Впровадження рідких кристалів означає економічну ефективність, простоту, зручність.

Рідкий кристал — це специфічний агрегатний стан речовини, в якій воно проявляє одночасно властивості кристала і рідини. Далеко не всі речовини можуть знаходитися в рідкокристалічному стані. Більшість речовин можуть знаходитися тільки в трьох, всім добре відомих агрегатних станах: твердому або кристалічному, рідкому і газоподібному. Деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, окрім трьох названих станів, можуть утворювати четвертий агрегатний стан — рідкокристалічне. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріві до якої рідкий кристал переходить в звичайну рідину. Подібно звичайній рідині, рідкий кристал володіє текучістю і приймає форму судини (сосуда), в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих всім кристалів. Проте не дивлячись на цю властивість, об'єднуючу його з рідиною, він володіє властивістю, характерною для кристалів. Це — впорядкування в просторі молекул, утворюючих кристал. Правда, це впорядкування не таке повне, як в звичайних кристалах, проте воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, утворюючих рідкий кристал, виявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжіння молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, володіють властивістю плинності.

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 витягнутою формою. Окрім простого названого впорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися складніший орієнтаційний порядок молекул.[1]

1.2 Трохи історії

Не володіючи сучасною величезною інформацією про будову матерії, дуже важко повірити, що такі, здавалося б, властивості, що взаємно виключають один одного, можуть виявлятися у однієї речовини. Тому, ймовірно, дослідники вже дуже давно стикалися з рідкокристалічним станом, але не віддавали собі в цьому звіту. Проте існування рідких кристалів було встановлене дуже давно, майже сторіччя тому, а саме в 1888 році.

Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський учений-ботанік Рейнітцер. Досліджуючи нову синтезовану ним речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі 145°С кристали цієї речовини плавляться, утворюючи мутну, сильно розсіюючу світло, рідину. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина прояснюється, тобто починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерилбензоат виявляв в мутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рейнітцер виявив, що вона володіє двупереломленням. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.

Явище двупереломлення - 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 щодо напряму розповсюдження світла.

Тому сказане пояснює, що існування двупереломлення в рідині, яка повинна бути ізотропною, тобто що її властивості повинні бути незалежними від напряму, представлялося парадоксальним. Найбільш правдоподібним у той час могла здаватися наявність в мутній фазі малих частинок кристала, що не розплавилися, кристалітів, які і були джерелом двупереломлення. Проте детальніші дослідження, до яких Рейнітцер привернув відомого німецького фізика Лемана, показали, що каламутна фаза не є двофазною системою, тобто не містить в звичайній рідині кристалічних включень, а є новим фазовим станом речовини. Цьому фазовому стану Леман дав назву «Рідкий кристал» у зв'язку з властивостями рідини і кристала, що одночасно проявлялися ним. Уживається 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 припустити, що їх чекає майже через сто років велике майбутнє в технічних застосуваннях. Тому після деякого інтересу до рідких кристалів відразу після їх відкриття про них через деякий час практично забули.

Проте вже в перші роки було з'ясовано багато інших дивовижних властивостей рідких кристалів. Так, деякі види рідких кристалів володіли незвично високою оптичною активністю.

Оптичною активністю називають здатність деяких речовин обертати площину поляризації світла, що проходить через них. Це означає, що лінійно поляризоване світло, розповсюджуючись в таких середовищах, змінює орієнтацію площини поляризації. Причому кут повороту площини поляризації прямо пропорційна шляху L, пройденому світлом, де кут повороту на одиничному шляху і називається питомою обертальною здатністю.

Дивовижними були також й інші властивості, такі, як сильна температурна залежність названих характеристик, їх дуже висока чутливість до зовнішніх магнітних і електричних полів і т д.

В кінці ХІХ — початку ХХ століття багато дуже авторитетних вчених вельми скептично відносилися до відкриття Рейнітцера і Лемана. (Ім'я Ламана також можна по праву пов'язувати з відкриттям рідких кристалів, оскільки він дуже активно брав участь в перших дослідженнях рідких кристалів.) Річ у 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 проявляли із зміною температури різку зміну забарвлення, так що їх колір пробігав всі тони веселки, інші рідкі кристали такої різкої зміни забарвлення не проявляли. Нарешті, зовнішній вигляд зразків, або, як прийнято говорити, текстура, різних рідких кристалів при розгляді їх під мікроскопом виявлявся зовсім різним. У одному випадку в полі поляризаційного мікроскопа могли бути видні утворення, схожі на нитки, 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?

Ось в таких умовах скептицизму з боку багатьох авторитетів і достатку суперечливих фактів вели свої роботи перші, тоді нечисленні, дослідники рідких кристалів, справжні ентузіасти своєї справи. До їх числа слід віднести німецького хіміка Д.Форлендера, який на початку ХХ століття в університетському місті Галле (Німеччина) спільно з своїми учнями вивчав хімію рідких кристалів. Він намагався відповісти на питання, якими властивостями повинні володіти молекули речовини, щоб воно мали рідкокристалічну фазу. Форлендер знайшов велику кількість нових з'єднань, що володіють рідкокристалічною фазою, і уважно досліджував властивості молекул відповідних з'єднань, зокрема структурні. В результаті його робіт стало ясно, що рідкі кристали утворюють речовини, молекули яких мають подовжену форму.[7]

Час йшов, факти про рідкі кристали поступово накопичувалися, але не було загального принципу, який дозволив би встановити якусь систему в уявленнях про рідкі кристали. Як то кажуть, настав час для класифікації предмету досліджень. Заслуга в створенні основ сучасної класифікації рідких кристалів належить французькому ученому Ж.Фріделю. В 20-і роки Фрідель запропонував розділити всі рідкі кристали на дві великі групи. Одну групу рідких кристалів Фрідель назвав нематичними, іншу смектичними. Він же запропонував загальний термін для рідких кристалів — «мезоморфна фаза». Цей термін походить від грецького слова «мезос» (проміжний), а вводячи його, Фрідель хотів підкреслити, що рідкі кристали займають проміжне положення між дійсними кристалами і рідинами як по температурі, так і по своїх фізичних властивостях. Нематичні рідкі кристали в класифікації Фріделя включали вже згадувані вище холестеричні рідкі кристали як підклас.

Сучасний етап вивчення рідких кристалів, який почався в 60-і роки і додав науці про РК сьогоднішні форми, методи досліджень, широкий розмах робіт сформувався під безпосереднім впливом успіхів в технічних додатках рідких кристалів, особливо в системах відображення інформації. В цей час зрозуміло і практично доведено, що в наше століття мікроелектроніки, що характеризується впровадженням мікромініатюрних електронних пристроїв, споживаючих нікчемні потужності енергії для пристроїв індикації інформації, тобто зв'язки приладу з людиною, найбільш відповідними виявляються індикатори на РК. Річ у тому, що такі пристрої відображення інформації на РК природним чином вписуються в енергетику і габарити мікроелектронних схем. Вони споживають нікчемну кількість потужності і можуть бути виконані у вигляді мініатюрних індикаторів або плоских екранів. Все це зумовлює масове впровадження рідкокристалічних індикаторів в системи відображення інформації, свідками якого ми є в теперішній час. Щоб усвідомити цей процес, досить пригадати годинник або мікрокалькулятори з рідкокристалічними індикаторами. Але це тільки початок. На зміну традиційним і звичним пристроям йдуть рідкокристалічні системи відображення інформації. Часто буває, технічні потреби не тільки стимулюють розробку проблем, пов'язаних з практичними застосуваннями, але і часто примушують переосмислити загальне відношення до відповідного розділу науки. Так відбулося і з рідкими кристалами. Зараз зрозуміло, що це найважливіший розділ фізики стану, що конденсує.[1]

1.3 Основні поняття

Рідкі кристали – це рідини, для яких характерним є певний порядок розміщення молекул і, як наслідок цього, анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей. І хоч рідкі кристали поєднують у собі властивості твердого тіла та ізотропної рідини, електро- і магнітооптичні явища в них досить специфічні і, як правило, не мають відповідних аналогів у твердій та ізотропній рідкій фазах. Якщо немає зовнішніх дій, в рідких кристалах має місце анізотропія діелектричної проникності, магнітної сприйнятливості, електропровідності та теплопровідності. У них спостерігається подвійне заломлення світлових променів та дихроїзм. [4]

1.4 Способи одержання рідких кристалів

Необхідною умовою прояву мезоморфізму є існування геометричної анізотропії молекул. Які повинні бути довгими і порівняно вузькими. Залежно від геометрії молекул система може проходити через одну або кілька мезофаз до переходу в ізотропну рідину. Переходи в ці проміжні стани можуть спричинятися суто термічними процесами (термотропний мезоформізм) або впливом розчинника (ліотропний мезоформізм).

У рідких кристалів після досягнення певної температури руйнується тривимірна гратка, але вони після цього не переходять у рідкий ізотропний стан, а зберігають дво- або одновимірну впорядкованість внаслідок анізотропії молекул. Відкриття рідких кристалів було пов’язано з тим, що при плавленні деяких речовин замість прозорого розплаву утворюється мутний. Мутність його зумовлена невпорядкованим подвійним променезаломленням подібно до кристалів кварцу та ісландського шпату. З підвищенням температури у таких речовин спостерігається перехід до звичайного ізотропного прозорого розплаву.

Як уже зазначалося, за способом одержання рідкі кристали поділяють на термотропні і ліотропні. Термотропні рідкі кристали утворюються при нагріванні твердих кристалів або охолодженні ізотропної рідини і існують у певному інтервалі температур. Ліотропні рідкі кристали утворюються при розчиненні твердих органічних речовин у різних розчинниках, наприклад у воді. Термотропні і ліотропні рідкі кристали мають кілька модифікацій рідкокристалічних фаз, кожній з яких на фазовій діаграмі відповідає певна область. Температурний інтервал існування рідкокристалічних фаз залежить від речовини і може знаходитись як при низьких (до -60°С), так і при високих температурах (до 400°С).

Рис. 1

На рис. 1 зображено молекулу типового термотропного рідкого кристала, що подібна до стержня. Характерним для таких кристалів є наявність двох або трьох бензольних кілець. До ліотропних рідких кристалів належать системи мило–вода; це розчин так званих амфифільних сполук. Кожна молекула таких речовин має полярну „голову”, яка розчинна у воді і нерозчинна у вуглеводах. Друга частина молекули – це вуглеводневий ланцюжок, який не розчиняється у воді. Це призводить до виникнення ламелярних (шаруватих) фаз у водних розчинах. В яких полярні „голови” повернуті до прошарків води, а вуглеводневі ланцюжки повернуті один до одного, утворюючи бішар (рис. 2).

Рис.2

Напрям переважаючого орієнтування молекул характеризують одиничним вектором L, який називають директором.[5]

1.5 Типи рідких кристалів

Термотропні рідкі кристали, за класифікацією французького хіміка-мінеролога Ш.Фріделя (1832-1899), поділяють на три типи: нематичні, смектичні та холестеричні. В основу такої класифікації покладено вигляд функції густини ρ і локальної орієнтації L молекул.

Для нематичного типу структури рідких кристалів ρ=const і L=const. У такому кристалі молекули довгими осями спонтанно орієнтовані майже паралельно одна одній (рис. 3).

Рис .3 Рис. 4

Для смектичного типу структури функція L=const, а ρ періодична вздовж осі, наприклад OZ, і стала у площині XOY (рис. 4). Цей тип структури характеризується двовимірною впорядкованістю молекул при паралелізації їх та ранжуванні центра мас молекул. Смектичні рідкі кристали мають шарувату структуру. Можливі різні типи упаковок молекул у шарах, внаслідок чого смектичні рідкі кристали мають велику кількість модифікацій.

Найскладніший тип упорядкування для холестеричних рідких кристалів, що характеризуються сполученням паралельних нематичних шарів. Напрям осей молекул у кожному з наступних шарів повернутий на певний кут відносно напрямів цих осей у попередніх шарах. Для таких систем ρ=const, а L модульовано за напрямом так, що кінці векторів L утворюють гвинтову лінію у вигляді спіралі з певним кроком (рис. 5). У площині XOY холестерині рідкі кристали мають таку ж плинність. Як і нематичні рідкі кристали. А вздовж осі OZ їхні механічні властивості подібні до властивостей смектичних рідких кристалів. Внаслідок такого упорядкування холестерині рідкі кристали мають унікальні оптичні властивості.

Рис. 5

Оскільки крок спіралі для різних холестеричних рідких кристалів має величину від десятих долей мікрометра до нескінченності, то видиме та інфрачервоне світло дифрагує на таких структурах, що зумовлює селективне відбивання світлових хвиль, які поширюються у напрямі осі OZ. За межами інтервалу довжин хвиль, для яких має місце селективне відбивання, холестерині рідкі кристали мають значну оптичну активність (у 102 -103 разів більшу, ніж у органічних рідин у твердих кристалів). Прикладом холестеричних рідких кристалів є ефіри холестерину.

Ліотропні рідкі кристали мають більш складну структуру, ніж термотропні. Ліотропні рідкі кристали досить поширені у природі, особливо в живих організмах (мембрани клітин, віруси тощо).

Виявлено новий тип рідких кристалів, які утворюються дископодібними молекулами.

Рідкі кристали містять складні анізотропні молекули, і тому практично неможливо врахувати всі види взаємодії між ними. При розгляді окремих випадків враховують такі типи міжмолекулярних сил: взаємодію сталих диполів; дисперсійну взаємодію молекул, розглядуваних як дипольні осцилятори. Зумовлені притяганням між молекулами; стеричне відштовхування, зумовлене скінченними розмірами молекул у моделях жорстких важких стержнів або ланцюжків жорстких кульок; індукційну взаємодію сталого молекулярного диполя з диполями, наведеними в молекулах, що оточують їх.

Анізотропія електричних і оптичних властивостей поряд з властивістю плинності рідких кристалів зумовлює різноманітність електрооптичних ефектів. Найбільш важливі орієнтаційні ефекти, зумовлені впливом зовнішнього електричного поля на орієнтацію молекул у рідких кристалах. Ці явища вперше виявив В.К.Фредерікс і їх називають переходами Фредерікса.

Електрооптичні властивості рідких кристалів лежать в основі широкого застосування їх. Зміна орієнтації L у нематичному рідкому кристалі вимагає електричної напруги порядку 1В і потужності порядку 1мкВт, що можна забезпечити безпосереднім передаванням сигналів з інтегральних схем без їхнього додаткового підсилення. Тому рідкі кристали широко застосовуються в малогабаритних електронних годинниках, калькуляторах, вимірювальних приладах як індикатори і табло для відображення відповідної інформації. В комбінуванні з фото чутливими напівпровідниковими шарами рідкі кристали застосовуються як підсилювачі і перетворювачі зображень, а також як пристрої оптичної обробки інформації.

Залежність кроку спіралі холестеричного рідкого кристала від температури дає можливість використовувати плівки цих речовин для спостереження розподілу температури на поверхні різних тіл. Цей метод застосовується також у медицині для діагнозу запальних процесів, візуалізації теплового вимірювання тощо.[4]

1.6 Електричні властивості

Більшість застосувань рідких кристалів пов'язана з управлінням їх властивостями шляхом додатку до них електричних дій. Податливість і «м'якість» рідких кристалів по відношенню до зовнішніх дій роблять їх виключно перспективними матеріалами для застосування в пристроях мікроелектроніки, для яких характерні невелика електрична напруга, мале споживання потужності і малі габарити. Тому для забезпечення оптимального режиму функціонування РК елементу в якому-небудь пристрої важливо добре вивчити електричні характеристики рідких кристалів.

Іншою важливою обставиною є те, що провідність в рідких кристалах носить іонний характер. Це означає, що відповідальними за перенесення електричного струму в РК є не електрони, як в металах, а набагато масивніші частинки. Це позитивно і негативно заряджені фрагменти молекул (або самі молекули), що віддали або захопили надмірний 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 контрольовану кількість іонних добавок, в якості яких можуть виступати деякі солі.[1]

РОЗДІЛ 2. ЗАСТОСУВАННЯ РІДКИХ КРИСТАЛІВ

2.1 Рідкі кристали сьогодні і завтра

Багато оптичних ефектів в рідких кристалах, про які розповідалося вище, вже освоєні технікою і використовуються у виробах масового виробництва. Наприклад, всім відомий годинник з індикатором на рідких кристалах, але не всі ще знають, що ті ж рідкі кристали використовуються для виробництва наручного годинника, в який вбудований калькулятор. Тут вже навіть важко сказати, як назвати такий пристрій, чи то годинник, чи то комп'ютер. Але це вже освоєні промисловістю вироби, хоча всього десятиліття тому подібне здавалося нереальним. Перспективи ж майбутніх масових і ефективних застосувань рідких кристалів ще дивовижніші.[1]

2.2 Властивості і застосування рідких кристалів

Рідкі кристали володіють дуже важливими оптичними властивостями, які забезпечили їх численне застосування і великий інтерес до їх вивчення. Як нематики, так і деякі смектики є одноосними кристалами, властивості яких легко і в широких межах змінюються зовнішніми діями. Це відкриває широкі можливості управління світловими потоками за допомогою рідких кристалів.

Холестерики унаслідок спіральної періодичності їх структури проявляють дифракційні властивості у видимій частині спектру. Оскільки крок спіралі змінюється під впливом зовнішніх дій, наприклад температури, то за допомогою цих зовнішніх дій також можна управляти світловим потоком.

На властивості рідких кристалів великий вплив роблять електричні і магнітні поля. Вивчення цих впливів є в даний час предметом інтенсивних наукових досліджень, а отримувані результати використовуються в практиці. Широко відомі цифрові покажчики на рідких кристалах, дисплеї. Розроблений метод візуалізації зображень в ультрафіолетовому випромінюванні. Великими перевагами рідкокристалічних плівок є їх порівняльна дешевизна і мала величина використовуваних потужностей і електричної напруги. [6]

2.3 Електронна гра, електронний словник і телевізор на Рк

Відомо, якою популярністю у молоді користуються різні електронні ігри, що зазвичай встановлюються в спеціальній кімнаті атракціонів в місцях суспільного відпочинку або фойє кінотеатрів. Успіхи в розробці матричних рідкокристалічних дисплеїв зробили можливим створення і масове виробництво подібних ігор в мініатюрному, так би мовити, кишенькового виконання. Наприклад, всім відома гра «Ну, постривай!», освоєна вітчизняною промисловістю. Габарити цієї гри, як у записника, а основним його елементом є рідкокристалічний матричний дисплей, на якому висвічуються зображення вовка, зайця, курей і яєчок, що котилися по жолобах. Завдання гравця, натискаючи кнопки управління, примусити вовка, переміщаючись від жолоба до жолоба, ловити яєчка, що скочуються з жолобів, в корзину, щоб не дати їм впасти на землю і розбитися. Тут же відзначимо, що, крім розважального призначення, ця іграшка виконує роль годинника і будильника, тобто 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 є 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 іншою мовою. Уявіть собі, як покращає і полегшиться процес навчання іноземних мов в школі і у вузі, якщо кожен учень буде забезпечений подібним словником. А спостерігаючи, як швидко вироби мікроелектроніки упроваджуються в наше життя, можна з упевненістю сказати, що таке час не за горами. Легко уявити і шляхи подальшого вдосконалення таких словників-перекладачів: перекладається не одне слово, а ціле речення. Крім того, переклад може бути і озвучений. Словом, впровадження таких словників-перекладачів обіцяє революцію у вивченні мов і техніці перекладу.

Вимоги до матричного дисплея, використовуваного як екран телевізора, виявляються значно вищими 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 кожен рядок), а час запису одного кадру 40 мс. Тому практична реалізація телевізора з рідкокристалічним екраном виявляється важчим завданням. Проте відомі перші успіхи в технічному рішенні і цього завдання. Так, японська фірма «Соні» налагодила виробництво мініатюрного, такого, що уміщається практично на долоні телевізора з розміром екрану 3,6 дюймів. Вже створені телевізори на РК як з крупнішими 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 полягає в нанесенні на поверхню напівпровідникового матеріалу спеціальних масок, а потім у витравлянні за допомогою фотографичної техніки так званих літографічних вікон. Ці вікна в результаті подальшого процесу виробництва перетворяться 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 витравляння вікон залежить якість мікросхеми. Вище вже мовилося про контроль якості готових мікросхем за допомогою холестеричних рідких кристалів, які візуалізують поле температур на працюючій схемі і дозволяють виділити ділянки схеми з аномальним тепловиділенням. Не менш корисним виявилося застосування рідких кристалів (тепер вже нематичних) на стадії контролю якості літографічних робіт. Для цього на напівпровідникову пластину з протравленими літографічними вікнами наноситься орієнтований шар нематика, а потім до неї прикладається електрична напруга. В результаті в поляризованому світлі картина витравлених вікон виразно візуалізується. Більш того, цей метод дозволяє виявити дуже малі за розмірами неточності і дефекти літографічних робіт, 1 протяжність яких всього 0,01 мкм.

2.4 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. Хоча принципово можливість створення таких екранів продемонстрована, проте в зв'язку з 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 спроектовано в збільшеному вигляді на звичайний екран, подібно до того, як це відбувається в кінотеатрі з кадрами кіноплівки. Виявилось, що такі пристрої можуть бути реалізовані на рідких кристалах, якщо використовувати „сандвічеві” структури, в які разом з шаром рідкого кристала входить шар фотонапівпровідника. Причому запис зображення в рідкому кристалі, здійснюваний за допомогою фотонапівпровідника, проводиться променем світла.

Принцип запису зображення дуже простий. У відсутність підсвічування фотонапівпровідника його провідність дуже мала, тому практично вся різниця потенціалів, подана на електроди оптичного осередку, в який ще додатково введений шар фотонапівпровідника, падає на цьому шарі фотонапівпровідника. При підсвічуванні фотонапівпровідника його провідність різко зростає, оскільки світло створює в нім додаткові носії струму (вільні електрони і дірки). В результаті відбувається перерозподіл електричної напруги в осередку — тепер практично вся напруга падає на рідкокристалічному шарі, і стан шаруючи, зокрема, його оптичні характеристики змінюються відповідно величині поданої напруги. Таким чином змінюються оптичні характеристики рідкокристалічного шару в результаті дії світла. Ясно, що при цьому в принципі може бути використаний будь-який електрооптичний ефект з описаних вище. Практично, звичайно, вибір електрооптичного ефекту в такому сандвічевом пристрої, званому електрооптичним транспарантом, визначається разом з необхідними оптичними характеристиками і чисто технологічними причинами.

Важливо, що в описуваному транспаранті зміна оптичних характеристик рідкокристалічного шару відбувається локально — в точці засвічення фотонапівпровідника. Тому такі транспаранти володіють дуже високою роздільною здатністю. Так, об'єм інформації, що міститься на телевізійному екрані, може бути записаний на транспаранті розмірами менше 1х1 см.

Описаний спосіб запису зображення, крім всього іншого, володіє великими достоїнствами, оскільки він робить непотрібною складну систему комутації, тобто систему підвода електричних сигналів, яка застосовується в матричних екранах на рідких кристалах.[3]

2.5 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'язку з тенденціями розвитку методів передачі і обробки інформації з використанням оптичних каналів зв'язку, що дозволяють збільшити швидкодію пристроїв і об'єм передаваної інформації, керовані оптичні транспаранти на рідких кристалах представляють значний інтерес і з цієї точки зору. В цьому випадку їх ще прийнято називати просторово-часовими модуляторами світла (ПЧМС), або світловими клапанами. Перспективи і масштаби застосування ПЧМС в пристроях обробки оптичної інформації визначаються тим, наскільки сьогоднішні характеристики оптичних транспарантів можуть бути покращені у бік досягнення максимальної чутливості до випромінювання, що управляє, підвищення швидкодії і просторового дозволу світлових сигналів, а також діапазону довжин хвиль випромінювання, в якому надійно працюють ці пристрої. Як вже наголошувалося, одна з основних проблем — це проблема швидкодії рідкокристалічних елементів, проте вже досягнуті характеристики модуляторів світла дозволяють абсолютно безумовно стверджувати, що вони займуть значне місце в системах обробки оптичної інформації.

При відповідному підборі режиму роботи модулятора вони можуть виділяти контур проектованого на нього зображення. 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 зі всього зображення виділяються, наприклад, світлові крапки, що тільки переміщаються по зображенню, або мерехтливі його ділянки. Модулятори світла можуть використовуватися як підсилювачі яскравості світла. В зв'язку ж з їх високою просторовою роздільною здатністю їх використання виявляється еквівалентним підсилювачу з дуже великим числом каналів. Перераховані функціональні можливості оптичних модуляторів дають Підставу використовувати їх в численних завданнях обробки оптичної інформації, таких як розпізнавання образів, придушення перешкод, спектральний і кореляційний аналіз, інтерферометрія, зокрема запис голограм в реальному масштабі часу, і т.д.[3]

2.6 Як зробити стереотелевізор

Як ще одне принадне, несподіване і таке, що стосується практично всіх застосувань рідких кристалів варто назвати ідею створення системи стереотелебачення із застосуванням рідких кристалів. Причому, що представляється особливо принадним, така система «стереотелебачення на рідких кристалах» може бути реалізована ціною дуже простій модифікації телекамери, що передає, і доповненням звичайних телевізійних приймачів спеціальними окулярами, скельця яких забезпечені рідкокристалічними фільтрами.

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

Тепер абсолютно ясно, яке ускладнення телекамери, що передає, дасть стереоефект телеглядачеві. Треба, щоб телекамера, що передає, була стерео, тобто щоб вона володіла двома об'єктивами, відповідними сприйняттю об'єкту лівим і правим оком людини, парні строчки на екрані формувалися за допомогою правого, а непарні — за допомогою лівого об'єктиву камери, що передає.

Система окулярів з рідкокристалічними фильтрами-затворами, синхронізованими з роботою телевізора, може виявитися непрактичною для масового застосування. Можливо, що більш конкурентоздатною виявиться стереосистема, в якій скло окулярів забезпечені звичайними поляроїдами. При цьому кожне із скелець окулярів 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, нанесеної на екран телевізора і проникної від парних рядків світло однієї лінійної поляризації, а від непарних — іншої лінійної поляризації, перпендикулярної до першої.[2]

2.7 Окуляри для космонавтів

Знайомлячись раніше з маскою для електрозварника, а зараз з окулярами для стереотелебачення, відмітили, 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 ділянки 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. Це завдання як у разі маски для електрозварника або окулярів для стереотелебачення дозволяють вирішити керовані рідкокристалічні фільтри.

Ускладнення окулярів в цьому випадку полягає 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 скелець окулярів або у вигляді смужок на склі окулярів, кожна з яких при включенні перекриває тільки частину поля зору ока.

Такі окуляри 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 об'єм зорової інформації.

Наприклад, в кабіні пілота сучасного літака величезна кількість панелей приладів. Проте не всі з них потрібно пілотові одночасно. Тому використання пілотом окулярів, що обмежують поле зору, може бути корисним і таким, що полегшує його роботу, оскільки допомагає зосереджувати його увагу тільки на частини потрібних в даний момент приладів і усуває відволікаючий вплив не потрібної у цей момент інформації. Звичайно, у разі пілота можна піти і по іншому шляху — поставить РК-фільтри на індикатори приладів, щоб мати можливість екранувати їх показники.

Подібні окуляри будуть дуже корисні також в біомедичних дослідженнях роботи оператора, пов'язаної із сприйняттям великої кількості зорової інформації. В результаті таких досліджень можна виявити швидкість реакції оператора на зорові сигнали, визначити найбільш важкі і утомливі етапи в його роботі і зрештою знайти спосіб оптимальної організації його роботи. Останнє означає визначити якнайкращий спосіб розташування панелей приладів, тип індикаторів приладів, колір і характер сигналів різного ступеня важливості і т.д.

Фільтри подібного типу і індикатори на рідких кристалах, поза сумнівом, знайдуть (і вже знаходять) широке застосування в кіно-, фотоапаратурі. У цих цілях вони привабливі тим, що для управління ними потрібна нікчемна кількість енергії, а у 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-, фотоапаратури мається на увазі? Це перш за все діафрагми, фільтри — ослаблювачі світлового потоку, нарешті, переривники світлового потоку в кінознімальній камері, синхронізовані з переміщенням фотоплівки і що забезпечують покадрове її експонування.

Принципи пристрою таких РК-елементів ясні з попереднього. Як переривники і фільтри-ослаблювачі природно використовувати РК-осередки, в яких під дією електричного сигналу змінюється пропускання світла за всією їх площею. Для діафрагм без механічних частин — системи осередків у вигляді концентричних кілець, яких можуть під дією електричного сигналу змінювати площу проникного світло прозорого вікна. Слід також відзначити, що шаруваті структури, що містять рідкий кристал і фотонапівпровідник, тобто елементи типу керованих оптичних транспарантів, можуть бути використані не тільки як індикатори, наприклад, експозиції, але і для автоматичної установки діафрагми в кіно-, фотоапаратурі.

При всій принциповій простоті обговорюваних пристроїв їх широке впровадження в масову продукцію залежить від ряду технологічних питань, пов'язаних із забезпеченням тривалого терміну роботи Рк-елементів, їх роботи в широкому температурному інтервалі, нарешті, конкуренція з традиційними і сталими технічними рішеннями і т.д. Проте вирішення всіх цих проблем — це тільки питання часу, і скоро, напевно, важко буде собі уявити довершений фотоапарат, що не містить РК-пристрою.[1]

2.8 Рідкокристалічний дисплей

Через 80 років після відкриття такого стану речовини, як рідкий кристал дві незалежні одна від одної групи вчених із RCA Labs і Kent (Юта) створили перший рідкокристалічний дисплей на основі узагальнення результатів впливу на кристали електричними зарядами. Спочатку рідкокристалічні екрани використовувалися в годинниках. До 1984-го вдалося поліпшити розрізнювальну здатність рідких кристалів, що дозволило передавати зображення, а не тільки текст. З’явилися ноутбуки, переносні комп’ютери.

ВИСНОВОК

Тепер відомо понад десять тисяч органічних сполук, які є рідкими кристалами. До них належать мило, віруси, білок в ядрі клітини, сполуки холестерину та інших стероїдів, антоціан у листі капусти. ДНК, мозок тощо.

Дотепер вивчено понад 3000 речовин, що утворюють рідкі кристали. До них належать речовини біологічного походження, наприклад, дезоксирибонуклеїнова кислота, що несе код спадкової інформації, і речовина мозку. Подальші дослідження цих речовин не тільки розширять їх застосування в техніці, але й допоможуть проникнути в таємниці біологічних процесів.

Рідкі кристали широко застосовуються в малогабаритних електронних годинниках, моніторах, калькуляторах, вимірювальних приладах як індикатори і табло для відображення відповідної інформації. В комбінуванні з фото чутливими напівпровідниковими шарами рідкі кристали застосовуються як підсилювачі і перетворювачі зображень, а також як пристрої оптичної обробки інформації.

ЛІТЕРАТУРА

1. www.sduto.ru

2. Белиловский В.Д. Эти удивительные кристаллы: Кн. для внекл. чтения учащихся 8-10 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1987.

3. Блинов Л.М., Пикин С.А. жидкокристаллическое состояние вещества. – М.: Знание, 1986. – 64 с. – (Новое в жизни, науке. технике. Сер. «Физика»; №6).

4. Дущенко В.П., Кучерук І.М. загальна фізика і термодинаміка: Навч. посібник. – 2-ге вид., перероб. і допов. – К.: Вища шк., 1993 (С. 386-389).

5. Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П. Механіка. Молекулярна фізика і термодинаміка. загальний курс фізики. Том 1 (С. 481-485).

6. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1981 (С. 281-284).

7. Пикин С.А., Блинов Л.М. Жидкие кристаллы /Под ред. Л.Г.Асламазова.- М.: Наука. главная редакция физико-математической литературы, 1982. – 208 с.- (Библиотечка «Квант». Вып. 20).