Upotreba tečnih kristala. Izveštaj: Tečni kristali. Termotropni tečni kristali

Servorotkina D.S. jedan

Pimenova M.P. jedan

1 Opštinska obrazovna ustanova "Srednja škola br. 4", Olenegorsk, Murmansk oblast

Tekst rada je postavljen bez slika i formula.
Puna verzija rada dostupna je na kartici "Datoteke poslova" u PDF formatu

Uvod

Posljednjih desetljeća kućanski aparati sve više koriste displeje s tekućim kristalima (od kompjuterskih i TV ekrana do informacionih blokova mikrokalkulatora, multimetara). Moderna kompjuterska tehnologija, radio elektronika i automatizacija zahtijevaju visoko ekonomične, sigurne uređaje za prikaz informacija (displeje) velike brzine. Zajedno sa gasnim pražnjenjem (plazma), katodoluminiscentnim, poluprovodničkim i elektroluminiscentnim displejima, obezbeđuje ga relativno nova klasa indikatora poznatih kao tečni kristal (LCD), odnosno uređaji za prikaz informacija na bazi tečnih kristala. Zanimao me je uređaj displeja sa tečnim kristalima i princip njihovog rada, a kako se ovaj materijal ne izučava u školskom kursu fizike, odlučio sam da sam proučavam svojstva i delovanje tečnih kristala. Tema je relevantna, jer. tečni kristali sve više ulaze u naše živote. Svrha rada: proučavanje svojstava tečnih kristala i ćelija tečnih kristala, istraživanje principa rada i mogućnosti tehničke primene LC ćelije. Zadaci:

Proučavati teoriju tečnih kristala i istoriju njihovog nastanka i proučavanja;
Istražite ravan polarizacije LCD ćelije;
Istražiti prijenos svjetlosti ćelije tečnog kristala u zavisnosti od primijenjenog napona;
Proučiti primjenu tekućih kristala u inženjerstvu.

Hipoteza: tečni kristal mijenja smjer polarizacije svjetlosti, LC ćelija mijenja svoja optička svojstva u zavisnosti od primijenjenog napona. Metode istraživanja: Analiza i odabir teorijskih informacija; unapređenje hipoteze istraživanja; eksperiment; testiranje hipoteza.

II. - Teorijski dio.

Istorija otkrića tečnih kristala.

Prošlo je više od 100 godina od otkrića tečnih kristala. Prvi ih je otkrio austrijski botaničar Friedrich Reinitzer, promatrajući dvije tačke topljenja estera holesterola, holesteril benzoata.

Na temperaturi topljenja (Tmelt), 145°C, kristalna supstanca se pretvorila u zamućenu tečnost koja jako raspršuje svetlost. Uz kontinuirano zagrijavanje, nakon postizanja temperature od 179 °C, tekućina postaje bistra (bistra tačka (Tpr)), tj. počinje da se ponaša optički kao obična tečnost, kao što je voda. U zamućenoj fazi pronađena su neočekivana svojstva holesteril benzoata. Ispitujući ovu fazu pod polarizirajućim mikroskopom, Reinitzer je otkrio da ima dvolom. To znači da je indeks prelamanja svjetlosti, tj. brzina svjetlosti u ovoj fazi ovisi o polarizaciji.

Dvolomnost je efekat cijepanja snopa svjetlosti na dvije komponente u anizotropnom mediju. Ako snop svjetlosti padne okomito na površinu kristala, tada se na ovoj površini dijeli na dva snopa. Prvi snop nastavlja da se prostire pravo, i naziva se običan (o - običan), dok drugi odstupa u stranu, i naziva se izvanredni (e - izvanredni).

Fenomen dvostrukog prelamanja je tipičan kristalni efekat, koji se sastoji u činjenici da brzina svjetlosti u kristalu ovisi o orijentaciji ravnine polarizacije svjetlosti. Značajno je da dostiže ekstremne maksimalne i minimalne vrijednosti za dvije međusobno okomite orijentacije ravni polarizacije. Naravno, orijentacije polarizacije koje odgovaraju ekstremnim vrijednostima brzine svjetlosti u kristalu određene su anizotropijom svojstava kristala i jedinstveno su određene orijentacijom kristalnih osa u odnosu na smjer svjetlosti. propagacija.

Postojanje dvolomnosti u tečnosti, koja mora biti izotropna, tj. paradoksalno je izgledalo da bi njegova svojstva trebala biti neovisna o smjeru. Prisustvo u zamućenoj fazi neotopljenih malih kristalnih čestica, kristalita, koji su bili izvor dvoloma, moglo bi se činiti najvjerovatnijim. Međutim, detaljnije studije, u koje je Reinitzer uključio poznatog njemačkog fizičara Otta Lehmanna, pokazale su da zamućena faza nije dvofazni sistem, već je anizotropna. Pošto su svojstva anizotropije svojstvena čvrstom kristalu, a supstanca u zamućenoj fazi je bila tečna, Lehman ju je nazvao tečnim kristalom.

Od tada se tvari koje mogu istovremeno kombinirati svojstva tekućina (fluidnost, sposobnost formiranja kapi) i svojstva kristalnih tijela (anizotropija) u određenom temperaturnom rasponu iznad tačke topljenja nazivaju tekućim kristalima ili tekućim kristalima. LC supstance se često nazivaju mezomorfnim, a LC faza koja se formira od njih naziva se mezofaza. Takvo stanje je termodinamički stabilno fazno stanje i, zajedno sa čvrstim, tečnim i gasovitim, može se smatrati četvrtim stanjem materije.

Međutim, razumijevanje prirode LC-a - stanja supstanci, uspostavljanja i proučavanja njihove strukturne organizacije došlo je mnogo kasnije. Ozbiljno nepovjerenje u samu činjenicu postojanja takvih neobičnih spojeva u 20-30-im godinama XX vijeka zamijenjeno je njihovim aktivnim istraživanjem. Rad D. Vorlendera u Njemačkoj uvelike je doprinio sintezi novih LC spojeva. U dvadesetim godinama, Friedel je predložio da se svi tekući kristali podijele u tri velike grupe. Grupe tečnih kristala Friedel je nazvao:

1. Nematički - U ovim kristalima nema dalekosežnog reda u rasporedu molekula, nemaju slojevitu strukturu, njihovi molekuli neprekidno klize u pravcu svojih dugih ose, rotirajući oko njih, ali u isto vreme zadržati orijentacijski red: duge ose su usmjerene duž jednog dominantnog smjera. Ponašaju se kao obične tečnosti.

2. Smektika - Ovi kristali imaju slojevitu strukturu, slojevi se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Debljina smektičkog sloja određena je dužinom molekula, ali viskoznost smektika je mnogo veća od viskoznosti nematika.

3. Holesterični - Ovi kristali su formirani od jedinjenja holesterola i drugih steroida. To su nematski LC, ali su njihove dugačke ose rotirane jedna u odnosu na drugu tako da formiraju spirale koje su vrlo osjetljive na promjene temperature zbog izuzetno niske energije formiranja ove strukture.

Friedel je predložio opšti termin za tečne kristale, "mezomorfna faza". Ovaj izraz dolazi od grčke riječi "mesos" (srednji), koja naglašava srednji položaj tekućih kristala između pravih kristala i tekućina kako po temperaturi tako i po njihovim fizičkim svojstvima.

Ruski naučnici V.K. Frederiks i V.N. Cvetkov je u SSSR-u 1930-ih bio prvi koji je proučavao ponašanje tečnih kristala u električnim i magnetskim poljima. Međutim, sve do 1960-ih, proučavanje tečnih kristala nije bilo od značajnog praktičnog interesa, a sva naučna istraživanja bila su prilično ograničenog, čisto akademskog interesa.

Situacija se dramatično promijenila sredinom 1960-ih, kada su, zbog brzog razvoja mikroelektronike i mikrominijaturizacije uređaja, bile potrebne tvari koje bi mogle reflektirati i prenositi informacije uz minimalnu potrošnju energije. I ovdje su u pomoć priskočili tekući kristali, čija je dvostruka priroda (anizotropija svojstava i visoka molekularna mobilnost) omogućila stvaranje brzih i ekonomičnih LCD indikatora kontroliranih vanjskim električnim poljem.

III. - Praktični dio.

Ćelija tečnog kristala je struktura od nekoliko prozirnih slojeva. Između para polarizatora sa vodljivim površinama nalazi se sloj tečnog kristala. Hajde da ispitamo ravan polarizacije ćelije.

Određivanje dozvoljenih smjerova polarizatora LC ćelije.

Nakon prolaska kroz spojenu ćeliju, svjetlost se polarizira u smjeru polarizacije drugog polarizatora. Ako se polarizator i analizator (eksterni polarizator) postave na putanju prirodne svjetlosti, tada će intenzitet polarizirane svjetlosti koja prolazi kroz analizator ovisiti o relativnom položaju transmisionih ravnina polarizatora i analizatora. Svjetlo ćemo gledati kroz analizator i LCD ćeliju. Rotacijom analizatora sa zadatim smjerom polarizacije ispred ćelije postižemo minimalnu transmisiju svjetlosti. U ovom slučaju, smjer polarizacije analizatora i bliski polarizator LC ćelije su okomiti.

Instalacija za studiju prikazana je na sl.1.

Na slici 2, ravan polarizatora LC ćelije je okomita na ravan analizatora, tako da je intenzitet propuštene svetlosti minimalan. Na slici 3, ravan polarizatora LC ćelije je paralelna sa ravninom analizatora, tako da je intenzitet propuštene svetlosti maksimalan.

Zatim je LC ćelija preokrenuta i istraživanje je nastavljeno.Na slici 4 ravan polarizatora LC ćelije je okomita na ravninu analizatora, tako da je intenzitet propuštene svetlosti minimalan.Na slici 5 , ravan polarizatora LC ćelije je paralelna sa ravninom analizatora, pa je intenzitet propuštene svetlosti maksimalan.

Može se zaključiti da su pravci polarizacije ćelijskih slojeva okomiti. Dakle, budući da se tečni kristal rotira za 90 ◦ u smjeru polarizacije svjetlosti koja se prenosi kroz prvi polarizator, kao rezultat toga, smjer polarizacije svjetlosti na izlazu iz LC ćelije poklapa se sa dozvoljenim smjerom drugog polarizatora, a intenzitet propuštene svjetlosti je maksimalan.

Otklanjanje zavisnosti intenziteta propuštenog svetla Ipr od napona Ui na LC ćeliji.

Vodljive površine i sloj tečnog kristala su kondenzator. Kada se na ćeliju dovede napon, dugi molekuli tečnog kristala se stavljaju u električno polje i rotiraju, menjajući tako optička svojstva tečnog kristala. Ako se na ćeliju dovede napon od 3 V, ćelija postaje potpuno neprozirna. Istražimo zavisnost propusnosti ćelije od primijenjenog napona. Kao izvor svjetlosti koristimo LED (sl. 6), kao indikator, luksmetar, čiji je glavni dio fotodioda (slika 7).

Da bismo izmjerili propusnost u držaču, između njih fiksiramo LED, fotodiodu i ćeliju s tekućim kristalima. Sastavimo mjerni krug (slika 8), fotografija sklopljenog kola je prikazana na slikama 9, 10. Okretanjem dugmeta potenciometra promijenit ćemo napon Ui na ćeliji i uzeti očitanja luksmetra (mi će pronaći vrijednost obrnute struje kroz fotodiodu iz Ohmovog zakona za dio kola, dijeleći napon na fotodiodi na unutrašnji otpor voltmetra, ako je = Uv∕Rv). Napravimo graf zavisnosti jačine fotostruje od napona na LCD ćeliji If(Ub).

Iz grafikona (slika 11) se može vidjeti da pri visokom naponu svjetlost ne prolazi kroz ćeliju i da se ne snima fotodiodom. Kako napon opada, jačina fotostruje raste linearno; pri vrijednosti napona od 724 mV, nagib grafika raste. Iz ovoga slijedi da kako napon opada, LC ćelija bolje propušta svjetlost. Ovo omogućava da se LCD ćelija koristi u displejima instrumenata. Displeji instrumenata se sastoje od velikog broja LCD ćelija, one ćelije koje su trenutno pod naponom se pojavljuju kao tamne oblasti, a ćelije bez napona se pojavljuju kao svetle oblasti.

IV. - Tehnička primena tečnih kristala.

Elektrooptička svojstva tečnih kristala se široko koriste u sistemima za obradu i prikaz informacija, u alfanumeričkim indikatorima (elektronski satovi, kalkulatori, displeji, itd.), optičkim zatvaračima i drugim uređajima sa svetlosnim ventilima. Prednosti ovih uređaja su niska potrošnja energije (reda 0,1 mW/cm 2), nizak napon napajanja (nekoliko V), što omogućava, na primjer, kombiniranje displeja s tekućim kristalima sa integriranim kolima i na taj način osigurati minijaturizaciju indikatorskih uređaja (ravni televizijski ekrani).

Jedna od važnih upotreba tečnih kristala je termografija. Odabirom sastava tečne kristalne supstance kreiraju se indikatori za različite temperaturne opsege i za različite dizajne. Na primjer, tekući kristali u obliku filma primjenjuju se na tranzistore, integrirana kola i štampane ploče elektronskih kola. Neispravni elementi - vrlo vrući ili hladni (tj. neradni) - odmah se primjećuju po svijetlim mrljama u boji.

Ljekari su dobili nove mogućnosti: primjenom materijala tečnih kristala na tijelo pacijenta, doktor može lako identificirati oboljela tkiva promjenom boje na onim mjestima gdje ta tkiva emituju povećanu količinu topline. Dakle, indikator tekućih kristala na koži pacijenta brzo dijagnosticira latentnu upalu, pa čak i tumor.

V. - Zaključak.

U svom radu upoznao sam se sa istorijom otkrića i proučavanja tečnih kristala, sa razvojem njihove tehničke primene. Istraživali su polarizacione osobine ćelije tečnog kristala i kapacitet prenosa svetlosti u zavisnosti od primenjenog napona. U budućnosti bih volio provoditi termografske studije koristeći tečne kristale.

VI. - Bibliografska lista

1. Ždanov S.I. tečni kristali. "Hemija", 1979. 192s.

2. Rogers D. Adams J. Matematičke osnove kompjuterske grafike. "Mir", 2001. 55s.

3. Kalašnjikov A. Yu. Elektrooptička svojstva ćelija tečnog kristala sa povećanom strminom naponsko-kontrastne karakteristike. 1999. 4s.

4. E. A. Konshina, Optika medija s tekućim kristalima. 2012. 15-18s.

5. Zubkov B.V. Čumakov S.V. Enciklopedijski rečnik mladog tehničara. "Pedagogija", 1987. 119 - 120s.

6. Studentska biblioteka online. Studbooks.net. jedinjenja tečnih kristala. http://studbooks.net/2288377/matematika_himiya_fizika/istoriya_otkrytiya_zhidkih_kristallov7. Wikipedia. Dvostruka refrakcija. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BB%D1%83%D1 %87%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

Dodatak








Napon ćelije, Ui, mV	Jačina reverzne struje, I, A

Federalna agencija za nauku i obrazovanje Ruske Federacije

Irkutsk State Technical University

Odsjek za fiziku

ESSAY

na temu: Tečni kristali i njihovi

primjena u tečnim kristalima

Završeno:

Studentska grupa EL-03-1

Moroz Ya.V.

Provjereno:

nastavnici

Sozinova T.V.

Šišilova T.I.

Irkutsk, 2005

1. Šta su tečni kristali 3

1.1. Tečni kristali 3

1.2. Vrste tečnih kristala 4

1.3. Aplikacija 5

2. LCD monitori 6

2.1. TN - kristali 6

2.2. Anatomija LCD-a 8

2.3. TFT ekrani 8

2.4. Ferodielektrični tečni kristali 12

2.5. Plazma adresirani tečni kristal (PALC) 12

3. Rezultati 13

1.1 TEČNI KRISTALI - stanje materije između tečnog i čvrstog stanja. Molekuli u tekućini mogu se slobodno rotirati i kretati u bilo kojem smjeru. U kristalnoj čvrstoj tvari, oni se nalaze na čvorovima pravilne geometrijske mreže, koja se naziva kristalna rešetka, i mogu se rotirati samo u svojim fiksnim pozicijama. U tečnom kristalu postoji određeni stepen geometrijskog reda u rasporedu molekula, ali je takođe dozvoljena određena sloboda kretanja.

Slika 1. Uvećana slika tečnog kristala.

Smatra se da je stanje tečnog kristala 1888. godine otkrio austrijski botaničar F. Reinitzer. Proučavao je ponašanje organske čvrste supstance zvane holesteril benzoat. Kada se zagreje, ovo jedinjenje je prešlo iz čvrstog u stanje mutnog izgleda, koje se sada zove tečni kristal, a zatim u prozirnu tečnost; pri hlađenju redoslijed transformacija se ponavlja obrnutim redoslijedom. Reinitzer je također primijetio da se kada se zagrije, boja tečnog kristala mijenja - od crvene do plave, s ponavljanjem obrnutim redoslijedom kada se ohladi. Gotovo svi tekući kristali otkriveni do danas su organska jedinjenja; Otprilike 50% svih poznatih organskih spojeva formira tečne kristale kada se zagrije. U literaturi se također opisuju tekući kristali nekih hidroksida (na primjer, Fe 2 O 3). x H2O).

tečni kristali , stanje tečnog kristala, mezomorfno stanje - stanje materije u kojem ima svojstva tečnosti (fluidnost) i neka svojstva čvrstih kristala (anizotropija svojstava). Zh. to. formiraju tvari, čije su molekule u obliku štapića ili izduženih ploča. Razlikuju se termotropni i liotropni tečni kristali.Prvi su pojedinačne supstance koje postoje u mezomorfnom stanju u određenom temperaturnom opsegu, ispod kojeg je supstanca čvrsti kristal, iznad kojeg je obična tečnost. primjeri:

paraazoksianizol (u temperaturnom opsegu 114-135°C), etil ester azoksibenzojeve kiseline

(100-120°C), holesterol propil etar (102-116°C). Liotropni tečni kristali su rastvori određenih supstanci u određenim rastvaračima. Primjeri: vodene otopine sapuna, otopine sintetičkih polipeptida (poli-g-benzil- L-glutamat) u nizu organskih rastvarača (dioksan, dihloretan).

1.2 Vrste tečnih kristala .

Postoje dva načina da dobijete tečne kristale. Jedan od njih je gore opisan kada se govori o holesteril benzoatu. Kada se neka čvrsta organska jedinjenja zagreju, njihova kristalna rešetka se raspada i formira se tečni kristal. Ako se temperatura dalje povećava, tečni kristal se pretvara u pravu tekućinu. Tečni kristali koji nastaju zagrijavanjem nazivaju se termotropnim. Krajem 1960-ih, dobijena su organska jedinjenja koja su tečno kristalna na sobnoj temperaturi.

Postoje dvije klase termotropnih tekućih kristala: nematični (filamentni) i smektički (lojni ili mukozni). Nematski tečni kristali se mogu podijeliti u dvije kategorije: obični i holesterično-nematski (uvrnuti nematici).

Slika 2. TERMOTROPNI TEČNI KRISTALI, shema molekularnog pakiranja. U smektičkoj klasi (sa izuzetkom smektičke D), molekuli su raspoređeni u slojevima. Svaki molekul ostaje u svom sloju, ali slojevi mogu kliziti jedan u odnosu na drugi. U nematičnim tekućim kristalima, molekuli se mogu kretati u svim smjerovima, ali njihove ose uvijek ostaju paralelne jedna s drugom. U holestersko-nematskim tekućim kristalima, osi molekula leže u ravni sloja, ali se njihova orijentacija mijenja od sloja do sloja, poput spirale. Zbog ovog spiralnog uvijanja, tanki filmovi holesteričnih tečnih kristala imaju neobično visoku sposobnost da rotiraju ravninu polarizacije polarizovane svjetlosti. a– smektik; b– nematični; v- holesteričan.

1.3 Primjena.

Raspored molekula u tečnim kristalima se menja pod uticajem faktora kao što su temperatura, pritisak, električna i magnetna polja; promjene u rasporedu molekula dovode do promjene optičkih svojstava, kao što su boja, transparentnost i sposobnost rotacije ravni polarizacije propuštene svjetlosti. (Kod holestersko-nematskih tečnih kristala ova sposobnost je veoma visoka.) Brojne primene tečnih kristala su zasnovane na svemu tome. Na primjer, ovisnost boje o temperaturi koristi se za medicinsku dijagnozu. Primjenom određenih materijala s tekućim kristalima na tijelo pacijenta, liječnik može lako identificirati oboljela tkiva promjenom boje gdje ta tkiva stvaraju povećanu količinu topline. Temperaturna ovisnost boje također omogućava kontrolu kvalitete proizvoda bez njihovog uništavanja. Ako se metalni proizvod zagrije, tada će njegov unutarnji nedostatak promijeniti raspodjelu temperature na površini. Ovi nedostaci se otkrivaju promjenom boje materijala tečnog kristala nanesenog na površinu.

Tanki filmovi tečnih kristala zatvoreni između stakla ili plastičnih listova našli su široku primjenu kao indikatorski uređaji (primjenom niskonaponskih električnih polja na različite dijelove odgovarajuće odabranog filma moguće je dobiti oku vidljive figure, formirane npr. , transparentnim i neprozirnim područjima). Tečni kristali se široko koriste u proizvodnji satova i malih kalkulatora. Stvaraju se televizori sa ravnim ekranom sa tankim ekranom od tečnih kristala. Relativno nedavno su dobijena karbonska i polimerna vlakna na bazi tečnih kristalnih matrica.

2.LCD monitori

Naše poznavanje displeja sa tečnim kristalima traje već dugi niz godina, a njegova istorija seže u doba pre kompjutera. Danas, ako osoba pogleda na svoj ručni sat, provjeri status štampača ili radi sa laptop računarom, nehotice se susreće sa fenomenom tečnih kristala. Štaviše, ova tehnologija zadire u tradicionalni domen CRT monitora - desktop displeje za računare.

LCD tehnologija se temelji na korištenju takvih karakteristika svjetlosti kao što je polarizacija. Ljudsko oko ne može razlikovati polarizaciona stanja vala, ali neke supstance (na primjer, polaroidni filmovi) prenose svjetlost samo uz određenu polarizaciju. Ako uzmete dva polaroida - jedan usporavajuće svjetlo sa vertikalnom polarizacijom, a drugi s horizontalnom polarizacijom, stavite ih jedan nasuprot drugom, tada svjetlost neće moći proći kroz takav sistem (slika 3).

Slika 3 polarizacija svetlosti.

Selektivnim rotiranjem polarizacije svjetlosti u procjepu između filmova, mogli bismo formirati svijetleće i tamne oblasti - piksele. To je moguće ako koristite ploču prošaranu optički aktivnim kristalima (tako se zovu jer, zbog posebnosti svojih asimetričnih molekula, mogu promijeniti polarizaciju svjetlosti).

Ali displej podrazumeva dinamički prikaz informacija, a obični kristali nam tu neće moći pomoći. Njihove tečne kolege priskaču u pomoć. Tečni kristali su tekućine kojima je svojstven određeni raspored molekula, uslijed čega se javlja anizotropija mehaničkih, magnetskih i, za nas najzanimljivije, električnih i optičkih svojstava.

Zbog anizotropije električnih svojstava i prisustva fluidnosti, moguće je kontrolisati željenu orijentaciju molekula, čime se mijenjaju optička svojstva kristala. I imaju izuzetnu osobinu - specifičan izduženi oblik molekula i njihov paralelni raspored čine ih veoma efikasnim polarizatorima. Sada počnimo proučavati elementarnu raznolikost LCD displeja - na uvrnutim nematičkim kristalima (Twisted Nematic - TN).

2.1 TN - kristali.

Činjenica da se molekuli nematičnog tekućeg kristala postroje poput vojnika u paradi posljedica je anizotropije sila njihove interakcije. Nemoguće je predvidjeti položaj direktora sa makroskopske tačke gledišta u slobodnom tekućem kristalu, stoga je nemoguće unaprijed odrediti u kojoj ravni će polarizirati svjetlost.

Ispada da je prilično jednostavno dati molekulima jednu ili drugu orijentaciju, potrebno je samo napraviti ploču (prozirnu za naše potrebe, na primjer staklo) s mnogo mikroskopskih paralelnih žljebova (njihova širina treba odgovarati minimalnoj veličini element slike koji se formira).

Uski i dugi molekuli donjeg sloja tečnog kristala, koji padaju u udubljenja, prisiljeni su da se pridržavaju date orijentacije. I svi sljedeći slojevi molekula će se poredati s njima "na potiljku" zbog intermolekularne interakcije koja je već spomenuta. Ako sada na vrh postavimo drugu staklenu ploču sa sličnim skupom žljebova tako da su okomiti na žljebove donje ploče, tada će uzdužne osi molekula najgornjeg sloja biti pod pravim kutom u odnosu na osi molekula iz donjeg sloja. Između ova dva ekstremna položaja formira se neka vrsta molekularne spirale od međuorijentacija, što je dalo naziv tehnologiji - uvrnuti nematik (twisted nematic).

Kako svjetlost putuje duž spirale, njena ravnina polarizacije rotira, prateći orijentaciju uzdužne ose njenih sastavnih molekula. U slučaju "sendviča", ploče sa okomitim žljebovima formiraju spiralu zakrenutu za 90°, a ravnina polarizacije je rotirana upravo za taj ugao. Ako se takav "sendvič" postavi između dva polaroida sa okomitim osama (polaroid samo prenosi svjetlost koja je linearno polarizirana duž svoje ose), tada će svjetlost proći kroz takav sistem (slika 4).

Tako se u TN displejima formiraju svijetleći pikseli. Obrnuti (u ovom slučaju tamni) pikseli su proizvod još jednog svojstva tečnih kristala, električne anizotropije. Dovoljno je primijeniti električno polje na spiralu, a molekuli će odmah biti prisiljeni da se okreću duž vektora njenog intenziteta. Postavljanjem minijaturnih prozirnih filmskih elektroda iznad i ispod sloja tekućih kristala, primjenom napona na njih, moguće je usmjeriti molekule okomito. Nakon toga više ne mogu mijenjati polarizaciju svjetlosti, a kako su osi polaroida okomite, svjetlost neće proći. Pojedinačnim uključivanjem i isključivanjem elektroda dobijamo dinamičnu crno-bijelu sliku.

"Šta je sa sivim tonovima?" - pitate. Gradacije, ili nivoi svjetline piksela, mogu se kontrolirati količinom primijenjenog napona. Postepeno ga povećavajući, posmatraćemo kako molekularni heliks prolazi kroz tri stadijuma svog stanja - tri zone (slika 5). Zona 1 odgovara maksimalnom prenosu i bela (maksimalna polarizacija), zona 3 - minimalnoj i crnoj, a najzanimljivija stanja su u zoni 2. Preciznom promenom napona unutar nje dobijaju se sve nijanse sive.

2.2 Anatomija LCD .

Imajući malo razumijevanja fizičkih principa rada jednostavnog LCD-a nematičkog tipa, možete razmotriti čisto mehaničke aspekte njegovog dizajna (slika 6). U osnovi je sistem pozadinskog osvjetljenja - to su moćne (na kraju krajeva, ostatak "sendviča" apsorbira do 50% propuštene svjetlosti) fluorescentne lampe u obliku cijevi i specijalnih materijala (plastični svjetlosni vodič) ili svjetlo vodilice koje doprinose ravnomjernijoj raspodjeli osvjetljenja po ravni ekrana. To nije uvijek moguće postići, a rezultat mogu biti tamne trake, heterogenost slike.

Slika 6. Struktura LCD monitora Svjetlost je usmjerena na polarizacijski filter. Nakon toga slijedi staklena ploča na koju su nanesene prozirne elektrode od filma indijevih i kalajnih oksida, koji formiraju slikovne piksele. Zatim dolazi polimerni film s mikrožljebovima koji usmjeravaju molekule tekućih kristala koji čine sljedeći sloj. Druga polovina - sve je potpuno suprotno (osim pozadinskog osvetljenja).

Sada razmotrite glavne razlike između aktivnih i pasivnih matrica, kao i formiranje slika u boji. U pasivnim matricama za adresiranje koriste se trake prozirnih elektroda, smještene na obje površine staklenih podloga i orijentirane okomito (slika 7). Njihovo sjecište formira piksel. Da biste promijenili njegovo stanje, trebate koristiti dvije adresne linije - vertikalnu i horizontalnu. Jedan, na primjer, donji, je uzemljen, a na drugi se primjenjuje kontrolni impuls. Proces u kojem se slika kreira uzastopnim uzorkovanjem svih kombinacija dvije kontrolne linije naziva se skeniranje.

2.3 TFT - displeji

Prelazeći od iskusnog crno-bijelog displeja, LCD ekrani su dostigli fazu razvoja, koja koristi tehnologiju nazvanu TFT (Thin Film Transistors). Zasnovan je na aktivnim matricama baziranim na tranzistorima tankog filma. U ovom slučaju se na staklenu podlogu nanosi sloj amorfnog silicija na kojem se formiraju tranzistori - po jedan za svaki piksel. Tranzistori djeluju kao posrednici između sistema adresiranja i LCD ćelija. Postoje i paneli na bazi tankoslojnih dioda (TFD). U aktivnim matricama je isključen utjecaj procesa uzorkovanja (adresiranja) na susjedne ćelije, svaki piksel je izoliran. Zahvaljujući tome, kašnjenja u "prebacivanju" ćelija tečnih kristala mogu se smanjiti na 25 ms, što već omogućava ekranima sa aktivnom matricom da se takmiče sa CRT monitorima. Čim ćelija primi naboj, ona ga, poput kondenzatora, pohranjuje, ali ne dovoljno dugo. Dok se skeniranje matrice završava, ćelije koje su prvo obrađene već počinju gubiti naboj. Da bi se izbjegla heterogenost slike, na svaku ćeliju je povezan dodatni kondenzator koji je "hrani" tokom ciklusa skeniranja.

Opšti princip rada svih TFT LCD-a je prikazan na slici 8: svetlost neonske lampe prolazi kroz sistem reflektora, usmerava se kroz prvi polarizacioni filter i ulazi u sloj tečnih kristala koji kontroliše tranzistor; tada svjetlost prolazi kroz filtere u boji (kao u CRT, svaki piksel matrice je izgrađen od tri komponente boje - crvene, zelene i plave). Tranzistor stvara električno polje koje postavlja prostornu orijentaciju tečnih kristala. Svjetlost, prolazeći kroz tako uređenu molekularnu strukturu, mijenja svoju polarizaciju i ovisno o tome, ili će je u potpunosti apsorbirati drugi polarizacijski filter na izlazu (formirajući crni piksel), ili neće biti apsorbirana ili djelomično apsorbirana (formirajući razne nijanse boja, do čisto bijele).

Slika 8

Filteri boja za crvenu, zelenu i plavu su integrirani u staklenu podlogu i postavljeni blizu jedan drugom. Svaki piksel (tačka) se sastoji od tri ćelije određenih boja (podpiksela). To znači da pri rezoluciji od 1280 x 1024 piksela ekran sadrži tačno 3840 x 1024 tranzistora i elemenata piksela. Razmak piksela za TFT ekran od 15,1" (1024 x 768 tačaka) je približno 0,30 mm, a za TFT ekran od 18,1" (1280 x 1024 tačaka) je približno 0,28 mm.

Slika 9. Struktura piksela TFT -displej.

TFT ekranski pikseli. Gornji lijevi ugao ćelije sadrži tranzistor tankog filma ( T hin F ilm T ransistor). Filteri boja omogućavaju ćelijama da mijenjaju svoje prirodne RGB boje. Tačke se jasno razlikuju, a što je manja udaljenost između njih, to je veća maksimalna moguća rezolucija. Međutim, TFT-ovi takođe imaju fizičko ograničenje, koje je određeno maksimalnom površinom ekrana.

Najčešći tip digitalnog signalizacije baziran je na tehnologiji tzv TN TFT ili TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film). Termin Film odnosi se na opcionalni vanjski filmski premaz koji omogućava da se ugao gledanja poveća sa standardnih 90 stepeni (45 sa svake strane) na približno 140 stepeni. Šema rada TN TFT displeja prikazana je na slici 10:

1. Kada je tranzistor u isključenom stanju, odnosno ne stvara električno polje, molekuli tečnog kristala su u svom normalnom stanju i poravnati su na takav način da mijenjaju ugao polarizacije svjetlosnog toka koji prolazi kroz njega. ih za 90 stepeni (tečni kristali formiraju spiralu). Budući da je kut polarizacije drugog filtera okomit na ugao prvog, svjetlost koja prolazi kroz neaktivni tranzistor će se ugasiti bez gubitka, formirajući svijetlu tačku, čiju boju postavlja svjetlosni filter.

2. Kada tranzistor generiše električno polje, svi molekuli tečnih kristala se postavljaju u linije paralelne sa uglom polarizacije prvog filtera i tako ni na koji način ne utiču na svetlosni tok koji prolazi kroz njih. Drugi polarizacijski filter u potpunosti apsorbira svjetlost, stvarajući crnu tačku umjesto jedne od tri komponente u boji.

Slika 10.

Problemi sa prihvatljivim uglom gledanja ekrana tipični su za LCD ekrane koji daju polutonove. Rezultirajući intenzitet svjetlosti koju emituje ploča zbog fenomena dvoloma u tekućim kristalima ovisi o kutu (j) između normale na prednji dio svjetlosnog vala i smjera direktora molekula tečnog kristala, kao sin2j . To znači da se u potpuno uključenom stanju, pri vrijednostima od j do 30°, intenzitet propuštenog svjetla mijenja za najviše 10%, dok se pri sivom nivou od 50% (ugao između direktora i normalnog prema površini ekrana je 45°) - za 90%, što dovodi do ozbiljnog izobličenja gradacije svjetline ili boja uz malu promjenu ugla gledanja. Jedan od najjednostavnijih načina da se izbjegne efekat dvoloma je nanošenje polimernih kompenzacijskih filmova na površinu panela, koji imaju indeks loma različitog predznaka od tekućih kristala.

Originalni način za rješavanje problema pronašao je Günther Baur 1971. godine. Na osnovu njegove metodologije, Hitachi Corporation je 1995. razvila IPS (In-Plane Switching) tehnologiju. Baur je predložio novu šemu LC ćelije, u kojoj molekuli u normalnom stanju nisu uvrnuti u spiralu od 90°, već su orijentisani paralelno jedan prema drugom. Žljebovi na donjoj i gornjoj polimernoj foliji su paralelni, a sve kontrolne elektrode nalaze se na istoj strani panela. Kada se primeni napon, električno polje rotira LC molekule u ravni ekrana. Ugao između direktora i ravnine panela ostaje konstantan. Nažalost, IPS ima i neke nedostatke, kao što je 50% manja svjetlina.

Japanska divizija IBM-a je predložila i poboljšava metodologiju OCB (Optical Compensated Bend). Zasnovan je na takozvanim Pi-ćelijama, koje koriste sposobnost promjene parametara dvostrukog prelamanja tečnih kristala. Snop svjetlosti koji ulazi u ćeliju lagano mijenja svoj smjer, kao da se "prianja" za smjer vektora normale na površinu ekrana, a napuštajući ga, vraća se u prvobitni smjer širenja.

Stručnjaci kompanije Sharp implementirali su još jednu tehnologiju za proširenje ugla gledanja - ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode). Na filteru u boji formiraju se posebni izbočeni zidovi, prekriveni orjentirnim polimernim filmom (slika 11). Oni formiraju pojedinačne LC ćelije sa neobičnim aksijalno simetričnim rasporedom kristalnih molekula (poput lopatica ventilatora). Zidovi koji ograničavaju LC ćelije nastaju kao rezultat uvođenja polimerizovanih molekula smole u sastav kristala i ozračivanja nastale smeše ultraljubičastim zračenjem nakon odvajanja faza. ASM spada u klasu tehnika stabilizacije LC pomoću polimera. Prema drugom načinu korištenja polimera, oni se u maloj količini dodaju tekućim kristalima, što omogućava kontrolu orijentacije LC molekula direktno unutar ćelije, a ne samo na dvije granične površine, kao što se događa u slučaju polimera. filmovi.

Slika 11

2.4 Ferodielektrični tečni kristali

Jedna od slabih tačaka svakog LCD panela je regeneracija slike. Složeni procesi punjenja i pražnjenja ćelija, kratko vrijeme koje imaju da održe dato stanje, opasnost od nagomilavanja značajnih naboja - sve to otežava proizvodnju. Indirektno je moguće pojednostaviti upravljačku elektroniku korištenjem ferodielektričnih tekućih kristala (FLCD). Ako se grupi molekula da određena orijentacija, oni će je (u nedostatku vanjskih utjecaja) zadržati neograničeno vrijeme, formirajući jednu domenu. Ferodielektrične ćelije ne zahtijevaju čestu regeneraciju, skeniranje će se dogoditi samo pri promjenama okvira. Osim toga, imaju odličnu brzinu reakcije - 10 ms. Međutim, njihova bistabilna priroda otežava stvaranje polutonova. Ekrani se kreiraju i na bazi antiferodielektričnih LCD (AFLCD). Njihove najnovije modifikacije djelimično uklanjaju ovaj problem.

2.5 Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)

Ovaj tip ekrana koristi plazma panel za pokretanje LCD ćelija. PALC displej se sastoji od staklene podloge sa polarizacionim filterom primenjenim na donjoj strani i uzdužnih izbočina-pregrada formiranih na vrhu. Unutar svake kolone koju formiraju barijere nalaze se dvije elektrode. Odozgo je konstrukcija prekrivena tankim slojem stakla, a rezultirajuće posude se pune plinom pod pritiskom od nekoliko kPa. Zatim slijedi LC sloj, prozirni film sa kolonskim elektrodama, filteri u boji, staklena podloga sa polarizatorom (slika 12). Iza cijele strukture nalazi se jedinica pozadinskog osvjetljenja. Kolona se uzorkuje stvaranjem pražnjenja između dvije elektrode u uzdužnoj ćeliji ispunjenoj razrijeđenim plinom. Na površini stakla koje razdvaja plin i LC ćelije formira se negativni naboj koji je poput virtuelne elektrode (slika 13). Napon od +70 V se primenjuje na jednu od poprečnih elektroda na suprotnoj strani "sendviča". Naelektrisanje sa virtuelne elektrode teče kroz LC ćeliju koja se nalazi na preseku gasovite uzdužne ćelije i poprečne elektrode. Čim se punjenje isprazni, sve LCD ćelije prelaze u potpuno izolovano stanje i možete započeti uzorkovanje sljedećeg piksela.

Slika 12.

Slika 13.

Jedna od prednosti PALC panela je jednostavnost izrade. Oni su manje osjetljivi na fabričku čistoću i tačnost rasporeda od tradicionalnih TFT-ova. Ovo omogućava upotrebu velikih staklenih podloga i stoga otvara mogućnost proizvodnje velikih LCD ekrana. PALC ekrani su bez tačaka na koje su monitori sa aktivnom matricom toliko osetljivi. Konstruktivna nezavisnost plazma i LCD panela olakšava razvoj novih modifikacija.

3. Rezultati

U ovom materijalu razmatrane su samo osnove tehnologije proizvodnje LCD-a, a mnogo je ostalo izvan okvira publikacije. Svijet ploča s tekućim kristalima nalazi se na spoju nekoliko znanosti odjednom: kemije, fizike čvrstog stanja i fizike tekućina, kristalografije. Bogatstvo komponenti dovodi do različitih rješenja. Industrija ravnih monitora je u procvatu, a praćenje pojave novih tehnologija, modifikacija postojećih i nestanak zastarjelih moguće je samo stalnim pregledavanjem specijalizirane literature.

Bibliografija:

1. http://www.cultinfo.ru

2. http://bigpi.biysk.ru

3. I. G. Čistjakov, Tečni kristali, Moskva, 1966;

4. Grey G. W., Molekularna struktura i svojstva tečnih kristala, L. - N. Y., 1962;

5. Tečni kristali, trans. sa francuskog, "Priroda", 1972, br. 2;

6. Turanov A.N., Goncharov V.A., Galyametdinov Yu.G., Ivanova G.I., Ovchinnikov I.V. Izv. Akad. nauke, ser. Khim., 1999, br. 4, 694-697.

7. I. V. Ovchinnikov i Yu. G. Galyametdinov, Magnetski tečni kristali na bazi koordinacionih jedinjenja. Russian Chemical Journal 2001, XLV. br. 3. str.74-79

tečni kristali

Uvod

Tečni kristali (skraćeno LC) su supstance koje istovremeno imaju svojstva i tečnosti (fluidnost) i kristala (anizotropija). Po strukturi, LC su tečnosti slične želeu, koje se sastoje od izduženih molekula, poredanih na određeni način po celoj zapremini ove tečnosti. Najkarakterističnije svojstvo LC-a je njihova sposobnost da mijenjaju orijentaciju molekula pod utjecajem električnih polja, što otvara široke mogućnosti za njihovu primjenu u industriji. Prema vrsti LC obično se dijele u dvije velike grupe: nematike i smektike. Zauzvrat, nematici se dijele na prave nematičke i holesterične tečne kristale.

Istorija otkrića tečnih kristala

Tečne kristale je 1888. godine otkrio austrijski botaničar F. Reinitzer. Primijetio je da kristali kolesteril benzoata i holesteril acetata imaju dvije tačke topljenja i, shodno tome, dva različita tečna stanja – mutno i prozirno. Međutim, naučnici nisu obraćali mnogo pažnje na neobična svojstva ovih tečnosti. Dugo vremena fizičari i hemičari, u principu, nisu prepoznavali tečne kristale, jer je njihovo postojanje uništilo teoriju o tri stanja materije: čvrstom, tečnom i gasovitom. Naučnici su tečne kristale pripisali ili koloidnim rastvorima ili emulzijama. Naučni dokaz dao je profesor Univerziteta Karlsruhe Otto Lehmann (njem. Otto Lehmann) nakon dugogodišnjeg istraživanja, ali čak ni nakon pojave knjige „Tečni kristali“ koju je napisao 1904. godine, otkriće nije primijenjeno.

Amerikanac J. Ferguson (engleski James Fergason) je 1963. godine iskoristio najvažniju osobinu tečnih kristala - da mijenjaju boju pod utjecajem temperature - da otkrije toplinska polja nevidljiva golim okom. Nakon što je dobio patent za izum (u. S. Patent 3114836 (engleski)), interesovanje za tečne kristale se dramatično povećalo.

1965. godine u SAD se sastala Prva međunarodna konferencija posvećena tekućim kristalima. Američki naučnici su 1968. godine stvorili fundamentalno nove indikatore za sisteme za prikaz informacija. Princip njihovog rada zasniva se na činjenici da molekuli tekućih kristala, okrećući se u električnom polju, reflektiraju i prenose svjetlost na različite načine. Pod utjecajem napona, koji je primijenjen na provodnike zalemljene u ekran, na njemu se pojavila slika koja se sastojala od mikroskopskih tačaka. Pa ipak, tek nakon 1973. godine, kada je grupa engleskih hemičara predvođena Georgeom Williamom Grayem sintetizirala tekuće kristale iz relativno jeftinih i pristupačnih sirovina, ove supstance su postale široko rasprostranjene u raznim uređajima.

Grupe tečnih kristala

Prema svojim opštim svojstvima, LC se mogu podeliti u dve velike grupe:

termotropni LC, nastali kao rezultat zagrijavanja čvrste tvari i koji postoje u određenom rasponu temperatura i pritisaka; i liotropni LC, koji su dvokomponentni sistemi ili više njih formirani u mješavinama štapićastih molekula određene tvari i vode (ili drugog polarni rastvarači). Ovi molekuli u obliku štapa imaju polarnu grupu na jednom kraju, a većina štapa je fleksibilni hidrofobni ugljikovodični lanac. Takve supstance se nazivaju amfifili (amphi - na grčkom znači sa dva kraja, philos - pun ljubavi, dobroćudan). Fosfolipidi su primjer amfifila.

Amfifilni molekuli su, po pravilu, slabo topljivi u vodi, imaju tendenciju formiranja agregata na način da su njihove polarne grupe na granici faza usmjerene prema tekućoj fazi. Na niskim temperaturama, miješanje tečnog amfifila sa vodom dovodi do razdvajanja sistema u dvije faze. Sistem sapun-voda može poslužiti kao jedna od varijanti amfifila sa složenom strukturom. Postoji alifatski anion CH3-(CH2)n-2-CO2- (gde je n ~ 12-20) i pozitivni ion Na+, K+, NH4+ itd. Polarna grupa CO2- teži bliskom kontaktu sa molekulima vode, dok nepolarna grupa (amfifilni lanac) izbjegava kontakt s vodom. Ova pojava je tipična za amfifile.

Termotropni LC se dijele u tri velike klase:

Nematični tečni kristali. U ovim kristalima nema dalekosežnog reda u rasporedu težišta molekula, nemaju slojevitu strukturu, njihovi molekuli neprekidno klize u pravcu svojih dugih ose, rotirajući oko njih, ali istovremeno vrijeme zadržavaju orijentacijski red: duge ose su usmjerene duž jednog dominantnog smjera. Ponašaju se kao obične tečnosti. Nematičke faze se nalaze samo u supstancama čiji molekuli nemaju razliku između desnog i lijevog oblika, njihovi molekuli su identični njihovoj zrcalnoj slici (ahiralni). Primjer supstance koja formira nematičnu FA je

Smektički tekući kristali imaju slojevitu strukturu, slojevi se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Debljina smektičkog sloja određena je dužinom molekula (uglavnom dužinom parafinskog "repa"), međutim, viskoznost smektika je mnogo veća nego kod nematika, a gustoća duž normalne površine sloja može značajno varirati. Tipičan je tereftal-bis(nara-butilanilin):

Holesterični tečni kristali - formiraju se uglavnom od jedinjenja holesterola i drugih steroida. To su nematski LC, ali su njihove dugačke ose rotirane jedna u odnosu na drugu tako da formiraju spirale koje su vrlo osjetljive na promjene temperature zbog izuzetno niske energije formiranja ove strukture (oko 0,01 J/mol). Amil para-(4-cijanobenzilidenamino)-cinamat se može navesti kao tipični holesterik

Kolesterici su jarke boje i najmanja promjena temperature (do hiljaditih dijelova stepena) dovodi do promjene nagiba spirale i, shodno tome, promjene boje LC.

Za sve navedene tipove tečnih kristala karakteristična je orijentacija dipolnih molekula u određenom smjeru, koji je određen jediničnim vektorom - nazvanim "direktor".

Nedavno su otkrivene takozvane stupaste faze koje se formiraju samo od molekula u obliku diska raspoređenih u slojevima jedan na drugom u obliku višeslojnih stubova sa paralelnim optičkim osama. Često se nazivaju "tečnim filamentima", duž kojih molekuli imaju translacijske stupnjeve slobode. Ovu klasu jedinjenja predvidio je akademik L. D. Landau, a otkrio ju je tek 1977. Chandrasekhar. Šematski, priroda uređenja tečnih kristala ovih vrsta prikazana je na slici.

LCD-i imaju neobična optička svojstva. Nematici i smektici su optički jednoosni kristali. Kolesterici, zbog svoje periodične strukture, snažno reflektuju svjetlost u vidljivom dijelu spektra. Budući da je tečna faza nosilac svojstava kod nematika i holesterika, lako se deformiše pod uticajem spoljašnjih uticaja, a kako je visina spirale kod holesterika veoma osetljiva na temperaturu, stoga se refleksija svetlosti naglo menja sa temperaturom, što dovodi do do promene boje supstance.

Ovi fenomeni se široko koriste u raznim aplikacijama, kao što su pronalaženje vrućih tačaka u mikro krugovima, lokalizacija fraktura i tumora kod ljudi, snimanje u infracrvenim zracima itd.

Karakteristike mnogih elektrooptičkih uređaja koji rade na liotropnim LC su određene anizotropijom njihove električne provodljivosti, koja je zauzvrat povezana s anizotropijom elektronske polarizabilnosti. Za neke tvari, zbog anizotropije LC svojstava, električna provodljivost mijenja svoj predznak. Na primjer, za n-oktiloksibenzojevu kiselinu ona prolazi kroz nulu na temperaturi od 146°C, a to se pripisuje strukturnim karakteristikama mezofaze i polarizabilnosti molekula. Orijentacija molekula nematske faze po pravilu se poklapa sa smjerom najveće provodljivosti.

Svi oblici života su na ovaj ili onaj način povezani sa aktivnošću žive ćelije, čije su mnoge strukturne veze slične strukturi tečnih kristala. Posjedujući izuzetna dielektrična svojstva, FA formiraju unutarćelijske heterogene površine, regulišu odnos između ćelije i spoljašnje sredine, kao i između pojedinačnih ćelija i tkiva, obezbeđuju potrebnu inertnost sastavnim delovima ćelije, štiteći je od enzimskog uticaja. Dakle, uspostavljanje pravilnosti u ponašanju FA otvara nove perspektive u razvoju molekularne biologije.

Primjena tečnih kristala

Jedna od važnih upotreba tečnih kristala je termografija. Odabirom sastava tečne kristalne supstance kreiraju se indikatori za različite temperaturne opsege i za različite dizajne. Na primjer, tekući kristali u obliku filma primjenjuju se na tranzistore, integrirana kola i štampane ploče elektronskih kola. Neispravni elementi - vrlo vrući ili hladni, nefunkcionalni - odmah se primjećuju po svijetlim mrljama u boji. Liječnici su dobili nove mogućnosti: indikator s tekućim kristalima na koži pacijenta brzo dijagnosticira latentnu upalu, pa čak i tumor.

Uz pomoć tekućih kristala otkrivaju se pare štetnih kemijskih spojeva te gama i ultraljubičasto zračenje opasno po zdravlje ljudi. Na osnovu tečnih kristala kreirani su merači pritiska i ultrazvučni detektori. No, područje primjene tekućih kristala koje najviše obećava je informatička tehnologija. Prošlo je samo nekoliko godina od prvih indikatora, poznatih svima od elektronskih satova, do televizora u boji sa ekranom od tečnih kristala veličine razglednice. Ovi televizori pružaju veoma kvalitetnu sliku, trošeći manje energije.

TEČNI KRISTALI I UREĐAJI NA NJIMA ZASNOVANI Trenutno su tehnologije LCD monitora sa tečnim kristalima poznate hemičarima od 1888. godine, ali je njihova praktična upotreba (za ekrane satova i kalkulatore) počela tek 1960-ih godina. Godine 1990. De Gennes je dobio Nobelovu nagradu za LC teoriju. Trenutno, tečni kristali su napravili revoluciju u elektronici, koriste se u širokom spektru displeja (u satovima, mini televizorima), LCD monitorima za računare, kao vizuelni termalni senzori (promena boje sa temperaturom) itd. Mezofazna tečnost u čvrstom stanju (3 -dimenzionalno) (1-2-dimenzionalno) (izotropno Termin tečni kristal (LC) označava mezofazu između čvrstog i izotropnog tekućeg stanja, dok mezofaza zadržava osnovna svojstva svojstvena dva agregatna stanja. "Mezos" znači srednja, srednja.U nekim slučajevima, mezofaza je stabilna u širokom rasponu temperatura, uključujući i sobnu, tada se govori o LC.

Hemijska struktura molekula koje formiraju tečne kristale. a) - molekuli štapića koji formiraju LC - smektici i nematici, b) - molekuli koji formiraju LC - diskotici. Nematici. Ovo ime dolazi od grčkog "nema" (nhma), što znači konac. Za karakterizaciju orijentacijskog reda nematika uvodi se vektor jedinične dužine, direktor, čiji se smjer poklapa sa smjerom prosječne orijentacije dugih osa molekula. Pored toga, uvodi se još jedna veličina, parametar reda S, koji karakteriše stepen orijentacijske sređenosti molekula, gde je ugao između pravaca direktora i trenutnog smera duge ose molekula. Očigledno, parametar može imati vrijednosti od 0 do 1. Vrijednost S = 1 odgovara potpunom orijentacijskom redu, S = 0 znači potpuni orijentacijski poremećaj i odgovara izotropnoj tekućini.

Smectics. Ime dolazi od grčkog "smegma" (smhgma), što znači "sapun". U ovim materijalima, pored orijentacijskog uređenja molekula, postoji i djelomično uređenje centara gravitacije molekula. Drugim riječima, centri gravitacije molekula organizirani su u slojeve, među kojima je razmak fiksiran. Slojevi molekula se lako pomiču jedan u odnosu na drugi, a smektici su na dodir slični sapunu. osovine molekula Kolonoidni diskotici se takođe mogu pripisati smekticima Nematicima - fluidnija LC faza nema slojeve, već ima samo dominantan pravac (direktor Tipovi tečnih kristala A - nematični, B - smektični, C diskotični

Holesterici, koji su dobili ime po holesterolu (prvi otvoreni spoj). Takav molekul ima optičku os oko koje se direktor može rotirati. dok prelazite s jednog sloja na drugi, režiser se postepeno rotira, stvarajući jedinstvenu spiralnu strukturu. Prikazani su optička osa molekula, pravac u pravcu i korak vijka, p, (udaljenost na kojoj se direktor rotira za 360). Talasna dužina svjetlosti koja se reflektira od LC holesteric =np, gdje je n indeks prelamanja. Često su ove talasne dužine u vidljivom opsegu. Važna osobina kolesterika je zavisnost nagiba vijka o temperaturi, tj. temperaturna zavisnost talasne dužine reflektovane svetlosti. Više temperature su plave, niže su crvene.

Primena tečnih kristala u displejima Glavna primena LCD-a odnosi se na elektro-optičke (EO) uređaje. Za takve primjene, LC (nematic) mora imati četiri neophodna svojstva, a to su: površinski poredak, preorijentacija direktora pomoću električnog polja ili dielektrične anizotropije, rotacija ravnine polarizacije svjetlosti ili optička anizotropija i orijentacijska elastičnost (sposobnost molekula da se podvrgnu razne rotacije). 1.Surface ordering. Tipično, EO displej je staklena kiveta debljine manje od 20 µm, u koju je postavljen LC. Smjer LC direktora može se postaviti tretiranjem ćelijskih površina na takav način da se LC molekuli poredaju u određenom smjeru paralelno sa ravninom ćelije ili okomito na nju.

0. Ova anizotropija je glavni dv" title="(!LANG:2. Dielektrična anizotropija LCD-a može se napisati kao razlika između dielektrične konstante u smjeru paralelnom s direktorom i okomitom na njega = -. direktor poravnava paralelno sa poljem tada >0. Ova anizotropija je glavni dv" class="link_thumb"> 6 !} 2. Dielektrična anizotropija LC može se napisati kao razlika između dielektrične konstante u smjeru paralelnom s direktorom i okomitom na njega = -. Ako je direktor poravnat paralelno s poljem, tada >0. Ova anizotropija je glavna pokretačka snaga performansi ekrana. Električni doprinos slobodnoj energiji kristala sadrži termin koji ovisi o kutu između direktora (n) i primijenjenog električnog polja (E), pri čemu će se direktor rotirati kako bi minimizirao slobodnu energiju i postavio se paralelno s poljem . Imajte na umu da ovaj doprinos nije dipol i ne ovisi o smjeru električnog polja. 3. Optička anizotropija je povezana sa anizotropijom indeksa prelamanja - n, ili dvolomom. To znači da materijal ima dvije vrijednosti n za smjerove polarizacije svjetlosti paralelne i okomite na direktoriju, razlika između njih n=n -n je mjera optičke anizotropije. Ova vrijednost mora biti >0,2 da bi LCD radio. 4. Orijentaciona elastičnost je neophodna da bi se osigurala rotacija molekula kada se polje primeni i njihov povratak u prvobitni položaj nakon što se polje isključi. Ovo svojstvo je opisano elastičnim konstantama nagiba, uvijanja i savijanja K 11, K 22 i K3 3 0. Ova anizotropija je glavna pokretačka snaga za rad displeja.Električni doprinos slobodnoj energiji kristala sadrži termin koji zavisi od ugla između direktora (n) i primenjenog električnog polja (E), dok direktor rotirati će se kako bi se minimizirala slobodna energija i poravnat će se paralelno s poljem. Imajte na umu da ovaj doprinos nije dipol, neovisno o smjeru električnog polja. 3. Optička anizotropija je povezana s anizotropijom indeksa loma - n, ili dvolomom .To znači da materijal ima dvije vrijednosti n za smjerove polarizacije svjetlosti paralelne i okomite na direktoriju, razlika između njih n=n -n je mjera optičke anizotropije. Za rad LCD-a, ova vrijednost mora biti >0,2 .4.Orijentacijska elastičnost je neophodna da bi se osigurala rotacija molekula prilikom primjene polja i vratila ih u prvobitni položaj nakon isključivanja polja.Ovo svojstvo je opisano elastičnim kon tilt, twist i bend vratolomije K 11, K 22 i K3 3"> 0. Ova anizotropija je glavni dv" title="(!LANG:2. Dielektrična anizotropija LC može se napisati kao razlika između permitivnosti u smjeru paralelnom s direktorom i okomitom na njega = -. Ako je direktor poravnat paralelno s poljem, tada >0. Ova anizotropija je glavna"> title="2. Dielektrična anizotropija LC može se napisati kao razlika između dielektrične konstante u smjeru paralelnom s direktorom i okomitom na njega = -. Ako je direktor poravnat paralelno s poljem, tada >0. Ova anizotropija je glavna"> !}

Najjednostavniji EO uređaj. U ovom slučaju, gornja i donja površina kivete se trljaju u okomitim smjerovima, tako da se LC direktor rotira od vrha kivete prema dnu za 90 0 i tako rotira ravan polarizacije.Kontrast slike se postiže korištenjem ukrštenih polaroida . U ukrštenim polaroidima ova ćelija izgleda sjajno. Ako se sada primeni električno polje, direktor LC molekula će se postaviti paralelno sa poljem, rotacija ravni polarizacije će nestati, a svetlost u ukrštenim polaroidima će prestati da prolazi. Napon potreban za rotaciju direktora je obično 2-5 V i određen je dielektričnom anizotropijom i elastičnim konstantama. Rotacija ravni polarizacije u LC ćeliji

LCD ekran ima nekoliko slojeva: dva panela od vrlo čistog stakla - podloge. Slojevi sadrže tanak sloj tečnih kristala između sebe. Paneli imaju žljebove. Žljebovi su raspoređeni tako da su na svakoj ploči paralelni, ali okomiti između dva panela.U kontaktu sa žljebovima molekuli tekućih kristala su orijentirani na isti način u svim ćelijama. Dva panela su veoma blizu jedan drugom. Na gornjoj i donjoj su postavljena dva polarizirajuća filma.Za osvjetljenje se obično koristi lampa, ponekad displeji, na primjer, satovi, rade u reflektiranom svjetlu.

Za pružanje informacija, sloj prozirnog ITO-a se nanosi na staklene ploče kao elektroda. Elektrode se nanose u obliku tačaka ili segmenata, na koje se dostavljaju odvojene informacije.Ako se postavi veći broj elektroda koje stvaraju različita električna polja na odvojenim mjestima ekrana (ćelije), onda će to biti moguće, uz odgovarajuću kontrolu potencijala ovih elektroda, za prikaz slova i drugih elemenata slike na ekranu. Elektrode su postavljene u prozirnu plastiku i mogu imati bilo koji oblik. Tehnološke inovacije omogućile su da se njihova veličina ograniči na malu tačku (0,3 µm), više elektroda se može postaviti na istu površinu ekrana, što povećava rezoluciju.Boja se dobija upotrebom tri filtera koji odvajaju tri glavne komponente od zračenja izvora bele svetlosti. Kombinacijom tri primarne boje za svaku tačku ili piksel na ekranu, moguće je reproducirati bilo koju boju. Slika se formira liniju po liniju sukcesivnim napajanjem kontrolnog napona pojedinačnim ćelijama, čineći ih transparentnim. LCD elektrode Pasivni matrični displeji

Aktivni matrični displeji Aktivna matrica koristi posebne elemente za pojačavanje za svaku ćeliju ekrana, matricu elektroda koja pokreće ćelije tečnog kristala ekrana. U slučaju pasivne matrice, različite elektrode se ciklično napajaju kako se prikaz ažurira red po red, a kao rezultat pražnjenja kapacitivnosti elemenata, slika nestaje kako se kristali vraćaju u prvobitno stanje. konfiguraciju. U slučaju aktivne matrice, svakoj elektrodi se dodaje tranzistor za skladištenje koji može pohraniti digitalne informacije (binarne vrijednosti 0 ili 1) i kao rezultat toga, slika se pohranjuje dok se ne primi drugi signal. Memorijski tranzistori moraju biti napravljeni od prozirnih materijala, koji će omogućiti da svjetlosni snop prolazi kroz njih. Za ove svrhe koriste se tanki filmovi sa tranzistorom tankog filma (ili TFT). Ovo su kontrole koje kontrolišu svaki piksel na ekranu. tranzistor je vrlo tanak, 0,1-0,01 mikrona. Napravljen od amorfnog silicijuma (a-Si),

Feroelektrični displeji Uprkos širokoj upotrebi displeja sa aktivnom matricom baziranim na nematskim LC, oni imaju fundamentalni nedostatak: dugo vreme relaksacije (vreme obrtanja LC direktora nakon isključivanja električnog polja je ~20 ms). Sada postoji fundamentalno drugačija tehnologija za proizvodnju ravnih displeja sa brzim prebacivanjem, zasnovana na upotrebi feroelektričnih smektika tečnih kristala (fluorobifenil na slici). Na prvi pogled deluje čudno da se viskoznija (u poređenju sa nematičnom) smektička LC faza koristi za stvaranje brzih uređaja. Molekuli takvog smektika imaju dipolni moment i raspoređeni su u slojevima, u svakom sloju su nagnuti pod istim uglom u odnosu na ravninu sloja. isti ugao

Isti ugao nagiba nastaje zbog interakcije dipola molekula u prisustvu feroelektrične faze. Primjena električnog polja može promijeniti smjer dipola na suprotan, a ugao nagiba molekula će se promijeniti u skladu s tim. Dakle, u sloju molekula postoje dvije moguće orijentacije dipola i samih molekula (sa i bez električnog polja), sl. Vrijeme rotacije molekula u ovom slučaju je prilično malo, 1 μs, što je 2-3 reda veličine manje od vremena povratka molekula u nematičnu fazu. U početku su polarizatori svjetlosti postavljeni tako da svjetlost ne prolazi (jedan je paralelan sa smjerom direktora molekula, drugi je okomit). Nakon primjene električnog polja, dipoli molekula se okreću paralelno s poljem, a direktor molekula se okreće pod određenim kutom u odnosu na polarizator, dok svjetlost počinje djelomično prolaziti kroz strukturu. Sloj molekula u smektiku u feroelektričnoj fazi.

tečni kristali

Schlieren tekstura u nematskim tekućim kristalima

tečni kristali(skraćeno LCD) je fazno stanje u koje neke supstance prelaze pod određenim uslovima (temperatura, pritisak, koncentracija u rastvoru). Tečni kristali istovremeno imaju svojstva i tečnosti (fluidnost) i kristala (anizotropija). Po strukturi, LC su viskozne tečnosti koje se sastoje od izduženih ili diskastih molekula, poredanih na određeni način po celoj zapremini te tečnosti. Najkarakterističnije svojstvo LC-a je njihova sposobnost da mijenjaju orijentaciju molekula pod utjecajem električnih polja, što otvara široke mogućnosti za njihovu primjenu u industriji. Prema vrsti LC obično se dijele u dvije velike grupe: nematike i smektike. Zauzvrat, nematici se dijele na prave nematičke i holesterične tečne kristale.

Istorija otkrića tečnih kristala

Uz pomoć tekućih kristala otkrivaju se pare štetnih kemijskih spojeva te gama i ultraljubičasto zračenje opasno po zdravlje ljudi. Merači pritiska i ultrazvučni detektori kreirani su na bazi tečnih kristala. No, područje primjene tekućih kristala koje najviše obećava je informatička tehnologija. Prošlo je samo nekoliko godina od prvih indikatora, poznatih svima od elektronskih satova, do televizora u boji sa ekranom od tečnih kristala veličine razglednice. Ovi televizori pružaju veoma kvalitetnu sliku, trošeći manje energije.

Linkovi

Razgovor o tečnim kristalima sa doktorom hemije Aleksejem Jurjevičem Bobrovskim u programu Nauka 2.0

Wikimedia fondacija. 2010 .

Pogledajte šta je "tečni kristali" u drugim rječnicima:

Posebno stanje nekog organskog u u, u u rum imaju reološki. sa vama tečnost tečnost, ali zadržati određenu. urednost u rasporedu molekula i anizotropija niza fizičkih. St. u, karakteristika TV-a. kristali. Otvoren 1889. austrijski ... ... Physical Encyclopedia

tečni kristali- Tečni kristali. Raspored molekula u tečnom kristalu. TEČNI KRISTALI, tečnosti sa anizotropijom svojstava (posebno optičkih) povezanih sa urednošću u orijentaciji molekula. Zbog jake zavisnosti fizičkih svojstava ... ... Ilustrovani enciklopedijski rječnik

Tečnosti sa anizotropijom svojstava (posebno optičkih) povezanih sa urednošću u orijentaciji molekula. Zbog jake zavisnosti svojstava tečnih kristala od spoljašnjih uticaja, oni nalaze raznovrsnu primenu u tehnici ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

TEČNI KRISTALI- organske supstance koje karakteriše kombinacija svojstava (vidi) fluidnosti i čvrste (vidi) urednosti molekularne orijentacije i optičke (vidi). Posebni pravci u tekućim kristalima, kao iu čvrstim, u kojima se zraka svjetlosti širi bez doživljavanja ... ... Velika politehnička enciklopedija

Tečnosti s anizotropijom svojstava (posebno optičkih svojstava) povezane s izduženim oblikom molekula i redoslijedom u njihovoj orijentaciji. Zbog jake zavisnosti svojstava tečnih kristala od spoljašnjih uticaja, nalaze ... ... enciklopedijski rječnik

Tečno-kristalno stanje, mezomorfno stanje, stanje materije u kojem ima svojstva tečnosti (fluidnost) i neka svojstva čvrstih kristala (anizotropna (vidi Anizotropija) svojstva). Zh. to. oblik ... ... Velika sovjetska enciklopedija

U VA, prolazeći pod određenim uslovima (t ra, pritisak, koncentracija u rastvoru) u tečnom kristalu. stanje, da je roj srednje između kristalnog. stanje i tečnost. Kao i obične tečnosti, tečnosti imaju fluidnost, ali kada ... ... Chemical Encyclopedia

Posebno stanje nekog organskog u u, u u rum imaju reološki. (vidi Reologija) tečnosti su fluidne, ali zadržavaju red u rasporedu molekula i anizotropiju nekih fluida, što je karakteristično za kristale. J. to. formirati u wa, ... ... Veliki enciklopedijski politehnički rječnik

Tečnosti s anizotropijom svojstava (posebno optičkih svojstava) povezane s izduženim oblikom molekula i redoslijedom u njihovoj orijentaciji. Zbog jake zavisnosti svojstava Zh. to. od eksternih. utječe na to da pronalaze razne primjene u ... Prirodna nauka. enciklopedijski rječnik

tečni kristali- tekućine s anizotropijom svojstava (posebno optičkih) povezanih s izduženim oblikom molekula i urednošću u njihovoj orijentaciji ... Počeci moderne prirodne nauke