Syvorotkina D.S. 1
Pimenova M.P. 1
1 Munitsipaalõppeasutus “Keskkool nr 4” Olenegorskis, Murmanski oblastis
Töö tekst postitatakse ilma piltide ja valemiteta.
Töö täisversioon on PDF-vormingus saadaval vahekaardil "Tööfailid".
Sissejuhatus
Viimastel aastakümnetel on kodumasinad üha enam hakanud kasutama vedelkristallkuvareid (alates arvuti- ja teleriekraanidest kuni mikrokalkulaatorite ja multimeetrite infoplokkideni). Kaasaegne arvutitehnoloogia, raadioelektroonika ja automaatika nõuavad väga ökonoomseid, ohutuid ja kiireid infokuvamisseadmeid (kuvareid). Koos gaaslahenduse (plasma), katodoluminestsents-, pooljuht- ja elektroluminestsentskuvaritega pakuvad seda suhteliselt uus indikaatorite klass, mida tuntakse vedelkristallkuvaritena (LCD), st vedelkristallidel põhinevad teabekuvaseadmed. Mind huvitas vedelkristallkuvarite disain ja tööpõhimõte ning kuna seda materjali koolifüüsika kursusel ei õpita, otsustasin ise uurida vedelkristallide omadusi ja toimet. Teema on asjakohane, sest vedelkristallid sisenevad meie ellu üha enam. Töö eesmärk: uurida vedelkristallide ja vedelkristallelementide omadusi, uurida LCD elementide tööpõhimõtteid ja tehnilisi rakendusvõimalusi. Ülesanded:
- Õppida vedelkristallide teooriat ning nende tekke- ja uurimislugu;
- Uurida LC raku polarisatsioonitasandit;
- Uurida vedelkristallelemendi valguse läbilaskvust sõltuvalt rakendatavast pingest;
- Uurige vedelkristallide kasutamist tehnoloogias.
Hüpotees: Vedelkristall muudab valguse polarisatsiooni suunda, LCD element muudab optilisi omadusi sõltuvalt rakendatavast pingest. Uurimismeetodid: Teoreetilise teabe analüüs ja valik; uurimishüpoteesi püstitamine; katse; hüpoteesi testimine.
II. - Teoreetiline osa.
Vedelkristallide avastamise ajalugu.
Vedelkristallide avastamisest on möödunud üle 100 aasta. Need avastas esmakordselt Austria botaanik Friedrich Reinitzer, jälgides kolesterooli estri - kolesterüülbensoaadi - kahte sulamistemperatuuri.
Sulamistemperatuuril (sulamistemperatuuril), 145 °C, muutus kristalne aine häguseks vedelikuks, mis hajutas tugevalt valgust. Kuumutamise jätkudes muutub vedelik temperatuurini 179°C saavutades selgeks (puhastuspunkt (Tpr)), s.o. hakkab optiliselt käituma nagu tavaline vedelik, näiteks vesi. Häguses faasis avastati kolesterüülbensoaadi ootamatud omadused. Seda faasi polariseeriva mikroskoobi all uurides avastas Reinitzer, et sellel on kahekordne murdumine. See tähendab, et valguse murdumisnäitaja, s.o. valguse kiirus selles faasis sõltub polarisatsioonist.
Kahekordne murdumine on valguskiire jagamine kaheks komponendiks anisotroopses keskkonnas. Kui valguskiir langeb risti kristalli pinnaga, siis sellel pinnal jaguneb see kaheks kiireks. Esimene kiir levib edasi sirgelt ja seda nimetatakse tavaliseks (o – tavaline), teine kiir aga kaldub kõrvale ja seda nimetatakse erakorraliseks (e – erakordne).
Kaksikmurdumise nähtus on tüüpiline kristalliefekt, mis seisneb selles, et valguse kiirus kristallis sõltub valguse polarisatsioonitasandi orientatsioonist. On märkimisväärne, et see saavutab polarisatsioonitasandi kahe vastastikku risti asetseva orientatsiooni äärmuslikud maksimum- ja miinimumväärtused. Loomulikult määratakse kristalli valguse kiiruse äärmuslikele väärtustele vastavad polarisatsiooni orientatsioonid kristalli omaduste anisotroopia järgi ja need on üheselt määratud kristalli telgede orientatsiooniga valguse levimise suuna suhtes.
Kahekordse murdumise olemasolu vedelikus, mis peab olema isotroopne, s.t. et selle omadused peaksid olema suunast sõltumatud, tundus paradoksaalne. Kõige tõenäolisem näib olevat kahemurduvuse allikaks olevate sulamata väikeste kristallosakeste, kristalliitide olemasolu häguses faasis. Täpsemad uuringud, kuhu Reinitzer meelitas aga kuulsa saksa füüsiku Otto Lehmanni, näitasid, et hägune faas ei ole kahefaasiline süsteem, vaid on anisotroopne. Kuna anisotroopia omadused on omased tahkele kristallile ja häguses faasis oli aine vedel, nimetas Lehmann seda vedelkristalliks.
Sellest ajast alates hakati vedelkristallideks või vedelkristalliliseks nimetama aineid, mis on teatud temperatuurivahemikus sulamistemperatuurist kõrgemal võimelised kombineerima vedelike omadusi (voolavus, tilkade moodustumise võime) ja kristalsete kehade omadusi (anisotroopia). FA-aineid nimetatakse sageli mesomorfseteks ja nende moodustatavat FA-faasi nimetatakse mesofaasiks. See olek on termodünaamiliselt stabiilne faasiolek ning seda võib koos tahke, vedela ja gaasilise ainega pidada aine neljandaks olekuks.
Arusaam LC olemusest - ainete olekust, nende struktuurilise korralduse rajamisest ja uurimisest tuli aga palju hiljem. Tõsine usaldamatus selliste ebatavaliste ühendite olemasolu kohta 20. sajandi 20-30ndatel andis teed nende aktiivsele uurimistööle. D. Vorländeri töö Saksamaal aitas suuresti kaasa uute vedelkristallühendite sünteesile. Kahekümnendatel tegi Friedel ettepaneku jagada kõik vedelkristallid kolme suurde rühma. Friedel nimetas vedelkristallide rühmad:
1. Nemaatiline – neis kristallides puudub molekulide paigutuses kaugmaa kord, neil puudub kihiline struktuur, nende molekulid libisevad pidevalt oma pikkade telgede suunas, pöörledes nende ümber, kuid samal ajal säilitavad orientatsiooni järjekord: pikad teljed on suunatud ühte eelistatud suunda. Nad käituvad nagu tavalised vedelikud.
2. Smektilised – need kristallid on kihilise struktuuriga, kihid võivad üksteise suhtes liikuda. Smektilise kihi paksuse määrab molekulide pikkus, kuid smektika viskoossus on palju suurem kui nemaatika oma.
3. Kolesterool – need kristallid moodustuvad kolesterooli ja teiste steroidide ühenditest. Need on nemaatilised LC-d, kuid nende pikad teljed on üksteise suhtes pööratud, nii et need moodustavad spiraale, mis on selle struktuuri ülimadala moodustumise energia tõttu temperatuurimuutustele väga tundlikud.
Friedel pakkus vedelkristallidele välja üldmõiste – "mesomorfne faas". See termin pärineb kreekakeelsest sõnast "mesos" (vahepealne), mis rõhutab vedelkristallide vahepealset asendit tõeliste kristallide ja vedelike vahel nii temperatuuri kui ka füüsikaliste omaduste poolest.
Vene teadlased V.K. Fredericks ja V.N. Tsvetkov NSV Liidus 20. sajandi 30. aastatel oli esimene, kes uuris vedelkristallide käitumist elektri- ja magnetväljas. Kuid kuni 60. aastateni ei pakkunud vedelkristallide uurimine märkimisväärset praktilist huvi ning kõik teadusuuringud olid üsna piiratud, puhtakadeemilise huviga.
Olukord muutus dramaatiliselt 60. aastate keskel, mil mikroelektroonika kiire arengu ja seadmete mikrominiaturiseerimise tõttu vajati aineid, mis oleksid võimelised peegeldama ja edastama teavet, tarbides samal ajal minimaalselt energiat. Ja siin tulid appi vedelkristallid, mille kahetine olemus (omaduste anisotroopsus ja suur molekulaarne liikuvus) võimaldas luua kiireid ja ökonoomseid LC indikaatoreid, mida juhib väline elektriväli.
III. - Praktiline osa.
Vedelkristallelement on mitmest läbipaistvast kihist koosnev struktuur. Juhtivate pindadega polarisaatorite paaride vahel on vedelkristalli kiht. Uurime raku polarisatsioonitasapinda.
LC-rakkude polarisaatorite lubatud suundade määramine.
Pärast ühendatud raku läbimist polariseerub valgus teise polarisaatori polarisatsioonisuunas. Kui polarisaator ja analüsaator (väline polarisaator) asetatakse loomuliku valguse teele, siis analüsaatorit läbiva polariseeritud valguse intensiivsus sõltub polarisaatori ja analüsaatori ülekandetasandite suhtelisest asendist. Me vaatame valgust läbi analüsaatori ja LCD-elemendi. Pöörates määratud polarisatsioonisuunaga analüsaatorit raku ees, saavutame minimaalse valguse läbilaskvuse. Sel juhul on analüsaatori polarisatsioonisuund ja LC-elemendi lähipolarisaator risti.
Uuringu seadistus on näidatud joonisel 1.
Joonisel 2 on LC-elemendi polarisaatori tasapind analüsaatori tasapinnaga risti, seega on läbiva valguse intensiivsus minimaalne. Joonisel 3 on LC-elemendi polarisaatori tasapind paralleelne analüsaatori tasapinnaga, seega on läbiva valguse intensiivsus maksimaalne.
Seejärel pöörati LCD-element ümber ja uuring jätkus.Joonisel 4 on LC-elemendi polarisaatori tasapind analüsaatori tasapinnaga risti, mistõttu on läbiva valguse intensiivsus minimaalne.Joonis 5 LC-elemendi polarisaatori tasapind on paralleelne analüsaatori tasapinnaga, seega on läbiva valguse intensiivsus maksimaalne.
Võime järeldada, et rakukihtide polarisatsioonisuunad on risti. Seega, kuna vedelkristall pöörleb 90 ◦ esimese polarisaatori kaudu läbinud valguse polarisatsioonisuunast, langeb valguse polarisatsiooni suund LCD-elemendist väljumisel kokku teise polarisaatori lubatud suunaga ja läbiva valguse intensiivsus on maksimaalne.
Läbiva valguse intensiivsuse Ipr sõltuvuse eemaldamine LCD-elemendi pingest U.
Juhtivad pinnad ja vedelkristallkiht moodustavad kondensaatori. Kui rakule rakendatakse pinget, satuvad vedelkristalli pikad molekulid elektrivälja ja pöörlevad, muutes seeläbi vedelkristalli optilisi omadusi. Kui elemendile rakendada pinge 3 V, muutub element täiesti läbipaistmatuks. Uurime raku läbilaskvuse sõltuvust rakendatavast pingest. Valgusallikana kasutame LED-i (joonis 6), indikaatorina luksmõõturit, mille põhiosa moodustab fotodiood (joonis 7).
Läbilaskvuse mõõtmiseks kinnitame nende vahele hoidikusse LED-i, fotodioodi ja vedelkristallelemendi. Paneme kokku mõõteahela (joonis 8), kokkupandud vooluringi foto on näidatud joonistel 9, 10. Potentsiomeetri nuppu keerates muudame elemendi pinget U ja võtame luksmõõturi näidud (teeme leida fotodioodi läbiva pöördvoolu väärtus Ohmi seadusest vooluringi sektsiooni jaoks, jagades fotodioodi pinge voltmeetri sisetakistusega, Iph = Uv∕Rv). Joonistame fotovoolu tugevuse sõltuvuse pingest LCD-elemendil Iph(Uya).
Graafik (joonis 11) näitab, et kõrge pinge korral valgus rakku ei läbi ja fotodiood seda ei tuvasta. Pinge vähenedes suureneb fotovool lineaarselt, pinge väärtusel 724 mV graafiku kalle suureneb. Sellest järeldub, et pinge vähenedes laseb LCD-element valgust paremini läbi. See võimaldab LCD-elementi kasutada instrumendi indikaatorites. Seadmete kuvad koosnevad suurest hulgast LCD-elementidest, hetkel pingestatud elemendid kuvatakse tumedate aladena ja pingeta elemendid heledate aladena.
IV. - Vedelkristallide tehnilised rakendused.
Vedelkristallide elektrooptilisi omadusi kasutatakse laialdaselt infotöötlus- ja kuvasüsteemides, tähtnumbrilistes indikaatorites (elektroonilised kellad, mikrokalkulaatorid, kuvarid jne), optilistes aknaluukides ja muudes valgusklappides. Nende seadmete eelisteks on madal voolutarve (umbes 0,1 mW/cm2), madal toitepinge (mitu V), mis võimaldab näiteks vedelkristallkuvareid kombineerida integraallülitustega ja seeläbi tagada indikaatorseadmete (lameteleviisor) miniaturiseerimine. ekraanid).
Üks oluline vedelkristallide kasutusvaldkond on termograafia. Vedelkristallilise aine koostise valimisel luuakse indikaatorid erinevate temperatuurivahemike ja erinevate kujunduste jaoks. Näiteks kantakse kile kujul olevaid vedelkristalle transistoridele, integraallülitustele ja elektroonikalülituste trükkplaatidele. Vigased elemendid – väga kuumad või külmad (st ei tööta) – on koheselt märgatavad eredate värvilaikudega.
Arstid on saanud uued võimalused: kandes patsiendi kehale vedelkristallmaterjale, saab arst kergesti tuvastada haigusest mõjutatud kudesid värvimuutustega kohtades, kus need kuded eraldavad suurenenud soojushulka. Seega diagnoosib vedelkristallindikaator patsiendi nahal kiiresti varjatud põletiku ja isegi kasvaja.
Vedelkristalle kasutatakse kahjulike keemiliste ühendite aurude ning inimese tervisele ohtliku gamma- ja ultraviolettkiirguse avastamiseks. Rõhumõõturid ja ultrahelidetektorid on loodud vedelkristallide baasil.
V. – Järeldus.
Oma töös tutvusin vedelkristallide avastamise ja uurimise ajalooga, nende tehniliste rakenduste arenguga. Ta uuris vedelkristallelemendi polarisatsiooniomadusi ja valguse läbilaskevõimet sõltuvalt rakendatavast pingest. Tulevikus soovin läbi viia termograafilisi uuringuid vedelkristallide abil.
VI. - Bibliograafia
1. Ždanov S.I. Vedelkristallid. "Keemia", 1979. 192 lk.
2. Rogers D. Adams J. Masinagraafika matemaatilised alused. "Mir", 2001. 55 lk.
3. Kalashnikov A. Yu. Voldikontrastkarakteristiku suurenenud kaldega vedelkristallelementide elektrooptilised omadused. 1999. 4lk.
4. Konshina E. A. Vedelkristallkandjate optika. 2012. 15-18 lk.
5. Zubkov B.V. Chumakov S.V. Noorte tehnikute entsüklopeediline sõnastik. "Pedagoogika", 1987. 119 - 120 lk.
6. Õpilasraamatukogu internetis. Tõuraamatud.net. Vedelkristallühendused. http://studbooks.net/2288377/matematika_himiya_fizika/istoriya_otkrytiya_zhidkih_kristallov7. Vikipeedia. Kahekordne murdumine. 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
Rakendus
|
Elementide pinge, Uya, mV |
Pöördvoolutugevus, Iа, A |
|
Vene Föderatsiooni teaduse ja hariduse föderaalne agentuur
Irkutski Riiklik Tehnikaülikool
Füüsika osakond
ABSTRAKTNE
teemal: Vedelkristallid ja nende
kasutamine vedelkristallides
Lõpetatud:
EL-03-1 rühma õpilane
Moroz Y.V.
Kontrollitud:
Õpetajad
Sozinova T.V.
Shishilova T.I.
Irkutsk, 2005
1. Mis on vedelkristallid 3
1.1. Vedelkristallid 3
1.2. 4 tüüpi vedelkristalle
1.3. Rakendus 5
2. LCD monitorid 6
2.1. TN – kristallid 6
2.2. LCD 8 anatoomia
2.3. TFT-ekraanid 8
2.4. Ferrodielektrilised vedelkristallid 12
2.5. Plasma aadressiga vedelkristall (PALC) 12
3. Tulemused 13
1.1 VEDELKRISTAL - vedela ja tahke oleku vahepealne aine olek. Vedelikus võivad molekulid vabalt pöörleda ja liikuda igas suunas. Kristallilises tahkes kehas paiknevad need korrapärase geomeetrilise võrgu, mida nimetatakse kristallvõreks, sõlmedes ja saavad pöörlema ainult oma fikseeritud asendites. Vedelkristallides on molekulide paigutuses teatav geomeetriline järjestus, kuid lubatud on ka teatav liikumisvabadus.
Joonis 1. Vedelkristalli suurendatud kujutis.
Arvatakse, et vedelkristalli oleku avastas 1888. aastal Austria botaanik F. Reinitzer. Ta uuris orgaanilise tahke aine, mida nimetatakse kolesterüülbensoaadiks, käitumist. Kuumutamisel muutus see ühend tahkest olekust häguseks, mida nüüd nimetatakse vedelkristalliliseks, ja seejärel selgeks vedelikuks; jahutamisel korrati teisenduste jada vastupidises järjekorras. Reinitzer märkis ka, et kuumutamisel muutub vedelkristalli värvus – punasest siniseks, kordudes jahutamisel vastupidises järjekorras. Peaaegu kõik praeguseks avastatud vedelkristallid on orgaanilised ühendid; ligikaudu 50% kõigist teadaolevatest orgaanilistest ühenditest moodustavad kuumutamisel vedelkristalle. Kirjanduses on kirjeldatud ka mõne hüdroksiidi vedelkristalle (näiteks Fe2O3 x H2O).
Vedelkristallid , vedelkristalliline olek, mesomorfne olek - aine olek, milles tal on vedeliku omadused (voolavus) ja mõned tahkete kristallide omadused (omaduste anisotroopsus). Rasvhapped moodustavad aineid, mille molekulid on varraste või piklike plaatide kujuga. On termotroopsed ja lüotroopsed vedelikud.Esimesed on üksikud ained, mis eksisteerivad mesomorfses olekus teatud temperatuurivahemikus, millest madalamal on aine tahke kristall, millest kõrgemal tavaline vedelik. Näited:
para-asoksüanisool (temperatuurivahemikus 114-135 °C), asoksübensoehappe etüülester
(100-120 °C), kolesterooli propüüleeter (102-116 °C). Lüotroopsed vedelad ühendid on teatud ainete lahused teatud lahustites. Näited: sünteetiliste polüpeptiidide vesilahused, seebilahused (polü-g-bensüül- L-glutamaat) mitmetes orgaanilistes lahustites (dioksaan, dikloroetaan).
1.2 Vedelkristallide tüübid .
Vedelkristallide saamiseks on kaks võimalust. Ühte neist kirjeldati ülalpool kolesterüülbensoaadist rääkides. Mõne tahke orgaanilise ühendi kuumutamisel laguneb nende kristallvõre ja moodustub vedelkristall. Kui temperatuuri veelgi tõsta, muutub vedelkristall tõeliseks vedelikuks. Kuumutamisel tekkivaid vedelkristalle nimetatakse termotroopseteks. 1960. aastate lõpus toodeti orgaanilisi ühendeid, mis olid toatemperatuuril vedelkristallilised.
Termotroopseid vedelkristalle on kahte klassi: nemaatilised (niiditaolised) ja smektilised (rasvased või limane). Nemaatilised vedelkristallid võib jagada kahte kategooriasse: konventsionaalsed ja kolesterool-nemaatilised (keerdunud nematika).
Joonis 2. TERMOTROOPNE VEDELIKRISTALNE, molekulaarne pakkimisskeem. Smektika klassis (välja arvatud smektika D) paiknevad molekulid kihtidena. Iga molekul jääb oma kihti, kuid kihid võivad üksteisest mööda libiseda. Nemaatilistes vedelkristallides võivad molekulid liikuda igas suunas, kuid nende teljed jäävad alati üksteisega paralleelseks. Kolesteerilis-nemaatilistes vedelkristallides asetsevad molekulide teljed kihi tasapinnal, kuid nende orientatsioon muutub kihiti, justkui spiraalis. Tänu sellele spiraalsele keerdumisele on kolesteeriliste vedelkristallide õhukestel kiledel ebatavaliselt kõrge võime pöörata polariseeritud valguse polarisatsioonitasapinda. A- smektik; b- nemaatiline; V- kolesterool.
1.3 Rakendus.
Molekulide paigutus vedelkristallides muutub selliste tegurite mõjul nagu temperatuur, rõhk, elektri- ja magnetväljad; muutused molekulide paigutuses toovad kaasa muutusi optilistes omadustes, nagu värvus, läbipaistvus ja võime pöörata läbiva valguse polarisatsioonitasapinda. (Kolesteerilis-nemaatilistel vedelkristallidel on see võime väga suur.) Sellel kõigel põhinevad vedelkristallide arvukad rakendused. Näiteks kasutatakse meditsiinilise diagnostika jaoks värvi sõltuvust temperatuurist. Kandes patsiendi kehale teatud vedelkristallmaterjale, saab arst kergesti tuvastada haigeid kudesid värvimuutuste järgi kohtades, kus need koed tekitavad suurenenud soojushulka. Värvi temperatuurisõltuvus võimaldab kontrollida ka toodete kvaliteeti neid hävitamata. Kui metalltoodet kuumutatakse, muudab selle sisemine defekt temperatuuri jaotust pinnal. Need defektid tuvastatakse pinnale kantud vedelkristallmaterjali värvi muutuste järgi.
Indikaatorseadmetena on leidnud laialdast kasutust klaaside või plastlehtede vahele suletud vedelkristallidest õhukesed kiled (rakendatud madalpinge elektrivälja sobivalt valitud kile erinevatele osadele, on võimalik saada nähtavaid kujundeid, mis on moodustatud nt. , läbipaistvad ja läbipaistmatud alad). Vedelkristalle kasutatakse laialdaselt käekellade ja väikeste kalkulaatorite tootmisel. Luuakse õhukese vedelkristallekraaniga lameekraanteleviisoreid. Suhteliselt hiljuti saadi vedelkristallmaatriksitel põhinevad süsinik- ja polümeerkiud.
2.LCD-kuvarid
Meie tutvus vedelkristallkuvaritega on kestnud juba aastaid ja selle ajalugu ulatub arvutieelsesse aega. Tänapäeval, kui inimene vaatab käekella, kontrollib printeri olekut või töötab sülearvutiga, puutub ta paratamatult kokku vedelkristallide fenomeniga. Veelgi enam, see tehnoloogia riivab traditsioonilist kineskoopkuvarite – arvutite lauakuvarite – valdkonda.
LCD-tehnoloogia põhineb sellise valguse omaduse kasutamisel nagu polarisatsioon. Inimsilm ei suuda eristada lainepolarisatsiooni olekuid, kuid mõned ained (näiteks polaroidkiled) edastavad ainult teatud polarisatsiooniga valgust. Kui võtta kaks polaroidi - üks blokeerib vertikaalse polarisatsiooniga ja teine horisontaalse polarisatsiooniga valgust ja asetada need üksteise vastas, siis valgus ei saa sellist süsteemi läbida (joonis 3).
Joonis 3. Valguse polarisatsioon.
Kiledevahelises pilus valguse polarisatsiooni valikuliselt pöörates saaksime moodustada helendavaid ja tumedaid alasid – piksleid. See on võimalik, kui kasutate plaati, mis on segatud optiliselt aktiivsete kristallidega (neid nimetatakse nii, sest nende asümmeetriliste molekulide omaduste tõttu võivad nad muuta valguse polarisatsiooni).
Kuid ekraan eeldab teabe dünaamilist kuvamist ja tavalised kristallid ei saa meid siin aidata. Nende vedelad kolleegid tulevad appi. Vedelkristallid on vedelikud, mida iseloomustab molekulide teatud paigutuse järjekord, mille tulemusena ilmneb mehaaniliste, magnetiliste ja meie jaoks kõige huvitavama elektriliste ning optiliste omaduste anisotroopia.
Elektriliste omaduste anisotroopsuse ja voolavuse olemasolu tõttu on võimalik kontrollida molekulide eelistatud orientatsiooni, muutes seeläbi kristalli optilisi omadusi. Ja neil on märkimisväärne omadus – molekulide spetsiifiline piklik kuju ja paralleelne paigutus muudavad need väga tõhusateks polarisaatoriteks. Nüüd hakkame uurima LCD-ekraanide elementaarset mitmekesisust - keerutatud nemaatilistel kristallidel (Twisted Nematic - TN).
2.1 TN - kristallid.
Asjaolu, et nemaatilise vedelkristalli molekulid rivistuvad nagu sõdurid paraadil, on nende vastasmõju jõudude anisotroopia tagajärg. Režissööri asukohta makroskoopilisest vaatenurgast vabas vedelkristallis on võimatu ennustada, mistõttu on võimatu ette kindlaks teha, millisel tasapinnal see valgust polariseerib.
Selgub, et molekulidele ühe või teise orientatsiooni andmine on üsna lihtne, peate lihtsalt valmistama plaadi (meie jaoks läbipaistev, näiteks klaas), millel on palju mikroskoopilisi paralleelseid sooni (nende laius peab vastama plaadi minimaalsele suurusele). moodustatava kujutise element).
Süvenditesse langevad vedelkristalli alumise kihi kitsad ja pikad molekulid on sunnitud kinni pidama antud orientatsioonist. Ja kõik järgnevad molekulide kihid asetsevad eespool juba mainitud molekulidevahelise interaktsiooni tõttu "pea tagaosas". Kui nüüd asetada peale veel üks sarnase soonte komplektiga klaasplaat nii, et need oleksid risti põhjaplaadi soontega, siis asetsevad ülemise kihi molekulide pikiteljed telgede suhtes täisnurga all. molekulid alumisest kihist. Nende kahe äärmise positsiooni vahele moodustub vahepealsetest orientatsioonidest omamoodi molekulaarne spiraal, mis andis tehnoloogiale nime – twisted nemmatic.
Kui valgus liigub mööda spiraali, pöörleb selle polarisatsioonitasand, järgides seda moodustavate molekulide pikitelje orientatsiooni. “Sandwichi” puhul moodustavad risti asetsevate soontega plaadid 90° pöördega spiraali ning polarisatsioonitasand pöörleb täpselt selle nurga all. Kui asetada selline “võileib” kahe risti asetsevate telgedega polaroidi vahele (polaroid laseb läbi ainult piki oma telge lineaarselt polariseeritud valgust), siis valgus läbib sellise süsteemi (joonis 4).
Seega moodustuvad TN-ekraanidel helendavad pikslid. Pöördpikslid (antud juhul tumedad) on vedelkristallide teise omaduse – elektrilise anisotroopia – korrutis. Piisab, kui rakendada spiraalile elektrivälja ja molekulid on kohe sunnitud mööda selle intensiivsuse vektorit pöörlema. Asetades miniatuursed läbipaistvad kileelektroodid vedelkristallkihi kohale ja alla ning rakendades neile pinget, saab molekule vertikaalselt orienteerida. Pärast seda ei saa nad enam valguse polarisatsiooni muuta ja kuna polaroidide teljed on risti, siis valgus läbi ei lähe. Elektroode eraldi sisse ja välja lülitades saame dünaamilise mustvalge pildi.
"Aga halltoonid?" - te küsite. Gradatsioone ehk pikslite heleduse taset saab juhtida rakendatud pinge suuruse järgi. Seda järk-järgult suurendades jälgime, kuidas molekulaarne spiraal läbib oma oleku kolme etappi - kolm tsooni (joonis 5). Tsoon 1 vastab maksimaalsele ülekandele ja valgele värvile (maksimaalne polarisatsiooni pöörlemine), tsoon 3 minimaalsele ja mustale värvile ning kõige huvitavamad olekud on tsoonis 2. Pinge täpse muutuse korral selle piirides on kõik hallid toonid. saadud.
2.2 Anatoomia LCD .
Olles veidi mõistnud lihtsa nemaatilise tüüpi LCD-ekraani füüsikalisi tööpõhimõtteid, võime kaaluda selle disaini puhtmehaanilisi aspekte (joonis 6). Alusel on valgustussüsteem - need on võimsad (lõppude lõpuks neelab ülejäänud "võileib" kuni 50% läbivast valgusest) luminofoorlambid torude ja spetsiaalsete materjalide kujul (plastist valgusjuht) või valgusjuhikud, mis aitavad kaasa valguse ühtlasemale jaotusele kogu ekraani tasapinnal. Seda ei ole alati võimalik saavutada ning tulemuseks võivad olla tumedad triibud ja ebaühtlased pildid.
Joonis 6. LCD monitori ehitus Valgus suunatakse polariseerivale filtrile. Järgmiseks tuleb klaasplaat, millele kantakse indiumi- ja tinaoksiidikilest poolläbipaistvad elektroodid, mis moodustavad pildipiksleid. Seejärel on polümeerkile mikrosoontega, mis suunavad järgmise kihi moodustavaid vedelkristallmolekule. Teine pool on täpselt vastupidine (välja arvatud taustvalgus).
Nüüd vaatame põhilisi erinevusi aktiivsete ja passiivsete maatriksite vahel, samuti värvipiltide moodustamist. Passiivsed massiivid adresseerimiseks kasutavad poolläbipaistvate elektroodide ribasid, mis paiknevad klaassubstraadi mõlemal pinnal ja on orienteeritud risti (joonis 7). Nende ristumiskoht moodustab piksli. Selle oleku muutmiseks peate kasutama kahte aadressirida - vertikaalset ja horisontaalset. Üks, näiteks alumine, on maandatud ja teisele rakendatakse juhtimpulss. Protsessi, mille käigus kujutis luuakse, valides vaheldumisi kahe kontrolljoone kombinatsioonid, nimetatakse skannimiseks.
2.3 TFT - kuvab
Olles arenenud teedrajavatest must-valgetest ekraanidest, on LCD-ekraanid jõudnud arengutasemele, mis kasutab tehnoloogiat nimega TFT (Thin Film Transistor). See põhineb õhukese kile transistoridel põhinevatel aktiivmaatriksitel. Sel juhul kantakse klaasist substraadile amorfse räni kiht, millele moodustatakse transistorid - üks iga piksli kohta. Transistorid toimivad vahendajana adresseerimissüsteemi ja LCD-elementide vahel. Olemas on ka õhukeste kilede dioodidel (TFD) põhinevaid paneele. Aktiivsetes maatriksites elimineeritakse proovivõtu (aadressi) protsessi mõju naaberrakkudele, iga piksel on isoleeritud. Tänu sellele saab vedelkristallelementide "lülitamise" viivitusi vähendada 25 ms-ni, mis võimaldab aktiivmaatrikskuvaritel juba CRT-kuvaritega konkureerida. Kui element saab laengu, salvestab see selle nagu kondensaator, kuid mitte piisavalt kaua. Kuigi maatriksskaneerimine on lõppenud, hakkavad esimesena töödeldud rakud juba laengut kaotama. Kujutise ebahomogeensuse vältimiseks on iga elemendi külge ühendatud lisakondensaator, mis seda skaneerimistsükli ajal “toidab”.
Kõikide TFT LCD-de üldine tööpõhimõte on näidatud joonisel 8: neoonlambi valgus läbib reflektorsüsteemi, suunatakse läbi esimese polariseeriva filtri ja siseneb transistori juhitavasse vedelkristallkihti; siis läbib valgus värvifiltreid (nagu CRT-s, on maatriksi iga piksel ehitatud kolmest värvikomponendist - punasest, rohelisest ja sinisest). Transistor loob elektrivälja, mis määrab vedelkristallide ruumilise orientatsiooni. Sellist järjestatud molekulaarstruktuuri läbiv valgus muudab oma polarisatsiooni ja olenevalt sellest neeldub see väljundis oleva teise polariseeriva filtri poolt täielikult (moodustab musta piksli) või ei neeldu või neeldub osaliselt (moodustab). erinevad värvitoonid, kuni puhas valge).
Joonis 8.
Punase, rohelise ja sinise värvifiltrid on integreeritud klaasalusesse ja asetatud üksteise lähedale. Iga piksel (punkt) koosneb kolmest määratud värvi (alapikslite) lahtrist. See tähendab, et eraldusvõimega 1280 x 1024 pikslit sisaldab ekraan täpselt 3840 x 1024 transistore ja pikslielemente. 15,1-tollise TFT-ekraani (1024 x 768 pikslit) pikslite vahe on ligikaudu 0,30 mm ja 18,1-tollise TFT-ekraani (1280 x 1024 pikslit) puhul ligikaudu 0,28 mm.
Joonis 9. Pikslite struktuur TFT -ekraan.
TFT-ekraani pikslid. Lahtri vasakus ülanurgas on õhukese kilega transistor ( T hin F ilm T transistor). Värvifiltrid võimaldavad rakkudel muuta oma loomulikke RGB värve. Punktid on selgelt eristatavad ja mida väiksem on nendevaheline kaugus, seda suurem on maksimaalne võimalik eraldusvõime. TFT-del on aga ka füüsiline piirang, mille määrab ekraani maksimaalne pindala.
Kõige tavalisem digitaalse paneeli tüüp põhineb tehnoloogial, mida nimetatakse TN TFT või TN+Film TFT (Twisted Nematic + film). Mõiste film viitab täiendavale välisele kilekattele, mis võimaldab teil suurendada vaatenurka standardselt 90 kraadilt (45 mõlemal küljel) ligikaudu 140 kraadini. TN TFT-ekraani tööskeem on näidatud joonisel 10:
1. Kui transistor on väljalülitatud olekus, see tähendab, et see ei tekita elektrivälja, on vedelkristalli molekulid normaalses olekus ja on paigutatud nii, et läbiva valgusvoo polarisatsiooninurk muutub. neid 90 kraadi võrra (vedelkristallid moodustavad spiraali). Kuna teise filtri polarisatsiooninurk on risti esimese nurgaga, kustub passiivset transistorit läbiv valgus kadudeta, moodustades ereda punkti, mille värvi määrab valgusfilter.
2. Kui transistor tekitab elektrivälja, joonduvad kõik vedelkristalli molekulid paralleelselt esimese filtri polarisatsiooninurgaga ega mõjuta seega kuidagi neid läbivat valgusvoogu. Teine polariseeriv filter neelab valguse täielikult, luues ühe kolmest värvikomponendist musta täpi.
|
Probleemid ekraani lubatud vaatenurgaga on tüüpilised pooltoone andvatele LCD-ekraanidele. Paneelil tekkiv vedelkristallide kaksikmurdumise nähtusest tulenev valguse intensiivsus sõltub nurgast (j) valguslaine esiosa ja LC-molekulide suunaja suuna vahel, nagu sin2j. See tähendab, et täielikult sisse lülitatud olekus, j väärtustel kuni 30°, muutub läbiva valguse intensiivsus mitte rohkem kui 10%, hallil aga 50% (nurk suunaja ja Ekraani pinna normaalne nurk on 45°) - 90%, mis põhjustab tõsiseid moonutusi heleduse või värvide gradatsioonis koos väikese vaatenurga muutusega. Üks lihtsamaid viise kaksikmurdumise mõju vältimiseks on kanda paneeli pinnale polümeeri kompenseerivaid kilesid, mille murdumisnäitaja on vedelkristallist erineva märgiga.
Originaalse viisi probleemi lahendamiseks leidis Gunter Baur aastal 1971. Tema metoodikale tuginedes töötas Hitachi Corporation 1995. aastal välja IPS (In-Plane Switching) tehnoloogia. Baur pakkus välja LC-elemendi uue kujunduse, kus normaalses olekus olevad molekulid ei keerata 90° spiraaliks, vaid on orienteeritud üksteisega paralleelselt. Alumise ja ülemise polümeerkile sooned on paralleelsed ning kõik juhtelektroodid asuvad paneeli samal küljel. Pinge rakendamisel pöörab elektriväli LC-molekule ekraani tasapinnal. Režissööri ja paneeli tasapinna vaheline nurk jääb muutumatuks. Kahjuks on IPS-il ka mõned miinused, näiteks 50% väiksem heledus.
IBMi Jaapani osakond on välja pakkunud ja täiustab OCB (Optically Compensated Bend) tehnikat. See põhineb nn Pi-rakkudel, mis kasutavad vedelkristallide kaksikmurdumisparameetrite muutmise võimalust. Rakku sisenev valguskiir muudab veidi oma suunda, justkui “vajutades” vastu normaalvektori suunda ekraani pinnale ning sealt väljudes naaseb algsesse levimissuunda.
Sharpi spetsialistid on vaatenurga laiendamiseks kasutusele võtnud teise tehnoloogia – ASM (Axially Symmetrically aligned micro-cell Mode). Värvifiltrile moodustatakse spetsiaalsed väljaulatuvad seinad, mis on kaetud orienteeriva polümeerkilega (joonis 11). Need moodustavad üksikuid LC-rakke, millel on kristallmolekulide ebatavaline aksiaalselt sümmeetriline paigutus (nagu ventilaatori labad). LC-rakke piiravad seinad saadakse polümeriseeritud vaigu molekulide sisestamise tulemusena kristallkompositsiooni ja saadud segu kiiritamisel ultraviolettkiirgusega pärast faaside eraldamist. ASM kuulub vedelkristallide stabiliseerimiseks polümeeride abil tehnikate klassi. Teise polümeeride kasutamise meetodi kohaselt lisatakse neid väikeses koguses vedelkristallidele, mis võimaldab kontrollida LC-molekulide orientatsiooni otse raku sees, mitte ainult kahel piirpinnal, nagu polümeerkilede puhul.
Joonis 11
2.4 Ferrodielektrilised vedelkristallid
Iga LCD-paneeli üks nõrku kohti on pildi taastamine. Elementide laadimise ja tühjenemise keerulised protsessid, lühike aeg, mil nad hoiavad antud olekut, oht oluliste laengute kogunemiseks - kõik see raskendab tootmist. Kaudselt on juhtimiselektroonikat võimalik lihtsustada ferrodielektriliste vedelkristallide (FLCD) abil. Kui annate molekulide rühmale teatud orientatsiooni, säilitavad nad (välismõjude puudumisel) selle orientatsiooni piiramatu aja jooksul, moodustades ühtse domeeni. Ferrodielektrilised elemendid ei vaja sagedast regenereerimist, skaneerimine toimub ainult kaadrite vahetamise ajal. Lisaks on neil suurepärane reageerimiskiirus 10 ms. Kuid nende bistabiilne olemus muudab pooltooni genereerimise keeruliseks. Samuti luuakse kuvareid, mis põhinevad antiferrodielektrilistel vedelkristallidel (AFLCD). Nende uusimad muudatused võimaldavad selle probleemi osaliselt kõrvaldada.
2.5 Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)
Seda tüüpi ekraan kasutab LCD-elementide juhtimiseks plasmapaneeli. PALC-ekraan koosneb klaassubstraadist, mille alumisele küljele on paigaldatud polariseeriv filter ja ülemisele küljele on moodustatud pikisuunalised eendid-barjäärid. Iga tõketest moodustatud kolonni sees on kaks elektroodi. Konstruktsioon kaetakse pealt õhukese klaasikihiga ja tekkinud anumad täidetakse mitme kPa rõhu all gaasiga. Sellele järgneb LC-kiht, kolonnelektroodidega läbipaistev kile, värvifiltrid ja polarisaatoriga klaassubstraat (joonis 12). Kogu konstruktsiooni taga on valgustusseade. Kolonni proovide võtmine toimub tühjenemise tekitamise teel kahe elektroodi vahel harutatud gaasiga täidetud pikisuunas. Gaasi- ja vedelkristallelemente eraldava klaasi pinnale tekib negatiivne laeng, mis on justkui virtuaalne elektrood (joonis 13). Ühele „võileiva“ vastasküljel asuvale põikelektroodile rakendatakse pinge +70 V. Virtuaalse elektroodi laeng voolab läbi vedelkristallelemendi, mis asub gaasi pikielemendi ja põikelektroodi ristumiskohas. Kui laeng on tühjenenud, lähevad kõik LCD-elemendid täielikult isoleeritud olekusse ja järgmisest pikslist saab proovi võtta.
Joonis 12.
Joonis 13.
PALC-paneelide üks eeliseid on nende valmistamise lihtsus. Need on taimede puhtuse ja paigutuse täpsuse suhtes vähem tundlikud kui traditsioonilised TFT-andurid. See võimaldab kasutada suuremaid klaaspindu ja seega avab väljavaated suurte LCD-ekraanide tootmiseks. PALC-kuvarid on vabad punktdefektidest, mille suhtes aktiivmaatriksmonitorid on nii tundlikud. Plasma- ja LCD-paneelide disaini sõltumatus hõlbustab uute modifikatsioonide väljatöötamist.
3. Tulemused
Selles materjalis käsitleti vaid LCD-ekraanide tootmistehnoloogia põhitõdesid ja palju jäi väljaande käsitlusest väljapoole. Vedelkristallpaneelide maailm on mitme teaduse ristumiskohas: keemia, tahkisfüüsika ja vedelfüüsika, kristallograafia. Komponentide rohkus pakub erinevaid lahendusi. Lameekraanmonitoride tööstus areneb kiiresti ning uute tehnoloogiate esilekerkimist, olemasolevate modifikatsioone ja vananenud kadumist saate jälgida vaid erialakirjandust pidevalt üle vaadates.
Bibliograafia:
1. http://www.cultinfo.ru
2. http://bigpi.biysk.ru
3. Chistyakov I.G., Liquid Crystals, M., 1966;
4. Gray G. W., Molecular structure and the properties of liquid crystals, L. - N. Y., 1962;
5. Vedelkristallid, trans. prantsuse keelest, “Loodus”, 1972, nr 2;
6. Turanov A.N., Gontšarov V.A., Galjametdinov Yu.G., Ivanova G.I., Ovchinnikov I.V. Izv. Akadeemik Teadused, ser. Khim., 1999, nr 4, 694-697.
7. Ovchinnikov I.V., Galyametdinov Yu.G., Magnetilised vedelkristallid koordinatsiooniühenditel. Vene keemiaajakiri 2001, XLV. nr 3. lk.74-79
Vedelkristallid
Sissejuhatus
Vedelkristallid (lühendatult LC) on ained, millel on samaaegselt nii vedelike (voolavus) kui ka kristallide (anisotroopia) omadused. Struktuuri poolest on vedelkristallid želeetaolised vedelikud, mis koosnevad piklikest molekulidest, mis on teatud viisil järjestatud kogu selle vedeliku mahu ulatuses. LC-de kõige iseloomulikum omadus on nende võime muuta molekulide orientatsiooni elektriväljade mõjul, mis avab laiad võimalused nende kasutamiseks tööstuses. Vedelkristallid jagunevad tüübi järgi tavaliselt kahte suurde rühma: nemaatika ja smektika. Nemaatika jaguneb omakorda nemaatilisteks ja kolesteerilisteks vedelkristallideks.
Vedelkristallide avastamise ajalugu
Vedelkristallid avastas 1888. aastal Austria botaanik F. Reinitzer. Ta märkas, et kolesterüülbensoaadi ja kolesterüülatsetaadi kristallidel on kaks sulamistemperatuuri ja vastavalt kaks erinevat vedelat olekut - hägune ja läbipaistev. Teadlased ei pööranud aga nende vedelike ebatavalistele omadustele erilist tähelepanu. Pikka aega ei tundnud füüsikud ja keemikud vedelkristalle põhimõtteliselt ära, sest nende olemasolu hävitas aine kolme oleku teooria: tahke, vedel ja gaasiline. Teadlased klassifitseerisid vedelkristallid kas kolloidlahusteks või emulsioonideks. Teadusliku tõestuse esitas Karlsruhe ülikooli professor Otto Lehmann (saksa: Otto Lehmann) pärast pikki aastaid kestnud uurimistööd, kuid isegi pärast tema raamatu “Vedelkristallid” ilmumist 1904. aastal ei kasutatud seda avastust.
Ameeriklane J. Ferguson kasutas 1963. aastal vedelkristallide kõige olulisemat omadust – temperatuuri mõjul värvi muutmist – palja silmaga nähtamatute soojusväljade tuvastamiseks. Pärast seda, kui talle anti oma leiutisele patent (USA patent 3114836), kasvas huvi vedelkristallide vastu järsult.
1965. aastal toimus USA-s esimene vedelkristallidele pühendatud rahvusvaheline konverents. 1968. aastal lõid Ameerika teadlased infokuvamissüsteemide jaoks põhimõtteliselt uued indikaatorid. Nende tööpõhimõte põhineb asjaolul, et vedelkristallide molekulid, mis pöörlevad elektriväljas, peegeldavad ja edastavad valgust erineval viisil. Ekraani sisse joodetud juhtmetele rakendatud pinge mõjul ilmus sellele mikroskoopilistest täppidest koosnev pilt. Ja alles pärast 1973. aastat, kui rühm inglise keemikuid George William Gray juhtimisel sünteesis suhteliselt odavatest ja kättesaadavatest toorainetest vedelkristalle, levisid need ained mitmesugustes seadmetes laialdaselt.
Vedelkristallrühmad
Nende üldiste omaduste põhjal võib LC-d jagada kahte suurde rühma:
termotroopsed LC-d, mis tekivad tahke aine kuumutamisel ja eksisteerivad teatud temperatuuri- ja rõhuvahemikus, ja lüotroopsed LC-d, mis on kahe või enama komponendi süsteemid, mis on moodustunud teatud aine ja vee vardakujuliste molekulide segus (või muud polaarsed lahustid). Nende vardakujuliste molekulide ühes otsas on polaarne rühm ja suurem osa vardast on painduv hüdrofoobne süsivesinikahel. Selliseid aineid nimetatakse amfifiilideks (amphi - kreeka keeles tähendab mõlemast otsast, philos - armastav, hea meelega). Amfifiilide näited on fosfolipiidid.
Amfifiilsed molekulid on reeglina vees halvasti lahustuvad ja kalduvad moodustama agregaate nii, et nende liidese polaarsed rühmad on suunatud vedela faasi poole. Madalatel temperatuuridel põhjustab vedela amfifiili segamine veega süsteemi eraldumise kaheks faasiks. Üks keerulise struktuuriga amfifiilide variante võib olla seebi-veesüsteem. Seal on alifaatne anioon CH3-(CH2)n-2-CO2- (kus n ~ 12-20) ja positiivne ioon Na+, K+, NH4+ jne. Polaarrühm CO2- kipub olema tihedas kontaktis veemolekulidega , samas kui mittepolaarne rühm (amfifiilne ahel) väldib kokkupuudet veega. See nähtus on tüüpiline amfifiilidele.
Termotroopsed vedelkristallid jagunevad kolme suurde klassi:
Nemaatilised vedelkristallid. Nendes kristallides puudub molekulide raskuskeskmete paiknemises pikamaa järjestus, neil puudub kihiline struktuur, nende molekulid libisevad pidevalt oma pikkade telgede suunas, pöörledes nende ümber, kuid samal ajal. säilitage orientatsiooniline järjekord: pikad teljed on suunatud ühte eelistatud suunda. Nad käituvad nagu tavalised vedelikud. Nemaatilisi faase leidub ainult ainetes, mille molekulid ei tee vahet parem- ja vasakpoolsetel vormidel, nende molekulid on identsed nende peegelpildiga (akiraalsed). Aine näide, mis moodustab nemaatilise vedelkristalli, on
Smektilised vedelkristallid on kihilise struktuuriga, kihid võivad üksteise suhtes liikuda. Smektilise kihi paksuse määrab molekulide pikkus (peamiselt parafiini "saba" pikkus), kuid smektiliste ainete viskoossus on palju suurem kui nemaatikutel ja kihi pinna suhtes normaalne tihedus võib varieerub suuresti. Tüüpiline on tereftaalbis(nara-butüülaniliin):
Kolesterooli vedelkristallid moodustuvad peamiselt kolesterooli ja teiste steroidide ühenditest. Need on nemaatilised LC-d, kuid nende pikad teljed on üksteise suhtes pööratud, nii et need moodustavad spiraalid, mis on selle struktuuri ülimadala moodustumisenergia tõttu (umbes 0,01 J/mol) temperatuurimuutustele väga tundlikud. Tüüpiline kolesterool on amüülpara-(4-tsüanobensülideenamino)tsinnamaat
Kolesterikud on erksavärvilised ja vähimgi temperatuurimuutus (kuni tuhandikkraadini) toob kaasa spiraali kõrguse muutumise ja vastavalt sellele ka vedelkristalli värvuse muutumise.
Kõiki ülaltoodud LC-tüüpe iseloomustab dipoolmolekulide orientatsioon teatud suunas, mille määrab ühikvektor - nimetatakse "direktoriks".
Viimasel ajal on avastatud nn sammasfaasid, mille moodustavad vaid kettakujulised molekulid, mis on paigutatud kihtidena üksteise peale mitmekihiliste sammastena, millel on paralleelsed optilised teljed. Neid nimetatakse sageli "vedelfilamentideks", mille mööda molekulidel on translatsioonivabadusaste. Selle ühendite klassi ennustas akadeemik L. D. Landau ja Chandrasekhar avastas selle alles 1977. aastal. Seda tüüpi vedelkristallide järjestuse olemus on skemaatiliselt näidatud joonisel.
LCD-ekraanidel on ebatavalised optilised omadused. Nemaatika ja smektikud on optiliselt üheteljelised kristallid. Perioodilise struktuuri tõttu peegeldavad kolesteerikud tugevalt valgust spektri nähtavas piirkonnas. Kuna nemaatikas ja kolesteerikas on omaduste kandjaks vedelfaas, deformeerub see välismõjude mõjul kergesti ja kuna kolesteerikate spiraali samm on temperatuuri suhtes väga tundlik, muutub valguse peegeldumine temperatuuriga järsult. , mis põhjustab aine värvuse muutumist.
Neid nähtusi kasutatakse laialdaselt erinevates rakendustes, nagu mikrolülitustes kuumade kohtade leidmine, luumurdude ja kasvajate lokaliseerimine inimestel, infrapunapildistamine jne.
Paljude lüotroopsetel LC-del töötavate elektrooptiliste seadmete omadused on määratud nende elektrijuhtivuse anisotroopiaga, mis omakorda on seotud elektroonilise polariseeritavuse anisotroopiaga. Mõnede ainete puhul muudab erielektrijuhtivus LC omaduste anisotroopsuse tõttu oma märki. Näiteks n-oktüüloksübensoehappe puhul läbib see temperatuuril 146 ° C nulli ja see on seotud mesofaasi struktuuriliste tunnustega ja molekulide polariseeritavusega. Nemaatilise faasi molekulide orientatsioon langeb reeglina kokku suurima juhtivuse suunaga.
Kõik eluvormid on ühel või teisel viisil seotud elusraku tegevusega, mille mitmed struktuuriüksused on sarnased vedelkristallide ehitusega. Märkimisväärsete dielektriliste omadustega FA-d moodustavad rakusiseseid heterogeenseid pindu, reguleerivad raku ja väliskeskkonna, aga ka üksikute rakkude ja kudede vahelist suhet, andes raku koostisosadele vajaliku inertsuse, kaitstes seda ensümaatilise mõju eest. Seega avab FA käitumismustrite kehtestamine uusi väljavaateid molekulaarbioloogia arengus.
Vedelkristallide pealekandmine
Üks oluline vedelkristallide kasutusvaldkond on termograafia. Vedelkristallilise aine koostise valimisel luuakse indikaatorid erinevate temperatuurivahemike ja erinevate kujunduste jaoks. Näiteks kantakse kile kujul olevaid vedelkristalle transistoridele, integraallülitustele ja elektroonikalülituste trükkplaatidele. Vigased elemendid – väga kuumad või külmad, ei tööta – on koheselt märgatavad eredate värvilaikudega. Arstid on saanud uusi võimalusi: vedelkristallindikaator patsiendi nahal diagnoosib kiiresti varjatud põletiku ja isegi kasvaja.
Vedelkristalle kasutatakse kahjulike keemiliste ühendite aurude ning inimese tervisele ohtliku gamma- ja ultraviolettkiirguse avastamiseks. Rõhumõõturid ja ultrahelidetektorid on loodud vedelkristallide baasil. Kuid vedelkristalliliste ainete kõige lootustandvam kasutusvaldkond on infotehnoloogia. Kõigile digikelladest tuttavatest esimestest näitajatest postkaardisuuruste LCD-ekraanidega värviteleriteni on möödunud vaid paar aastat. Sellised telerid pakuvad väga kvaliteetset pilti, tarbides samal ajal vähem energiat.
VEDELKRISTALLID JA NENDEL PÕHENDAVAD SEADMED Praegu on vedelkristall-LCD monitoride tehnoloogia keemikutele teada juba 1888. aastast, kuid alles 1960. aastatel algas nende praktiline kasutamine (kellaekraanide ja kalkulaatorite jaoks). 1990. aastal sai De Gennes LC-teooria Nobeli preemia. Praegu on vedelkristallid teinud pöörde elektroonikas, neid kasutatakse mitmesugustes kuvarites (kellad, minitelerid), arvutite LCD-ekraanidel, visuaalsete soojusanduritena (värvimuutus temperatuuriga) jne. Tahke mesofaasi vedelik (3-dimensiooniline) ( 1-2-dimensiooniline) (isotroopne Termin vedelkristall (LC) tähistab tahke ja isotroopse vedela oleku vahelist mesofaasi, samas kui mesofaas säilitab aine kahele olekule omased põhiomadused. Mesos tähendab vahepealset, keskmine.Mõnel juhul osutub mesofaas stabiilseks laias temperatuurivahemikus, sealhulgas toatemperatuuril, siis räägitakse LC-st.
Vedelkristalle moodustavate molekulide keemiline struktuur. a) - vedelkristalle moodustavad varrasmolekulid - smektikud ja nemaatika, b) - vedelkristalle moodustavad molekulid - diskootikumid. Nematika. See nimi pärineb kreekakeelsest sõnast "nema" (nhma), mis tähendab niiti. Nemaatika orientatsioonijärjekorra iseloomustamiseks võetakse kasutusele ühikupikkuse vektor - direktor, mille suund langeb kokku molekulide pikkade telgede keskmise orientatsiooni suunaga. Lisaks võetakse kasutusele veel üks suurus, järjestusparameeter S, mis iseloomustab molekulide orientatsioonilise järjestuse astet., kus on nurk suunamissuundade ja molekulide pikitelje hetkesuuna vahel. Ilmselt võib parameeter võtta väärtusi vahemikus 0 kuni 1. Väärtus S = 1 vastab täielikule orientatsioonijärjekorrale, S = 0 tähendab täielikku orientatsioonihäiret ja vastab isotroopsele vedelikule.
Smektikud. Nimi pärineb kreekakeelsest sõnast "smegma" (smhgma), mis tähendab "seep". Nendes materjalides on lisaks molekulide orientatsioonilisele järjestusele molekulide raskuskeskmete osaline järjestamine. Teisisõnu, molekulide raskuskeskmed on organiseeritud kihtideks, mille vaheline kaugus on fikseeritud. Molekulide kihid liiguvad üksteise suhtes kergesti ja smektikutel on puudutamisel seebitaoline tunne. molekuli telg Kolonnikujulise diskootikumi võib liigitada ka smektiliseks Nemaatika - vedelkristalli vedelamal faasil ei ole kihte, vaid sellel on ainult eelissuund (direktor Vedelkristallide tüübid A - nemaatiline, B - smektiline, C diskootiline
Kolesteroolid, mis on saanud oma nime kolesterooli järgi (esimene avastatud ühend). Sellisel molekulil on optiline telg, mille ümber juht saab pöörata. Ühelt kihilt teisele liikudes pöörleb lavastaja järk-järgult, luues ainulaadse spiraalse struktuuri. Näidatud on molekuli optiline telg, suunaja suund ja kruvi samm - p, (kaugus, mille võrra suunaja pöörleb 360). LC-lt peegelduva valguse lainepikkus kolesterool = np, kus n on murdumisnäitaja. Sageli on need lainepikkused nähtavas vahemikus. Kolesteeriumi oluline omadus on kruvi sammu sõltuvus temperatuurist, s.o. peegeldunud valguse lainepikkuse sõltuvus temperatuurist. Kõrgemad temperatuurid vastavad sinisele, madalamad punasele.
Vedelkristallide kasutamine kuvaritel LCD põhirakendus on seotud elektrooptiliste (EO) seadmetega. Selliste rakenduste jaoks peab LC-l (nematic) olema neli vajalikku omadust, nimelt: pinna järjestus, suunaja ümberorienteerimine elektrivälja või dielektrilise anisotroopia abil, valguse polarisatsioonitasandi või optilise anisotroopia pöörlemine ja orientatsiooni elastsus (molekulide võime). erinevalt pöörata). 1. Pinna tellimine. Tavaliselt on EO-ekraan alla 20 mikroni paksune klaasküvett, millesse asetatakse LCD-ekraan. LC-režissööri suunda saab määrata, töödeldes küveti pindu nii, et LC-molekulid reastuvad teatud suunas paralleelselt küveti tasapinnaga või sellega risti.
0. See anisotroopia on kaks peamist" title="2. LC dielektrilise anisotroopia saab kirjutada dielektrilise konstandi erinevusena suunajaga paralleelses ja sellega risti = -. Kui direktor on joondatud väljaga paralleelselt, siis > 0. See anisotroopia on peamine dv" class="link_thumb"> 6 !} 2. LC dielektrilise anisotroopia saab kirjutada dielektrilise konstandi erinevusena suunajaga paralleelses ja sellega risti = -. Kui direktor on rivis paralleelselt põlluga, siis >0. See anisotroopia on ekraani jõudluse peamine liikumapanev jõud. Elektriline panus kristallide vabasse energiasse sisaldab terminit, mis sõltub suunaja (n) ja rakendatud elektrivälja (E) vahelisest nurgast, kus suunaja pöörleb vaba energia minimeerimiseks ja joondub väljaga paralleelselt. Pange tähele, et see panus ei ole dipool ega sõltu elektrivälja suunast. 3. Optiline anisotroopia on seotud murdumisnäitaja anisotroopiaga – n ehk kaksikmurdumisega. See tähendab, et materjalil on kaks n väärtust valguse polarisatsiooni suundade jaoks, mis on paralleelsed ja risti suunajaga, nende erinevus n=n -n on optilise anisotroopia mõõt. Et LCD-ekraan töötaks, peab see väärtus olema >0,2. 4. Orientatsioonielastsus on vajalik tagamaks, et molekulid pöörlevad välja rakendamisel ja viivad need pärast välja väljalülitamist tagasi algasendisse. Seda omadust kirjeldavad kalde, väände ja painde elastsuskonstandid K 11, K 22 ja K3 3 0. See anisotroopia on kuvarite töö peamine liikumapanev jõud.Elektriline panus kristallide vabasse energiasse sisaldab terminit, mis sõltub suunaja (n) ja rakendatud elektrivälja (E) vahelisest nurgast, suunajaga pöörleb, et minimeerida vaba energiat ja joondub väljaga paralleelselt. Pange tähele, et see panus ei ole dipool, sõltumata elektrivälja suunast. 3. Optiline anisotroopia on seotud murdumisnäitaja anisotroopiaga - n ehk kaksikmurdusega. See tähendab, et materjalil on kaks väärtust n valguse polarisatsiooni suundade jaoks paralleelselt ja risti suunajaga, nende erinevus n=n -n on optilise anisotroopia mõõt. LCD-ekraani toimimiseks peab see väärtus olema olema >0,2 4. Orientatsioonielastsus on vajalik molekulide pöörlemise tagamiseks välja rakendamisel ja nende tagasipööramiseks pärast välja lülitamist algasendisse Seda omadust kirjeldavad kalde, väände ja painde elastsuskonstandid K 11 , K 22 ja K3 3"> 0. See anisotroopia on kaks peamist" title="2. LC dielektrilise anisotroopia saab kirjutada dielektrilise konstandi erinevusena suunajaga paralleelses ja sellega risti = -. Kui direktor on rivis paralleelselt põlluga, siis >0. See anisotroopia on peamine"> title="2. LC dielektrilise anisotroopia saab kirjutada dielektrilise konstandi erinevusena suunajaga paralleelses ja sellega risti = -. Kui direktor on rivis paralleelselt põlluga, siis >0. See anisotroopia on peamine"> !}
Lihtsaim EO seade. Sel juhul hõõrutakse küveti ülemist ja alumist pinda risti, nii et LC-režissöör pöörleb küveti ülaosast alla 90 0, pöörates seega polarisatsioonitasapinda.. Pildi kontrastsus saavutatakse risti kasutades. polaroidid. Ristatud polaroidides näib see rakk heledana. Kui nüüd rakendada elektrivälja, siis reastub LC-molekulide direktor väljaga paralleelselt, polarisatsioonitasandi pöörlemine kaob ja valgus ristuvates polaroidides lakkab läbimast.Pinge, mis on vajalik suunaja pööramiseks on tavaliselt 2-5V ja selle määravad dielektriline anisotroopia ja elastsuskonstandid. Polarisatsioonitasandi pöörlemine LC-elemendis
LCD-ekraanil on mitu kihti: kaks paneeli, mis on valmistatud väga puhtast klaasist - substraadist. Kihid sisaldavad nende vahel õhukest vedelkristallide kihti. Paneelidel on sooned. Sooned on paigutatud nii, et need on igal paneelil paralleelsed, kuid kahe paneeli vahel risti.Soontega kokkupuutel on vedelkristallides olevad molekulid kõigis rakkudes ühtemoodi orienteeritud. Kaks paneeli asuvad üksteisele väga lähedal. Üleval ja all on kaks polariseerivat kilet Valgustusena kasutatakse tavaliselt lampi, mõnikord töötavad näidikud, näiteks kellaekraanid peegeldunud valguses
Teabe edastamiseks kantakse klaaspaneelidele elektroodina poolläbipaistev ITO kiht. Elektroodid rakendatakse punktide või segmentide kujul, millele edastatakse eraldi teave. Kui asetate ekraani (lahtri) erinevatesse kohtadesse suur hulk elektroode, mis tekitavad erinevaid elektrivälju, siis on see võimalik õige kontrolliga. nende elektroodide potentsiaali, et kuvada ekraanil tähti ja muid pildielemente. Elektroodid on paigutatud läbipaistvasse plasti ja võivad olla mis tahes kujuga. Tehnoloogilised uuendused on võimaldanud piirata nende mõõtmeid väikese täpi suurusega (0,3 mikronit), samale ekraanipinnale saab paigutada suurema arvu elektroode, mis suurendab eraldusvõimet Kasutamise tulemusena saadakse värv kolmest filtrist, mis eraldavad kolm põhikomponenti valge valgusallika kiirgusest. Kombineerides iga ekraanipunkti või piksli kolme põhivärvi, on võimalik reprodutseerida mis tahes värvi. Pilt moodustatakse rida-realt, rakendades järjestikku juhtpinget üksikutele rakkudele, muutes need läbipaistvaks. Elektroodid LCD-ekraanile Passiivmaatriksekraanid
Aktiivmaatriksekraanid Aktiivmaatriks kasutab iga ekraanielemendi jaoks eraldi võimenduselemente – elektroodide maatriksit, mis juhib ekraani vedelkristallelemente. Passiivse maatriksi puhul saavad erinevad elektroodid ekraani rida-realt uuendamisel elektrilaengu tsükliliselt ning elementide mahtuvuste tühjenemise tulemusena kaob pilt kristallide naasmisel oma algne konfiguratsioon. Aktiivse maatriksi korral lisatakse igale elektroodile mälutransistor, mis suudab salvestada digitaalset teavet (binaarsed väärtused 0 või 1) ja selle tulemusena salvestatakse pilti kuni uue signaali vastuvõtmiseni. Mälutransistorid peavad olema valmistatud läbipaistvatest materjalidest, mis lasevad valguskiirtel neist läbi pääseda. Nendel eesmärkidel kasutatakse õhukesi kilesid Thin Film Transistor (või TFT). Need on juhtelemendid, mis juhivad iga pikslit ekraanil. transistor on väga õhuke, 0,1–0,01 mikronit. Valmistatud amorfsest ränist (a-Si),
Ferroelektrilised kuvarid Vaatamata nemaatilistel LC-del põhinevate aktiivmaatrikskuvarite laialdasele kasutamisele on neil põhiline puudus - pikk lõõgastusaeg (LC-režissööri pöörlemisaeg pärast elektrivälja väljalülitamist on ~ 20 ms). Nüüd on lamedate, kiiresti lülituvate kuvarite tootmiseks täiesti erinev tehnoloogia, mis põhineb ferroelektriliste vedelkristalliliste smektiliste ainete (fluorobifenüül joonisel) kasutamisel. Esmapilgul tundub kummaline, et kiirete seadmete loomiseks kasutatakse LC viskoossemat (võrreldes nemaatilisega) smektilist faasi. Sellise smektika molekulidel on dipoolmoment ja need on paigutatud kihtidena, igas kihis kihi tasapinna suhtes sama nurga all. Sama nurk
Sama kaldenurk tekib ferroelektrilise faasi olemasolu molekulide dipoolide interaktsiooni tõttu. Elektrivälja rakendamine võib muuta dipoolide suunda ja molekulide kaldenurk muutub vastavalt. Seega on molekulide kihis kaks võimalikku dipoolide ja molekulide endi orientatsiooni (ilma elektriväljata ja elektriväljaga), joonis fig. Molekulide pöörlemisaeg on sel juhul üsna lühike, 1 μs, mis on 2-3 suurusjärku vähem kui nemaatilises faasis olevate molekulide tagasipöördumisaeg. Esialgu paigaldatakse valguspolarisaatorid nii, et valgust läbi ei läheks (üks on paralleelne molekulaarrežissööri suunaga, teine risti). Pärast elektrivälja rakendamist pöörlevad molekulide dipoolid väljaga paralleelselt ning molekulide suunaja pöörleb polarisaatori suhtes teatud nurga all ning valgus hakkab osaliselt struktuuri läbima. Molekulide kiht smektikas ferroelektrilises faasis.
Vedelkristallid
Schliereni tekstuur nemaatilistes vedelkristallides
Vedelkristallid(lühendatult LC) on faasiline olek, millesse teatud tingimustel (temperatuur, rõhk, kontsentratsioon lahuses) läbivad mõned ained. Vedelkristallidel on samaaegselt nii vedelike (voolavus) kui ka kristallide (anisotroopia) omadused. Struktuuriliselt on vedelkristallid viskoossed vedelikud, mis koosnevad piklikest või kettakujulistest molekulidest, mis on teatud viisil järjestatud kogu selle vedeliku mahu ulatuses. LC-de kõige iseloomulikum omadus on nende võime muuta molekulide orientatsiooni elektriväljade mõjul, mis avab laiad võimalused nende kasutamiseks tööstuses. Vedelkristallid jagunevad tüübi järgi tavaliselt kahte suurde rühma: nemaatika ja smektika. Nemaatika jaguneb omakorda nemaatilisteks ja kolesteerilisteks vedelkristallideks.
Vedelkristallide avastamise ajalugu
Vedelkristallide abil tuvastatakse kahjulike keemiliste ühendite aurud ning inimese tervisele ohtlikud gamma- ja ultraviolettkiirgused. Rõhumõõturid ja ultrahelidetektorid on loodud vedelkristallide baasil. Kuid vedelkristalliliste ainete kõige lootustandvam kasutusvaldkond on infotehnoloogia. Kõigile digikelladest tuttavatest esimestest näitajatest postkaardisuuruste LCD-ekraanidega värviteleriteni on möödunud vaid paar aastat. Sellised telerid pakuvad väga kvaliteetset pilti, tarbides samal ajal vähem energiat.
Lingid
- Vestlus vedelkristallidest keemiateaduste doktori Aleksei Jurjevitš Bobrovskiga programmis Science 2.0
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Vaadake, mis on "vedelkristallid" teistes sõnaraamatutes:
Teatud orgaanilise eriline seisund. milles neil on reoloogilised omadused. teiega vedelat voolavust, kuid säilitavad oma määratluse. korrapärasus molekulide paigutuses ja mitmete füüsikaliste ainete anisotroopsus. TV-le omane St. kristallid. Avatud 1889 Austria...... Füüsiline entsüklopeedia
Vedelkristallid- Vedelkristallid. Molekulide paigutus vedelkristallides. VEDELKRISTALLID, vedelikud, mille omaduste (eriti optiliste) anisotroopsus on seotud molekulide orientatsiooniga. Füüsikaliste omaduste tugeva sõltuvuse tõttu...... Illustreeritud entsüklopeediline sõnaraamat
Vedelikud, mille omadused (eriti optilised) on anisotroopsed, mis on seotud järjestusega molekulide orientatsioonis. Vedelkristallide omaduste tugeva sõltuvuse tõttu välismõjudest leiavad nad tehnoloogias mitmesuguseid rakendusi... ... Suur entsüklopeediline sõnaraamat
VEDELKRISTALNE- orgaanilised ained, mida iseloomustab omaduste (vt) voolavus ja tahke (vt) korrapärasuse kombinatsioon molekulaarse orientatsiooni ja optilise (vt). Spetsiaalsed juhised vedelkristallides, nagu tahketes ainetes, milles valguskiir levib ilma kogemata... ... Suur polütehniline entsüklopeedia
Vedelikud, millel on molekulide pikliku kujuga ja nende orientatsiooniga seotud omaduste (eriti optiliste) anisotroopsus. Vedelkristallide omaduste tugeva sõltuvuse tõttu välismõjudest leiavad nad... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Vedelkristalliline olek, mesomorfne olek, aine olek, milles tal on vedeliku omadused (voolavus) ja mõned tahkete kristallide omadused (anisotroopia (vt anisotroopia) omadused). L.c vorm...... Suur Nõukogude entsüklopeedia
In va, muutudes teatud tingimustel (temperatuur, rõhk, kontsentratsioon lahuses) vedelkristalliliseks. olek, mis on kristalse vahepealne. seisund ja vedelik. Nagu tavalistel vedelikel, on ka vedelkristallidel voolavus, kuid ... ... Keemia entsüklopeedia
Teatud orgaanilise eriline seisund. milles neil on reoloogilised omadused. (vt Reoloogia) nende vedelikud on vedelad, kuid säilitavad molekulide paigutuses korra ja teatud kristallidele iseloomulike omaduste anisotroopsuse. L. k. kujul va, ... ... Suur entsüklopeediline polütehniline sõnaraamat
Vedelikud, millel on molekulide pikliku kujuga ja nende orientatsiooniga seotud omaduste (eriti optiliste) anisotroopsus. Raua ja terase omaduste tugeva sõltuvuse tõttu välisest mõjutusi, leiavad nad mitmesuguseid rakendusi ... Loodusteadus. entsüklopeediline sõnaraamat
Vedelkristallid- vedelikud, millel on anisotroopsed omadused (eriti optilised), mis on seotud molekulide pikliku kuju ja nende orientatsiooni järjestusega... Kaasaegse loodusteaduse algus
