Γενικά για τους υγρούς κρυστάλλους

Οι υγροί κρύσταλλοι είναι οργανικές ουσίες που έχουν ρευστή μορφή σαν τα υγρά και ταυτόχρονα κρυσταλλική μοριακή δομή, σε μια περιοχή θερμοκρασιών από 0 έως 50^οC. Οι υγροί κρύσταλλοι δηλαδή συνδυάζουν τις ιδιότητες των υγρών και των στερεών.

Οι συνηθισμένοι κρύσταλοι αποτελούνται από ραβδοειδή μόρια τοποθετημένα παράλληλα μεταξύ τους. Αυτός ο τύπος υγρού κρυστάλλου ονομάζεται Twisted Nematic και πρωτοπαρουσιάστηκε το 1974.

Στην αρχή οι υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή απλών ενδεικτικών διατάξεων LCD (Liquid Crystal Displays). Με την πρόοδο των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων τεχνολογίας CMOS και τη δυνατότητα οδήγησης των LCD με ολοκληρωμένα CMOS, παρουσιάστηκαν μετά το 1987 έγχρωμες οθόνες βασισμένες στην τεχνολογία TFT (Thin Film Transistor), που σήμερα συναντούμε στους φορητούς υπολογιστές.

Στις οθόνες ο υγρός κρύσταλλος περικλείεται από δυο γυάλινες (διαφανείς) επιφάνειες. Μεταξύ του υγρού κρυστάλλου και της γυάλινης επιφάνειας είναι τυπωμένα τα διαφανή ηλεκτρόδια.

Η λειτουργία των υγρών κρυστάλλων σαν μονάδα απεικόνισης βασίζεται α) στο φαινόμενο της διάχυσης και β) στο φαινόμενο της πόλωσης του φωτός.

Διατάξεις με διάχυση φωτός

Διάχυση ή ανώμαλη ανάκλαση ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο οι ακτίνες που προσπίπτουν σε μια τραχιά, μη λεία επιφάνεια εξαιτίας των ανωμαλιών της επιφάνειας ακολουθούν μετά την πρόσπωσή τους τυχαίες διευθύνσεις.

Όπως βλέπουμε στα σχήματα μια διάταξη υγρού κρυστάλλου αυτής της μορφής αποτελείται από δυο γυάλινες επιφάνειες οι οποίες με την βοήθεια πλευρικών διαφραγμάτων εγκλωβίζουν το υγρό του κρυστάλλου.

Μεταξύ των γυάλινων τμημάτων και του υγρού παρεμβάλλονται τα ηλεκτρόδια του. Να σημειώσουμε ότι τα τμήματα του κρυστάλλου συναρμολογούνται και συνδέονται μεταξύ τους με κόλληση εποξικού υλικού και μετά τοποθετείται ο υγρός κρύσταλλος, από μια μικρή οπή που υπάρχει για το σκοπό αυτό.

Στις διατάξεις αυτές όταν στα ηλεκτρόδια δεν εφαρμόζεται καμία τάση, τα ραβδοειδή μόρια έχουν κανονική παράλληλη προσανατολισμένη διάταξη, δηλαδή κανονική κρυσταλλική δομή. Το φως που προσπίπτει στην μια γυάλινη επιφάνεια εξέρχεται από την άλλη χωρίς να συναντήσει εμπόδιο. Ο νηματικός κρύσταλλος είναι δηλαδή διαφανής σ’ όλα τα σημεία του.

Αν όμως εφαρμόσουμε μια τάση στα ηλεκτρόδια του κρυστάλλου, παρατηρούμε ότι τα μόρια του, μετακινούνται ακαθόριστα και χάνουν την προσανατολισμένη κανονικότητα τους.

Τότε το φώς που προσπίπτει στη μια όψη του κρυστάλλου δεν μπορεί να τον διαπεράσει και να βγει από την άλλη πλευρά, διαχέεται στο εσωτερικό του κρυστάλλου γιατί η ακτίνα στην πορεία της από την στιγμή της εισόδου στον κρύσταλλο, ανακλάται συνεχώς προς διαφορετικές διευθύνσεις. Ο κρύσταλλος γίνεται γαλακτόχρωμος, δηλαδή γίνεται ορατός και αδιαφανής. Αν σταματήσει η επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου λόγω διακοπής της τάσης που εφαρμόσαμε στα ηλεκτρόδια του, ο κρύσταλλος επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση.

Διατάξεις με πόλωση του φωτός

Τα κύματα διακρίνονται όπως γνωρίζουμε σε εγκάρσια και διαμήκη. Τα φωτεινά κύματα είναι εγκάρσια κύματα, δηλαδή οι διαδιδόμενες διαταραχές (ταλαντώσεις) είναι κάθετες στη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Όταν το φωτεινό κύμα διαδίδεται ελεύθερα οι ταλαντώσεις γίνονται προς όλες τις δυνατές διευθύνσεις που είναι κάθετες ως προς την διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για φυσικό φως.

Αν με ένα οπτικό μέσο πετύχουμε να γίνονται οι ταλαντώσεις σε μια μόνο διεύθυνση τότε το φως ονομάζεται πολωμένο φως και το οπτικό μέσο με τη βοήθεια του οποίου το φωτεινό κύμα ταλαντώνεται σε μια μόνο διεύθυνση ονομάζεται πολωτής. Το επίπεδο ταλάντωσης του πολωμένου φωτός είναι το ίδιο με το χαρακτηριστικό επίπεδο του πολωτή (βλ. σχήμα)

Αν το φως μετά την έξοδο του από τον πολωτή Π₁ προσπέσει σ’ όμοιο πλακίδιο Π₂ που έχει το ίδιο επίπεδο πόλωσης και λειτουργεί σαν αναλυτής, το φως διέρχεται από τον πολωτή Π₂ και το διάφραγμα Δ φωτίζεται.

Αν περιστρέψουμε τον πολωτή-αναλυτή Π₂ ο οποίος είναι τοποθετημένος κάθετα στην διεύθυνση διάδοσης του φωτεινού κύματος, κατά 90^ο, (βλ. σχήμα) παρατηρούμε ότι το διάφραγμα Δ σταματάει να φωτίζεται.

Στις διατάξεις LCD με πόλωση φωτός ο κρύσταλλος συμπληρώνεται στις δυο επιφάνειες του με δυο πολωτικές διατάξεις και με μια επίστρωση ανάκλασης του φωτός στην πίσω επιφάνεια (όπως φαίνεται στο σχήμα στο οποίο βλέπουμε την τομή μιας οθόνης υγρών κρυστάλλων).

Το φως καθώς εισέρχεται στον κρύσταλλο πολώνεται. Αν δεν εφαρμόζεται τάση, τα μόρια του κρυστάλλου είναι κανονικά διατεταγμένα και το φως μπορεί να διασχίσει τον κρύσταλλο καθώς και τον απέναντι πολωτή.

Αν εφαρμοστεί κατάλληλη τάση στον κρύσταλλο ο προσανατολισμός των ραβδοειδών μορίων διαφοροποιείται από την μια πλευρά του κρυστάλλου ως την άλλη διαδοχικά κατά 90⁰ (βλ. σχήμα).

Το πολωμένο φως διασχίζοντας τον υγρό κρύσταλλο στρέφει και αυτό το επίπεδο πόλωσης του κατά 90⁰ πράγμα που έχει σαν αποτέλεσμα να μην μπορεί να περάσει το φως από το δεύτερο πολωτή.

Εφαρμογές υγρών κρυστάλλων

Οι υγροί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ενδεικτικών διατάξεων. Διατάξεις υγρών κρυστάλλων αποτελούν τις οθόνες υγρών κρυστάλλων LCD (Liquid Crystal Display) τις οποίες συναντούμε παντού. Σε όργανα μετρήσεων, σε ρολόγια κάθε κατηγορίας, σε ενδεικτικές οθόνες, σε οθόνες φορητών υπολογιστών, σε γιγαντοοθόνες, κλπ.

Στο σχήμα βλέπουμε ένα εξάρτημα ενδείκτη υγρών κρυστάλλων, με τις μπάρες κατάλληλα τοποθετημένους έτσι ώστε η συνολική διάταξη σχηματίζει τον αριθμό 8, που αποτελεί τη βάση για όλες τις απλές μονάδες LCD. Συνδέοντας κατάλληλες τάσεις μπορούμε να σχηματίσουμε διάφορα αριθμητικά ψηφία π.χ. για να σχηματίσουμε τον αρθμό 1 δίνουμε τάση στους ακροδέκτες 7 και 9, για να σχηματίσουμε τον αριθμό 7 στους ακροδέκτες 1, 7 και 9 κ.ο.κ.

Εδώ θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι οι οθόνες υγρών κρυστάλλων είναι παθητικές συσκευές. Αυτό σημαίνει ότι δεν παράγουν οπτική ακτινοβολία (φως) αλλά χρησιμοποιούν το φως που υπάρχει στο περιβάλλον. Για τις περιπτώσεις που ο φωτισμός είναι πολύ χαμηλός τοποθετείται πίσω ακριβώς από τον κρύσταλλο μια φωτεινή πηγή.

Διακρίνουμε ανάλογα με τον τρόπο που φωτίζονται, υπάρχουν τρεις κατηγορίες LCD: α) Αυτά που φωτίζονται με ανάκλαση β) Αυτά που φωτίζονται με εκπομπή και γ) Αυτά που φωτίζονται και με ανάκλαση και εκπομπή.

Η δημιουργία φωτεινής πηγής στην πίσω πλευρά των LCD γίνεται σήμερα με διάφορους τρόπους ανάλογα με το μέγεθος των LCD, με τις απαιτήσεις κατανάλωσης που έχουμε και τις τεχνικές που χρησιμοποιούμε. Έχουμε π.χ. δημιουργία φωτισμού με LEDs, με φώς HALON κ.α. τα οποία είναι φωτιστικά λεπτά και ελαφρά που δίνουν ομοιόμορφο φωτισμό σε ποικιλία χρωμάτων.

Οι διατάξεις υγρών κρυστάλλων είναι διατάξεις που καταναλώνουν μικρή ισχύ, της τάξης των μW. Βασικά μειονέκτημά τους είναι η περιορισμένη δυνατότητα χρήση τους σε χαμηλές θερμοκρασίες (δυνατότητα λειτουργίας από -10⁰C έως 60⁰C) και η περιορισμένη γωνία οράσεως.

Σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες ο υγρός κρύσταλλος χάνει τις κρυσταλλικές ιδιότητες του υγρού και γίνεται ισοτροπικό υγρό. Σε θερμοκρασίες μικρότερες το υγρό παγώνει (στερεοποιείται).

Γωνία οράσεως είναι η γωνία μέσα στην οποία είναι ορατή η ένδειξη του υγρού κρυστάλλου. Η γωνία οράσεως των υγρών κρυστάλλων είναι μικρή. Παρά την αύξηση του εύρους της γωνίας οράσεως στον βελτιώμενο τύπο υγρών κρυστάλλων, η γωνία οράσεως θεωρείται το μεγαλύτερο πρόβλημα των οθονών αυτής της κατηγορίας.