‌‌

_{11 ‌‌}) и перпендикулярно ему (n_┴ и ε_┴) различны (ЖК — кристаллы с двойным лучепреломлением);

— В зависимости от знака величины Δε=ε₁₁ – ε₁ различают положительную и отрицательную диэлектри-ческую анизотропию — при приложении электрического поля молекулы ЖК первого типа ориентируются вдоль поля, второго типа — поперек поля;

— наличие анизотропии и возможность перестройки структуры проявляются в двух разновидностях электро-оптических эффектов; изменение характера поляризации проходящего (отраженного) света и изменение коэффициента отражения (пропускания) света.

В качестве жидких кристаллов могут выступать очень многие органические соединения (тысячи), наи-лучшие для технических применений результаты дают их смеси. «Классическими» нематическими смесами являются МББА (н- (п-метоксибензилиден) — п- (н-бутиланилин)) и ЭББА (н- (п-этоксибензилиден) — п- (н - бутиланилин)), обеспечивающие получение ΔТ_жк =Т_ж—Т_к=15 ... 70°. Среди всех структурных разновидностей жидких кристаллов нематические отличаются наименьшей вязкостью, что обеспечивает их наибольшее быстродействие, определяемое временем переориентации молекул ~10^-1 с (и до ІО^-2 ... 10^-3 с в специальных рабочих режимах). Удельное сопротивление нематических ЖК очень велико (~10¹⁷ Ом*см и для его некоторого уменьшения (что порой необходимо) в жидкость вводятся органические примеси, при диссоциации которых возникают свободные ионы.

Исторически первым электрооптическим эффектом, использованным в индикаторной технике, стал эффект динамического рассеяния. Если к слою слегка проводящего нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией приложить электрическое поле, то молекулы ориентируются поперек поля, а возникающий поток ионов стремится ларушить эту ориентацию.

При некотором значении тока проводимости возникает состояние турбулентности, разрушающее ранее упо-рядоченную структуру ЖК. Беспрерывные хаотические изменения показателя преломления участков жидкости вызывают рассеяние света (отсюда и название эффекта), внешне проявляющееся как помутнение ЖК. Вольт-контрастная характеристика ЖКИ представлена на рис. 3.7.

Лучшие характеристики индикаторов дает использо-

вание твист-эффекта, суть которого заключается в сле-

дующем. В зазоре между двумя пластинами тем или

иным способом достигают «скручивания» номатической

структуры ЖК, т. е. такого расположения молекул, когда

 их большие оси параллельны ограничивающим по-

верхностям, а направления этих осей вблизи одной и

другой пластин взаимно перпендикулярны (рис. 3.8,а).

В толще жидкости ориентация молекул меняется

постепенно от верхней граничной ориентации к

нижней. Технологически такая скрученная струк-

тура достигается, например, путем однонаправ-

ленного натирания внутренних поверхностей

стеклянных пластин во взаимно перпендикуляр-

ных направлениях, что и ведет к соответствующей

ориентации молекул.

Слой скрученного нематического ЖК вращает плоскость поляризации проходящего света на п/2. Если к ячейке приложить электрическое поле, то (при условии использования материалов с положительной диэлектрической анизотропией) все молекулы ориентируются вдоль поля (рис. 3.8,6) и эффект скручивания пропадает. Теперь слой жидкости не изменяет поляризации проходящего через него света. Помещая на входе и выходе ячейки поляроидные пластины, преобразуют модуляцию поляризации света в амплитудную.

Твист-эффект в отличие от эффекта динамического рассеяния является чисто полевым: для его реализации пропускание тока через структуру не нужно. Это дает существенный выигрыш в энергопотреблении.

Устройство жидкокристаллического индикатора (рис. 3.9) достаточно просто, здесь удобно реализуюгся современные плоские панельные конструкции. Для получения низких управляющих напряжений (единицы вольт) зазор между пластинами должен быть небольшим (~10^-3 см), а используемая жидкость должна

иметь круто нарастающую вольт-контрастную характеристику (рис. 3.7). Характерно, что стоимость ЖКИ (в отличие от полупроводниковых) очень мало зависит от их площади — изготавливаются приборы с высотой цифр от 3 до 500 мм. Используются конструкции, работающие как в отраженном свете (большинство типов), так и в проходящем. Все ЖКИ работают на переменном токе; при попытках использовать постоянное управляющее напряжение оказываются существенными электролитические эффекты и срок службы прибора становится недопустимо малым.

Жидкие кристаллы представляют собой достаточно удобную основу для создания информационных табло повышенной информационной емкости и экранов мало-кадрового телевидения. Причины этого—малая потреб-ляемая мощность, высокая контрастность, низкое питающее напряжение, технологичность. Основные сложности связаны со схемами управления:

низкое быстродействие

ЖКИ затрудняет использование мулыиплексных режи-

мов, приводит к созданию ЖК матриц с большим коли-

чеством внешних выводов. Перспективы преодоления

этой проблемы видятся в разработке конструкции экра-

на, в которой вместо одной из стеклянных обкладок

обычного ЖКИ используется кремниевая пластина,

содержащая схему управления и имеющая на своей

поверхности матрицу элементарных электродов.

Каждый из этих электродов является оптическим

отражателем. Такое технологическое совмещение растра

и схемы управления резко сокращает число внешних

выводов.

Совершенствование ЖКИ ведется в направлении получения цветных изображений (для этого привлекаются иные, отличные от описанных, электрооптические эффекты), повышения быстродействия, долговечности (значения, близкие к 105 ч, представляются вполне реальными), создания злементов с встроенной памятью.

3.3 Газоразрядные индикаторы (ГРИ) являются примером того, как влияние конструкторско-технологических идей микроэлектроники заново преобразует «старую» традиционную область техники.

Основу любого прибора этого класса составляет элементарный газоразрядный промежуток (рис. 3.10). За-жигание и поддержание разряда требует высокого напряжения (U_заж≈80 ... 400 В, U_гор≈50 ... 300 В), ток близок к 1 мА. Заполнение рабочего объема неоном дает оранжевое свечение, а гелием и аргоном — желтое и фиолетовое. Возможно и непрямое преобразование энергии: разряд в ксеноне (УФ излучение) в сочетании с фотолюминофорами желаемого цвета свечения. Инерционность газового разряда определяется в основном временами его гашения (10^-7 ... 10^-8 с) и исчезновения плазмы (10^-6 ... 10^-4 с).

Используются два основных режима работы. В режиме постоянного тока обязателен балластный резистор,

необходим и элемент гашения разряда. Взаимодействие газа с электродами (рис. 3.10,а) сопровождается катодным распылением, особенно интенсивным при минусовых температурах. Значительно перспективнее высокочастотный разряд, для которого характерны самоограничение и отсутствие непосредственного кон-такта газа с электродами (рис. 3.10,6).

Среди газоразрядных индикаторов выделяют: знаковые, шкальные и универсальные (плазменные

панели). На смену громоздкой пакетной конструкции газоразрядной лампы с десятью изолированными катодами, высвечивающими отдельные цифры, пришел многоразрядный монодисплей панельного типа, один из вариантов которого представлен на рис. 3.11. Его характерные особенности: плоскостность, малая толщина (несколько миллиметров), простота конструкции (всего четыре детали) и технологии. Две плоские электродные решетки из ковара, получаемые штамповкой или травлением, закрепляются на отдельных стеклянных пластинах, после чего части собранного пакета соединяются в горячем состоянии. Затем пакет вакуумируется, заполняется газовой смесью и герметизируется. Кроме катодных линейных элементов, формирующих изображение, электродные решетки содержат и внешние выводы.

Имеется много разновидностей сегментных ГРИ, но все они однотипны с описанным прибором. Типичные значения высоты знаков составляют 5... 16 мм, число разрядов 3 ... 9. Для питания необходимо напряжение постоянного тока 170 ... 200 В.

Универсальный индикалэр или плазменная панель представляют собой двухкоординатную матрицу, содер-жащую не менее 104 ... 105 элементарных газоразряд-

ных ячеек. Разрабатываются панели постоянного и переменного тока, т. е. с внутренними и внешними элек-тродами (рис. 3.12). Высокочастотный экран питается двумя возбуждающими напряжениями от генераторов Г1 и Г2 (рис. 3.12,в): синусоидальным опорным с частотой в несколько килогерц, поддерживающим разряд, и записывающим (или стирающим) в виде коротких прямоугольных импульсов, «поджигающих» ту или иную ячейку.

В конструкциях рис. 3.12 центральная мозаичная пластина служит для изоляции разрядных промежутков друг от друга, ею определяется разрешающая способность экрана, близкая к 10 ... 20 лин/см. Ограничения области разряда можно добиться и без перегородок повышением давления газовой смеси, которое ведет к стягиванию плазменного шнура, возникающего в месте пересечения возбужденных X- и У-электродов. Идя по этому пути, можно существенно повысить разрешающую способность,

особенно у панелей переменного тока.

Высокое напряжение питания и большое число эле-ментов

требуют довольно сложных схем управления. Тем не менее

на основе как биполярных, так и МОП-транзисторов и спе-

циальных интегральных схем удается изготовить достаточно

компактные плоские устройства, размещаемые на задней

стороне панели. Схемы управления не только воспроизводят

на экране требуемые образы, но и позволяют изменять интен-

сивность свечения, обеспечивая передачу до нескольких

десятков полутонов (градаций яркости). Для уменьшения чис-

ла выводов от панели и упрощения схемы управления используют

принцип самосканирования, для реализации которого в

центральной пластине делают специальные отверстия, соеди-

няющие определенным образом соседние ячейки друг с другом.

Вследствие этого зажженное состояние, созданное в одной

ячейке, последовательно перемещается по всем элементам

строк и столбцов экрана. Для получения цветного изображения

изготавливается прозрачная панель (рис. 3.13), каждый слои

которой генерирует свечение определенного цвета (обычно К—О—В),

а требуемая окраска обеспечивается соответствующим управлением

этими слоями. Возможно и другое решение задачи: в панели

с ксеноновым наполнением (УФ излучение) создается сложное

люминофорное покрытие (подобное триадам ТВ экрана), а

газовый разряд «включает» нужный цвет.

Уменьшить напряжение и мощность управляющих сигналов можно

лишь введением в электрическую схему дополнительных электродов.

При сохранении напряжения анод — катод на уровне 200 ... 400 В

для включения разряда в трехэлектродной схеме необходимо лишь

20 ... 40 В, а в четырехэлектродной (тиратронной) — 2 ... 6 В. Мощность,

потребляемая управляющей цепью, может быть снижена до 10^-4...10^-5

Вт, и устройство оказывается полностью совместимым со стандартными

биполярными и МОП-интегральными схемами. Но для практической

реализации указанных преимуществ необходимо создание индикаторов

тиратронного типа в панельной конструиции методами пленочной

технологии. Важнейшая задача совершенствования плазмечных панелей

всех видов заключается в повышении их долговечности до 104 . . . 105 ч

на основеоптимизации конструкции, тщательного подбора материалов и

отработки мас-сового производства.