Utilizarea cristalelor lichide. Raport: Cristale lichide. Cristale lichide termotrope

Servorotkina D.S. unu

Pimenova M.P. unu

1 Instituție de învățământ municipal „Școala secundară nr. 4”, Olenegorsk, regiunea Murmansk

Textul lucrării este plasat fără imagini și formule.
Versiunea completă a lucrării este disponibilă în fila „Fișiere de locuri de muncă” în format PDF

Introducere

În ultimele decenii, electrocasnicele au început să folosească din ce în ce mai mult afișaje cu cristale lichide (de la computere și ecrane TV la blocuri de informații ale microcalculatoarelor, multimetre). Tehnologia computerelor moderne, electronica radio și automatizarea necesită dispozitive de afișare a informațiilor (afișaje) foarte economice, sigure și de mare viteză. Împreună cu afișajele cu descărcare în gaz (plasmă), catodoluminiscente, semiconductoare și electroluminiscente, este furnizată de o clasă relativ nouă de indicatori, cunoscută sub numele de cristale lichide (LCD), adică dispozitive de afișare a informațiilor bazate pe cristale lichide. M-a interesat dispozitivul afișajelor cu cristale lichide și principiul funcționării acestora și, deoarece acest material nu este studiat la cursul de fizică din școală, am decis să studiez eu însumi proprietățile și acțiunea cristalelor lichide. Subiectul este relevant, pentru că. cristalele lichide intră din ce în ce mai mult în viața noastră. Scopul lucrării: studierea proprietăților cristalelor lichide și celulelor cu cristale lichide, explorarea principiilor de funcționare și a posibilității de aplicare tehnică a celulei LC. Sarcini:

Să studieze teoria cristalelor lichide și istoria creării și studiului lor;
Investigați planul de polarizare al celulei LCD;
Investigați transmisia luminii unei celule cu cristale lichide în funcție de tensiunea aplicată;
Pentru a studia aplicarea cristalelor lichide în inginerie.

Ipoteza: un cristal lichid schimba directia de polarizare a luminii, o celula LC isi modifica proprietatile optice in functie de tensiunea aplicata. Metode de cercetare: Analiza și selectarea informațiilor teoretice; avansarea ipotezei cercetării; experiment; testarea ipotezelor.

II. - Partea teoretică.

Istoria descoperirii cristalelor lichide.

Au trecut peste 100 de ani de la descoperirea cristalelor lichide. Au fost descoperite pentru prima dată de botanistul austriac Friedrich Reinitzer, observând două puncte de topire ale esterului de colesterol, benzoatul de colesteril.

La temperatura de topire (Tmelt), 145°C, substanța cristalină s-a transformat într-un lichid tulbure, cu împrăștiere puternică a luminii. Cu încălzirea continuă, după atingerea unei temperaturi de 179 ° C, lichidul devine limpede (punct clar (Tpr)), adică. începe să se comporte optic ca un lichid obișnuit, cum ar fi apa. Proprietăți neașteptate ale benzoatului de colesteril au fost găsite în faza tulbure. Examinând această fază la microscop polarizant, Reinitzer a descoperit că are birefringență. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al luminii, adică. viteza luminii în această fază depinde de polarizare.

Birefringența este efectul divizării unui fascicul de lumină în două componente în medii anizotrope. Dacă un fascicul de lumină cade perpendicular pe suprafața cristalului, atunci pe această suprafață se împarte în două fascicule. Primul fascicul continuă să se propagă drept și se numește obișnuit (o - ordinar), în timp ce al doilea se abate în lateral și este numit extraordinar (e - extraordinar).

Fenomenul birefringenței este un efect cristalin tipic, constând în faptul că viteza luminii într-un cristal depinde de orientarea planului de polarizare a luminii. Este semnificativ faptul că atinge valori maxime și minime extreme pentru două orientări reciproc perpendiculare ale planului de polarizare. Desigur, orientările de polarizare corespunzătoare valorilor extreme ale vitezei luminii într-un cristal sunt determinate de anizotropia proprietăților cristalului și sunt specificate în mod unic de orientarea axelor cristalului în raport cu direcția luminii. propagare.

Existenta birefringentei intr-un lichid, care trebuie sa fie izotrop, i.e. că proprietățile sale ar trebui să fie independente de direcție părea paradoxal. Prezența în faza tulbure a particulelor mici de cristal netopite, cristalite, care au fost sursa birefringenței, ar putea părea cea mai plauzibilă. Cu toate acestea, studii mai detaliate, la care Reinitzer l-a implicat pe celebrul fizician german Otto Lehmann, au arătat că faza tulbure nu este un sistem cu două faze, ci este anizotropă. Deoarece proprietățile anizotropiei sunt inerente unui cristal solid, iar substanța din faza tulbure era lichidă, Lehman a numit-o un cristal lichid.

De atunci, substanțele capabile să combine simultan proprietățile lichidelor (fluiditatea, capacitatea de a forma picături) și proprietățile corpurilor cristaline (anizotropie) într-un anumit interval de temperatură peste punctul de topire au fost numite cristale lichide sau cristale lichide. Substanțele LC sunt adesea numite mezomorfe, iar faza LC formată de ele se numește mezofază. O astfel de stare este o stare de fază termodinamic stabilă și, împreună cu starea solidă, lichidă și gazoasă, poate fi considerată a patra stare a materiei.

Cu toate acestea, înțelegerea naturii LC - starea substanțelor, stabilirea și studiul organizării lor structurale a venit mult mai târziu. Neîncrederea serioasă față de însuși faptul existenței unor astfel de compuși neobișnuiți în anii 20-30 ai secolului XX a fost înlocuită de cercetările lor active. Lucrările lui D. Vorlender din Germania au contribuit foarte mult la sinteza de noi compuși LC. În anii douăzeci, Friedel a propus să împartă toate cristalele lichide în trei grupuri mari. Grupuri de cristale lichide numite Friedel:

1. Nematic - În aceste cristale, nu există o ordine pe distanță lungă în aranjarea moleculelor, nu au o structură stratificată, moleculele lor alunecă continuu în direcția axelor lor lungi, rotindu-se în jurul lor, dar în același timp păstrează ordinea de orientare: axele lungi sunt direcționate de-a lungul unei direcții predominante. Se comportă ca lichidele obișnuite.

2. Smectic - Aceste cristale au o structură stratificată, straturile se pot deplasa unul față de celălalt. Grosimea stratului smectic este determinată de lungimea moleculelor, dar vâscozitatea smecticilor este mult mai mare decât cea a nematicilor.

3.Cholesteric - Aceste cristale sunt formate din compuși ai colesterolului și alți steroizi. Acestea sunt LC-uri nematice, dar axele lor lungi sunt rotite unele față de altele, astfel încât formează spirale care sunt foarte sensibile la schimbările de temperatură datorită energiei de formare extrem de scăzute a acestei structuri.

Friedel a propus un termen general pentru cristalele lichide, „fază mezomorfă”. Acest termen provine din cuvântul grecesc „mesos” (intermediar), care subliniază poziția intermediară a cristalelor lichide între cristalele adevărate și lichide atât ca temperatură, cât și în proprietățile lor fizice.

Oamenii de știință ruși V.K. Frederiks și V.N. Tsvetkov din URSS în anii 1930 a fost primul care a studiat comportamentul cristalelor lichide în câmpurile electrice și magnetice. Cu toate acestea, până în anii 1960, studiul cristalelor lichide nu a avut un interes practic semnificativ, iar toată cercetarea științifică a fost de interes destul de limitat, pur academic.

Situația s-a schimbat dramatic la mijlocul anilor 1960, când, din cauza dezvoltării rapide a microelectronicii și a microminiaturizării dispozitivelor, au fost necesare substanțe care să reflecte și să transmită informația consumând un minim de energie. Și aici au venit în ajutor cristalele lichide, a căror natură dublă (anizotropia proprietăților și mobilitate moleculară ridicată) a făcut posibilă crearea de indicatori LCD de mare viteză și economici, controlați de un câmp electric extern.

III. - Partea practică.

O celulă cu cristale lichide este o structură formată din mai multe straturi transparente. Între perechile de polarizatoare cu suprafețe conductoare se află un strat de cristal lichid. Să examinăm planul de polarizare al celulei.

Determinarea direcțiilor permise ale polarizatoarelor unei celule LC.

După trecerea prin celula conectată, lumina este polarizată în direcția de polarizare a celui de-al doilea polarizator. Dacă un polarizator și un analizor (polarizator extern) sunt plasate pe calea luminii naturale, atunci intensitatea luminii polarizate care trece prin analizor va depinde de poziția relativă a planurilor de transmisie ale polarizatorului și analizorului. Vom privi lumina prin analizor și celula LCD. Prin rotirea analizorului cu direcția specificată de polarizare în fața celulei, obținem transmisia minimă a luminii. În acest caz, direcția de polarizare a analizorului și polarizatorul apropiat al celulei LC sunt perpendiculare.

Instalația pentru studiu este prezentată în Fig.1.

În Fig. 2, planul polarizatorului celulei LC este perpendicular pe planul analizorului, prin urmare, intensitatea luminii transmise este minimă. În Fig. 3, planul polarizatorului celulei LC este paralel cu planul analizorului, prin urmare, intensitatea luminii transmise este maximă.

Apoi, celula LC a fost răsturnată și studiul a fost continuat.În Fig. 4, planul polarizatorului celulei LC este perpendicular pe planul analizorului, astfel încât intensitatea luminii transmise este minimă.În Fig. 5 , planul polarizatorului celulei LC este paralel cu planul analizorului, deci intensitatea luminii transmise este maxima.

Se poate concluziona că direcțiile de polarizare ale straturilor celulare sunt perpendiculare. Astfel, deoarece cristalul lichid se rotește cu 90 ◦ direcția de polarizare a luminii transmise prin primul polarizator, ca urmare, direcția de polarizare a luminii la ieșirea din celula LC coincide cu direcția permisă a celui de-al doilea polarizator și intensitatea luminii transmise este maximă.

Înlăturarea dependenței intensității luminii transmise Ipr de tensiunea Ui pe celula LC.

Suprafețele conductoare și stratul de cristale lichide sunt un condensator. Când o tensiune este aplicată celulei, moleculele lungi de cristale lichide sunt plasate într-un câmp electric și se rotesc, modificând astfel proprietățile optice ale cristalului lichid. Dacă celulei i se aplică o tensiune de 3 V, celula devine complet opaca. Să investigăm dependența transmisiei celulei de tensiunea aplicată. Folosim un LED ca sursă de lumină (Fig. 6), ca indicator, un luxmetru, a cărui parte principală este o fotodiodă (Fig. 7).

Pentru a măsura transmisia în suport, fixăm LED-ul, fotodioda și celula cu cristale lichide între ele. Să asamblam circuitul de măsurare (Fig. 8), o fotografie a circuitului asamblat este prezentată în Fig. 9, 10. Rotind butonul potențiometrului, vom schimba tensiunea Ui pe celulă și vom face citirile luxmetrului (noi va găsi valoarea curentului invers prin fotodiodă din legea lui Ohm pentru secțiunea circuitului, împărțind tensiunea de pe fotodiodă la rezistența internă a voltmetrului, If = Uv∕Rv). Să construim un grafic al dependenței puterii fotocurentului de tensiunea de pe celula LCD If(Ub).

Din grafic (Fig. 11) se poate observa că la o tensiune mare, lumina nu trece prin celulă și nu este înregistrată de fotodiodă. Pe măsură ce tensiunea scade, puterea fotocurentului crește liniar; la o valoare a tensiunii de 724 mV, panta graficului crește. De aici rezultă că pe măsură ce tensiunea scade, celula LC transmite mai bine lumina. Acest lucru permite ca celula LCD să fie utilizată în afișajele instrumentelor. Afișajele instrumentelor constau dintr-un număr mare de celule LCD, acele celule care sunt în prezent alimentate apar ca zone întunecate, iar celulele fără tensiune apar ca zone luminoase.

IV. - Aplicatii tehnice ale cristalelor lichide.

Proprietățile electro-optice ale cristalelor lichide sunt utilizate pe scară largă în sistemele de procesare și afișare a informațiilor, în indicatoare alfanumerice (ceasuri electronice, calculatoare, afișaje etc.), obturatoare optice și alte dispozitive cu supapă de lumină. Avantajele acestor dispozitive sunt consumul redus de energie (de ordinul a 0,1 mW/cm2), tensiunea de alimentare scăzută (câțiva V), ceea ce face posibilă, de exemplu, combinarea afișajelor cu cristale lichide cu circuite integrate și astfel asigurarea miniaturizării. a dispozitivelor indicatoare (ecranele plate de televiziune).

Una dintre utilizările importante ale cristalelor lichide este termografia. Prin selectarea compoziției unei substanțe cu cristale lichide, sunt creați indicatori pentru diferite intervale de temperatură și pentru diferite modele. De exemplu, cristalele lichide sub formă de peliculă sunt aplicate pe tranzistoare, circuite integrate și plăci de circuite imprimate ale circuitelor electronice. Elementele defecte - foarte calde sau reci (adică, nefuncționale) - sunt imediat vizibile prin petele de culoare strălucitoare.

Medicii au primit noi oportunități: prin aplicarea materialelor cu cristale lichide pe corpul pacientului, medicul poate identifica cu ușurință țesuturile bolnave prin schimbarea culorii în acele locuri în care aceste țesuturi emit cantități crescute de căldură. Astfel, indicatorul cu cristale lichide de pe pielea pacientului diagnostichează rapid inflamația latentă și chiar o tumoare.

V.CONCLUZIE.

În munca mea, m-am familiarizat cu istoria descoperirii și studiului cristalelor lichide, cu dezvoltarea aplicațiilor lor tehnice. S-au investigat proprietățile de polarizare ale unei celule cu cristale lichide și capacitatea de transmisie a luminii în funcție de tensiunea aplicată. În viitor, aș dori să efectuez studii termografice folosind cristale lichide.

VI. - Lista bibliografică

1. Zhdanov S.I. cristale lichide. „Chimie”, 1979. 192s.

2. Rogers D. Adams J. Fundamentele matematice ale graficii pe computer. „Mir”, 2001. 55 ani.

3. Kalashnikov A. Yu. Proprietăți electro-optice ale celulelor cu cristale lichide cu abruptitate crescută a caracteristicii de contrast de tensiune. 1999. 4s.

4. E. A. Konshina, Optics of Liquid Crystal Media. 2012. 15-18 ani.

5. Zubkov B.V. Chumakov S.V. Dicţionar enciclopedic al unui tânăr tehnician. „Pedagogie”, 1987. 119 - 120s.

6. Biblioteca studenților online. Studbooks.net. compuși cu cristale lichide. http://studbooks.net/2288377/matematika_himiya_fizika/istoriya_otkrytiya_zhidkih_kristallov7. Wikipedia. Refracție dublă. 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

Apendice








Tensiunea celulei, Ui, mV	Intensitatea curentului invers, I, A

Agenția Federală pentru Știință și Educație a Federației Ruse

Universitatea Tehnică de Stat din Irkutsk

Departamentul de Fizică

ESEU

pe tema: Cristale lichide și lor

aplicare în cristale lichide

Efectuat:

Grupa de elevi EL-03-1

Moroz Ya.V.

Verificat:

profesori

Sozinova T.V.

Shishilova T.I.

Irkutsk, 2005

1. Ce sunt cristalele lichide 3

1.1. Cristale lichide 3

1.2. Tipuri de cristale lichide 4

1.3. Aplicație 5

2. Monitoare LCD 6

2.1. TN - cristale 6

2.2. Anatomia unui LCD 8

2.3. Afișaje TFT 8

2.4. Cristale lichide ferrodielectrice 12

2.5. Cristale lichide adresate cu plasmă (PALC) 12

3. Rezultate 13

1.1 CRISTAL LICHID - o stare a materiei intermediară între starea lichidă și starea solidă. Moleculele dintr-un lichid sunt libere să se rotească și să se miște în orice direcție. Într-un solid cristalin, ele sunt situate la nodurile unei rețele geometrice obișnuite, numită rețea cristalină și se pot roti numai în pozițiile lor fixe. Într-un cristal lichid, există un anumit grad de ordine geometrică în aranjarea moleculelor, dar este permisă și o anumită libertate de mișcare.

Figura 1. O imagine mărită a unui cristal lichid.

Se crede că starea cristalului lichid a fost descoperită în 1888 de botanistul austriac F. Reinitzer. El a studiat comportamentul unui solid organic numit benzoat de colesteril. Când este încălzit, acest compus s-a schimbat dintr-o stare solidă într-o stare cu aspect tulbure, numită acum cristal lichid, iar apoi într-un lichid transparent; la răcire, succesiunea transformărilor s-a repetat în ordine inversă. Reinitzer a mai remarcat că atunci când este încălzit, culoarea cristalului lichid se schimbă - de la roșu la albastru, cu o repetare în ordine inversă când este răcită. Aproape toate cristalele lichide descoperite până în prezent sunt compuși organici; Aproximativ 50% din toți compușii organici cunoscuți formează cristale lichide când sunt încălziți. Literatura descrie, de asemenea, cristale lichide ale unor hidroxizi (de exemplu, Fe2O3 X H2O).

cristale lichide , stare de cristal lichid, stare mezomorfă - o stare a materiei în care are proprietățile unui lichid (fluiditate) și unele proprietăți ale cristalelor solide (anizotropia proprietăților). Zh. pentru a forma substanțe ale căror molecule sunt sub formă de bastoane sau plăci alungite. Se face o distincție între cristalele lichide termotrope și liotrope.Primele sunt substanțe individuale care există în stare mezomorfă într-un anumit interval de temperatură, sub care substanța este un cristal solid, deasupra căruia este un lichid obișnuit. Exemple:

paraazoxyanisol (în intervalul de temperatură 114-135°C), ester etilic al acidului azoxibenzoic

(100-120°C), colesterol propil eter (102-116°C). Cristalele lichide liotrope sunt soluții ale anumitor substanțe în anumiți solvenți. Exemple: soluții apoase soluții de săpun de polipeptide sintetice (poli-g-benzil- L-glutamat) într-un număr de solvenți organici (dioxan, dicloroetan).

1.2 Tipuri de cristale lichide .

Există două moduri de a obține cristale lichide. Unul dintre ei a fost descris mai sus când se vorbea despre benzoatul de colesteril. Când unii compuși organici solizi sunt încălziți, rețeaua lor cristalină se destramă și se formează un cristal lichid. Dacă temperatura crește și mai mult, atunci cristalul lichid se transformă într-un lichid real. Cristalele lichide formate la încălzire se numesc termotrope. La sfârșitul anilor 1960, s-au obținut compuși organici care sunt lichid cristalini la temperatura camerei.

Există două clase de cristale lichide termotrope: nematice (filamentoase) și smectice (sebacee sau mucoase). Cristalele lichide nematice pot fi împărțite în două categorii: obișnuite și colesteric-nematice (nematice răsucite).

Figura 2. CRISTALELE LICHIDE TERMOTROPICE, schema de ambalare moleculară. În clasa smectică (cu excepția smecticului D), moleculele sunt dispuse în straturi. Fiecare moleculă rămâne în propriul strat, dar straturile pot aluneca unul față de celălalt. În cristalele lichide nematice, moleculele se pot mișca în toate direcțiile, dar axele lor rămân întotdeauna paralele între ele. În cristalele lichide colesteric-nematice, axele moleculelor se află în planul stratului, dar orientarea lor se schimbă de la strat la strat, ca o spirală. Datorită acestei răsuciri elicoidale, peliculele subțiri de cristale lichide colesterice au o capacitate neobișnuit de mare de a roti planul de polarizare a luminii polarizate. A– smectic; b– nematic; v- colesteric.

1.3 Aplicare.

Dispunerea moleculelor în cristale lichide se modifică sub influența unor factori precum temperatura, presiunea, câmpurile electrice și magnetice; modificările în aranjarea moleculelor conduc la o schimbare a proprietăților optice, cum ar fi culoarea, transparența și capacitatea de a roti planul de polarizare a luminii transmise. (În cristalele lichide colesteric-nematice, această capacitate este foarte mare.) Numeroase aplicații ale cristalelor lichide se bazează pe toate acestea. De exemplu, dependența culorii de temperatură este folosită pentru diagnosticul medical. Prin aplicarea anumitor materiale cu cristale lichide pe corpul pacientului, medicul poate identifica cu ușurință țesuturile bolnave prin decolorare, unde aceste țesuturi generează cantități crescute de căldură. Dependența de temperatură a culorii face, de asemenea, posibilă controlul calității produselor fără a le distruge. Dacă un produs metalic este încălzit, atunci defectul său intern va modifica distribuția temperaturii pe suprafață. Aceste defecte sunt detectate printr-o schimbare a culorii materialului de cristal lichid depus pe suprafata.

Filmele subțiri de cristale lichide închise între pahare sau foi de plastic și-au găsit o largă aplicație ca dispozitive indicatoare (prin aplicarea de câmpuri electrice de joasă tensiune pe diferite părți ale unui film selectat corespunzător, este posibil să se obțină figuri vizibile pentru ochi, formate, de exemplu , prin zone transparente și opace). Cristalele lichide sunt utilizate pe scară largă în fabricarea de ceasuri și calculatoare mici. Sunt create televizoare cu ecran plat cu un ecran subțire cu cristale lichide. Relativ recent, s-au obținut fibre de carbon și polimer pe bază de matrice de cristale lichide.

2.Monitoare LCD

Familiarizarea noastră cu afișajele cu cristale lichide se desfășoară de mulți ani, iar istoria sa datează din era pre-computer. Astăzi, dacă o persoană se uită la ceasul de mână, verifică starea unei imprimante sau lucrează cu un laptop, întâlnește involuntar fenomenul cristalelor lichide. Mai mult, această tehnologie intră în domeniul tradițional al monitoarelor CRT - display-uri desktop pentru computere.

Tehnologia LCD se bazează pe utilizarea unor caracteristici ale luminii precum polarizarea. Ochiul uman nu poate face distincția între stările de polarizare ale unei unde, dar unele substanțe (de exemplu, filmele polaroid) transmit lumină doar cu o anumită polarizare. Dacă luați două polaroid - una luminoasă întârziatoare cu polarizare verticală și alta cu polarizare orizontală, puneți-le unul față de celălalt, atunci lumina nu va putea trece printr-un astfel de sistem (Figura 3).

Figura 3 polarizarea luminii.

Prin rotirea selectivă a polarizării luminii în golul dintre filme, am putea forma zone luminoase și întunecate - pixeli. Acest lucru este posibil dacă utilizați o placă presărată cu cristale optic active (se numesc astfel deoarece, datorită particularităților moleculelor lor asimetrice, pot modifica polarizarea luminii).

Dar afișajul implică o afișare dinamică a informațiilor, iar cristalele obișnuite nu ne vor putea ajuta aici. Omologul lor lichid vin în ajutor. Cristalele lichide sunt lichide în care este inerent un anumit aranjament de molecule, în urma căruia apare anizotropia proprietăților mecanice, magnetice și, cel mai interesant pentru noi, electrice și optice.

Datorită anizotropiei proprietăților electrice și prezenței fluidității, este posibil să se controleze orientarea preferată a moleculelor, modificând astfel proprietățile optice ale cristalului. Și au o trăsătură remarcabilă - forma specifică alungită a moleculelor și aranjarea lor paralelă le fac polarizatoare foarte eficiente. Acum să începem să studiem varietatea elementară de afișaje LCD - pe cristale nematice răsucite (Twisted Nematic - TN).

2.1 TN - cristale.

Faptul că moleculele unui cristal lichid nematic se aliniază ca soldații într-o paradă este o consecință a anizotropiei forțelor interacțiunii lor. Este imposibil de prezis poziția regizorului din punct de vedere macroscopic într-un cristal lichid liber; prin urmare, este imposibil să se determine în prealabil în ce plan va polariza lumina.

Se pare că este destul de simplu să dai moleculelor una sau alta orientare, este necesar doar să facem o placă (transparentă pentru scopurile noastre, de exemplu, sticlă) cu multe șanțuri paralele microscopice (lățimea lor ar trebui să corespundă dimensiunii minime de elementul imagine fiind format).

Moleculele înguste și lungi ale stratului inferior al cristalului lichid, care cad în adâncituri, sunt forțate să adere la o anumită orientare. Și toate straturile ulterioare de molecule se vor alinia cu ele „în partea din spate a capului” datorită interacțiunii intermoleculare deja menționate mai sus. Dacă acum plasăm o altă placă de sticlă deasupra cu un set similar de caneluri, astfel încât acestea să fie perpendiculare pe canelurile plăcii inferioare, atunci axele longitudinale ale moleculelor stratului superior vor fi în unghi drept cu axele moleculelor. din stratul inferior. Între aceste două poziții extreme se formează un fel de helix moleculară din orientări intermediare, care a dat numele tehnologiei - twisted nematic (twisted nematic).

Pe măsură ce lumina călătorește de-a lungul spiralei, planul său de polarizare se rotește, urmând orientarea axei longitudinale a moleculelor sale constitutive. În cazul unui „sandwich”, plăcile cu caneluri perpendiculare formează o spirală rotită cu 90°, iar planul de polarizare este rotit tocmai de acest unghi. Dacă un astfel de „sandwich” este plasat între două polaroide cu axe perpendiculare (un polaroid transmite doar lumină care este polarizată liniar de-a lungul axei sale), atunci lumina va trece printr-un astfel de sistem (Figura 4).

Astfel, pixelii luminoși sunt formați în afișajele TN. Pixelii inversați (în acest caz întunecați) sunt produsul unei alte proprietăți a cristalelor lichide, anizotropia electrică. Este suficient să aplicați un câmp electric spiralei, iar moleculele vor fi imediat forțate să se întoarcă de-a lungul vectorului intensității sale. Prin plasarea electrozilor de film transparent miniatural deasupra și dedesubtul stratului de cristale lichide, aplicându-le tensiune, este posibilă orientarea moleculelor pe verticală. După aceea, nu mai pot schimba polarizarea luminii și, deoarece axele polaroidelor sunt perpendiculare, lumina nu va trece. Prin pornirea și oprirea electrozilor individual, obținem o imagine dinamică alb-negru.

— Dar în tonuri de gri? - tu intrebi. Gradațiile sau nivelurile de luminozitate ale pixelilor pot fi controlate de cantitatea de tensiune aplicată. Mărind-o treptat, vom observa modul în care helixul molecular trece prin trei etape ale stării sale - trei zone (Figura 5). Zona 1 corespunde transmisiei maxime și alb (rotație maximă de polarizare), zona 3 - minimului și negru, iar cele mai interesante stări sunt în zona 2. Cu o schimbare precisă a tensiunii în interiorul acesteia, se obțin toate nuanțele de gri.

2.2 Anatomie LCD .

Având puțină înțelegere a principiilor fizice de funcționare a unui LCD de tip nematic simplu, puteți lua în considerare aspectele pur mecanice ale designului său (Figura 6). La bază se află un sistem de iluminare din spate - acestea sunt puternice (la urma urmei, restul „sandvișului” absoarbe până la 50% din lumina transmisă) lămpi fluorescente sub formă de tuburi și materiale speciale (ghid de lumină din plastic), sau lumină ghidaje care contribuie la o distribuție mai uniformă a luminii pe planul ecranului. Acest lucru nu este întotdeauna posibil de realizat, iar rezultatul poate fi benzi întunecate, eterogenitate a imaginii.

Figura 6. Structura monitorului LCD Lumina este direcționată către un filtru polarizant. Urmează o placă de sticlă, pe care sunt aplicați electrozi translucizi dintr-o peliculă de oxizi de indiu și staniu, care formează pixeli de imagine. Apoi vine filmul de polimer cu microcaneluri care orientează moleculele de cristale lichide care formează următorul strat. A doua jumătate - totul este exact invers (cu excepția luminii de fundal).

Acum luați în considerare principalele diferențe dintre matricele active și pasive, precum și formarea imaginilor color. În matricele pasive de adresare se folosesc benzi de electrozi translucizi, amplasați pe ambele suprafețe ale substraturilor de sticlă și orientați perpendicular (Figura 7). Intersecția lor formează un pixel. Pentru a-și schimba starea, trebuie să utilizați două linii de adresă - verticală și orizontală. Unul, de exemplu, cel de jos, este împământat, iar celuilalt este aplicat un impuls de control. Procesul în care o imagine este creată prin eșantionarea succesivă a tuturor combinațiilor a două linii de control se numește scanare.

2.3 TFT - display-uri

Trecand de la un display alb-negru experimentat, display-urile LCD au ajuns la stadiul de dezvoltare, care foloseste o tehnologie numita TFT (Thin Film Transistors). Se bazează pe matrice active bazate pe tranzistori cu film subțire. În acest caz, pe substratul de sticlă se aplică un strat de siliciu amorf, pe care se formează tranzistori - câte unul pentru fiecare pixel. Tranzistoarele acționează ca un intermediar între sistemul de adresare și celulele LCD. Există și panouri bazate pe diode cu film subțire (TFD). În matricele active, influența procesului de eșantionare (adresare) asupra celulelor învecinate este exclusă, fiecare pixel este izolat. Datorită acestui fapt, întârzierile în „comutația” celulelor cu cristale lichide pot fi reduse la 25 ms, ceea ce permite deja afișajelor cu matrice activă să concureze cu monitoarele CRT. De îndată ce celula primește o încărcare, aceasta, ca un condensator, o stochează, dar nu suficient de mult timp. În timp ce scanarea matricei este finalizată, celulele care au fost procesate mai întâi încep deja să-și piardă încărcarea. Pentru a evita eterogenitatea imaginii, la fiecare celulă este conectat un condensator suplimentar, care o „alimentează” pe tot parcursul ciclului de scanare.

Principiul general de funcționare al tuturor LCD-urilor TFT este prezentat în Figura 8: lumina de la o lampă de neon trece printr-un sistem de reflectoare, este direcționată prin primul filtru polarizant și intră într-un strat de cristale lichide controlat de un tranzistor; apoi lumina trece prin filtre de culoare (ca și în CRT, fiecare pixel al matricei este construit din trei componente de culoare - roșu, verde și albastru). Tranzistorul creează un câmp electric care stabilește orientarea spațială a cristalelor lichide. Lumina, care trece printr-o astfel de structură moleculară ordonată, își schimbă polarizarea și, în funcție de ea, fie va fi complet absorbită de cel de-al doilea filtru polarizant la ieșire (formând un pixel negru), fie nu va fi absorbită sau parțial absorbită (formând diverse nuanțe de culoare, până la alb pur).

Figura 8

Filtrele de culoare pentru roșu, verde și albastru sunt integrate în baza de sticlă și plasate unul lângă celălalt. Fiecare pixel (punct) este format din trei celule de culorile specificate (subpixeli). Aceasta înseamnă că la o rezoluție de 1280 x 1024 pixeli, ecranul conține exact 3840 x 1024 tranzistori și elemente pixeli. Dimensiunea pixelilor pentru un afișaj TFT de 15,1 inchi (1024 x 768 puncte) este de aproximativ 0,30 mm, iar pentru un afișaj TFT de 18,1 inchi (1280 x 1024 puncte) este de aproximativ 0,28 mm.

Figura 9. Structura pixelilor TFT -afişa.

Pixeli de afișare TFT. Colțul din stânga sus al celulei conține un tranzistor cu peliculă subțire ( T hin F ilm T ransistor). Filtrele de culoare permit celulelor să-și schimbe culorile RGB naturale. Punctele se disting clar și cu cât distanța dintre ele este mai mică, cu atât rezoluția maximă posibilă este mai mare. Cu toate acestea, TFT-urile au și o limitare fizică, care este determinată de suprafața maximă a ecranului.

Cel mai comun tip de semnalizare digitală se bazează pe o tehnologie numită TN TFT sau TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film). Termenul Film se referă la un strat de film exterior opțional care permite unghiului de vizualizare să fie mărit de la standardul de 90 de grade (45 pe fiecare parte) la aproximativ 140 de grade. Schema de funcționare a afișajului TN TFT este prezentată în Figura 10:

1. Când tranzistorul este în starea oprită, adică nu creează un câmp electric, moleculele de cristale lichide sunt în starea lor normală și sunt aliniate în așa fel încât să modifice unghiul de polarizare al fluxului de lumină care trece prin ele cu 90 de grade (cristalele lichide formează o spirală). Deoarece unghiul de polarizare al celui de-al doilea filtru este perpendicular pe unghiul primului, lumina care trece prin tranzistorul inactiv se va stinge fără pierderi, formând un punct luminos, a cărui culoare este stabilită de filtrul de lumină.

2. Când tranzistorul generează un câmp electric, toate moleculele de cristale lichide se aliniază în linii paralele cu unghiul de polarizare al primului filtru și, prin urmare, nu afectează în niciun fel fluxul de lumină care trece prin ele. Al doilea filtru de polarizare absoarbe complet lumina, creând un punct negru în locul uneia dintre cele trei componente de culoare.

Figura 10.

Problemele cu unghiul de vizualizare acceptabil al ecranului sunt tipice pentru LCD-urile care oferă semitonuri. Intensitatea rezultată a luminii transmise de panou din cauza fenomenului de birefringență în cristale lichide depinde de unghiul (j) dintre normala față de unda luminoasă și direcția directorului moleculelor de cristal lichid, ca sin2j . Aceasta înseamnă că în starea de pornire completă, la valori de j până la 30°, intensitatea luminii transmise se modifică cu cel mult 10%, în timp ce la un nivel de gri de 50% (unghiul dintre regizor și normalul). față de suprafața ecranului este de 45°) - cu 90%, ceea ce duce la o distorsiune severă a gradațiilor luminozității sau a culorilor cu o ușoară modificare a unghiului de vizualizare. Una dintre cele mai simple modalități de a evita efectul birefringenței este aplicarea foliilor de compensare polimerice pe suprafața panoului, care au un indice de refracție de alt semn decât cristalul lichid.

O modalitate originală de a rezolva problema a fost găsită de Günther Baur în 1971. Pe baza metodologiei sale, Hitachi Corporation a dezvoltat tehnologia IPS (In-Plane Switching) în 1995. Baur a propus o nouă schemă a unei celule LC, în care moleculele în stare normală nu sunt răsucite într-o spirală de 90°, ci sunt orientate paralel unele cu altele. Canelurile de pe filmele polimerice de jos și de sus sunt paralele, iar toți electrozii de control sunt amplasați pe aceeași parte a panoului. Când se aplică o tensiune, câmpul electric rotește moleculele LC în planul ecranului. Unghiul dintre director și planul panoului rămâne constant. Din păcate, IPS are și unele dezavantaje, precum luminozitatea cu 50% mai mică.

Divizia japoneză a IBM a propus și îmbunătățește metodologia OCB (Optical Compensated Bend). Se bazează pe așa-numitele celule Pi, care folosesc capacitatea de a modifica parametrii de birefringență ai cristalelor lichide. Fasciculul de lumină care intră în celulă își schimbă ușor direcția, ca și cum ar fi „agățat” de direcția vectorului normal de suprafața ecranului și, părăsindu-l, revine la direcția inițială de propagare.

Specialistii Sharp au implementat o alta tehnologie pentru extinderea unghiului de vizualizare - ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode). Pe filtrul de culoare se formează pereți speciali proeminenti, acoperiți cu o peliculă polimerică de orientare (Figura 11). Ele formează celule LC individuale cu un aranjament neobișnuit simetric axial de molecule de cristal (cum ar fi paletele ventilatorului). Pereții care limitează celulele LC sunt obținuți ca urmare a introducerii moleculelor de rășină polimerizată în compoziția cristalului și iradierii amestecului rezultat cu radiații ultraviolete după separarea fazelor. ASM aparține clasei de tehnici de stabilizare LC folosind polimeri. Conform unei alte metode de utilizare a polimerilor, aceștia se adaugă la cristalele lichide în cantitate mică, ceea ce face posibilă controlul orientării moleculelor LC direct în interiorul celulei, și nu numai pe două suprafețe limită, așa cum se întâmplă în cazul polimerului. filme.

Figura 11

2.4 Cristale lichide ferrodielectrice

Unul dintre punctele slabe ale oricărui panou LCD este regenerarea imaginii. Procesele complexe de încărcare și descărcare a celulelor, timpul scurt de care dispun pentru a menține o anumită stare, pericolul de a acumula încărcări semnificative - toate acestea complică producția. Este indirect posibilă simplificarea electronicii de control utilizând cristale lichide ferodielectrice (FLCD). Dacă unui grup de molecule i se dă o anumită orientare, acestea (în absența influențelor externe) îl vor reține pentru o perioadă nelimitată de timp, formând un singur domeniu. Celulele ferrodielectrice nu necesită regenerare frecventă, scanarea va avea loc numai la schimbările de cadru. În plus, au o viteză de reacție excelentă - 10 ms. Cu toate acestea, natura lor bistabilă face dificilă generarea semitonurilor. Ecranele sunt create și pe baza LCD-urilor antiferodielectrice (AFLCD). Cele mai recente modificări ale acestora înlătură parțial această problemă.

2.5 Cristale lichide adresate cu plasmă (PALC)

Acest tip de afișaj folosește un panou cu plasmă pentru a conduce celulele LCD. Un afișaj PALC constă dintr-un substrat de sticlă cu un filtru polarizant aplicat pe partea inferioară și proeminențe-bariere longitudinale formate în partea de sus. În interiorul fiecărei coloane formate de bariere sunt doi electrozi. De sus, structura este acoperită cu un strat subțire de sticlă, iar recipientele rezultate sunt umplute cu gaz la o presiune de câțiva kPa. Acesta este urmat de un strat LC, o peliculă transparentă cu electrozi de coloană, filtre colorate, un substrat de sticlă cu polarizator (Figura 12). În spatele întregii structuri se află o unitate de iluminare din spate. Coloana este prelevată prin generarea unei descărcări între doi electrozi într-o celulă longitudinală umplută cu un gaz rarefiat. Pe suprafața sticlei care separă celulele de gaz și LC, se formează o sarcină negativă, care este ca un electrod virtual (Figura 13). La unul dintre electrozii transversali de pe partea opusă a „sandvișului” se aplică o tensiune de +70 V. Sarcina de la electrodul virtual curge prin celula LC situată la intersecția celulei longitudinale gazoase și a electrodului transversal. De îndată ce încărcarea se epuizează, toate celulele LCD intră într-o stare complet izolată și puteți începe eșantionarea următorului pixel.

Figura 12.

Figura 13.

Unul dintre avantajele panourilor PALC este ușurința în fabricare. Sunt mai puțin sensibili la curățenia din fabrică și precizia aspectului decât TFT-urile tradiționale. Acest lucru permite utilizarea substraturilor mari de sticlă și, prin urmare, deschide perspectiva producerii de ecrane LCD mari. Ecranele PALC nu prezintă defecte de puncte la care monitoarele cu matrice activă sunt atât de sensibile. Independența constructivă a panourilor cu plasmă și LCD facilitează dezvoltarea de noi modificări.

3. Rezultate

În acest material, au fost luate în considerare doar elementele de bază ale tehnologiei de producție LCD și au rămas multe dincolo de scopul publicației. Lumea panourilor cu cristale lichide este situată la joncțiunea mai multor științe simultan: chimia, fizica stării solide și fizica lichidelor, cristalografia. Bogăția componentelor duce la o varietate de soluții. Industria monitoarelor cu ecran plat este în plină expansiune, iar urmărirea apariției noilor tehnologii, a modificării celor existente și a dispariției celor învechite este posibilă doar prin căutarea constantă a literaturii de specialitate.

Bibliografie:

1. http://www.cultinfo.ru

2. http://bigpi.biysk.ru

3. I. G. Chistyakov, Cristale lichide, Moscova, 1966;

4. Gray G. W., Molecular structure and the liquid crystals, L. - N. Y., 1962;

5. Cristale lichide, trans. din franceză, „Natura”, 1972, nr. 2;

6. Turanov A.N., Goncharov V.A., Galyametdinov Yu.G., Ivanova G.I., Ovchinnikov I.V. Izv. Acad. științe, ser. Khim., 1999, nr. 4, 694-697.

7. I. V. Ovchinnikov și Yu. G. Galyametdinov, Cristale lichide magnetice bazate pe compuși de coordonare. Russian Chemical Journal 2001, XLV. Numarul 3. pp.74-79

cristale lichide

Introducere

Cristalele lichide (abreviate ca LC) sunt substanțe care au simultan proprietățile atât ale lichidelor (fluiditate), cât și ale cristalelor (anizotropie). Conform structurii, LC-urile sunt lichide asemănătoare jeleului, formate din molecule alungite, ordonate într-un anumit fel pe întregul volum al acestui lichid. Cea mai caracteristică proprietate a LC-urilor este capacitatea lor de a schimba orientarea moleculelor sub influența câmpurilor electrice, ceea ce deschide oportunități largi pentru aplicarea lor în industrie. În funcție de tipul de LC, acestea sunt de obicei împărțite în două grupuri mari: nematici și smectici. La rândul lor, nematicele sunt subdivizate în cristale lichide nematice și colesterice.

Istoria descoperirii cristalelor lichide

Cristalele lichide au fost descoperite în 1888 de botanistul austriac F. Reinitzer. El a observat că cristalele de benzoat de colesteril și acetat de colesteril au două puncte de topire și, în consecință, două stări lichide diferite - tulbure și transparente. Cu toate acestea, oamenii de știință nu au acordat prea multă atenție proprietăților neobișnuite ale acestor lichide. Multă vreme, fizicienii și chimiștii, în principiu, nu au recunoscut cristalele lichide, deoarece existența lor a distrus teoria celor trei stări ale materiei: solid, lichid și gazos. Oamenii de știință au atribuit cristalele lichide fie soluțiilor coloidale, fie emulsiilor. Dovada științifică a fost oferită de profesorul de la Universitatea Karlsruhe Otto Lehmann (germană: Otto Lehmann) după mulți ani de cercetări, dar chiar și după apariția cărții „Cristale lichide” scrisă de el în 1904, descoperirea nu a fost aplicată.

În 1963, americanul J. Ferguson (englezul James Fergason) a folosit cea mai importantă proprietate a cristalelor lichide - de a-și schimba culoarea sub influența temperaturii - pentru a detecta câmpuri termice invizibile cu ochiul liber. După ce i s-a acordat un brevet pentru o invenție (S.U.A. 3114836 (engleză)), interesul pentru cristalele lichide a crescut dramatic.

În 1965 s-a întâlnit în SUA Prima Conferință Internațională dedicată cristalelor lichide. În 1968, oamenii de știință americani au creat indicatori fundamental noi pentru sistemele de afișare a informațiilor. Principiul funcționării lor se bazează pe faptul că moleculele de cristale lichide, care se rotesc într-un câmp electric, reflectă și transmit lumina în moduri diferite. Sub influența tensiunii, care a fost aplicată conductoarelor lipite în ecran, a apărut o imagine pe acesta, constând din puncte microscopice. Și totuși, abia după 1973, când un grup de chimiști englezi condus de George William Gray a sintetizat cristale lichide din materii prime relativ ieftine și accesibile, aceste substanțe s-au răspândit într-o varietate de dispozitive.

Grupuri de cristale lichide

În funcție de proprietățile lor generale, LC-urile pot fi împărțite în două grupuri mari:

LC termotrope, formate ca urmare a încălzirii unui solid și existente într-un anumit interval de temperaturi și presiuni și LC-uri liotrope, care sunt două sau mai multe sisteme componente formate în amestecuri de molecule în formă de tijă ale unei substanțe date și apă (sau alte solvenți polari). Aceste molecule în formă de tijă au o grupare polară la un capăt, iar cea mai mare parte a tijei este un lanț hidrocarburic hidrofob flexibil. Astfel de substanțe sunt numite amfifile (amphi - în greacă înseamnă de la două capete, philos - iubitor, binevoitor). Fosfolipidele sunt un exemplu de amfifile.

Moleculele amfifile, de regulă, sunt slab solubile în apă, tind să formeze agregate în așa fel încât grupările lor polare de la limita de fază sunt îndreptate către faza lichidă. La temperaturi scăzute, amestecarea lichidului amfifil cu apă are ca rezultat separarea sistemului în două faze. Sistemul săpun-apă poate servi ca una dintre variantele de amfifile cu o structură complexă. Există un anion alifatic CH3-(CH2)n-2-CO2- (unde n ~ 12-20) și un ion pozitiv Na+, K+, NH4+ etc. Grupul polar CO2- tinde să intre în contact strâns cu moleculele de apă, în timp ce grupul nepolar (lant amfifil) evita contactul cu apa. Acest fenomen este tipic pentru amfifili.

LC-urile termotrope sunt împărțite în trei clase mari:

Cristale lichide nematice. În aceste cristale, nu există o ordine pe distanță lungă în aranjarea centrelor de greutate ale moleculelor, nu au o structură stratificată, moleculele lor alunecă continuu în direcția axelor lor lungi, rotindu-se în jurul lor, dar în același timp. timp în care păstrează ordinea de orientare: axele lungi sunt îndreptate pe o direcție predominantă. Se comportă ca lichidele obișnuite. Fazele nematice se găsesc numai în substanțele ale căror molecule nu au nicio diferență între formele din dreapta și din stânga, moleculele lor sunt identice cu imaginea lor în oglindă (achiral). Un exemplu de substanță care formează un FA nematic este

Cristalele lichide smectice au o structură stratificată, straturile se pot mișca unul față de celălalt. Grosimea stratului smectic este determinată de lungimea moleculelor (în principal lungimea „cozii”) de parafină, cu toate acestea, vâscozitatea smecticilor este mult mai mare decât cea a nematicilor, iar densitatea de-a lungul normalului la suprafața stratului. poate varia foarte mult. Tipic este tereftal-bis(nara-butilanilina):

Cristale lichide colesterice - sunt formate în principal din compuși ai colesterolului și alți steroizi. Acestea sunt LC-uri nematice, dar axele lor lungi sunt rotite unele față de altele, astfel încât formează spirale care sunt foarte sensibile la schimbările de temperatură datorită energiei de formare extrem de scăzute a acestei structuri (aproximativ 0,01 J/mol). Para-(4-cianobenzilideneamino)-cinamatul de amil poate fi menționat ca un colesteric tipic

Colesteriile sunt viu colorate și cea mai mică modificare a temperaturii (până la miimi de grad) duce la o modificare a pasului helixului și, în consecință, la o schimbare a culorii LC.

În toate tipurile de cristale lichide de mai sus, este caracteristică orientarea moleculelor dipol într-o anumită direcție, care este determinată de un vector unitar - numit „director”.

Recent, au fost descoperite așa-numitele faze columnare, care sunt formate doar din molecule în formă de disc dispuse în straturi una peste alta sub formă de coloane multistrat cu axe optice paralele. Adesea sunt numite „filamente lichide”, de-a lungul cărora moleculele au grade de libertate de translație. Această clasă de compuși a fost prezisă de academicianul L. D. Landau și a fost descoperită abia în 1977 de Chandrasekhar. Schematic, natura ordonării cristalelor lichide de aceste tipuri este prezentată în figură.

LCD-urile au proprietăți optice neobișnuite. Nematicile și smecticile sunt cristale optic uniaxiale. Colesteriile, datorită structurii lor periodice, reflectă puternic lumina în regiunea vizibilă a spectrului. Deoarece faza lichidă este purtătoarea de proprietăți în nematică și colesteric, este ușor deformată sub influența influențelor externe și, deoarece pasul helixului în colesteric este foarte sensibil la temperatură, prin urmare, reflectarea luminii se modifică brusc cu temperatura, ceea ce duce la o schimbare a culorii substanței.

Aceste fenomene sunt utilizate pe scară largă în diverse aplicații, precum găsirea punctelor fierbinți în microcircuite, localizarea fracturilor și tumorilor la om, imagistica în raze infraroșii etc.

Caracteristicile multor dispozitive electro-optice care funcționează pe LC-uri liotrope sunt determinate de anizotropia conductivității lor electrice, care, la rândul său, este legată de anizotropia polarizabilității electronice. Pentru unele substanțe, datorită anizotropiei proprietăților LC, conductivitatea electrică își schimbă semnul. De exemplu, pentru acidul n-octiloxibenzoic trece prin zero la o temperatură de 146°C, iar acest lucru este atribuit caracteristicilor structurale ale mezofazei și polarizabilității moleculelor. Orientarea moleculelor fazei nematice, de regulă, coincide cu direcția celei mai mari conductivitati.

Toate formele de viață sunt conectate într-un fel sau altul cu activitatea unei celule vii, multe dintre ale cărei legături structurale sunt similare cu structura cristalelor lichide. Dispunând de proprietăți dielectrice remarcabile, FA formează suprafețe eterogene intracelulare, reglează relația dintre celulă și mediul extern, precum și între celulele și țesuturile individuale, asigură inerția necesară părților constitutive ale celulei, protejând-o de influența enzimatică. Astfel, stabilirea regularităților în comportamentul FA deschide noi perspective în dezvoltarea biologiei moleculare.

Aplicații cu cristale lichide

Una dintre utilizările importante ale cristalelor lichide este termografia. Prin selectarea compoziției unei substanțe cu cristale lichide, sunt creați indicatori pentru diferite intervale de temperatură și pentru diferite modele. De exemplu, cristalele lichide sub formă de peliculă sunt aplicate pe tranzistoare, circuite integrate și plăci de circuite imprimate ale circuitelor electronice. Elementele defecte - foarte calde sau reci, nefuncționale - sunt imediat vizibile prin petele de culoare strălucitoare. Medicii au primit noi oportunități: un indicator cu cristale lichide pe pielea pacientului diagnostichează rapid inflamația latentă și chiar o tumoare.

Cu ajutorul cristalelor lichide sunt detectați vapori de compuși chimici nocivi și radiații gamma și ultraviolete periculoase pentru sănătatea umană. Pe baza de cristale lichide, au fost create contoare de presiune și detectoare cu ultrasunete. Dar cel mai promițător domeniu de aplicare al substanțelor cu cristale lichide este tehnologia informației. Au trecut doar câțiva ani de la primii indicatori, familiari tuturor, de la ceasurile electronice, până la televizoarele color cu ecran cu cristale lichide de mărimea unei cărți poștale. Aceste televizoare oferă o imagine de foarte înaltă calitate, consumând mai puțină energie.

CRISTALELE LICHIDE ȘI DISPOZITIVELE BAZATE PE ELE În prezent, tehnologiile monitoarelor LCD cu cristale lichide sunt cunoscute chimiștilor încă din 1888, dar utilizarea lor practică (pentru ecrane de ceasuri și calculatoare) a început abia în anii 1960. În 1990, De Gennes a primit Premiul Nobel pentru teoria LC. În prezent, cristalele lichide au revoluționat electronica, sunt utilizate într-o mare varietate de afișaje (la ceasuri, mini televizoare), monitoare LCD pentru computere, ca senzori termici vizuali (schimbarea culorii cu temperatura), etc. Lichid mezofazic în stare solidă (3 -dimensional) ( 1-2-dimensional) (izotrop Termenul de cristal lichid (LC) desemneaza mezofaza dintre starea solida si starea lichida izotropa, in timp ce mezofaza pastreaza proprietatile fundamentale inerente celor doua stari ale materiei. "Mezos" inseamna intermediar, mediu.In unele cazuri mezofaza este stabila intr-o gama larga de temperaturi, inclusiv temperatura camerei, apoi se vorbeste de LC.

Structura chimică a moleculelor care formează cristale lichide. a) - molecule care formează LC - smectice și nematice, b) - molecule care formează LC - discotice. Nematică. Acest nume provine din grecescul „nema” (nhma), care înseamnă fir. Pentru a caracteriza ordinea de orientare a nematicii, se introduce un vector de unitate de lungime, directorul, a cărui direcție coincide cu direcția orientării medii a axelor lungi ale moleculelor. În plus, se mai introduce o cantitate, parametrul de ordine S, care caracterizează gradul de ordonare orientativă a moleculelor, unde este unghiul dintre direcțiile directorului și direcția instantanee a axei lungi a moleculelor. Evident, parametrul poate lua valori de la 0 la 1. Valoarea S = 1 corespunde ordinii de orientare completă, S = 0 înseamnă tulburare de orientare completă și corespunde unui lichid izotrop.

Smecticii. Numele provine din grecescul „smegma” (smhgma), care înseamnă „săpun”. În aceste materiale, pe lângă ordonarea orientativă a moleculelor, există o ordonare parțială a centrelor de greutate ale moleculelor. Cu alte cuvinte, centrele de greutate ale moleculelor sunt organizate în straturi, distanța dintre care este fixă. Straturile de molecule sunt ușor deplasate unul față de celălalt, iar smecticii sunt ca săpunul la atingere. axele moleculei Discoticele colonoidale pot fi atribuite și smecticilor Nematică - faza LC mai fluidă nu are straturi, ci are doar o direcție predominantă (director Tipuri de cristale lichide A - nematic, B - smectic, C discotic

Colesterice, care și-au primit numele de la colesterol (primul compus deschis). O astfel de moleculă are o axă optică în jurul căreia directorul se poate roti. pe măsură ce treceți de la un strat la altul, regizorul se rotește treptat, creând o structură elicoidală unică. Sunt prezentate axa optică a moleculei, direcția directorului și pasul șurubului, p, (distanța la care directorul se rotește 360). Lungimea de undă a luminii care este reflectată de LC colesteric = np, unde n este indicele de refracție. Adesea, aceste lungimi de undă sunt în domeniul vizibil. O proprietate importantă a unui colesteric este dependența pasului șurubului de temperatură, adică. dependența de temperatură a lungimii de undă a luminii reflectate. Temperaturile mai ridicate sunt albastre, temperaturile mai scăzute sunt roșii.

Aplicații ale cristalelor lichide în afișaje Principala aplicație a LCD-urilor este legată de dispozitivele electro-optice (EO). Pentru astfel de aplicații, un LC (nematic) trebuie să aibă patru proprietăți necesare și anume: ordonarea suprafeței, reorientarea directorului printr-un câmp electric sau anizotropie dielectrică, rotația planului de polarizare a luminii sau anizotropie optică și elasticitatea orientativă (abilitatea moleculelor de a suferi diverse rotații). 1.Ordonarea suprafeței. De obicei, un afișaj EO este o cuvă de sticlă cu o grosime mai mică de 20 µm, în care este plasat un LC. Direcția directorului LC poate fi stabilită prin tratarea suprafețelor celulare în așa fel încât moleculele LC să se alinieze într-o anumită direcție paralelă cu planul celulei sau perpendicular pe acesta.

0. Această anizotropie este principalul dv" title="(!LANG:2. Anizotropia dielectrică a LCD-ului poate fi scrisă ca diferența dintre constanta dielectrică în direcția paralelă cu directorul și perpendicular pe acesta = -. Dacă directorul se aliniază paralel cu câmpul apoi > 0. Această anizotropie este principalul dv" class="link_thumb"> 6 !} 2. Anizotropia dielectrică a unui LC poate fi scrisă ca diferența dintre constanta dielectrică pe direcția paralelă cu directorul și perpendiculară pe aceasta = -. Dacă directorul este aliniat paralel cu câmpul, atunci >0. Această anizotropie este principala forță motrice din spatele performanței afișajului. Contribuția electrică la energia liberă a cristalelor conține un termen care depinde de unghiul dintre director (n) și câmpul electric aplicat (E), prin care directorul se va roti pentru a minimiza energia liberă și se va alinia paralel cu câmpul. . Rețineți că această contribuție nu este dipol și nu depinde de direcția câmpului electric. 3. Anizotropia optică este legată de anizotropia indicelui de refracție - n, sau birefringență. Aceasta înseamnă că materialul are două valori de n pentru direcțiile de polarizare a luminii paralele și perpendiculare pe director, diferența dintre ele n=n -n este o măsură a anizotropiei optice. Această valoare trebuie să fie >0,2 pentru ca ecranul LCD să funcționeze. 4. Elasticitatea orientativă este necesară pentru a asigura rotația moleculelor atunci când se aplică câmpul și revenirea lor la poziția inițială după oprirea câmpului. Această proprietate este descrisă de constantele elastice de înclinare, răsucire și îndoire K 11, K 22 și K3 3 0. Această anizotropie este principala forță motrice pentru funcționarea afișajelor.Contribuția electrică la energia liberă a cristalelor conține un termen care depinde de unghiul dintre director (n) și câmpul electric aplicat (E), în timp ce directorul se va roti pentru a minimiza energia liberă și se aliniază paralel cu câmpul. Rețineți că această contribuție nu este un dipol, independent de direcția câmpului electric. 3. Anizotropia optică este legată de anizotropia indicelui de refracție - n, sau birefringență .Aceasta înseamnă că materialul are două valori de n pentru direcțiile de polarizare a luminii paralele și perpendiculare pe director, diferența dintre ele n=n -n este o măsură a anizotropiei optice. Pentru funcționarea LCD, această valoare trebuie să fie >0,2 .4.Elasticitatea orientațională este necesară pentru a asigura rotația moleculelor la aplicarea unui câmp și a le readuce în poziția inițială după oprirea câmpului.Această proprietate este descrisă de elastic con înclinați, răsuciți și îndoiți cascadorii K 11, K 22 și K3 3"> 0. Această anizotropie este principala dv" title="(!LANG:2. Anizotropia dielectrică a unui LC poate fi scrisă ca diferența dintre permisivitatea în direcția paralelă cu directorul și perpendiculară pe acesta = -. Dacă directorul este aliniat paralel cu câmpul, atunci >0. Această anizotropie este principala"> title="2. Anizotropia dielectrică a unui LC poate fi scrisă ca diferența dintre constanta dielectrică în direcția paralelă cu directorul și perpendiculară pe aceasta = -. Dacă directorul este aliniat paralel cu câmpul, atunci >0. Această anizotropie este principala"> !}

Cel mai simplu dispozitiv EO. În acest caz, suprafețele superioare și inferioare ale cuvei sunt frecate în direcții perpendiculare, astfel încât directorul LC se rotește din partea de sus a cuvei în jos cu 90 0, rotind astfel planul de polarizare.Contrastul imaginii se realizează folosind polaroid încrucișați. . În polaroidele încrucișate, această celulă arată strălucitoare. Dacă acum se aplică un câmp electric, directorul moleculelor LC se va alinia paralel cu câmpul, rotația planului de polarizare va dispărea, iar lumina din polaroidurile încrucișate va înceta să treacă.Tensiunea necesară pentru a roti directorul este de obicei 2-5 V și este determinată de anizotropie dielectrică și constante elastice. Rotația planului de polarizare într-o celulă LC

Display-ul LCD are mai multe straturi: două panouri din sticlă foarte pură - substratul. Straturile conțin un strat subțire de cristale lichide între ele. Panourile au caneluri. Canelurile sunt dispuse in asa fel incat sa fie paralele pe fiecare panou, dar perpendiculare intre doua panouri.In contact cu canelurile, moleculele din cristale lichide sunt orientate la fel in toate celulele. Cele două panouri sunt foarte apropiate unul de celălalt. Două filme polarizante sunt plasate în partea de sus și de jos.Pentru iluminare, se folosește de obicei o lampă, uneori afișează, de exemplu, afișaje de ceasuri, lucrează în lumină reflectată.

Pentru a furniza informații, un strat de ITO translucid este aplicat pe panourile de sticlă ca electrod. Electrozii sunt aplicați sub formă de puncte sau segmente, cărora li se furnizează informații separate.Dacă sunt plasați un număr mare de electrozi care creează câmpuri electrice diferite în locuri separate ale ecranului (celule), atunci va fi posibil, cu un control adecvat a potențialelor acestor electrozi, pentru a afișa litere și alte elemente de imagine pe ecran. Electrozii sunt plasați în plastic transparent și pot lua orice formă. Inovațiile tehnologice au făcut posibilă limitarea dimensiunii acestora la un punct mic (0,3 µm), mai mulți electrozi pot fi plasați pe aceeași zonă a ecranului, ceea ce crește rezoluția.Culoarea se obține prin utilizarea a trei filtre care separă trei componente principale de radiație. a unei surse de lumină albă. Prin combinarea celor trei culori primare pentru fiecare punct sau pixel de pe ecran, este posibilă reproducerea oricărei culori. Imaginea este formată linie cu linie prin furnizarea succesivă a unei tensiuni de control celulelor individuale, făcându-le transparente. Electrozi LCD Afișări cu matrice pasivă

Afișaje cu matrice activă Matricea activă utilizează elemente de amplificare separate pentru fiecare celulă de ecran, o matrice de electrozi care antrenează celulele cu cristale lichide ale afișajului. În cazul unei matrice pasive, diferiți electrozi sunt încărcați electric în mod ciclic pe măsură ce afișajul este actualizat linie cu linie, iar ca urmare a descărcării capacităților elementelor, imaginea dispare pe măsură ce cristalele revin la original. configurație. În cazul unei matrice active, la fiecare electrod se adaugă un tranzistor de stocare, care poate stoca informații digitale (valori binare de 0 sau 1) și, ca urmare, imaginea este stocată până la primirea unui alt semnal. Tranzistoarele de memorie trebuie să fie realizate din materiale transparente, care să permită trecerea fasciculului de lumină prin ele. În aceste scopuri, se folosesc folii subțiri cu tranzistor cu film subțire (sau TFT). Acestea sunt controalele care controlează fiecare pixel de pe ecran. tranzistorul este foarte subtire, 0,1-0,01 microni. Fabricat din siliciu amorf (a-Si),

Afișaje feroelectrice În ciuda utilizării pe scară largă a afișajelor cu matrice activă bazate pe LC-uri nematice, acestea au un dezavantaj fundamental: un timp lung de relaxare (timpul de răspuns al directorului LC după oprirea câmpului electric este de ~20 ms). Acum există o tehnologie fundamental diferită pentru fabricarea de afișaje plate, cu comutare rapidă, bazată pe utilizarea de smectici feroelectric, cu cristale lichide (fluorobifenil în Fig.). La prima vedere, pare ciudat că faza LC smectică mai vâscoasă (în comparație cu cea nematică) este folosită pentru a crea dispozitive rapide. Moleculele unui astfel de smectic au moment de dipol și sunt dispuse în straturi, în fiecare strat sunt înclinate la același unghi față de planul stratului. acelasi unghi

Același unghi de înclinare apare din cauza interacțiunii dipolilor moleculelor în prezența unei faze feroelectrice. Aplicarea unui câmp electric poate schimba direcția dipolilor spre opus, iar unghiul de înclinare al moleculelor se va modifica în consecință. Astfel, în stratul de molecule există două orientări posibile ale dipolilor și ale moleculelor în sine (cu și fără câmp electric), Fig. Timpul de rotație al moleculelor în acest caz este destul de mic, 1 μs, care este cu 2-3 ordine de mărime mai mic decât timpul de întoarcere al moleculelor în faza nematică. Inițial, polarizatoarele de lumină sunt setate în așa fel încât lumina să nu treacă (unul este paralel cu direcția directorului de molecule, celălalt este perpendicular). După aplicarea unui câmp electric, dipolii moleculelor se întorc paralel cu câmpul, iar directorul moleculelor se rotește printr-un anumit unghi față de polarizator, în timp ce lumina începe să treacă parțial prin structură. Un strat de molecule într-un smectic în faza feroelectrică.

cristale lichide

Textura Schlieren în cristale lichide nematice

cristale lichide(abreviat LCD) este o stare de fază în care trec unele substanțe în anumite condiții (temperatură, presiune, concentrație în soluție). Cristalele lichide au simultan proprietățile atât ale lichidelor (fluiditate), cât și ale cristalelor (anizotropie). Conform structurii, LC-urile sunt lichide vâscoase formate din molecule alungite sau sub formă de disc, ordonate într-un anumit fel pe întregul volum al acestui lichid. Cea mai caracteristică proprietate a LC-urilor este capacitatea lor de a schimba orientarea moleculelor sub influența câmpurilor electrice, ceea ce deschide oportunități largi pentru aplicarea lor în industrie. În funcție de tipul de LC, acestea sunt de obicei împărțite în două grupuri mari: nematici și smectici. La rândul lor, nematicele sunt subdivizate în cristale lichide nematice și colesterice.

Istoria descoperirii cristalelor lichide

Cu ajutorul cristalelor lichide sunt detectați vapori de compuși chimici nocivi și radiații gamma și ultraviolete periculoase pentru sănătatea umană. Contoarele de presiune și detectoarele cu ultrasunete au fost create pe baza de cristale lichide. Dar cel mai promițător domeniu de aplicare al substanțelor cu cristale lichide este tehnologia informației. Au trecut doar câțiva ani de la primii indicatori, familiari tuturor, de la ceasurile electronice, până la televizoarele color cu ecran cu cristale lichide de mărimea unei cărți poștale. Aceste televizoare oferă o imagine de foarte înaltă calitate, consumând mai puțină energie.

Legături

O conversație despre cristalele lichide cu doctorul în chimie Alexey Yuryevich Bobrovsky în programul Science 2.0

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți ce este „Cristale lichide” în alte dicționare:

O stare specială a unor organice in in, in to rum au un reologic. cu tine fluiditate lichidă, dar păstrează o anumită. ordinea în aranjarea moleculelor și anizotropia unui număr de fizice. St. in, caracteristica TV. cristale. Deschis în 1889 austriacă ...... Enciclopedia fizică

cristale lichide- Cristale lichide. Dispunerea moleculelor într-un cristal lichid. CRISTALELE LICHIDE, lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, optice) asociate cu ordinea în orientarea moleculelor. Datorită dependenței puternice a proprietăților fizice ...... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

Lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, optice) asociate cu ordinea în orientarea moleculelor. Datorită dependenței puternice a proprietăților cristalelor lichide de influențele externe, ele găsesc o varietate de aplicații în tehnologie ... ... Dicţionar enciclopedic mare

CRISTALELE LICHIDE- substanțe organice caracterizate printr-o combinație de proprietăți (vezi) fluiditate și solide (vezi) ordonarea orientării moleculare și optice (vezi). Direcții speciale în cristale lichide, precum și în cele solide, în care o rază de lumină se propagă fără a experimenta ... ... Marea Enciclopedie Politehnică

Lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, proprietăților optice) asociate cu forma alungită a moleculelor și ordinea în orientarea lor. Datorită dependenței puternice a proprietăților cristalelor lichide de influențele externe, ele găsesc ...... Dicţionar enciclopedic

Stare lichid-cristalină, stare mezomorfă, o stare a materiei în care are proprietățile unui lichid (fluiditate) și unele proprietăți ale cristalelor solide (anizotropie (Vezi Anizotropie) proprietăți). Zh. a. forma ...... Marea Enciclopedie Sovietică

În VA, trecând în anumite condiţii (t ra, presiune, concentraţie în soluţie) în cristalul lichid. stare, la un roi este intermediar între cristalin. stare și fluid. La fel ca lichidele obișnuite, fluidele au fluiditate, dar când ...... Enciclopedia chimică

O stare specială a unor organice in in, in to rum au un reologic. (vezi Reologie) fluidele sunt fluide, dar păstrează ordinea în aranjarea moleculelor și anizotropia unor fluide, care este caracteristică cristalelor. J. a. forma în wa, ...... Marele dicționar politehnic enciclopedic

Lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, proprietăți optice) asociate cu forma alungită a moleculelor și ordinea în orientarea lor. Datorită dependenței puternice a proprietăților lui Zh. față de exterior. influențează ei găsesc o varietate de aplicații în... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

cristale lichide- lichide cu anizotropie a proprietăților (în special, cele optice) asociate cu forma alungită a moleculelor și ordinea în orientarea lor ... Începuturile științelor naturale moderne