Dom > Izložba > Sadržaj

Svojstvo tekućeg kristala

Jun 28, 2018

Svojstvo tekućeg kristala

1. kratak uvod u tekuće kristale

Australski naučnik, Leni FM, 1888. godine sintetizira čudno organsko jedinjenje, koje ima dvije točke topljenja. Kada se čvrsti kristal zagreje na 145 ° C, topi se u tečnost, ali je samo oblačno, i sve čiste supstance su transparentne kada se rastale. Ako se nastavi zagrijavati do 175 stupnjeva, čini se da se ponovo topi i postaje bistra i prozirna tekućina. Kasnije, Lehman, njemački fizičar, nazvao je mutnu tekućinu u "srednjoj zoni" koja se zove kristal. To je kao mula, ni kao konj ni magarac, pa se naziva organska mazga. Kako je tečni kristal otkriven, ljudi ne znaju kako se koristi do 1968. godine, ljudi su ga uzimali kao materijal u elektronskoj industriji.

Stanje većine supstanci sa malom molekularnom težinom predstavlja tri stanja materije sa porastom temperature - čvrsti (čvrsti), tečni (tečni) i gas (gas). Ali ako je molekularna težina velika i struktura je posebna, promena njenog stanja nije tako jednostavna. Godine 1888., kada je Reinizer zagrijan do kristalizacije holesterin benzonata, otkriveno je da se, kada se zagreje na 145,5 stepeni, pretvori u mutnu, bijelu ljepljivu tekućinu, koja se potpuno zagrijala na 178,5 stupnjeva u prozirnu tekućinu. Lehman je ustanovio da stanje između kristala i transparentne tečnosti (faze) ima optičku anizotropiju svojstvenu čvrstom materijalu, tako da je nazvana kao tečni kristal (tečni kristal). Tečni kristal (tečni kristal) je sintetička reč tečnosti i kristala, što ukazuje da tečnost ima specifičnu fluidnost (fluidnost) i istovremeno ima jedinstvenu optičku anizotropiju (optička anizotropija). Pošto postoji u stanju između čvrstog i tečnog, tačnije je nazvati mezofazom (mezofazom), ali se češće naziva tečni kristal.

Sa produbljivanjem istraživanja, u mnogim supstancama je pronađena faza tekućih kristala, a za molekule sa fazom tekućih kristala utvrđeno je da imaju molekularne strukture slične trakama ili disku (pogledajte sliku 1). Kao što je prikazano na slici 2, molekuli sa fazom tekućih kristala su kristalne strukture raspoređene prema određenim pravilima na određenoj niskoj temperaturi, ali kada se dostigne određena tačka topljenja (tačka topljenja), centar mase se slobodno kreće, ali smjer kretanja šipka formira određeno stanje distribucije anizotropne tečnosti (anizotropne tečnosti). To je faza tekućih kristala. To je osnovni razlog zašto tečni kristali mogu imati optičku anizotropiju. Ako se temperatura podigne u tom trenutku (tačka čišćenja), molekuli nisu samo centar mase, već i pravac trake je slobodno raspoređen i postaje izotropna tečnost (izotropna tečnost).

1.png


2.png

Slika 1. Primjer molekularne strukture tekućih kristala, nematički tekući kristal 5CB i feroelektrični tekući kristal DOBAMBC


3.png

 

(kruta: kristal) (tekućina: anizotropna tekućina) (tekućina: izotropna tekućina)


Slika 2. prema raspodjeli i rasporedu molekula (faza).

(1) vrsta tekućeg kristala

Molekuli sa fazom tekućih kristala mogu formirati širok spektar faza prema afinitetu oblika ili specifične supstance, kao što je prethodno opisano, može se podijeliti na tekuće kristalne (liotropi) tekuće kristale (liotropi) s tekućom kristalnom fazom kada tekućina kristalna faza (termotropni kristal) sa fazom tečnog kristala u određenom temperaturnom području i određeni omjer otapala u specifičnom otapalu (liotropi) C tekućeg kristala). Većina tečnih kristala koji se koriste na ekranu su termotropni tečni kristali, a liotropni tečni kristali se uglavnom nalaze u biofilmovima. Termički tečni kristali mogu se podijeliti na nematičke (nematične), kolesterne (kolesterne) i blizu kristalinične (smektičke) prema njihovom položaju (položajni poredak) i smjeru smjera (orijentacijski poredak).

Nematski tečni kristal (nematski tekući kristal)

Središte mase nematičnih molekula tekućeg kristala se kreće kao tekućina, dok dugi pravac osi (duga molekularna os) molekula ima vremenski toplinski zamah, ali je ravnomjerno usmjeren u određenom smjeru. Jedinični vektor specificiran u ovom pravcu se zove kontrolor (direktor). Gotovo sve makroskopske fizičke konstante nematičkih tekućih kristala su jednoosne (jednoosne) u zavisnosti od rotacijske simetrije kontrolera. Osim toga, kontroler nije simetričan prije i poslije (simetrija glave do repa), pa čak i ako su njegovi sastavni molekuli polaritet (polaritet), nema polariteta u nematičnim tekućim kristalima. Iako je njegova struktura najjednostavnija u tri vrste tekućih kristala, većina tekućih kristala korištenih u monitorima su nematični tekući kristali. Uglavnom se izražava u N.

4.png


Slika 3. tip faze tekućih kristala

holesterični tečni kristal

Kolesterni tečni kristali slični su nematičnim tečnim kristalima, ali različiti su spiralna struktura sa svojim regulatorom koji rotira duž svoje vertikalne osi. U ravnini okomitoj na osovinu spirale nema razlike od nematičnog tekućeg kristala. Sastavni molekuli faze holesterne tečne kristale imaju kiralni hiralni centar (kiralni) bez apsolutne simetrije, a mogu se prikazati i molekuli s kiralnim radikalima u nematičnim tekućim kristalima. Stoga se holesterični tečni kristali nazivaju i kiralni nematični. Pored toga, prema sposobnosti kiralnih molekula, određen je smer rotacije osovine spirale. Stoga su kolesterni tečni kristali raspoređeni u pravilnom poretku duž smjera reda i spiralne osi, prostornim redoslijedom. Dužina 1-perioda spiralne strukture tečnog kristala se naziva stepen (pitch), kao što ima i glavu-rep simetriju u nematičnom tečnom kristalu, tako da je stvarni period samo polovina stepena. Uglavnom se izražava putem CLC ili ChLC. N * se takođe koristi za izražavanje značenja holesternih tečnih kristala. Asterisk predstavlja kiralno.

     

5.png   

Slika 4. korak kolesternih tečnih kristala

- smektični tečni kristal

Smektički tečni kristal ima strukturu tankog sloja (struktura lamele), koja se može podijeliti na SmA, SmB, SmC i SmD prema položaju i smjeru regulatora u istom sloju. Zbog strukture tankog sloja, skoro kristalna faza se dodaje u redosledu pravca i ima prostorni poredak više od 1 ose. SmA znači da je maseni centar molekula u tankom sloju slobodan i smjer regulatora je okomit na tanki sloj. Iako je centar mase molekula slobodan, smjer regulatora je blago nagnut prema vertikalnom stanju tankog sloja.
Posebno, SmC * (kiralni SmC) koji se koristi na displeju ima karakteristike feroelektričnog fenomena (feroelektričnost). Kao što je prikazano na slici 5, molekuli tečnih kristala su nagnuti prema tankom sloju i imaju strukturu koja rotira duž tankog sloja. Molekuli tečnih kristala u svakom tankom sloju su okomiti na njihove duge osovine i imaju spontane dipolne momente (spontani dipolni momenat) u pravcu paralelnom tankom sloju, sa feroelektričnim pojavama.

 

6.png

SmA SmC


Slika 5. Reprezentativna smektička faza varira u odnosu na smjer regulatora u tankom sloju.

7.png

Slika 6. Molekularno poravnanje i spontani dipolni moment feroelektričnih tekućih kristala SmC *

(2) karakteristike LCD aplikacije na displeju

Razlog zašto je LCD popularan kao monitor je da se vrednost zaostajanja faze može lako podesiti sa nižim naponom. Tečni kristal je anizotropni materijal koji se razlikuje od kontrolera u smjeru paralelno s kontrolorom i fizičke svojstva u vertikalnom smjeru, zbog svog asimetričnog oblika molekula. Među različitim fizičkim svojstvima, najveći uticaj na LCD ima optička anizotropija i dielektirna anizotropija. Razlika indeksa prelamanja (oko 0.05-0.2) je refleksija i projekcija svetlosti kada svetlost prolazi kroz tečni kristal i utiče na refleksiju i projekciju svetlosti. Dielektrična anizotropija (oko 3.0-8.0) može se koristiti za kontrolu dugih osi molekula tečnih kristala pomoću električnog polja. Na slici 8 prikazan je proces odlaganja faze zasnovan na smjeru tekućeg kristala i smjeru svjetla. Štaviše, dielektrična različitost čini molekule tečnih kristala paralelnim ili okomitim na električno polje i kontroliše pravac dugih osi molekula tečnog kristala naponom. Ovaj princip je prikazan na slici 7. \ t

8.png

Slika 7. rotacija molekula tečnih kristala zbog električnog polja


9.png

10.png

Slika 8. razlika u efektu faznog kašnjenja (usporenja faze) sa smjerom tekućeg kristala.

2. fizika tekućih kristala

(1) kontroler (direktor) i naručeni parametar (parametar naloga).

Kao što je gore pomenuto, molekul tečnog kristala je šipka dužine oko 20 i oko 5 široka. Njegova masa je kao slučajno kretanje tečnosti, dok se duga os molekula kreće brzo, ali ukazuje na jednoobrazan smer. Stoga se stanje tečnih kristala može grubo podijeliti u dva tipa, odnosno smjer duge osi i stupanj toplinskog gibanja u središtu njegove osi. Da bi izrazili ova dva pojma, oni su kontroleri i uređeni parametri. Kontroler se može definirati jediničnim vektorom koji upućuje na jedinstven smjer. Kontrolor položaja R je obično predstavljen sa n (R). Parametar naloga predstavlja stupanj toplinskog gibanja, koji se definira na sljedeći način.

11.png

Slika 9. Definicija kontrolera i ugla theta i phi

12.png

Ugao theta, phi, kao što je prikazano na slici 9, predstavlja ugao nagiba prema kontroleru. F (theta, phi) pokazuje statističku raspodelu ugaona dužih osi molekula tečnih kristala. Kada se duga os molekula tečnog kristala rasporedi u svim proporcijama theta i phi, tj. U izotropnoj fazi (izotropna faza), f postaje konstanta i S = 0. Naprotiv, ako je duga os molekula tečnih kristala poravnata sa N, ona će postati S = 1. Ako vrijednost nematičnog tekućeg kristala dosegne oko 0.3-08, što je temperatura viša, to je manja vrijednost.

(2) anizotropija (anizotropija)

Tečni kristali su anizotropija indeksa loma i dielektrična anizotropija zbog strukture i orijentacije pruga. Prvo, takozvani indeks prelamanja se odnosi na promjenu raspodjele elektronskog oblaka uzrokovanu upadnom svjetlošću, koja inducira dipolni moment, a druga svjetlost koju stvara njena vibracija preklapa se s upadnom svjetlošću, pokazujući da je brzina od čini se da je svetlost spora fizička konstanta. Stoga, što je bolji elektronski oblak molekula reaguje u električnom polju upadne svjetlosti. Što je veća vrijednost. U tečnom kristalu stupanj reakcije elektronskog oblaka u pravcu duge osi i smjer kratke osi je različit, pa se stvara anizotropija indeksa loma. Kao što je prikazano na Fig. 10, glavna osa loma elipsoida (glavne osi) se određuje prema smeru regulatora n.
Naime, fiksna osa se formira u pravcu paralelnom kontroleru, a dvije osi okomite na ovaj oblik tvore fiksnu osovinu. Indeks prelamanja od elipsoida indeksa prelamanja do smjera paralelnog kontroleru je ne, dok je indeks refrakcije u vertikalnom smjeru izražen u ne, a sljedeće dodane riječi E i o predstavljaju izvanredni indeks i obični indeks. Izraz anizotropije refraktivnog indeksa (refraktivna anizotropija) je kako slijedi.

13..png

S druge strane, kapacitivnost je i fizička konstanta koja pokazuje da se oblak molekularnog elektrona udaljava od vanjskog prelamanja električnog polja, tako da što je veća vrijednost kretanja oblaka elektrona. Kao i kod indeksa prelamanja, stepen kretanja elektronskog oblaka je različit od onog u pravcu duge osovine i pravca kratke ose, tako da u tečnom kristalu postoji dielektrična anizotropija. Paralelna i vertikalna provodljivost regulatora izražena je epsilonom i epsilonom. Dielektrična anizotropija (dielektrična anizotropija) je prikazana ispod.

14.png

15.png

Slika 10. Odnos između kontrolera i vretena (glavne osi)

(3) teorija kontinuiranog medija (teorija kontinuuma)

Općenito, prostorna raspodjela nematičnih kontrolera s tekućim kristalima ima svojstvo raspoređivanja u određenom smjeru u prostoru. Međutim, ako su ograničeni uslovi ili spoljašnja električna polja i magnetna polja zahvaćeni, prostorna raspodjela regulatora neće biti konzistentna, te će u tom procesu molekule tekućih kristala proizvesti otpornost na ovu deformaciju. Međutim, prostorna deformacija regulatora se uglavnom ne proizvodi na molekularnom nivou (molekularna skala), već se proizvodi na mikronskom nivou. Stoga je bolje opisati tekući kristal kao kontinuum (Continuum) kako bi opisao njegovu deformaciju nego opisati kompleksnu energiju interakcije pojedinih molekula kako bi se opisala prostorna deformacija regulatora. Ovo je slično tome da bi se zabeležila sila opruge pri sabiranju sile na oprugu, bolje je koristiti samo jednu konstantu opruge za snimanje energije veze između atoma gvožđa i atoma željeza. Ovaj pristup prostornoj jednadžbi kontrolera tekućih kristala približavanjem jednadžbi je teorija kontinuuma. Teorija kontinuuma je standardna teorija koja može snimiti gotovo sve elektrooptičke karakteristike tekućih kristala. Međutim, ne može se koristiti u analizi NMR i ESR, koji su uglavnom pojedinačni pokreti molekula.

Ako postoji određeno stanje (restrikcijsko stanje, električno polje, magnetno polje, itd.), Dolazi do prostorne deformacije regulatora n (R). Tada će molekuli tečnih kristala odoljeti njihovoj prostornoj deformaciji složenim interakcijama, a veličina otpornosti elastične sile na ovu deformaciju proporcionalna je stupnju prostorne deformacije n (R) (zamislite, kada se opruga otvori, snagu uvučene sile je proporcionalno zakonu kuka da je dužina povučena). U ovom trenutku, ako je stepen prostorne deformacije mali, n (R) se može koristiti za predstavljanje diferencijalnih vrijednosti prostora. Ako veličina prostorne promjene nije velika, višestruke diferencijalne vrijednosti su mnogo manje od 1 diferencijalnih vrijednosti. Uzimajući u obzir ove pretpostavke i nekoliko simetrija, gustoća slobodne energije koju generiše jedinična zapremina izračunava se prema prostornoj deformaciji regulatora.

16.png

Kao što je prikazano na slici 11, deformacija (ekspanzija), deformacija (izobličenje) i savijanje (savijanje), K11, K22 i K33, koji se koriste kao proporcionalne konstante, nazivaju se elastične konstante ekspanzije, izobličenja i savijanja. Pored toga, gornja formula se naziva Frank-Oseen gustina slobodne energije. Qo je konstanta zasnovana na kiralnoj (kiralnosti) molekula tečnog kristala. Ako je holesterični tečni kristal, on će imati ograničenu vrednost, ako je Qo> 0, pravac spirale holesteričnog tečnog kristala će biti pravi spin (desna ruka).

17.png

> >

Slika 11. tipovi elastičnih deformacija distribuiranih pomoću kontrolera sa tečnim kristalima

S druge strane, kada se molekulu tečnog kristala doda električno polje, menja se distribucija oblaka elektrona, a istovremeno djeluje i kao elektrostatička interakcija. Gustina slobodne energije za ovu interakciju izračunava se na sledeći način.

18.png

Stoga, kada se tečni kristal izobliči zbog električnog polja, ukupna gustina slobodne energije je

19.png

Prema zakonu termodinamike, kontroler sa tečnim kristalima ima raspodelu minimiziranja gore navedene slobodne energije f. Na primjer, ako se tekućem kristalu doda električno polje, ako se uzme u obzir samo fE tekući kristal, regulator mora biti usklađen s električnim poljem; ako se razmatra samo FD, energija se mora smanjiti bez promjene prostora. Ali, u stvari, zato što se suma dve vrste energije mora minimizirati, prostorna distribucija kontrolera sa tečnim kristalima se određuje u slučaju pravilne prostorne promene i paralelnog rasporeda odgovarajućeg električnog polja.

20.png

21.png

Sl. 12. pri spajanju električnog polja, moment (torque) spojen na tekući kristal.

Rješenje ove diferencijalne jednadžbe može odrediti raspodjelu kontrolera tekućih kristala. Izgleda malo komplikovano, ali nakon nekoliko jednostavnih slučajeva, rešenje je raspoređeno u dodatku. Gornja formula se odnosi na formulu paralelne države. Da bismo saznali dinamičko ponašanje LCD kontrolera, moramo napraviti neke manje izmjene. Ako se najčešće koristi relaksacijska aproksimacija, kinetika tekućeg kristala može zadovoljiti sljedeću formulu.

22.png

Među njima, t označava vrijeme, a gama 1 predstavlja rotacijski viskozitet. Što je manji viskozitet rotacije, to je brža promjena vremena LCD kontrolera.

(4) temperaturna zavisnost fizičkih konstanti

Optička svojstva tekućeg kristala određena su raspodjelom i indeksom refrakcije regulatora, a raspodjela regulatora ovisi o vanjskom električnom polju, graničnom stanju, brzini kapacitivnosti i elastičnoj konstanti. Na taj način možemo znati važnost indeksa prelamanja, propustljivosti i elastičnih konstanti samog tekućeg kristala u procesu razumijevanja LCD-a. Pored toga, važna konstanta u brzini odziva tekućih kristala je rotacioni viskozitet.

Objavljeno je da sljedeći parametar poretka S utječe na dielektričnu anizotropiju, anizotropiju indeksa loma i elastične konstante.

23.png

Naručeni parametar S se smanjuje pri zagrijavanju, pa se može predvidjeti da se elektrooptičke karakteristike tekućeg kristala mijenjaju s temperaturom. Pored toga, iako nije u svim tečnim kristalima, elastična konstanta K33 / K11 je proporcionalna dužini duge osi i kratkoj osi molekula tečnog kristala, koji je proporcionalan L / W.

3. zaslon s tekućim kristalima

(1) koordinacija tekućih kristala (poravnanje)

Kada se tečni kristal stavi u bocu (bocu), ona je neprozirna, zbog nepostojanja raspršivanja sa zemlje. Postat će bezbojna i prozirna kada se postavi između dvije obrađene staklene ploče, jer je LCD kontroler u određenom smjeru. U tom smislu, površinska obrada je veoma važna. Na ovaj način, kao što je prikazano na slici 14, molekuli tečnih kristala mogu se podesiti na vertikalnu vertikalnu ravninu (homeotropnu) na površini, horizontalno poravnanje (planarno homogeno) postavljeno paralelno sa površinom, nagnuto homogeno, koje se postavlja na određeni ugao, i tako dalje. Ako želite da podignete vertikalno poravnanje, možete naneti polarni molekul kao lecitin na staklenu podlogu. Horizontalno poravnanje ili nagib niskog kuta postiže se premazivanjem polimida na staklenu podlogu i brisanjem površine tkaninom. To se zove trljanje. Uopšteno, pravac brisanja je da je ekspanziona strana postavljena paralelno sa molekulima tečnih kristala (od kojih su neki vertikalno poravnati sa pravcem produžetka).

24.png

Slika 13. Rasipanje svetlosti u nematskim tečnim kristalima i ograničenim opsezima koji se ne podudaraju

25.png

Slika 14. vrsta distribucije tečnih kristala


26.png

Slika 15. Kut nagiba (kut nagiba) theta

U ovom trenutku, svi molekuli tečnog kristala nisu paralelni supstratu, već se naginju prema podlozi pod određenim uglom. Ovaj ugao se naziva nagibni kut.

(2) Režim ECB (električno kontrolisano dvolom)

Sa ovim fenomenom, displej se može podešavati propuštanjem svetlosti napona. Kao što je prikazano na slici 16, linearno polarizovano svjetlo se dobiva kroz polarizator (Polarizator), a polarizacijsko stanje svjetlosti varira s dvolomnim djelovanjem tekućeg kristala kada polarizirana svjetlost prolazi kroz ćeliju tekućih kristala. Kada se ova svjetlost prođe kroz analizator (analizator), intenzitet svjetla analizatora će se također mijenjati sa stupnjem faznog kašnjenja (usporavanja faze) koje nastaje zbog dvolomnosti tekućeg kristala. U ovom trenutku, upredeni ugao kontrolera sa tečnim kristalima povećava os osi elipsoida indeksa prelamanja tečnog kristala i osvetljenje svetlosti ako se tečni kristal nalazi između dve staklene ploče koja prolazi kroz horizontalnu distribuciju (ovo se naziva Jedinica (ćelija) sa tečnim kristalima), kao što su molekuli tečnih kristala na Fig. 15 (a). Pri ovom naponu, dielektrična anizotropija molekula tečnih kristala.

Smjer okidanja je paralelan, tako da je fazno kašnjenje zbog ćelije tekućeg kristala manje (vidi sliku 4). Stoga, podešavanje napona može da promeni propuštanje svetlosti.

27.png

15. promene LCD kontrolera u ECB režimu sa promenama napona


28.png

16. eksperimentalna oprema za promenu transmisije svetlosti u skladu sa promenom dvolomnosti tečnog kristala