Жидкие кристаллы: что это такое и как работает ЖК-экран

Вещество течёт и принимает форму сосуда, как обычная жидкость, но молекулы внутри смотрят в одну сторону, и свойства зависят от направления, как у кристалла. Это и есть жидкие кристаллы, промежуточное состояние между твёрдым телом и жидкостью. Именно оно работает в экране вашего смартфона, монитора и телевизора с ЖК-матрицей. А ещё в клеточных мембранах и мыльной воде.

Что такое жидкие кристаллы: определение и мезофаза

Жидкокристаллическое состояние называют мезофазой, от греческого mesos, «промежуточный». Вещества, которые способны её образовать, зовут мезогенными или мезоморфными. Таких органических соединений насчитали порядка ста тысяч.

Всё здесь держится на анизотропии. У обычной жидкости свойства одинаковы во всех направлениях, у мезофазы нет: показатель преломления, диэлектрическая проницаемость, электропроводность, теплопроводность зависят от того, вдоль молекул вы их измеряете или поперёк. Механически при этом перед вами по-прежнему жидкость. Вязкость мезогенов гуляет от консистенции жидкого клея до плотного студня.

Чем жидкие кристаллы отличаются от обычной жидкости и от кристалла

В твёрдом кристалле есть два вида порядка: позиционный (атомы сидят в узлах решётки) и ориентационный. В обычной жидкости нет ни того, ни другого. Мезофаза идёт на компромисс: центры масс молекул разбросаны хаотично и свободно перемещаются, а длинные оси при этом смотрят примерно в одну сторону. Вспомните коробку карандашей. Они сдвигаются и проскальзывают друг относительно друга, но лежат вдоль коробки. Высыпьте их в кучу, и получится аналог обычной жидкости.

Чтобы вещество вообще образовало мезофазу, его молекулы должны быть анизометричными, то есть заметно вытянутыми или сплюснутыми. Стержневидные молекулы называют каламитиками, дискообразные — дискотиками. Типичный каламитик устроен так: жёсткое ароматическое ядро из нескольких бензольных колец и гибкие алкильные «хвосты» по концам. Ядро задаёт ориентацию, хвосты отвечают за текучесть.

У термотропного жидкого кристалла две характерные температуры. При первой твёрдый кристалл плавится в мутную анизотропную жидкость, ту самую мезофазу. При второй, в точке просветления (clearing point), мутная жидкость делается прозрачной и изотропной: порядок рассыпается полностью. Хрестоматийный 5CB (4-циано-4′-пентилбифенил) держит нематическую фазу примерно от 24 до 35 °C, поэтому он удобен для демонстраций прямо при комнатной температуре. Другой известный нематик, MBBA (N-(4-метоксибензилиден)-4-бутиланилин), удерживает мезофазу примерно от 21 до 47 °C.

Что такое директор и параметр порядка

Преимущественное направление молекулярных осей описывают единичным вектором, директором n. Насколько строго молекулы его придерживаются, показывает параметр порядка S. У идеального кристалла он равен 1, у изотропной жидкости 0, у нематика в мезофазе ориентировочно 0,3–0,8, а к точке просветления S сползает к нулю.

Из ориентационного порядка следует двойное лучепреломление: свет, поляризованный вдоль директора и поперёк него, идёт с разной скоростью. Разница показателей преломления Δn у типичных материалов составляет 0,05–0,3. Нематик при этом оптически одноосен. Ради этого свойства слой жидкого кристалла и ставят в оптику: он превращается в управляемый элемент.

История открытия жидких кристаллов

Год	Кто	Что произошло
1888	Фридрих Рейнитцер	Обнаружил у холестерилбензоата две «точки плавления»: 145,5 °C (мутный расплав) и 178,5 °C (прозрачный)
1889–1904	Отто Леман	Ввёл термин «жидкие кристаллы», изучал их в поляризационном микроскопе; книга «Жидкие кристаллы» вышла в 1904 году
1922	Жорж Фридель	Классификация мезофаз: нематики, смектики, холестерики
1936	Marconi Wireless Telegraph	Патент на электрооптический световой затвор, первое практическое применение
1963	Джеймс Фергасон	Патент US 3 114 836: визуализация тепловых полей по смене цвета холестерика
1971	Шадт и Хельфрих	Твист-эффект (TN), основа будущих дисплеев
1973	Группа Джорджа Грея	Синтез цианобифенилов из доступного сырья, старт массового производства

Кто открыл жидкие кристаллы

Австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер в 1888 году изучал производные холестерина и наткнулся на странность: холестерилбензоат плавился будто дважды. Образцы он отправил немецкому физику Отто Леману, у которого был поляризационный микроскоп с подогреваемым столиком. Леман разглядел, что мутный расплав анизотропен, как кристалл, и придумал парадоксальное название — жидкие кристаллы. Сочетание, честно говоря, и сейчас выглядит опечаткой.

Почему ЖК долго не считали отдельным состоянием вещества

Схема «твёрдое, жидкое, газ» казалась современникам незыблемой, поэтому странные расплавы десятилетиями списывали на коллоидные растворы и эмульсии: мол, мелкие кристаллики, взвешенные в жидкости. Спор закрыла классификация Жоржа Фриделя 1922 года, где нематики, смектики и холестерики описаны как самостоятельные мезоморфные состояния со своей структурой, а никакие не смеси.

Заметный вклад внесла отечественная школа. В. К. Фредерикс описал пороговую переориентацию жидкого кристалла в поле (эффект Фредерикса, о нём ниже), позже физику ЖК развивали Л. М. Блинов и В. П. Шибаев. В 1962 году Ричард Уильямс в RCA наблюдал электрооптические эффекты в нематиках, а в 1968-м там же Джордж Хейлмейер показал индикатор на динамическом рассеянии. Первая международная конференция по жидким кристаллам прошла в 1965 году в США. Теоретическую базу подвели теория Майера–Заупе (1958), работы Озеена и Цохера 1930-х годов и исследования Пьера-Жиля де Жена, получившего в 1991 году Нобелевскую премию по физике за теорию упорядоченных систем, включая жидкие кристаллы и полимеры. А коммерческий взлёт обеспечили две вещи: твист-эффект Шадта и Хельфриха (1971) и дешёвые стабильные цианобифенилы Грея (1973).

Классификация: типы и группы жидких кристаллов

Первое деление идёт по способу образования мезофазы.

• Термотропные образуются при нагреве чистого вещества и живут в интервале температур. Границы фазы задаёт только температура.
• Лиотропные возникают, когда амфифильные молекулы (мыла, ПАВ) растворяют в воде или другом полярном растворителе и концентрация доходит до определённой. Это тоже равновесные фазы, но многокомпонентной системы: их границы зависят и от температуры, и от концентрации. Клеточные мембраны, водные растворы ДНК, вирус табачной мозаики — всё сюда: жидкокристаллический порядок буквально встроен в живую природу.
• Металлотропные держатся на легкоплавких неорганических соединениях, скажем на расплавах хлорида цинка с длинноцепочечными добавками. Экзотика. Зато видно, что мезофаза не привилегия органики.

Термотропные ЖК, в свою очередь, делят по типу упорядочения.

• Нематики (от греческого «нить», по нитевидным линиям дефектов, которые видно под микроскопом). Порядок только ориентационный: молекулы смотрят вдоль директора, центры масс хаотичны. Самый текучий и самый быстрый тип, поэтому в дисплеях работают именно нематики.
• Смектики. Кроме ориентации, молекулы собраны в слои толщиной около 2–3 нм, и слои скользят друг по другу, как страницы мокрой книги. Вязкость выше, структура ближе к кристаллу.
• Холестерики, они же хиральные нематики. Молекулы несимметричны, как левая и правая перчатки, из-за этого директор закручивается в спираль с шагом 300–800 нм. Шаг сопоставим с длиной волны видимого света, и структура селективно отражает узкую полосу спектра. Отсюда радужные переливы на крыльях жука-бронзовки и на «хамелеоновых» автомобильных покрытиях.
• Дискотики уходят в колончатые фазы: диски складываются в стопки, как монеты.

Свойства жидких кристаллов и способы ими управлять

Главное прикладное свойство мезофазы — управляемость при малых затратах энергии. Молекулы не заперты в решётке, поэтому развернуть их можно слабым электрическим или магнитным полем, температурой, светом, механическим напряжением. Вместе с молекулами поворачивается оптическая ось среды, и любое такое воздействие меняет прохождение света через слой.

Тут и вступает эффект Фредерикса. Пока напряжение на слое ниже порогового, молекулы держат ориентацию, заданную поверхностями; стоит порог превысить, директор начинает разворачиваться вдоль поля. Пороги измеряются единицами вольт, обычно 1–5 В. Поэтому ЖК-устройства работают в паре с обычной микроэлектроникой и питаются от батареек: сам жидкокристаллический слой тока почти не проводит, и энергия уходит на переориентацию молекул. Но это не значит, что экран не потребляет электричество: основную мощность съедают подсветка, TFT-матрица с электроникой обвязки и постоянное обновление управляющего напряжения на субпикселях.

Скорость разворота упирается в вязкость, типичное время отклика — единицы и десятки миллисекунд. Отсюда шлейфы за движущимися объектами на медленных матрицах и «задумчивость» экранов на морозе, где вязкость растёт и молекулы поворачиваются неохотно. Границы мезофазы задают и рабочий температурный диапазон устройства: ниже точки плавления слой кристаллизуется, выше точки просветления теряет анизотропию, и экран слепнет.

Отдельная история у холестериков — термохромизм. Шаг спирали сильно зависит от температуры, а с шагом меняется и цвет отражённого света: разница в 0,1–1 °C уже заметна. На этом стоит жидкокристаллическая термография.

Как устроен и работает ЖК-экран (LCD)

Сам жидкий кристалл не светится, он лишь дозирует свет от подсветки. Каждый пиксель LCD — микроскопический световой затвор. Слои панели от задней стенки к глазу идут так:

1. Подсветка: раньше люминесцентные лампы (CCFL), сейчас светодиоды (LED). Ресурс порядка 30 000–100 000 часов.
2. Задний поляризатор, пропускает свет только одной поляризации.
3. Стекло с TFT-матрицей и прозрачными ITO-электродами, вся управляющая электроника.
4. Ориентирующий полиимидный слой задаёт молекулам исходное направление у поверхности.
5. Слой жидкого кристалла толщиной всего 3–5 мкм; зазор держат микроскопические спейсеры.
6. Второй ориентирующий слой и стекло с цветными RGB-фильтрами: каждый пиксель собран из красного, зелёного и синего субпикселей.
7. Передний поляризатор, скрещённый с задним.

В классической TN-ячейке (twisted nematic) ориентирующие слои развёрнуты на 90°, и директор закручивается винтом между стёклами. Без напряжения эта закрутка поворачивает поляризацию света ровно на 90°, свет проходит сквозь скрещённый передний поляризатор, пиксель светлый. Подали напряжение — молекулы встали вдоль поля, закрутка исчезла, поляризация не поворачивается, передний поляризатор гасит свет, пиксель тёмный. Промежуточные напряжения дают градации яркости: при 8 битах на канал это 256 уровней на субпиксель и 16,7 млн оттенков на пиксель.

Активная матрица TFT нужна для того, чтобы каждый субпиксель управлялся сам по себе: свой тонкоплёночный транзистор и конденсатор удерживают заряд между обновлениями кадра, обычно 60–240 Гц. Пассивные матрицы, где строки и столбцы опрашивают по очереди, остались в калькуляторах и простых индикаторах: для видео они слишком медленные и малоконтрастные.

Кстати, физику панели легко проверить дома. Посмотрите на любой ЖК-экран через поляризационные очки и покрутите головой: яркость поедет, потому что свет с экрана выходит поляризованным.

Типы ЖК-матриц и их отличия от OLED

Типы матриц отличаются геометрией разворота молекул, а всё остальное из этой геометрии вытекает.

• TN — та самая закрутка на 90°. Отклик самый быстрый (1–5 мс), цена самая низкая, но углы обзора узкие, а цвет блёклый: под углом молекулы «видны» иначе, и картинка инвертируется.
• IPS/PLS: молекулы разворачиваются в плоскости панели, электроды сидят на одной подложке. Углы обзора до 178°, честная цветопередача, контраст порядка 1000:1. Для мониторов, где важен цвет, это стандарт.
• VA/MVA: в выключенном состоянии молекулы стоят перпендикулярно стёклам, поэтому чёрный глубже, контраст 3000–5000:1. Компромисс между TN и IPS, в телевизорах его любят.

С OLED разница принципиальная: в органических светодиодных экранах каждый пиксель излучает сам, подсветки нет вообще. Поэтому чёрный там абсолютный, пиксель просто выключен. На LCD идеального чёрного не добиться, поляризаторы не гасят подсветку до конца, и на тёмных сценах вылезает засветка. И да, «LED-телевизор» с QLED к OLED отношения не имеют, это обычные ЖК-панели: у первого светодиодная подсветка, у второго плёнка квантовых точек, которая улучшает цвет той же подсветки.

Где ещё применяют жидкие кристаллы

• Термография и термоиндикаторы. Холестерические плёнки и «термополоски» показывают температуру цветом, состав смеси подбирают под нужный диапазон. Так ловят перегрев электроники и тепловые неоднородности.
• Оптические затворы и модуляторы света: активные 3D-очки, пространственные модуляторы в проекторах, регулируемые светофильтры, «умные» стёкла с переключаемой прозрачностью.
• Декоративные покрытия. Полимеры с холестерической структурой дают переливчатые автоэмали и защитные элементы, меняющие цвет под углом.
• Биология. Лиотропные мезофазы держат структуру клеточных мембран, поэтому ими плотно занимается биомиметическая химия: инженеры подсматривают у природы способы самосборки.

Производство жидкокристаллических материалов и панелей

В дисплее почти никогда не работает одно вещество, обычно это смесь из 5–15 компонентов. Одиночный мезоген вроде 5CB держит мезофазу в узком интервале, а смешение раздвигает границы: коммерческие составы работают, например, от −30 до +80 °C. Смесь при этом подгоняют по вязкости, Δn и диэлектрической анизотропии под конкретный тип матрицы.

Панели делают на стеклянных подложках в чистых помещениях. Пылинка между стёклами означает бракованный пиксель. Дальше по операциям: фотолитография формирует TFT-транзисторы и ITO-электроды; полиимид наносят и ориентируют, натиранием (rubbing) ворсистым валиком или бесконтактно, поляризованным светом; ячейку заполняют по технологии ODF (One Drop Fill), когда дозированные капли жидкого кристалла кладут на подложку и герметизируют сборку в вакууме. Потом стёкла режут на панели, приклеивают поляризаторы, стыкуют с подсветкой и электроникой. Среди производителей ЖК-панелей — LG Display, Samsung Display, BOE, AUO, Innolux.

Частые вопросы о жидких кристаллах и ЖК-экранах

Жидкий кристалл — это жидкость или твёрдое тело? Ни то ни другое в чистом виде. Мезофаза — отдельное термодинамическое состояние: течёт, как жидкость, а ориентационный порядок и анизотропию держит, как кристалл.

Что вытекает из разбитого ЖК-экрана? Обычно ничего наружу не выходит. Тёмные пятна на битой матрице — это чаще всего область, где нарушены зазор между стёклами и ориентация слоя, а не вытекшее вещество. Наружу жидкий кристалл попадает только при разгерметизации ячейки, и его там мизер: толщина слоя всего 3–5 мкм.

Почему экран телефона тормозит на морозе? Вязкость жидкого кристалла на холоде растёт, молекулы разворачиваются медленнее, отсюда шлейфы. Охладите сильнее — смесь выйдет за нижнюю границу мезофазы, и изображение пропадёт, пока экран не отогреется.

LCD и OLED — в чём главное отличие? LCD только пропускает или гасит чужой свет от подсветки, поэтому идеального чёрного там нет. В OLED пиксель светит сам, а выключенный пиксель чёрный полностью.

Можно ли увидеть жидкие кристаллы без экрана? Да. Холестерики окрашивают термополоски-индикаторы и переливчатые покрытия, а под поляризационным микроскопом мезофазы дают характерные текстуры. По ним Леман их и опознал больше века назад.