Ajalugu. Vedelkristallilised faasid. Vedelkristallid. Vedelkristallilised faasid. Vedelkristallid. Nemaatiline faas

Transcript

1 Vedelkristallid I: Aied, mille omadused o vedelike ja kristallide vahepeal Struktuur ULLMANN'S EYCLOPEDIA O INDUSTIAL CHEMISTY, 5th completely revised ed. Weiheim [etc.] : VCH, 1996 Liquid Crystals: Virtual textbook ( Ajalugu 1888 riedrich eiitzer: kolesterüülbesoaadil o kaks sulamistäppi 1904 Otto Lehma avaldas klassikalise töö Vedelkristallid 1960-dad Töötati välja tsüaobifeüülvedelkristallid põhim. sobilikud LCD ekraaidele 1969 Avastati Vääd-emaatilie efekt (Twisted Nematic Effect), mis o aluseks kõigile täapäevastele LCD ekraaidele Vedelkristallid Aieid, mis moodustavad vedelkristalle imetatakse mesogeeideks Vedelkristallilie olek: olek, mille omadused o vedeliku ja kristalli vahepealsed Voolab vedelikulaadselt Kaugkorrapära puudub Samas o molekulide orietatsiooil lähikorrapära Termotroopsed vedelkristallid Aied, mille korral vedelkristalliliseks muudumie toimub temperatuuri mõjul: Kristallilie Vedelkristallilie Vedel (Isotroope) Vastavad ülemiekutemperatuurid o olulised Lüotroopsed vedelkristallid Vedelkristalliks muudumie toimub lahuses kotsetratsiooi muutudes Vaatleme eeskätt termotroopseid vedelkristalle : Kalamiite (calamitic) Nemaatilie (ematic) Smektilie (smectic) kiraale e. kolesteerilie Diskoide (discoid, discotic) Nemaatilie Kolumaare (columar) Nemaatilie faas Molekulid o orieteeritud lähedases suuas, kuid ei moodusta kihte Wikipedia, 6 1

2 Smektilie faas Molekulid o orieteeritud lähedases suuas ja kalduvad olema kihiliselt paigutatud Kiraale e. kolesteerilie faas Nemaatilise moodi, aga eelmised molekulid o järgmiste suhtes vääduud Wikipedia, Wikipedia, 8 Eamasti toimub temperatuuri tõstes mõi järgevatest ülemiekuahelatest: K N I K S I K S N I Soovitav o, et vedelkristallilie faas oleks stabiile võimalikult laias temperatuuride vahemikus Mõevõrra saab häälestada lisaditega Vedelkristalli korrapära iseloomustamie Korrapära parameeter: S = 1/2 < 3cos 2 θ -1 > θ urk peatelje suhtes <> keskmistamie üle kõigi molekulide Ideaale orietatsioo (kristallid): S = 1 Tavalie vedelkristallide jaoks: S = Isotroope: S = Millistelt aietelt o mõtet oodata vedelkristallilisi omadusi? Üldie eustusvõimega teooria struktuuri ja vedelkristallilisuse seosest puudub Mõed seaduspärasused o: Piklik kuju (mõel juhul ka kettakujulie) Peatelje jäikus Tugev ja püsiv dipoolmomet Eri otstes erieva polariseeritavusega asedajad Eustamie o siiski keerulie Kui molekul liiga korrapärae siis tekib liiga kergesti tõelie kristall Jäik struktuur Jäiga struktuuri saamiseks o tavalisim variat kahe või eama tsükli ühedamie: >= 1 alifaatsete ja aromaatsete tsüklite vahekord võib olla eriev X' X" X" X' X" X X' 2

3 Ahela pikkus Ahel peab olema paraja pikkusega Mida pikem ahel, seda kõrgem o ülemiekutemperatuur N I kuid seda kõrgem o ka ülemieku K N temperatuur Ahel võiks olla ka kaksik-või kolmiksidemetest koosev, aga raske süteesida ebastabiilsed Alifaate ahel hästi ei kõlba ei ole piisavalt jäik Asedusrühmad: X Peab hoidma struktuuri jäigaa Head rühmad: -CH=CH- -N=N- -CH=N- -COO- Halvad rühmad: -O- -CH 2 - -CH 2 -CH 2 - -CH 2 -O Asedusrühmad X ja X Asedusrühmad X Seaduspärasused o keerukad Eamasti: X o alküül X o mõi + või rühm X : saba peab olema paraja pikkusega paarituarvulise C-de arvuga rühmad kipuvad adma kõrgemaid N I ülemiekutemperatuure kui lähedased paarisarvulised Lühem saba emaatilised, pikem smektilised O olemas empiirilie rida erievate X rühmade emaatilise faasi stabiilsuse soodustamise kohta: -C 6 H 5 > -CN > -OCH 3 > -NO 2 > -C 3 > -Cl > -CH 3 > - > -H Järjekord korreleerub polariseeritavuse ja resoatsivõimega See o muidugi vaid lähedus ja pole absoluute Näited: klassika Moodsate ekraaide jaoks K 25 N 35 I N -25 I N 55 I N 85 I K 94 N 219 I Soovitud omadused: madalam sulamistäpp laiem emaatilie ala Kõrge dielektrilie aisotroopia Eamasti positiive Madalam rotatsiooiviskoossus Ekraa kiirem Paremad isolaatorid voltage holdig stabiilsemad pika aja jooksul Peaaegu alati o kasutusel segud (sageli erievat aiet)

4 Näited: moodsates ekraaides Väga sageli fluoreeritud: Vedelkristallid II: Vedelkristallekraaid OCH 2 OC 3 CH 3 Vedelkristallide domieeriv ja üha laieev kasutusala Baseerub valguse polarisatsiooitasadi pööramisel väädemaatiliste vedelkristallide abil Läbiva ja peegeldava valguse LCD ekraaid Peegeldava valguse ekraa Kasutab pealelagevat valgust Käekellad, taskuarvutid Voolutarve madal Läbiva valguse ekraa Valgus tuleb ekraai taga olevast valgusallikast Mobiiltelefoid, arvutiekraaid Valgusti eergiatarve suur Üldiselt suurem, kui LCD elemetide edi oma LCD elemedi ehitus Horisotaalselt polariseeriv filter Peegeldav pid Klaasplaat läbipaistva ühiselektroodiga ja horisotaalsete vagudega Väädemaatilised vedelkristallid Klaasplaat läbipaistvate (ITO) elektroodidega ja vertikaalsete Vertikaalselt polariseeriv filter mikrovagudega Väädemaatilised vedelkristallid (twisted ematic liquid crystals) Kaks mikrovagudega plaati loovad olukorra, kus ilma elektroodidevahelise pigeta o ede vahel olevad emaatilised vedelkristallid (3) paigutuud selliselt: Paremaid tulemusi saadakse, kui see urk pole 90 vaid 270 kraadi (mustvalged) või 210 kraadi (hallitooilised) Valguse polarisatsiooitasadi pööramie Pealmise filtri (1) läbib vaid vertikaalselt polariseeritud valgus Ilma pigeta olekus vedelkristallid (3) pööravad valguse polarisatsiooitasadi horisotaalseks Sedasi o valgus võimelie läbima ka horisotaalse filtri (5) ja saama tagasi peegeldatud pia (6) poolt Tagasi tuleva valguse polarisatsiooitasad pöördub tagasi

5 Polarisatsiooitasadi pööramise kadumie akedades elektroodide 2 ja 4 vahel pige orieteeruvad vedelkristallid selliselt: Valguse polarisatsiooitasadi pööramise võime kaob Horisotaale filter (5) eelab vertikaalselt polariseeritud valguse Nede elektroodide kohalt, millele o rakedatud pige paistab ekraa mustaa Idium-tia tia-oksiid (ITO) Vajalik o läbipaistev materjal, mis juhib elektrit Koostis: ca 90% I 2 O 3, ca 10% SO 2 Kasutusalad: LCD seadmed Soojedusega klaasid Otsee ja multipleksadresseerimie Lihtsate seadmete (kellad) jaoks kõlbab otsee adresseerimie iga elemet lülitatakse eraldi ühiselektrood o kõigile üks LCD ekraaide jaoks o vaja multipleksadresseerimist ekraa o elektroodidega jagatud ridadeks ja veergudeks: ekraai skaeeritakse rida-haaval Passiiv- ja aktiivekraaid Ülalkirjeldatu oli peegeldava valgusega passiivekraa passiivekraa sobib hästi peegeldava valgusega kasutamiseks, kuid mitte eriti arvutiekraaidesse aeglae kotrast halb Aktiivekraai korral tüüritakse iga pikslit miiatuurse väljatrasistoriga eespoole elekrood o ühiselektrood taga o iga piksli kohta oma elektrood, mida tüürib väljatrasistor Aktiivekraa Multipleks-süsteem moodustub hor ja ver elektroodidest Vastaselektrood o ühie Iga piksli jaoks o oma väljatrasistor (TT, thifilm trasistor) Kiirem Kotrast parem Vedelkristall peab olema isolaator! Värvilie ekraa Kasutusel o GB läheemie Iga piksel o jagatud kolmeks alampiksliks: Puae, rohelie, siie Värv saavutatakse värvusfiltritega geomeetria veel keerukam