El uso de cristales líquidos. Informe: Cristales líquidos. Cristales líquidos termotrópicos

Servorotkina D.S. una

Pimenova M.P. una

1 Institución educativa municipal "Escuela secundaria No. 4", Olenegorsk, región de Murmansk

El texto de la obra se coloca sin imágenes ni fórmulas.
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Introducción

En las últimas décadas, los electrodomésticos han comenzado a utilizar cada vez más pantallas de cristal líquido (desde pantallas de computadora y TV hasta bloques de información de microcalculadoras, multímetros). La tecnología informática moderna, la electrónica de radio y la automatización requieren dispositivos de visualización de información (pantallas) altamente económicos, seguros y de alta velocidad. Junto con las pantallas de descarga de gas (plasma), catodoluminiscentes, semiconductoras y electroluminiscentes, lo proporciona una clase relativamente nueva de indicadores conocidos como cristal líquido (LCD), es decir, dispositivos de visualización de información basados en cristales líquidos. Estaba interesado en el dispositivo de las pantallas de cristal líquido y el principio de su funcionamiento, y dado que este material no se estudia en el curso de física de la escuela, decidí estudiar yo mismo las propiedades y la acción de los cristales líquidos. El tema es relevante, porque. los cristales líquidos están entrando cada vez más en nuestras vidas. El propósito del trabajo: estudiar las propiedades de los cristales líquidos y las celdas de cristal líquido, explorar los principios de funcionamiento y la posibilidad de aplicación técnica de la celda LC. Tareas:

Estudiar la teoría de los cristales líquidos y la historia de su creación y estudio;
Investigue el plano de polarización de la celda LCD;
Investigar la transmisión de luz de una celda de cristal líquido dependiendo del voltaje aplicado;
Estudiar la aplicación de los cristales líquidos en ingeniería.

Hipótesis: el cristal líquido cambia la dirección de polarización de la luz, la celda LC cambia las propiedades ópticas dependiendo del voltaje aplicado. Métodos de investigación: Análisis y selección de información teórica; avance de la hipótesis de investigación; experimentar; prueba de hipótesis.

II. - Parte teórica.

La historia del descubrimiento de los cristales líquidos.

Han pasado más de 100 años desde el descubrimiento de los cristales líquidos. Fueron descubiertos por primera vez por el botánico austriaco Friedrich Reinitzer, al observar dos puntos de fusión del éster de colesterol, el benzoato de colesterilo.

A la temperatura de fusión (Tmelt), 145 °C, la sustancia cristalina se convirtió en un líquido turbio que dispersaba mucho la luz. Con el calentamiento continuado, después de alcanzar una temperatura de 179 °C, el líquido se vuelve claro (punto claro (Tpr)), es decir, comienza a comportarse ópticamente como un líquido ordinario, como el agua. En la fase turbia se encontraron propiedades inesperadas del benzoato de colesterilo. Al examinar esta fase bajo un microscopio polarizador, Reinitzer encontró que tenía una birrefringencia. Esto significa que el índice de refracción de la luz, es decir, la velocidad de la luz en esta fase depende de la polarización.

La birrefringencia es el efecto de dividir un haz de luz en dos componentes en medios anisotrópicos. Si un rayo de luz cae perpendicular a la superficie del cristal, entonces en esta superficie se divide en dos rayos. El primer haz continúa propagándose en línea recta y se llama ordinario (o - ordinario), mientras que el segundo se desvía hacia un lado y se llama extraordinario (e - extraordinario).

El fenómeno de la birrefringencia es un efecto cristalino típico, que consiste en que la velocidad de la luz en un cristal depende de la orientación del plano de polarización de la luz. Es significativo que alcanza valores máximos y mínimos extremos para dos orientaciones mutuamente perpendiculares del plano de polarización. Por supuesto, las orientaciones de polarización correspondientes a los valores extremos de la velocidad de la luz en un cristal están determinadas por la anisotropía de las propiedades del cristal y están únicamente especificadas por la orientación de los ejes del cristal con respecto a la dirección de la luz. propagación.

La existencia de birrefringencia en un líquido, que debe ser isótropo, es decir que sus propiedades fueran independientes de la dirección parecía paradójico. La presencia en la fase turbia de pequeñas partículas de cristal sin fundir, cristalitas, que fueron la fuente de la birrefringencia, podría parecer más plausible. Sin embargo, estudios más detallados, en los que Reinitzer involucró al famoso físico alemán Otto Lehmann, demostraron que la fase turbia no es un sistema de dos fases, sino que es anisotrópico. Como las propiedades de la anisotropía son inherentes a un cristal sólido y la sustancia en la fase turbia era líquida, Lehman la llamó cristal líquido.

Desde entonces, las sustancias capaces de combinar simultáneamente las propiedades de los líquidos (fluidez, capacidad de formar gotas) y las propiedades de los cuerpos cristalinos (anisotropía) en un determinado rango de temperatura por encima del punto de fusión se denominan cristales líquidos o cristales líquidos. Las sustancias LC a menudo se denominan mesomórficas, y la fase LC formada por ellas se llama mesofase. Tal estado es un estado de fase termodinámicamente estable y, junto con sólido, líquido y gaseoso, puede considerarse como el cuarto estado de la materia.

Sin embargo, la comprensión de la naturaleza de LC: el estado de las sustancias, el establecimiento y el estudio de su organización estructural llegó mucho más tarde. La seria desconfianza del hecho mismo de la existencia de compuestos tan inusuales en los años 20-30 del siglo XX fue reemplazada por su investigación activa. El trabajo de D. Vorlender en Alemania contribuyó en gran medida a la síntesis de nuevos compuestos LC. En los años veinte, Friedel propuso dividir todos los cristales líquidos en tres grandes grupos. Grupos de cristales líquidos que Friedel nombró:

1. Nemático - En estos cristales, no hay un orden de largo alcance en la disposición de las moléculas, no tienen una estructura en capas, sus moléculas se deslizan continuamente en la dirección de sus ejes largos, girando alrededor de ellos, pero al mismo tiempo. conservan el orden de orientación: los ejes largos se dirigen a lo largo de una dirección predominante. Se comportan como líquidos ordinarios.

2. Esméctico: estos cristales tienen una estructura en capas, las capas pueden moverse entre sí. El grosor de la capa esméctica está determinado por la longitud de las moléculas, pero la viscosidad de los esmécticos es mucho mayor que la de los nemáticos.

3.Colestérico: estos cristales están formados por compuestos de colesterol y otros esteroides. Estos son LC nemáticos, pero sus ejes largos giran entre sí para que formen espirales que son muy sensibles a los cambios de temperatura debido a la energía de formación extremadamente baja de esta estructura.

Friedel propuso un término general para los cristales líquidos, "fase mesomórfica". Este término proviene de la palabra griega "mesos" (intermedio), que enfatiza la posición intermedia de los cristales líquidos entre los cristales verdaderos y los líquidos tanto en temperatura como en sus propiedades físicas.

Los científicos rusos V.K. Frederiks y V. N. Tsvetkov en la URSS en la década de 1930 fueron los primeros en estudiar el comportamiento de los cristales líquidos en campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, hasta la década de 1960, el estudio de los cristales líquidos no tenía un interés práctico significativo y toda la investigación científica tenía un interés puramente académico bastante limitado.

La situación cambió drásticamente a mediados de la década de 1960, cuando, debido al rápido desarrollo de la microelectrónica y la microminiaturización de los dispositivos, se requirieron sustancias que pudieran reflejar y transmitir información consumiendo un mínimo de energía. Y aquí acudieron al rescate los cristales líquidos, cuya naturaleza dual (anisotropía de propiedades y alta movilidad molecular) hizo posible crear indicadores LCD económicos y de alta velocidad controlados por un campo eléctrico externo.

tercero - Parte práctica.

Una celda de cristal líquido es una estructura de varias capas transparentes. Entre los pares de polarizadores con superficies conductoras hay una capa de cristal líquido. Estudiemos el plano de polarización celular.

Determinación de direcciones permitidas de polarizadores de una celda LC.

Después de pasar por la celda conectada, la luz se polariza en la dirección de polarización del segundo polarizador. Si se coloca un polarizador y un analizador (polarizador externo) en el camino de la luz natural, entonces la intensidad de la luz polarizada que atraviesa el analizador dependerá de la posición relativa de los planos de transmisión del polarizador y el analizador. Miraremos la luz a través del analizador y la celda LCD. Al girar el analizador con la dirección de polarización especificada frente a la celda, logramos la transmisión de luz mínima. En este caso, la dirección de polarización del analizador y el polarizador cercano de la celda LC son perpendiculares.

La instalación para el estudio se muestra en la Fig.1.

En la Fig. 2, el plano del polarizador de la celda LC es perpendicular al plano del analizador, por lo tanto, la intensidad de la luz transmitida es mínima. En la Fig. 3, el plano del polarizador de la celda LC es paralelo al plano del analizador, por lo tanto, la intensidad de la luz transmitida es máxima.

Luego se dio la vuelta a la celda LC y se continuó con el estudio. En la Fig. 4, el plano del polarizador de la celda LC es perpendicular al plano del analizador, por lo que la intensidad de la luz transmitida es mínima. En la Fig. 5, el plano del polarizador de la celda LC es paralelo al plano del analizador, por lo que la intensidad de la luz transmitida es máxima.

Se puede concluir que las direcciones de polarización de las capas celulares son perpendiculares. Así, dado que el cristal líquido gira 90 ◦ la dirección de polarización de la luz transmitida a través del primer polarizador, como resultado, la dirección de polarización de la luz a la salida de la celda LC coincide con la dirección permitida del segundo polarizador, y la intensidad de la luz transmitida es máxima.

Eliminar la dependencia de la intensidad de luz transmitida Ipr del voltaje Ui en la celda LC.

Las superficies conductoras y la capa de cristal líquido son un condensador. Cuando se aplica un voltaje a la celda, las moléculas largas de cristal líquido se colocan en un campo eléctrico y giran, cambiando así las propiedades ópticas del cristal líquido. Si se aplica un voltaje de 3 V a la celda, la celda se vuelve completamente opaca. Investiguemos la dependencia de la transmitancia de la celda con el voltaje aplicado. Utilizamos un LED como fuente de luz (Fig. 6), como indicador, un luxómetro, cuya parte principal es un fotodiodo (Fig. 7).

Para medir la transmitancia en el soporte, fijamos el LED, el fotodiodo y la celda de cristal líquido entre ellos. Ensamblemos el circuito de medición (Fig. 8), una fotografía del circuito ensamblado se muestra en la Fig. 9, 10. Girando la perilla del potenciómetro, cambiaremos el voltaje Ui en la celda y tomaremos las lecturas del luxómetro (nosotros encontrará el valor de la corriente inversa a través del fotodiodo a partir de la ley de Ohm para la sección del circuito, dividiendo el voltaje en el fotodiodo a la resistencia interna del voltímetro, If = Uv∕Rv). Construyamos un gráfico de la dependencia de la fuerza de la fotocorriente en el voltaje en la celda LCD If (Ub).

Se puede ver en el gráfico (Fig. 11) que a alto voltaje, la luz no pasa a través de la celda y no es registrada por el fotodiodo. A medida que disminuye el voltaje, la intensidad de la fotocorriente aumenta linealmente; a un valor de voltaje de 724 mV, la pendiente del gráfico aumenta. De esto se deduce que a medida que disminuye el voltaje, la celda LC transmite mejor la luz. Esto permite que la celda LCD se use en pantallas de instrumentos. Las pantallas de los instrumentos consisten en una gran cantidad de celdas LCD, las celdas que actualmente están energizadas aparecen como áreas oscuras y las celdas sin voltaje aparecen como áreas brillantes.

IV. - Aplicaciones técnicas de los cristales líquidos.

Las propiedades electro-ópticas de los cristales líquidos se utilizan ampliamente en el procesamiento de información y sistemas de visualización, en indicadores alfanuméricos (relojes electrónicos, calculadoras, pantallas, etc.), obturadores ópticos y otros dispositivos de válvulas de luz. Las ventajas de estos dispositivos son el bajo consumo de energía (del orden de 0,1 mW/cm 2 ), la baja tensión de alimentación (varios V), lo que permite, por ejemplo, combinar pantallas de cristal líquido con circuitos integrados y garantizar así la miniaturización de dispositivos indicadores (pantallas planas de televisión).

Uno de los usos importantes de los cristales líquidos es la termografía. Al seleccionar la composición de una sustancia de cristal líquido, se crean indicadores para diferentes rangos de temperatura y para varios diseños. Por ejemplo, los cristales líquidos en forma de película se aplican a transistores, circuitos integrados y placas de circuitos impresos de circuitos electrónicos. Los elementos defectuosos, muy calientes o fríos (es decir, que no funcionan), se notan de inmediato mediante manchas de colores brillantes.

Los médicos han recibido nuevas oportunidades: al aplicar materiales de cristal líquido en el cuerpo del paciente, el médico puede identificar fácilmente los tejidos enfermos al cambiar de color en aquellos lugares donde estos tejidos emiten una mayor cantidad de calor. Así, el indicador de cristal líquido en la piel del paciente diagnostica rápidamente una inflamación latente e incluso un tumor.

Conclusión V.

En mi trabajo me familiaricé con la historia del descubrimiento y estudio de los cristales líquidos, con el desarrollo de sus aplicaciones técnicas. Investigó las propiedades de polarización de una celda de cristal líquido y la capacidad de transmisión de la luz en función del voltaje aplicado. En el futuro, me gustaría realizar estudios termográficos utilizando cristales líquidos.

VI. - Lista bibliográfica

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Apéndice








Voltaje de celda, Ui, mV	Intensidad de corriente inversa, I, A

Agencia Federal para la Ciencia y la Educación de la Federación Rusa

Universidad Técnica Estatal de Irkutsk

Departamento de Física

ENSAYO

sobre el tema: Cristales líquidos y sus

aplicación en cristal líquido

Terminado:

Grupo de estudiantes EL-03-1

Moroz Ya.V.

Comprobado:

maestros

Sozinova TV

Shishilova TI

Irkutsk, 2005

1. ¿Qué son los cristales líquidos 3?

1.1. Cristales líquidos 3

1.2. Tipos de cristal líquido 4

1.3. Aplicación 5

2. Monitores LCD 6

2.1. TN - cristales 6

2.2. Anatomía de un LCD 8

2.3. Pantallas TFT 8

2.4. Cristales líquidos ferrodieléctricos 12

2.5. Cristal líquido direccionado por plasma (PALC) 12

3. Resultados 13

1.1 CRISTAL LÍQUIDO - un estado de la materia intermedio entre los estados líquido y sólido. Las moléculas en un líquido son libres de rotar y moverse en cualquier dirección. En un sólido cristalino, están ubicados en los nodos de una cuadrícula geométrica regular, llamada red cristalina, y solo pueden girar en sus posiciones fijas. En un cristal líquido, existe cierto grado de orden geométrico en la disposición de las moléculas, pero también se permite cierta libertad de movimiento.

Figura 1. Una imagen ampliada de un cristal líquido.

Se cree que el estado del cristal líquido fue descubierto en 1888 por el botánico austriaco F. Reinitzer. Estudió el comportamiento de un sólido orgánico llamado benzoato de colesterilo. Cuando se calienta, este compuesto cambia de estado sólido a turbio, ahora llamado cristal líquido, y luego a líquido transparente; al enfriar, la secuencia de transformaciones se repitió en orden inverso. Reinitzer también notó que cuando se calienta, el color del cristal líquido cambia, de rojo a azul, con una repetición en el orden inverso cuando se enfría. Casi todos los cristales líquidos descubiertos hasta la fecha son compuestos orgánicos; Aproximadamente el 50% de todos los compuestos orgánicos conocidos forman cristales líquidos cuando se calientan. La literatura también describe cristales líquidos de algunos hidróxidos (por ejemplo, Fe 2 O 3 X H2O).

cristales líquidos , estado de cristal líquido, estado mesomórfico - un estado de la materia en el que tiene las propiedades de un líquido (fluidez) y algunas propiedades de cristales sólidos (anisotropía de propiedades). Zh para formar sustancias, cuyas moléculas están en forma de barras o placas alargadas. Se distingue entre cristales líquidos termotrópicos y liotrópicos, los primeros son sustancias individuales que existen en un estado mesomórfico en un cierto rango de temperatura, por debajo del cual la sustancia es un cristal sólido, por encima del cual es un líquido ordinario. Ejemplos:

paraazoxianisol (en el rango de temperatura de 114-135°C), éster etílico del ácido azoxibenzoico

(100-120°C), éter propílico de colesterol (102-116°C). Los cristales líquidos liotrópicos son soluciones de ciertas sustancias en ciertos solventes. Ejemplos: soluciones acuosas soluciones jabonosas de polipéptidos sintéticos (poli-g-bencil- L-glutamato) en varios disolventes orgánicos (dioxano, dicloroetano).

1.2 Tipos de cristales líquidos .

Hay dos formas de obtener cristal líquido. Uno de ellos se describió anteriormente al hablar sobre el benzoato de colesterilo. Cuando se calientan algunos compuestos orgánicos sólidos, su red cristalina se deshace y se forma un cristal líquido. Si la temperatura aumenta aún más, el cristal líquido se convierte en un líquido real. Los cristales líquidos que se forman cuando se calientan se llaman termotrópicos. A fines de la década de 1960, se obtuvieron compuestos orgánicos que son líquidos cristalinos a temperatura ambiente.

Hay dos clases de cristales líquidos termotrópicos: nemáticos (filamentosos) y esmécticos (sebáceos o mucosos). Los cristales líquidos nemáticos se pueden dividir en dos categorías: ordinarios y colestérico-nemáticos (nemáticos retorcidos).

Figura 2. CRISTALES LÍQUIDOS TERMOTRÓPICOS, esquema de empaquetamiento molecular. En la clase esméctica (con la excepción de la esméctica D), las moléculas están dispuestas en capas. Cada molécula permanece en su propia capa, pero las capas pueden deslizarse una con respecto a la otra. En los cristales líquidos nemáticos, las moléculas pueden moverse en todas las direcciones, pero sus ejes siempre permanecen paralelos entre sí. En los cristales líquidos colestérico-nemáticos, los ejes de las moléculas se encuentran en el plano de la capa, pero su orientación cambia de una capa a otra, como una espiral. Debido a este giro helicoidal, las películas delgadas de cristales líquidos colestéricos tienen una capacidad inusualmente alta para rotar el plano de polarización de la luz polarizada. a– esméctico; B– nemático; v- colestérico.

1.3 Solicitud.

La disposición de las moléculas en los cristales líquidos cambia bajo la influencia de factores como la temperatura, la presión, los campos eléctricos y magnéticos; los cambios en la disposición de las moléculas conducen a un cambio en las propiedades ópticas, como el color, la transparencia y la capacidad de rotar el plano de polarización de la luz transmitida. (En los cristales líquidos colestérico-nemáticos, esta capacidad es muy alta.) Numerosas aplicaciones de los cristales líquidos se basan en todo esto. Por ejemplo, la dependencia del color con la temperatura se utiliza para el diagnóstico médico. Mediante la aplicación de ciertos materiales de cristal líquido al cuerpo del paciente, el médico puede identificar fácilmente los tejidos enfermos por decoloración donde estos tejidos generan mayores cantidades de calor. La dependencia de la temperatura del color también permite controlar la calidad de los productos sin destruirlos. Si se calienta un producto de metal, su defecto interno cambiará la distribución de temperatura en la superficie. Estos defectos se detectan por un cambio en el color del material de cristal líquido depositado en la superficie.

Las películas delgadas de cristales líquidos encerradas entre vidrios o láminas de plástico han encontrado una amplia aplicación como dispositivos indicadores (aplicando campos eléctricos de bajo voltaje a diferentes partes de una película adecuadamente seleccionada, es posible obtener figuras visibles a simple vista, formadas, por ejemplo, , por zonas transparentes y opacas). Los cristales líquidos se utilizan mucho en la fabricación de relojes y pequeñas calculadoras. Se están creando televisores de panel plano con una pantalla delgada de cristal líquido. Hace relativamente poco tiempo se han obtenido fibras de carbono y polímeros basadas en matrices de cristal líquido.

2. monitores LCD

Nuestra familiaridad con las pantallas de cristal líquido se ha prolongado durante muchos años y su historia se remonta a la era anterior a las computadoras. Hoy, si una persona mira su reloj de pulsera, verifica el estado de una impresora o trabaja con una computadora portátil, involuntariamente se encuentra con el fenómeno de los cristales líquidos. Además, esta tecnología invade el dominio tradicional de los monitores CRT: pantallas de escritorio para PC.

La tecnología LCD se basa en el uso de características de la luz como la polarización. El ojo humano no puede distinguir entre los estados de polarización de una onda, pero algunas sustancias (por ejemplo, las películas polaroid) transmiten la luz solo con cierta polarización. Si toma dos polaroides, una luz retardante con polarización vertical y la otra con polarización horizontal, colóquelas una frente a la otra, entonces la luz no podrá pasar a través de dicho sistema (Figura 3).

figura 3 polarización de la luz.

Al rotar selectivamente la polarización de la luz en el espacio entre las películas, podríamos formar áreas luminosas y oscuras: píxeles. Esto es posible si utiliza una placa intercalada con cristales ópticamente activos (se llaman así porque, debido a las peculiaridades de sus moléculas asimétricas, pueden cambiar la polarización de la luz).

Pero la pantalla implica una visualización dinámica de información, y los cristales ordinarios no podrán ayudarnos aquí. Sus contrapartes líquidas vienen al rescate. Los cristales líquidos son líquidos en los que es inherente una cierta disposición de las moléculas, como resultado de lo cual aparece la anisotropía de las propiedades mecánicas, magnéticas y, lo que es más interesante para nosotros, eléctricas y ópticas.

Debido a la anisotropía de las propiedades eléctricas y la presencia de fluidez, es posible controlar la orientación preferida de las moléculas, cambiando así las propiedades ópticas del cristal. Y tienen una característica notable: la forma alargada específica de las moléculas y su disposición paralela los convierte en polarizadores muy efectivos. Ahora comencemos a estudiar la variedad elemental de pantallas LCD: en cristales nemáticos retorcidos (Nemático retorcido - TN).

2.1 Tennesse - cristales.

El hecho de que las moléculas de un cristal líquido nemático se alineen como soldados en un desfile es consecuencia de la anisotropía de las fuerzas de su interacción. Es imposible predecir la posición del director desde un punto de vista macroscópico en un cristal líquido libre, por lo tanto, es imposible determinar de antemano en qué plano polarizará la luz.

Resulta que es bastante simple dar a las moléculas una u otra orientación, solo es necesario hacer una placa (transparente para nuestros propósitos, por ejemplo, vidrio) con muchos surcos paralelos microscópicos (su ancho debe corresponder al tamaño mínimo de el elemento de imagen que se está formando).

Las moléculas estrechas y largas de la capa inferior del cristal líquido, que caen en los huecos, se ven obligadas a adherirse a una orientación determinada. Y todas las capas posteriores de moléculas se alinearán con ellas "en la parte posterior de la cabeza" debido a la interacción intermolecular ya mencionada anteriormente. Si ahora colocamos otra placa de vidrio en la parte superior con un conjunto similar de ranuras de modo que queden perpendiculares a las ranuras de la placa inferior, entonces los ejes longitudinales de las moléculas de la capa superior estarán en ángulo recto con los ejes de las moléculas. de la capa inferior. Entre estas dos posiciones extremas, se forma una especie de hélice molecular a partir de orientaciones intermedias, lo que dio el nombre de la tecnología: nemática torcida (twisted nematic).

A medida que la luz viaja a lo largo de la espiral, su plano de polarización gira, siguiendo la orientación del eje longitudinal de sus moléculas constituyentes. En el caso de un "sándwich", las placas con ranuras perpendiculares forman una hélice girada 90°, y el plano de polarización gira precisamente en este ángulo. Si dicho "sándwich" se coloca entre dos polaroids con ejes perpendiculares (una polaroid solo transmite luz polarizada linealmente a lo largo de su eje), entonces la luz pasará a través de dicho sistema (Figura 4).

Por lo tanto, se forman píxeles luminosos en las pantallas TN. Los píxeles invertidos (en este caso oscuros) son el producto de otra propiedad de los cristales líquidos, la anisotropía eléctrica. Basta con aplicar un campo eléctrico a la espiral, y las moléculas se verán inmediatamente obligadas a girar a lo largo del vector de su intensidad. Al colocar electrodos de película transparente en miniatura por encima y por debajo de la capa de cristal líquido, aplicándoles voltaje, es posible orientar las moléculas verticalmente. Después de eso, ya no pueden cambiar la polarización de la luz, y dado que los ejes de las polaroides son perpendiculares, la luz no pasará. Al encender y apagar los electrodos individualmente, obtenemos una imagen dinámica en blanco y negro.

"¿Qué pasa con la escala de grises?" - usted pregunta. Las gradaciones, o los niveles de brillo de los píxeles, se pueden controlar mediante la cantidad de voltaje aplicado. Al aumentarlo gradualmente, observaremos cómo la hélice molecular pasa por tres etapas de su estado: tres zonas (Figura 5). La zona 1 corresponde a la máxima transmisión y blanco (rotación de polarización máxima), la zona 3 - a la mínima y negro, y los estados más interesantes están en la zona 2. Con un cambio de voltaje preciso dentro de ella, se obtienen todos los tonos de gris.

2.2 Anatomía LCD .

Si comprende un poco los principios físicos de funcionamiento de una pantalla LCD de tipo nemático simple, puede considerar los aspectos puramente mecánicos de su diseño (Figura 6). En la base hay un sistema de retroiluminación: son potentes (después de todo, el resto del "sándwich" absorbe hasta el 50% de la luz transmitida) lámparas fluorescentes en forma de tubos y materiales especiales (guía de luz de plástico) o luz guías que contribuyen a una distribución más uniforme de la iluminación sobre el plano de la pantalla. Esto no siempre es posible de lograr, y el resultado puede ser bandas oscuras, heterogeneidad de imagen.

Figura 6. La estructura del monitor LCD La luz se dirige a un filtro polarizador. A esto le sigue una placa de vidrio, sobre la que se aplican electrodos translúcidos de una película de óxidos de indio y estaño, que forman píxeles de imagen. Luego viene la película de polímero con microranuras que orientan las moléculas de cristal líquido que forman la siguiente capa. La segunda mitad: todo es exactamente lo contrario (excepto la luz de fondo).

Ahora considere las principales diferencias entre matrices activas y pasivas, así como la formación de imágenes en color. En las matrices pasivas se utilizan para el direccionamiento tiras de electrodos translúcidos, ubicados en ambas superficies de sustratos de vidrio y orientados perpendicularmente (Figura 7). Su intersección forma un píxel. Para cambiar su estado, debe usar dos líneas de dirección: vertical y horizontal. Uno, por ejemplo, el inferior, está conectado a tierra y al otro se le aplica un pulso de control. El proceso en el que se crea una imagen muestreando sucesivamente todas las combinaciones de dos líneas de control se denomina escaneo.

2.3 TFT - muestra

Pasando de una pantalla en blanco y negro experimentada, las pantallas LCD han llegado a la etapa de desarrollo, que utiliza una tecnología llamada TFT (Thin Film Transistors). Se basa en matrices activas basadas en transistores de película delgada. En este caso, se aplica una capa de silicio amorfo al sustrato de vidrio, sobre el cual se forman los transistores, uno para cada píxel. Los transistores actúan como intermediarios entre el sistema de direccionamiento y las celdas LCD. También existen paneles basados en diodos de película delgada (TFD). En matrices activas, se excluye la influencia del proceso de muestreo (direccionamiento) en las celdas vecinas, cada píxel está aislado. Gracias a esto, los retrasos en la "conmutación" de las celdas de cristal líquido se pueden reducir a 25 ms, lo que ya permite que las pantallas de matriz activa compitan con los monitores CRT. Tan pronto como la celda recibe una carga, la almacena, como un capacitor, pero no por el tiempo suficiente. Mientras se completa el escaneo de la matriz, las celdas que se procesaron primero ya comienzan a perder carga. Para evitar la heterogeneidad de la imagen, se conecta un condensador adicional a cada celda, que la "alimenta" durante todo el ciclo de exploración.

El principio general de funcionamiento de todas las pantallas LCD TFT se muestra en la Figura 8: la luz de una lámpara de neón pasa a través de un sistema de reflectores, se dirige a través del primer filtro polarizador y entra en una capa de cristal líquido controlada por un transistor; luego, la luz pasa a través de filtros de color (como en CRT, cada píxel de la matriz se construye a partir de tres componentes de color: rojo, verde y azul). El transistor crea un campo eléctrico que establece la orientación espacial de los cristales líquidos. La luz, al pasar a través de una estructura molecular tan ordenada, cambia su polarización y, dependiendo de ello, será completamente absorbida por el segundo filtro polarizador en la salida (formando un píxel negro), o no será absorbida o parcialmente absorbida (formando varios tonos de color, hasta blanco puro).

Figura 8

Los filtros de color para rojo, verde y azul están integrados en la base de cristal y se colocan cerca uno del otro. Cada píxel (punto) consta de tres celdas de los colores especificados (subpíxeles). Esto significa que con una resolución de 1280 x 1024 píxeles, la pantalla contiene exactamente 3840 x 1024 transistores y elementos de píxeles. La distancia entre píxeles para una pantalla TFT de 15,1" (1024 x 768 puntos) es de aproximadamente 0,30 mm y para una pantalla TFT de 18,1" (1280 x 1024 puntos) es de aproximadamente 0,28 mm.

Figura 9. Estructura de píxeles TFT -monitor.

Píxeles de la pantalla TFT. La esquina superior izquierda de la celda contiene un transistor de película delgada ( T hin F película T transistor). Los filtros de color permiten que las celdas cambien sus colores RGB naturales. Los puntos se distinguen claramente, y cuanto menor sea la distancia entre ellos, mayor será la resolución máxima posible. Sin embargo, los TFT también tienen una limitación física, que está determinada por el área máxima de la pantalla.

El tipo más común de señalización digital se basa en una tecnología llamada TN TFT o TN+Película TFT (Nemático torcido + película). El término Película se refiere a un revestimiento de película exterior opcional que permite aumentar el ángulo de visión de los 90 grados estándar (45 en cada lado) a aproximadamente 140 grados. El esquema de funcionamiento de la pantalla TFT TN se muestra en la Figura 10:

1. Cuando el transistor está apagado, es decir, no crea un campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido están en su estado normal y están alineadas de tal manera que cambian el ángulo de polarización del flujo de luz que lo atraviesa. 90 grados (los cristales líquidos forman una espiral). Dado que el ángulo de polarización del segundo filtro es perpendicular al ángulo del primero, la luz que pasa a través del transistor inactivo se apagará sin pérdida, formando un punto brillante, cuyo color lo establece el filtro de luz.

2. Cuando el transistor genera un campo eléctrico, todas las moléculas de cristal líquido se alinean en líneas paralelas al ángulo de polarización del primer filtro y, por lo tanto, de ninguna manera afectan el flujo de luz que pasa a través de ellas. El segundo filtro polarizador absorbe la luz por completo, creando un punto negro en lugar de uno de los tres componentes de color.

Figura 10.

Los problemas con el ángulo de visión aceptable de la pantalla son típicos de las pantallas LCD que proporcionan medios tonos. La intensidad resultante de la luz transmitida por el panel debido al fenómeno de birrefringencia en cristales líquidos depende del ángulo (j) entre la normal al frente de la onda de luz y la dirección del director de las moléculas de cristal líquido, como sen2j . Esto significa que en el estado completamente encendido, en valores de j hasta 30°, la intensidad de la luz transmitida cambia en no más del 10%, mientras que en un nivel de gris del 50% (el ángulo entre el director y el normal). a la superficie de la pantalla es de 45°) - en un 90%, lo que conduce a una distorsión severa de las gradaciones de brillo o colores con un ligero cambio en el ángulo de visión. Una de las formas más sencillas de evitar el efecto de la birrefringencia es aplicar películas compensadoras de polímeros en la superficie del panel, que tienen un índice de refracción de un signo diferente al del cristal líquido.

Günther Baur encontró una forma original de resolver el problema en 1971. Basándose en su metodología, Hitachi Corporation desarrolló la tecnología IPS (In-Plane Switching) en 1995. Baur propuso un nuevo esquema de una celda LC, en el que las moléculas en estado normal no están torcidas en una hélice de 90°, sino que están orientadas paralelas entre sí. Las ranuras en las películas de polímero superior e inferior son paralelas y todos los electrodos de control están ubicados en el mismo lado del panel. Cuando se aplica un voltaje, el campo eléctrico hace girar las moléculas de LC en el plano de la pantalla. El ángulo entre el director y el plano del panel permanece constante. Desafortunadamente, IPS también tiene algunos inconvenientes, como un 50% menos de brillo.

La división japonesa de IBM ha propuesto y está mejorando la metodología OCB (Optically Compensated Bend). Se basa en las llamadas celdas Pi, que utilizan la capacidad de cambiar los parámetros de birrefringencia de los cristales líquidos. El haz de luz que ingresa a la celda cambia ligeramente su dirección, como si se "aferrara" a la dirección del vector normal a la superficie de la pantalla, y al salir, regresa a su dirección original de propagación.

Los especialistas de Sharp han implementado otra tecnología para ampliar el ángulo de visión: ASM (modo de microcélulas alineado axialmente simétrico). Se forman paredes sobresalientes especiales en el filtro de color, cubiertas con una película de polímero de orientación (Figura 11). Forman células LC individuales con una disposición axialmente simétrica inusual de moléculas de cristal (como aspas de ventilador). Las paredes que limitan las celdas de LC se obtienen como resultado de la introducción de moléculas de resina polimerizada en la composición del cristal y de la irradiación de la mezcla resultante con radiación ultravioleta después de la separación de fases. ASM pertenece a la clase de técnicas de estabilización LC que utilizan polímeros. De acuerdo con otro método de uso de polímeros, se agregan a los cristales líquidos en una pequeña cantidad, lo que permite controlar la orientación de las moléculas de LC directamente dentro de la celda, y no solo en dos superficies límite, como sucede en el caso del polímero. Película (s.

Figura 11

2.4 Cristales líquidos ferrodieléctricos

Uno de los puntos débiles de cualquier panel LCD es la regeneración de imagen. Los complejos procesos de carga y descarga de las celdas, el poco tiempo que tienen para mantener un estado determinado, el peligro de acumular cargas significativas, todo esto complica la producción. Es indirectamente posible simplificar la electrónica de control utilizando cristales líquidos ferrodieléctricos (FLCD). Si a un grupo de moléculas se le da cierta orientación, (en ausencia de influencias externas) la retendrán por un período de tiempo ilimitado, formando un solo dominio. Las celdas ferrodieléctricas no requieren una regeneración frecuente, el escaneo ocurrirá solo en los cambios de marco. Además, tienen una excelente velocidad de reacción: 10 ms. Sin embargo, su naturaleza biestable dificulta la generación de medios tonos. También se están creando pantallas sobre la base de LCD antiferrodieléctricos (AFLCD). Sus modificaciones más recientes eliminan parcialmente este problema.

2.5 Cristal líquido direccionado por plasma (PALC)

Este tipo de pantalla utiliza un panel de plasma para controlar las celdas LCD. Una pantalla PALC consta de un sustrato de vidrio con un filtro polarizador aplicado en la parte inferior y protuberancias longitudinales formadas en la parte superior. Dentro de cada columna formada por las barreras hay dos electrodos. Desde arriba, la estructura se cubre con una fina capa de vidrio y los recipientes resultantes se llenan de gas a una presión de varios kPa. A esto le sigue una capa LC, una película transparente con electrodos de columna, filtros de color, un sustrato de vidrio con un polarizador (Figura 12). Detrás de toda la estructura hay una unidad de retroiluminación. La columna se muestrea generando una descarga entre dos electrodos en una celda longitudinal llena de un gas enrarecido. En la superficie del vidrio que separa las celdas de gas y LC, se forma una carga negativa, que es como un electrodo virtual (Figura 13). Se aplica un voltaje de +70 V a uno de los electrodos transversales en el lado opuesto del "sándwich". La carga del electrodo virtual fluye a través de la celda LC ubicada en la intersección de la celda gaseosa longitudinal y el electrodo transversal. Tan pronto como la carga se agota, todas las celdas LCD pasan a un estado completamente aislado y puede comenzar a muestrear el siguiente píxel.

Figura 12.

Figura 13.

Una de las ventajas de los paneles PALC es la facilidad de fabricación. Son menos sensibles a la limpieza de la fábrica y la precisión del diseño que los TFT tradicionales. Esto permite el uso de grandes sustratos de vidrio y, por tanto, abre la posibilidad de producir grandes pantallas LCD. Las pantallas PALC están libres de defectos de puntos a los que los monitores de matriz activa son tan sensibles. La independencia constructiva de los paneles de plasma y LCD facilita el desarrollo de nuevas modificaciones.

3. Resultados

En este material, solo se consideraron los aspectos básicos de la tecnología de producción de LCD, y se dejó mucho más allá del alcance de la publicación. El mundo de los paneles de cristal líquido se encuentra en la confluencia de varias ciencias a la vez: química, física del estado sólido y física de los líquidos, cristalografía. La riqueza de los componentes conduce a una variedad de soluciones. La industria de los monitores de pantalla plana está en auge, y hacer un seguimiento de la aparición de nuevas tecnologías, la modificación de las existentes y la desaparición de las obsoletas solo es posible mediante la revisión constante de la literatura especializada.

Bibliografía:

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2. http://bigpi.biysk.ru

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7. I. V. Ovchinnikov y Yu. G. Galyametdinov, Cristales líquidos magnéticos basados en compuestos de coordinación. Revista química rusa 2001, XLV. Numero 3. págs.74-79

cristales líquidos

Introducción

Los cristales líquidos (abreviados como LC) son sustancias que tienen simultáneamente las propiedades de líquidos (fluidez) y cristales (anisotropía). Según la estructura, los LC son líquidos similares a la gelatina, constituidos por moléculas alargadas, ordenadas de cierta manera a lo largo de todo el volumen de este líquido. La propiedad más característica de las LC es su capacidad para cambiar la orientación de las moléculas bajo la influencia de campos eléctricos, lo que abre amplias oportunidades para su aplicación en la industria. Según el tipo de LC, se suelen dividir en dos grandes grupos: nemáticos y esmécticos. A su vez, los nemáticos se subdividen en cristales líquidos propiamente nemáticos y colestéricos.

La historia del descubrimiento de los cristales líquidos.

Los cristales líquidos fueron descubiertos en 1888 por el botánico austriaco F. Reinitzer. Notó que los cristales de benzoato de colesterilo y acetato de colesterilo tenían dos puntos de fusión y, en consecuencia, dos estados líquidos diferentes: turbio y transparente. Sin embargo, los científicos no han prestado mucha atención a las propiedades inusuales de estos líquidos. Durante mucho tiempo, los físicos y químicos, en principio, no reconocieron los cristales líquidos, porque su existencia destruyó la teoría de los tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Los científicos atribuyeron los cristales líquidos a soluciones coloidales o emulsiones. La prueba científica la proporcionó el profesor de la Universidad de Karlsruhe Otto Lehmann (en alemán: Otto Lehmann) después de muchos años de investigación, pero incluso después de la aparición del libro “Liquid Crystals” escrito por él en 1904, el descubrimiento no se aplicó.

En 1963, el estadounidense J. Ferguson (inglés James Fergason) utilizó la propiedad más importante de los cristales líquidos, cambiar de color bajo la influencia de la temperatura, para detectar campos térmicos invisibles a simple vista. Después de que se le concedió una patente para una invención (patente de EE. UU. 3114836 (inglés)), el interés por los cristales líquidos aumentó drásticamente.

En 1965 se reunió en Estados Unidos la Primera Conferencia Internacional dedicada a los cristales líquidos. En 1968, los científicos estadounidenses crearon indicadores fundamentalmente nuevos para los sistemas de visualización de información. El principio de su funcionamiento se basa en el hecho de que las moléculas de cristales líquidos, girando en un campo eléctrico, reflejan y transmiten la luz de diferentes maneras. Bajo la influencia del voltaje, que se aplicó a los conductores soldados en la pantalla, apareció una imagen que consistía en puntos microscópicos. Y, sin embargo, solo después de 1973, cuando un grupo de químicos ingleses dirigidos por George William Gray sintetizó cristales líquidos a partir de materias primas relativamente baratas y asequibles, estas sustancias se generalizaron en una variedad de dispositivos.

Grupos de cristales líquidos

Según sus propiedades generales, las CL se pueden dividir en dos grandes grupos:

LC termotrópicos, formados como resultado del calentamiento de un sólido y existente en un cierto rango de temperaturas y presiones, y LC liotrópicos, que son sistemas de dos o más componentes formados en mezclas de moléculas en forma de varilla de una sustancia dada y agua (u otra disolventes polares). Estas moléculas en forma de varilla tienen un grupo polar en un extremo y la mayor parte de la varilla es una cadena de hidrocarburo hidrofóbico flexible. Tales sustancias se denominan anfifilos (amphi, en griego significa de dos extremos, philos, amoroso, benévolo). Los fosfolípidos son un ejemplo de anfífilos.

Las moléculas anfifílicas, por regla general, son poco solubles en agua, tienden a formar agregados de tal manera que sus grupos polares en el límite de fase se dirigen hacia la fase líquida. A bajas temperaturas, la mezcla de anfífilo líquido con agua da como resultado la separación del sistema en dos fases. El sistema de agua y jabón puede servir como una de las variantes de los anfífilos con una estructura compleja. Hay un anión alifático CH3-(CH2)n-2-CO2- (donde n ~ 12-20) y un ion positivo Na+, K+, NH4+, etc. El grupo polar CO2- tiende a estar en estrecho contacto con las moléculas de agua, mientras que el grupo no polar (cadena anfifílica) evita el contacto con el agua. Este fenómeno es típico de los anfífilos.

Los LC termotrópicos se dividen en tres grandes clases:

Cristales líquidos nemáticos. En estos cristales, no hay un orden de largo alcance en la disposición de los centros de gravedad de las moléculas, no tienen una estructura en capas, sus moléculas se deslizan continuamente en la dirección de sus ejes longitudinales, girando alrededor de ellos, pero al mismo tiempo. tiempo conservan el orden de orientación: los ejes largos están dirigidos a lo largo de una dirección predominante. Se comportan como líquidos ordinarios. Las fases nemáticas se encuentran solo en sustancias cuyas moléculas no tienen diferencia entre las formas derecha e izquierda, sus moléculas son idénticas a su imagen especular (achiral). Un ejemplo de una sustancia que forma un FA nemático es

Los cristales líquidos esmécticos tienen una estructura en capas, las capas pueden moverse entre sí. El grosor de la capa esméctica está determinado por la longitud de las moléculas (principalmente la longitud de la "cola" de parafina), sin embargo, la viscosidad de los esmécticos es mucho más alta que la de los nemáticos, y la densidad a lo largo de la superficie normal de la capa. puede variar mucho. Típico es tereftal-bis (nara-butilanilina):

Cristales líquidos colestéricos: están formados principalmente por compuestos de colesterol y otros esteroides. Estos son LC nemáticos, pero sus ejes longitudinales giran entre sí de modo que forman espirales que son muy sensibles a los cambios de temperatura debido a la energía de formación extremadamente baja de esta estructura (alrededor de 0,01 J/mol). El para-(4-cianobencilidenamino)-cinamato de amilo se puede mencionar como un compuesto colestérico típico

Los colestéricos son de colores brillantes y el más mínimo cambio de temperatura (hasta milésimas de grado) provoca un cambio en el paso de la hélice y, en consecuencia, un cambio en el color de la LC.

En todos los tipos anteriores de cristales líquidos, la orientación de las moléculas dipolares en una dirección determinada es característica, que está determinada por un vector unitario, llamado "director".

Recientemente se han descubierto las denominadas fases columnares, que están formadas únicamente por moléculas en forma de disco dispuestas en capas unas encima de otras en forma de columnas multicapa con ejes ópticos paralelos. A menudo se les llama "filamentos líquidos", a lo largo de los cuales las moléculas tienen grados de libertad de traslación. Esta clase de compuestos fue predicha por el académico L. D. Landau, y fue descubierta recién en 1977 por Chandrasekhar. Esquemáticamente, la naturaleza del ordenamiento de los cristales líquidos de estos tipos se muestra en la figura.

Los LCD tienen propiedades ópticas inusuales. Los nemáticos y los esmécticos son cristales ópticamente uniaxiales. Los colestéricos, debido a su estructura periódica, reflejan fuertemente la luz en la región visible del espectro. Dado que la fase líquida es portadora de propiedades en nemática y colestérica, se deforma fácilmente bajo la influencia de influencias externas, y dado que el paso de la hélice en colestérica es muy sensible a la temperatura, por lo tanto, el reflejo de la luz cambia bruscamente con la temperatura, lo que lleva a un cambio en el color de la sustancia.

Estos fenómenos son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones, como encontrar puntos calientes en microcircuitos, localizar fracturas y tumores en humanos, obtener imágenes en rayos infrarrojos, etc.

Las características de muchos dispositivos electroópticos que funcionan con LC liotrópicos están determinadas por la anisotropía de su conductividad eléctrica, que, a su vez, está relacionada con la anisotropía de la polarizabilidad electrónica. Para algunas sustancias, debido a la anisotropía de las propiedades de LC, la conductividad eléctrica cambia de signo. Por ejemplo, para el ácido n-octiloxibenzoico pasa por cero a una temperatura de 146°C, y esto se atribuye a las características estructurales de la mesofase ya la polarizabilidad de las moléculas. La orientación de las moléculas de la fase nemática, por regla general, coincide con la dirección de la conductividad más alta.

Todas las formas de vida están conectadas de una forma u otra con la actividad de una célula viva, muchos de cuyos enlaces estructurales son similares a la estructura de los cristales líquidos. Al poseer notables propiedades dieléctricas, los AG forman superficies heterogéneas intracelulares, regulan la relación entre la célula y el medio ambiente externo, así como entre células y tejidos individuales, proporcionan la inercia necesaria a las partes constituyentes de la célula, protegiéndola de la influencia enzimática. Así, el establecimiento de regularidades en el comportamiento de los AF abre nuevas perspectivas en el desarrollo de la biología molecular.

Aplicaciones de cristal líquido

Uno de los usos importantes de los cristales líquidos es la termografía. Al seleccionar la composición de una sustancia de cristal líquido, se crean indicadores para diferentes rangos de temperatura y para varios diseños. Por ejemplo, los cristales líquidos en forma de película se aplican a transistores, circuitos integrados y placas de circuitos impresos de circuitos electrónicos. Los elementos defectuosos, muy calientes o fríos, que no funcionan, se notan inmediatamente por manchas de colores brillantes. Los médicos han recibido nuevas oportunidades: un indicador de cristal líquido en la piel del paciente diagnostica rápidamente una inflamación latente e incluso un tumor.

Con la ayuda de cristales líquidos, se detectan vapores de compuestos químicos nocivos y radiación gamma y ultravioleta peligrosa para la salud humana. Sobre la base de cristales líquidos, se han creado medidores de presión y detectores de ultrasonido. Pero el campo de aplicación más prometedor de las sustancias de cristal líquido es la tecnología de la información. Pasaron solo unos años desde los primeros indicadores, familiares para todos, desde relojes electrónicos hasta televisores en color con una pantalla de cristal líquido del tamaño de una postal. Estos televisores brindan una imagen de muy alta calidad, consumiendo menos energía.

CRISTALES LÍQUIDOS Y DISPOSITIVOS BASADOS EN ELLOS En la actualidad, las tecnologías de los monitores de cristal líquido LCD son conocidas por los químicos desde 1888, pero su uso práctico (para pantallas de reloj y calculadoras) comenzó solo en la década de 1960. En 1990, De Gennes recibió el Premio Nobel por la teoría LC. En la actualidad, los cristales líquidos han revolucionado la electrónica, se utilizan en una gran variedad de pantallas (en relojes, mini televisores), monitores LCD para computadoras, como sensores térmicos visuales (cambio de color con la temperatura), etc. -dimensional) ( 1-2-dimensional) (isotrópico El término cristal líquido (LC) denota la mesofase entre el estado sólido y el estado líquido isotrópico, mientras que la mesofase conserva las propiedades fundamentales inherentes a los dos estados de la materia. "Mesos" significa intermedio, medio En algunos casos, la mesofase es estable en un amplio rango de temperaturas, incluida la temperatura ambiente, entonces se habla de LC.

Estructura química de moléculas que forman cristales líquidos. a) - moléculas de varilla que forman LC - esmécticas y nemáticas, b) - moléculas que forman LC - discóticas. Nemática. Este nombre proviene del griego "nema" (nhma), que significa hilo. Para caracterizar el orden orientacional de la nemática se introduce un vector de longitud unitaria, el director, cuya dirección coincide con la dirección de la orientación media de los ejes longitudinales de las moléculas. Además, se introduce una cantidad más, el parámetro de orden S, que caracteriza el grado de ordenamiento orientacional de las moléculas, donde es el ángulo entre las direcciones del director y la dirección instantánea del eje longitudinal de las moléculas. Obviamente, el parámetro puede tomar valores de 0 a 1. El valor S = 1 corresponde a orden orientacional completo, S = 0 significa desorden orientacional completo y corresponde a un líquido isotrópico.

esmécticos. El nombre proviene del griego "smegma" (smhgma), que significa "jabón". En estos materiales, además del ordenamiento orientacional de las moléculas, existe un ordenamiento parcial de los centros de gravedad de las moléculas. En otras palabras, los centros de gravedad de las moléculas están organizados en capas, cuya distancia es fija. Las capas de moléculas se desplazan fácilmente entre sí y los esmécticos son como jabón al tacto. Los ejes de la molécula Discóticos colonnoidales también se pueden atribuir a los esmécticos Nemáticos: la fase LC más fluida no tiene capas, pero tiene solo una dirección predominante (director Tipos de cristales líquidos A - nemáticos, B - esmécticos, C discóticos

Colestericos, que obtuvieron su nombre del colesterol (el primer compuesto abierto). Tal molécula tiene un eje óptico alrededor del cual el director puede girar. a medida que pasa de una capa a otra, el director rota gradualmente, creando una estructura helicoidal única. Se muestran el eje óptico de la molécula, la dirección del director y el paso del tornillo, p, (la distancia a la que el director gira 360). La longitud de onda de la luz que se refleja desde el LC colestérico =np, donde n es el índice de refracción. A menudo, estas longitudes de onda están en el rango visible. Una propiedad importante de un colestérico es la dependencia del paso del tornillo con la temperatura, es decir dependencia de la temperatura de la longitud de onda de la luz reflejada. Las temperaturas más altas son azules, las temperaturas más bajas son rojas.

Aplicaciones de los cristales líquidos en pantallas La principal aplicación de las pantallas LCD está relacionada con los dispositivos electroópticos (EO). Para tales aplicaciones, un LC (nemático) debe tener cuatro propiedades necesarias, a saber: ordenación de la superficie, reorientación del director por un campo eléctrico o anisotropía dieléctrica, rotación del plano de polarización de la luz o anisotropía óptica y elasticidad de orientación (la capacidad de las moléculas para sufrir varias rotaciones). 1. Pedido de superficie. Por lo general, una pantalla de EO es una cubeta de vidrio con un grosor de menos de 20 µm, en la que se coloca una LC. La dirección del director de LC se puede establecer tratando las superficies celulares de tal manera que las moléculas de LC se alineen en una cierta dirección paralela al plano celular o perpendicular a él.

0. Esta anisotropía es la principal dv" title="(!LANG:2. La anisotropía dieléctrica del LCD se puede escribir como la diferencia entre la constante dieléctrica en la dirección paralela al director y perpendicular a él = -. Si el el director se alinea paralelo al campo entonces > 0. Esta anisotropía es la principal dv" class="link_thumb"> 6 !} 2. La anisotropía dieléctrica de una LC se puede escribir como la diferencia entre la constante dieléctrica en la dirección paralela al director y perpendicular a él = -. Si el director está alineado paralelo al campo, entonces >0. Esta anisotropía es la principal fuerza impulsora detrás del rendimiento de la pantalla. La contribución eléctrica a la energía libre de los cristales contiene un término que depende del ángulo entre el director (n) y el campo eléctrico aplicado (E), por lo que el director girará para minimizar la energía libre y se alineará paralelo al campo. . Tenga en cuenta que esta contribución no es dipolo y no depende de la dirección del campo eléctrico. 3. La anisotropía óptica está relacionada con la anisotropía del índice de refracción -n, o birrefringencia. Esto quiere decir que el material tiene dos valores de n para las direcciones de polarización de la luz paralela y perpendicular al director, la diferencia entre ellos n=n -n es una medida de anisotropía óptica. Este valor debe ser >0,2 para que funcione la pantalla LCD. 4. La elasticidad orientacional es necesaria para asegurar la rotación de las moléculas cuando se aplica el campo y su regreso a su posición original después de que se apaga el campo. Esta propiedad está descrita por las constantes elásticas de inclinación, torsión y flexión K 11, K 22 y K3 3 0. Esta anisotropía es la principal fuerza impulsora para el funcionamiento de las pantallas.La contribución eléctrica a la energía libre de los cristales contiene un término que depende del ángulo entre el director (n) y el campo eléctrico aplicado (E), mientras que el director girará para minimizar la energía libre y se alinea paralelo al campo. Tenga en cuenta que esta contribución no es un dipolo, independientemente de la dirección del campo eléctrico. 3. La anisotropía óptica está relacionada con la anisotropía del índice de refracción - n, o birrefringencia .Esto significa que el material tiene dos valores de n para las direcciones de polarización de la luz paralela y perpendicular al director, la diferencia entre ellos n=n -n es una medida de anisotropía óptica. Para el funcionamiento de LCD, este valor debe ser >0.2 .4.La elasticidad orientacional es necesaria para garantizar la rotación de las moléculas cuando se aplica un campo y devolverlas a su posición original después de apagar el campo. Esta propiedad se describe mediante elasticidad con inclinar, torcer y doblar acrobacias K 11, K 22 y K3 3"> 0. Esta anisotropía es el dv principal" title="(!LANG:2. La anisotropía dieléctrica de una LC se puede escribir como la diferencia entre la permitividad en la dirección paralela al director y perpendicular a él = -. Si el director está alineado paralelo al campo, entonces >0. Esta anisotropía es la principal"> title="2. La anisotropía dieléctrica de una LC se puede escribir como la diferencia entre la constante dieléctrica en la dirección paralela al director y perpendicular a él = -. Si el director está alineado paralelo al campo, entonces >0. Esta anisotropía es la principal"> !}

El dispositivo EO más simple. En este caso, las superficies superior e inferior de la cubeta se frotan en direcciones perpendiculares, de modo que el director LC gira desde la parte superior de la cubeta hasta la parte inferior en 90 0, girando así el plano de polarización. El contraste de la imagen se logra utilizando polaroides cruzadas. . En polaroids cruzadas, esta celda se ve brillante. Si ahora se aplica un campo eléctrico, el director de las moléculas LC se alineará paralelo al campo, la rotación del plano de polarización desaparecerá y la luz en las polaroides cruzadas dejará de pasar. 2-5 V y está determinada por la anisotropía dieléctrica y las constantes elásticas. Rotación del plano de polarización en una celda LC

La pantalla LCD tiene varias capas: dos paneles hechos de vidrio muy puro: el sustrato. Las capas contienen una fina capa de cristales líquidos entre ellas. Los paneles tienen ranuras. Las ranuras están dispuestas de tal manera que son paralelas en cada panel, pero perpendiculares entre dos paneles.En contacto con las ranuras, las moléculas de los cristales líquidos se orientan de la misma manera en todas las celdas. Los dos paneles están muy cerca uno del otro. Se colocan dos películas polarizantes en la parte superior e inferior.. Para la iluminación, generalmente se usa una lámpara, a veces las pantallas, por ejemplo, las pantallas de los relojes, funcionan con luz reflejada.

Para proporcionar información, se aplica una capa de ITO translúcido a los paneles de vidrio a modo de electrodo. Los electrodos se aplican en forma de puntos o segmentos, a los que se proporciona información separada.Si se coloca una gran cantidad de electrodos que crean diferentes campos eléctricos en lugares separados de la pantalla (celda), entonces será posible, con el control adecuado de los potenciales de estos electrodos, para mostrar letras y otros elementos de imagen en la pantalla. Los electrodos se colocan en plástico transparente y pueden tomar cualquier forma. Las innovaciones tecnológicas han permitido limitar su tamaño a un pequeño punto (0,3 µm), se pueden colocar más electrodos en la misma área de la pantalla, lo que aumenta la resolución.El color se obtiene mediante el uso de tres filtros que separan tres componentes principales de la radiación. de una fuente de luz blanca. Combinando los tres colores primarios de cada punto o píxel de la pantalla, es posible reproducir cualquier color. La imagen se forma línea por línea suministrando sucesivamente un voltaje de control a las celdas individuales, haciéndolas transparentes. Pantallas de matriz pasiva de electrodos LCD

Pantallas de matriz activa La matriz activa utiliza elementos amplificadores separados para cada celda de pantalla, una matriz de electrodos que impulsa las celdas de cristal líquido de la pantalla. En el caso de una matriz pasiva, diferentes electrodos se cargan eléctricamente de manera cíclica a medida que la pantalla se actualiza línea por línea, y como resultado de la descarga de las capacitancias de los elementos, la imagen desaparece a medida que los cristales vuelven a su estado original. configuración. En el caso de una matriz activa, se agrega un transistor de almacenamiento a cada electrodo, que puede almacenar información digital (valores binarios de 0 o 1) y como resultado, la imagen se almacena hasta que se recibe otra señal. Los transistores de memoria deben estar hechos de materiales transparentes, lo que permitirá que el haz de luz los atraviese. Para estos fines, se utilizan películas delgadas de transistores de película delgada (o TFT). Estos son los controles que controlan cada píxel en la pantalla. el transistor es muy delgado, 0.1-0.01 micras. Hecho de silicio amorfo (a-Si),

Pantallas ferroeléctricas A pesar del uso generalizado de pantallas de matriz activa basadas en LC nemáticas, tienen un inconveniente fundamental: un largo tiempo de relajación (el tiempo de respuesta del director LC después de apagar el campo eléctrico es de ~20 ms). Ahora existe una tecnología fundamentalmente diferente para la fabricación de pantallas planas de conmutación rápida, basada en el uso de esméticos de cristal líquido ferroeléctricos (fluorobifenilo en la Fig.). A primera vista, parece extraño que la fase LC esméctica más viscosa (en comparación con la nemática) se utilice para crear dispositivos rápidos. Las moléculas de dicho esméctico tienen un momento dipolar y están dispuestas en capas, en cada capa están inclinadas en el mismo ángulo con respecto al plano de la capa. mismo ángulo

El mismo ángulo de inclinación surge debido a la interacción de los dipolos de las moléculas en presencia de una fase ferroeléctrica. La aplicación de un campo eléctrico puede cambiar la dirección de los dipolos a la opuesta, y el ángulo de inclinación de las moléculas cambiará en consecuencia. Así, en la capa de moléculas hay dos posibles orientaciones de los dipolos y de las propias moléculas (con y sin campo eléctrico), Fig. El tiempo de rotación de las moléculas en este caso es bastante pequeño, 1 μs, que es de 2 a 3 órdenes de magnitud menor que el tiempo de retorno de las moléculas en la fase nemática. Inicialmente, los polarizadores de luz se configuran de tal manera que la luz no pasa (uno es paralelo a la dirección del director de moléculas, el otro es perpendicular). Después de la aplicación de un campo eléctrico, los dipolos de las moléculas giran paralelos al campo, y el director de las moléculas gira un cierto ángulo con respecto al polarizador, mientras que la luz comienza a atravesar parcialmente la estructura. Una capa de moléculas en un esméctico en la fase ferroeléctrica.

cristales líquidos

Textura Schlieren en cristales líquidos nemáticos

cristales líquidos(abreviado como LCD) es un estado de fase al que pasan algunas sustancias bajo ciertas condiciones (temperatura, presión, concentración en solución). Los cristales líquidos tienen simultáneamente las propiedades de los líquidos (fluidez) y los cristales (anisotropía). Según la estructura, los LC son líquidos viscosos que consisten en moléculas alargadas o en forma de disco, ordenadas de cierta manera a lo largo de todo el volumen de este líquido. La propiedad más característica de las LC es su capacidad para cambiar la orientación de las moléculas bajo la influencia de campos eléctricos, lo que abre amplias oportunidades para su aplicación en la industria. Según el tipo de LC, se suelen dividir en dos grandes grupos: nemáticos y esmécticos. A su vez, los nemáticos se subdividen en cristales líquidos propiamente nemáticos y colestéricos.

La historia del descubrimiento de los cristales líquidos.

Con la ayuda de cristales líquidos, se detectan vapores de compuestos químicos nocivos y radiación gamma y ultravioleta peligrosa para la salud humana. Los medidores de presión y los detectores de ultrasonido se han creado sobre la base de cristales líquidos. Pero el campo de aplicación más prometedor de las sustancias de cristal líquido es la tecnología de la información. Pasaron solo unos años desde los primeros indicadores, familiares para todos, desde relojes electrónicos hasta televisores en color con una pantalla de cristal líquido del tamaño de una postal. Estos televisores brindan una imagen de muy alta calidad, consumiendo menos energía.

Enlaces

Una conversación sobre cristales líquidos con el Doctor en Química Alexey Yuryevich Bobrovsky en el programa Ciencia 2.0

Fundación Wikimedia. 2010 .

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