5. Εφαρμογές υγρών κρυστάλλων στις οθόνες 5.1 Εισαγωγή. Γενικός σχεδιασμός οθονών υγρών κρυστάλλων

53 5. Εφαρμογές υγρών κρυστάλλων στις οθόνες 5.1 Εισαγωγή. Γενικός σχεδιασμός οθονών υγρών κρυστάλλων Μιά από τις κυριότερες εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων ως υλικών υψηλής τεχνολογίας είναι οι οθόνες υγρών κρυστάλλων (LCDs, Liquid Crystal Displays), οι οποίες σήμερα αποτελούν λόγω μιας σειράς χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους την πλέον αξιόπιστη και οικονομική λύση για την κατασκευή ολοκληρωμένων διατάξεων απεικόνισης. H μεγάλη ζήτηση για την κατασκευή διαφόρων τύπων οθονών απετέλεσε και την κινητήρια δύναμη της έντονης έρευνητικής δραστηριότητας στον τομέα των υγρών κρυστάλλων κατά τις τελευταίες δεκαετίες. Αντίστροφα η επιτυχία των χημικών να συνθέσουν μόρια με ιδιότητες που προσεγγίζουν τους στόχους, όπως αυτοί προσδιορίστηκαν απο τους μηχανικούς, έκανε δυνατή την ανάπτυξη της βιομηχανίας LCDs. Ιστορικά η εύρεση των υγρών κρυστάλλων και η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων τους προηγήθηκαν των εφαρμογών τους στις LCDs, η οποία έγινε δυνατή στις αρχές της δεκαετίας του 1970 μετά την σύνθεση των κυανοδιφαινυλίων, τα οποία εμφανίζουν μεσοφάσεις σε θερμοκρασία δωματίου. Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις ως προς το εύρος και την ποιότητα των διαφόρων εφαρμογών οδήγησαν στην αναζήτηση μορίων με βελτιωμένες φυσικές ιδιότητες. Στον τομέα αυτό όμως υπάρχει μιά υστέρηση και οι ενώσεις που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή LCDs είναι σχετικά λίγες και κατά κανόνα χρησιμοποιούνται διάφορα μίγματα αυτών. Όπως αναπτύχθηκε στο κεφάλαιο 4, είναι δύσκολο να προβλεφτούν με ακρίβεια οι φυσικές ιδιότητες μιας συγκεκριμένης δομής καθώς και η φυσική συμπεριφορά μιγμάτων διαφόρων δομών. Η μεγαλύτερη προόδος έχει γίνει με βάση τη πειραματική επιβεβαίωση. Η βασική αρχή στην οποία στηρίζεται η λειτουργία όλων των LCDs είναι η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου, το οποίο διαταράσσει ή αλλάζει την μοριακή διάταξη των υγρών κρυστάλλων προκαλώντας αντίστοιχες αλλαγές στην οπτική συμπεριφορά. Στην απλούστερη της μορφή μιά οθόνη υγρών κρυστάλλων αποτελείται απο δύο παράλληλα φύλλα γυαλιού ανάμεσα στα οποία τοποθετείται ένα

54 λεπτό στρώμα υγρών κρυστάλλων πάχους περίπου 5-20 nm. Πάνω στις γυάλινες πλάκες είναι προσαρτημένο ένα ηλεκτρικό κύκλωμα οδήγησης, το οποίο μπορεί να αλλάζει κατά περιοχές την διευθέτηση και άρα την οπτική συμπεριφορά των κρυστάλλων και έτσι δημιουργείται μιά εικόνα. Για να παρατηρηθούν τα ηλεκτροοπτικά φαινόμενα των υγρών κρυστάλλων πρέπει τουλάχιστον η μία από τις ηλεκτροδιακές πλάκες να είναι διαπερατή. Στις περισσότερες σύγχρονες εφαρμογές χρησιμοποιούνται οθόνες μεταβιβαστικού τύπου στις οποίες και οι δύο ηλεκτροδιακές πλάκες είναι διαπερατές. Στις οθόνες αντανακλαστικού τύπου το πίσω ηλεκτρόδιο είναι μιά κατάλληλη αντανακλαστική επιφάνεια. Τα κυκλώματα οδήγησης LCDs μπορεί να είναι σταθερού σχήματος ή ανασχηματιζόμενου. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι παλαιότερες και κλασσικές αλφα-αριθμητικές οθόνες (alpha-numerical displays), στις οποίες κάθε γραφικός χαρακτήρας σχηματίζεται μέσω ενός τμήματος κυκλώματος που αποτελείται συνήθως απο επτά στοιχεία (σχήμα 5.1). To μέγεθος αυτών των οθονών είναι σχετικά μικρό και χρησιμοποιούνται σε ρολόγια, υπολογιστές τσέπης, πίνακες ενδείξεων διαφόρων οργάνων σε οικιακές συσκευές, αυτοκίνητα και λοιπά. Σχήμα 5.1: Οθόνη επτά στοιχείων. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν οι οθόνες στις οποίες το σύστημα οδήγησης έχει δομή πίνακα (dot-matrix displays). Οι οθόνες αυτού του τύπου προσφέρονται για την απεικόνιση κειμένων, γραφικών, Video και η μεγάλη εξάπλωση των LCDs στηρίζεται στις οθόνες αυτού του τύπου. Μια τέτοια οθόνη αποτελείται από ένα αριθμό στοιχείων (pixels), των οποίων η κατάσταση καθορίζεται απο δυό σειρές ηλεκτροδίων που είναι σχηματισμένες στις επιφάνειες των αγώγιμων φύλλων. Η μία

55 σειρά προορίζεται για την ενεργοποίηση των γραμμών της οθόνης και η άλλη για την ενεργοπoίηση των στηλών. Η κατάσταση κάθε στοιχείου (on, off) καθορίζεται από το συνδυασμό των τιμών δυναμικού των ηλεκτροδίων της γραμμής και της στήλης στη διασταύρωση των οποίων βρίσκεται το στοιχείο (σχήμα 5.2). To παραπάνω σύστημα αποτελεί την απλούστερη προσέγγιση και ανήκει στις λεγόμενες παθητικές διατάξεις πινάκων απεικόνισης υγρών κρυστάλλων (Passive Matrix Liquid Crystal Displays). Οι οθόνες αυτές εμφανίζουν περιορισμούς ως προς την ποιότητα λειτουργίας τους και βελτίωση της ανάλυσης (resolution) συνεπάγεται επιδείνωση της αντίθεσης φωτεινότητας (contrast). H βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών αντιμετωπίζεται πρόσφατα με τις οθόνες υγρών κρυστάλλων που οδηγούνται από πίνακες ενεργών στοιχείων (Active Matrix Liquid Crystal Displays). Οι οθόνες αυτού του τύπου έχουν και αυτές δομή πίνακα αλλά η κατάσταση κάθε στοιχείου προσδιορίζεται από ένα ξεχωριστό τρανζίστορ, του οποίου η λειτουργία ελέγχεται απο τα δυναμικά των ηλεκτροδίων της αντίστοιχης γραμμής και στήλης. Σχήμα 5.2: a) Δομή μιας τυπικής οθόνης υγρών κρυστάλλων b) κάθετη τομή. Εκτός από τα παραπάνω βασικά στοιχεία για την κατασκευή μιάς οθόνης υγρών κρυστάλλων, ανάλογα με το είδος της, απαιτούνται κατά περίπτωση και ορισμένες

56 άλλες προσθήκες ή κατεργασίες, όπως η διεργασία αρχικού προανατολισμού των κρυστάλλων ή προσθήκη χρωστικών προκειμένου για έγχρωμες οθόνες. Σε όλες σχεδόν τις εφαρμογές των υγρών κρυστάλλων στις οθόνες απαιτείται μιά αρχική ευθυγράμμιση των κρυστάλλων η οποία επιτυγχάνεται με επαφή με μια κατάλληλη στερεά επιφάνεια. Η γεωμετρία της αρχικής διάταξης ποικίλει ανάλογα με τον τύπο της οθόνης. Οι διάφορες διατάξεις κατηγοροποιούνται ανάλογα με την γωνία μεταξύ του άξονα των υγρών κρυστάλλων και του υποστρώματος και χαρακτηρίζονται σαν ομογενείς, κεκλιμένες και ομοτροπικές. Στην ομογενή διάταξη ο άξονας των υγρών κρυστάλλων είναι παράλληλος προς το υπόστρωμα, στη κεκλιμένη σχηματίζει γωνία συνήθως 5-10 ο και στην ομοτροπική είναι κάθετος προς το υπόστρωμα. Σχήμα 5.3: Τύποι μοριακής διάταξης υγρών κρυστάλλων. Υπάρχουν διάφορες τεχνικές με τις οποίες γίνεται η αρχική διευθέτηση των κρυστάλλων. Μια τεχνική είναι η εναπόθεση στρώματος ανόργανου υλικού, συνήθως SiO, με εξάτμιση. Η μοριακή διάταξη του εναποτιθέμενου στρώματος εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης. Εάν η πρόσπτωση γίνεται κάθετα προς την επιφάνεια τα μόρια διατάσσονται παράλληλα προς την επιφάνεια, ενώ εαν γίνεται υπό γωνία τα μόρια διατάσσονται με κάποια κλίση και τα μόρια του υγρού κρυστάλλου ακολουθούν την ίδια διάταξη. Με αυτό τον τρόπο μπορούν να επιτευχθούν σχετικά μεγάλες γωνίες κλίσεως 20-30 ο που απαιτούνται σε κάποια είδη LCDs. Μια άλλη δημοφιλής τεχνική είναι η απόθεση ενός οργανικού πολυμερούς συνήθως πολυιμιδίου, στο οποίο στη συνέχεια δίνουν μια κλίση με τρίψιμο με κατάλληλα υφάσματα. Οι γωνίες κλίσης που μπορούν να επιτευχθούν με αυτή την τεχνική είναι σχετικά μικρές 1-5 ο, οι οποίες είναι ικανοποιητικές για τις οθόνες τύπου ΤΝ LCDs (κεφ. 5.3). Για την ομοτροπική διάταξη οι επιφάνειες του γυαλιού

57 κατεργάζονται με λεκιθίνη ή με τεταρτοταγή αμμωνιακά τασενεργά ή για πιό σταθερές διατάξεις με σύμπλοκα χρωμίου, τα οποία συγκρατούνται με χημικούς δεσμούς. Γενικά οι μηχανισμοί με τους οποίους επιτυγχάνονται οι διάφορες διατάξεις δεν είναι διευκρινυσμένοι. Πάντως οι διαμοριακές επιδράσεις, στις οπoίες στηρίζονται, είναι επαρκείς για να διατηρήσουν τη διάταξη σε στρώμα πάχους 50-100 nm. Οπωσδήποτε όμως ανάλογα με το είδος του κρυστάλλου οι διάφορες επιφάνειες μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετικά αποτελέσματα. Συνοπτικά τα διάφορα μέρη μιας οθόνης υγρών κρυστάλλων και η σειρά με την οποία συναρμολογούνται είναι τα εξής: Κατασκευή των γυάλινων πλακών. Χρησιμοποιούνται γύαλινες πλάκες καλά λειασμένες, οι οποίες συνήθως επικαλύπτονται με αδρανές υλικό πριν την περαιτέρω κατεργασία. Δημιουργία του φιλτρου χρώματος με την προσθήκη τριών βασικών χρωμάτων του κόκκινου, του πράσινου και του μπλέ, τα οποία με κατάλληλους συνδυασμούς δημιουργούν τα υπόλοιπα. Κατασκευή του κυκλωμάτος των ηλεκτροδίων. Μετά την προσθήκη του χρώματος εναποτίθεται πάνω στις γυάλινες πλάκες ένα φύλλο διαφανούς αγώγιμου υλικού πάνω στο οποίο χαράσσεται το κύκλωμα με τη μέθοδο της φωτολιθογραφίας. Σαν διαφανές αγώγιμο υλικό χρησιμοποιείται ένα κράμα SnO 2, In 2 O 3 (ITO film). Στην περίπτωση των οθονών με πίνακες ενεργών στοιχείων ακολουθεί ακόμη μια διαδικασία για την δημιουργία των τρανζίστορ. Στρώμα διάταξης των υγρών κρυστάλλων. Μετά το φύλλο των ηλεκτροδίων ακολουθεί συνήθως ένα λεπτό στρώμα υλικού προκειμένου να προκαλέσει τον προσανατολισμό των υγρών κρυστάλλων. Ενωση των δύο πλακών με κατάλληλο συνδετικό υλικό σε απόσταση 5-10nm. Πλήρωση με το υλικό του υγρού κρυστάλλου. Προσθήκη διαφόρων εξωτερικών στοιχείων όπως πολωτικά φύλλα, σύστημα οπίσθιου φωτισμού και συνδέσεις με το υπόλοιπο κύκλωμα. Η παραπάνω συνδεσμολογία αναφέρεται κυρίως στις οθόνες στραμμένων νηματικών κρυστάλλων που αποτελούν και τη βασικότερη εν χρήσει εφαρμογή των

58 LCDs. Με μικρές διαφοροποιήσεις είναι κοινή και για τις οθόνες άλλου τύπου υγρών κρυστάλλων. 5.2 Οθόνες δυναμικού σκεδασμού Oι πρώτες οθόνες υγρών κρυστάλλων που εμφανίστηκαν το 1963 στηρίχθηκαν στο δυναμικό σκεδασμό του φωτός. Για μια δεκαετία έγιναν ιδιαίτερα δημοφιλείς και βρήκαν πολλές εφαρμογές αλλά από το 1974 και μετά, όταν εμφανίστηκαν οι οθόνες στραμμένων υγρών κρυστάλλων, αντικαταστάθηκαν σταδιακά από αυτές και σήμερα θεωρούνται απαρχαιωμένες. Το φαινόμενο του δυναμικού σκεδασμού παρατηρείται σε νηματικούς υγρούς κρυστάλλους που έχουν μια μέτρια αγωγιμότητα (αντίσταση < 10 10 Ohms cm) και κυρίως αρνητική διηλεκτρική ανισοτροπία (ε - ε < 0). Στην κατάσταση ηρεμίας οι υγροί κρύσταλλοι είναι συνήθως ομογενώς διατεταγμένοι δηλαδή παράλληλοι προς τις γυάλινες επιφάνειες και η οθόνη είναι διαυγής. Οταν εφαρμοστεί μια τιμή δυναμικού πάνω από μια οριακή τιμή συνήθως της τάξης των 20 30 V δημιουργούνται υδροδυναμικά ρεύματα, τα οποία στρέφουν τα μόρια προς τη διεύθυνση του πεδίου αν και η διηλεκτρική ροπή αντίκειται προς αυτό. Η νηματική δομή του υγρού κρυστάλλου καταστρέφεται και το υλικό αποτελείται από μικρές πολυάριθμες άτακτες μονάδες, στις επιφάνειες των οποίων το φως διαθλάται ισχυρά και η οθόνη εμφανίζεται αδιαφανής γαλακτώδης (σχήμα 5.4). Σχήμα 5.4: Δυναμικός σκεδασμός από νηματικους υγρούς κρυστάλλους. Ενώσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί για τις οθόνες αυτού του τύπου είναι διάφορες βάσεις του Schiff, στις οποίες για να επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή αγωγιμότητας προστίθενται και διάφορα οργανικά άλατα τριτοταγών αμινών.

59 Οι οθόνες αυτού του τύπου δεν απαιτούν πολωτές και έχουν καλή φωτεινότητα αλλα η εικόνα τους εξαρτάται πολύ απο τη γωνία παρατήρησης. Επίσης έχουν περιορισμένο εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας, μικρή σχετική διάρκεια ζωής και καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια γιατί λειτουργούν με υψηλότερο δυναμικό. Για όλους αυτούς τους λόγους έχουν αντικατασταθεί απο τις οθόνες στραμμένων νηματικών υγρών κρυστάλλων. 5.3 Οθόνες στραμμένων νηματικών υγρών κρυστάλλων Οι οθόνες αυτού του τύπου είναι τα κυρίαρχα εμπορικά προϊόντα στην αγορά των LCDs. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα είναι η χαμηλή τάση λειτουργίας, η μικρή κατανάλωση ενέργειας και η δυνατότητα χειρισμού τους από σύνθετα κυκλώματα οδήγησης. Οι κυψέλες στραμμένων νηματικών υγρών κρυστάλλων (ΤΝ, Twisted Nematic) λειτουργούν με επίδραση πεδίου χωρίς διαβίβαση ρεύματος και το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με το χαμηλό δυναμικό επιτρέπει μεγάλη διάρκεια ζωής. Τα μειονεκτήματα τους είναι ο σχετικά μεγάλος χρόνος απόκρισης και οι σχετικά χαμηλή λαμπρότητα και αντίθεση φωτεινότητας καθώς και η μικρή γωνία οπτικού πεδίου. Κάποια απο αυτά τα μειονεκτήματα περιορίζονται στις οθόνες υπερστραμμένων υγρών νηματικών κρυστάλλων (STN, SuperTwisted Nematic). 5.3.1 Βασική περιγραφή H κατασκευή και η βασική αρχή λειτουργίας μιας οθονης τύπου ΤΝ απεικονίζονται στο σχήμα 5.5. Αποτελείται από δύο παράλληλες γυάλινες πλάκες σε μια απόσταση 6 8 μm, οι οποίες φέρουν ένα διαπερατό ηλεκτρικό κύκλωμα και ένα λεπτό στρώμα, μερικών εκατοντάδων Å, πολυιμιδίου. Τα στρώματα του πολυιμιδίου έχουν κατεργαστεί με τριβή, έτσι ώστε να προσανατολίζουν τους υγρούς κρυστάλλους με τον οπτικό τους άξονα παράλληλο προς τη διεύθυνση τριβής και τοποθετούνται με τις διευθύνσεις τριβής κάθετες μεταξύ τους. Στη μη ενεργοποιημένη κατάσταση ο άξονας των μορίων υφίσταται μια συνεχή στροφή και συνολικά κατά 90 ο στην περιοχή μεταξύ των δύο υποστρωμάτων. Δύο πολωτικά φύλλα είναι τοποθετημένα στις δύο γυάλινες πλάκες με διευθύνσεις δόνησης

60 παράλληλες προς τις διευθύνσεις τριβής και επομένως κάθετες μεταξύ τους. Το γραμμικά πολωμένο φως διέρχεται από τον ένα πολωτή και κατά τη δίοδο του μέσα από το υλικό το επίπεδο πόλωσης του στρέφεται κατά 90 ο ακολουθώντας τη διεύθυνση των μορίων, συναντά το δεύτερο πολωτή με τη διεύθυνση του παράλληλη προς αυτόν, εξέρχεται και η οθόνη εμφανίζεται φωτεινή. Εαν όμως εφαρμοστεί μεταξύ των δύο πλακών μια μικρή διαφορά δυναμικού (3 5 volts), τότε τα μόρια προσανατολίζονται παράλληλα προς τη διεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, η στραμμένη δομή καταστρέφεται και το φως διερχόμενο από τον πρώτο πολωτή συναντά το δεύτερο πολωτή με το επίπεδο πόλωσης κάθετο, δεν εξέρχεται και η οθόνη εμφανίζεται σκοτεινή. Η διάταξη αυτή είναι η λεγόμενη κανονικά λευκού τύπου (normally white mode), στην οποία η βάση είναι λευκή και τα γραφήματα μαύρα. Εαν οι πολωτές τοποθετηθούν παράλληλα λαμβάνεται οθόνη μαύρου τύπου (normally black mode), η οποία είναι σκοτεινή απουσία ηλεκτρικού πεδίου και φωτεινή παρουσία πεδίου. Σχήμα 5.5: Αρχή της λειτουργίας οθόνης στραμμένων νηματικών κρυστάλλων λευκού τύπου.

61 Η παραπάνω περιγραφή περιγράφει την βασική αρχή λειτουργίας αλλά δεν επαρκεί για την πρόβλεψη των απαιτούμενων φυσικών ιδιοτήτων και επομένως επιλογή των κατάλληλων υλικών. 5.3.2 Οπτική συμπεριφορά των στραμμένων νηματικών υγρών κρυστάλλων Η ικανότητα των ΤΝ να στρέφουν το επίπεδο του πολωμένου φωτός είναι επαρκής μόνον για ορισμένες οριακές τιμές και πιο συγκεκριμένα όταν ισχύει η παρακάτω ανισότητα γνωστή σαν συνθήκη Mauguin. 2d n u 1 (5.1) όπου d = το πάχος της στιβάδας, Δn = διπλοθλαστικότητα, λ το μήκος κύματος του φωτός. Η συνθήκη Mauguin δεν είναι εφικτή για τα διαθέσιμα υλικά LC oπότε το φώς εξέρχεται όχι γραμμικά αλλά ελλειπτικά πολωμενο με αποτέλεσμα ελάττωση της φωτεινότας της οθόνης και ανεπιθύμητους χρωματισμούς λόγω συμβολής. Η μετάδοση του φωτός διαμέσου στραμμένων νηματικών κρυστάλλων μελετήθηκε απο τους Gouch και Harry. H οπτική διαπερατότητα Τ ενός στρώματος στραμμένων κατά 90 ο νηματικών κρυστάλλων μεταξύ δύο παράλληλων πολωτών (normally black mode) δίνεται από τη σχέση: 2 ( 1 u 1 T 2 2 2 1 u 2 ) (5.2) Η διαπερατότητα συναρτήσει της τιμής του u δίνεται στο σχήμα 5.6. Οπως προκύπτει από το σχήμα 5.6 η διαπερατότητα μειώνεται αυξανομένου του u και σε μεγάλες τιμες αυτού προσεγγίζει την συνθήκη Mauguin. Υπάρχουν όμως ενδιάμεσες διάκριτες τιμές 2 1 u = 2, 4, 6 και επομένως u = 3, 15, 35 για τις οποίες η διαπερατότητα μηδενίζεται. Οι τιμές αυτές είναι γνωστές σαν πρώτο, δεύτερο, τρίτο ελάχιστο και προσδιορίζουν τις optimum συνθήκες λειτουργίας οσον αφορά το πάχος και τη διπλοθλαστικότητα. Συγκεκριμένα για μήκος κύματος λ = 580 nm, τιμή στην οποία το ανθρώπινο μάτι έχει τη μεγαλύτερη ευαισθησία, προκύπτει dδn = 0.48, 1.07, 1.64 κτλ

62 Σχήμα 5.6: Μεταβολή της διαπερατότητας μονοχρωματικού φωτός μέσω στραμμένου κατά 90 ο νηματικού στρώματος. 5.3.4 Επίδραση της τάσης στον προσανατολισμό των νηματικών υγρών κρυστάλλων Εαν θεωρήσουμε μια κυψέλη ΤΝ με θετικό Δε και ομογενή αρχικό προσανατολισμό δηλαδή παράλληλη διευθέτηση του άξονα των μορίων ως προς τις πλάκες (κυψέλη Fréedericksz), τότε κατα την εφαρμογή χαμηλων τιμών δυναμικού ε δεν παρατηρείται στροφή του άξονα των μορίων μέχρι μια οριακή τιμή στην οποία ο άξονας των μορίων αρχίζει να στρέφεται και να έχει μια σταθερή κλίση η οπoία στα μεσαία στρώματα και σε υψηλότερες τιμές δυναμικού προσεγγίζει τις 90 ο. Η οριακή αυτή τιμή του δυναμικού U 0 στην οποία παρατηρείται η πρώτη αλλαγή κλίσης του άξονα των μορίων, γνωστή και σαν δυναμικό Fréedericksz, δίνεται από τη σχέση: K1 U 0 (5.3) 0 όπου Κ 1 η ελαστική σταθερά στρέμβλωσης, Δε η διηλεκτρική ανισοτροπία και ε ο = 8.854.10-12 As/Vm, ηλεκτρική διαπερατότητα στο κενό. Το οριακό δυναμικό όπως προκύπτει από την παραπάνω εξίσωση αυξάνεται αυξανομένης της ελαστικής σταθεράς Κ 1 και μειώνεται αυξανομένης της

63 διηλεκτρικής ανισοτροπίας. Στην πράξη εκείνο που ενδιαφέρει δεν είναι μόνο η τιμή του οριακού δυναμικού αλλά κυρίως συνολικά η μεταβολή της διάταξης των μορίων συναρτήσει του δυναμικού. Η μεταβολή αυτή περιγράφεται από τις λεγόμενες ηλεκτροπαραμορφωτικές καμπύλες, οι οποίες δίνουν την γωνία κλίσης του ανύσματος των μορίων στο μέσο του στρώματος συναρτήσει του δυναμικού (σχήμα 5.7). Σχήμα 5.7: Μεταβολή της γωνίας κλίσης συναρτήσει του δυναμικού για διάφορα υλικά. Ε7 εμπορικό προϊόν με τιμή λόγου Κ 3 / Κ 1 2.7; LCA εικονικό προϊόν με τιμή λόγου Κ 3 / Κ 1 0.8; LCB εικονικό προϊόν με τιμή λόγου Κ 3 / Κ 1 0.8 και επιπλέον μειωμένη τιμή της παραμέτρου γ = Δε / ε στο 0.3. Για να έχει η οθόνη μεγάλη αντίθεση φωτεινότητας και να μπορεί να λειτουργήσει με σύνθετα ηλεκτρονικά κυκλώματα οδήγησης θα πρέπει τα μόρια να αλλάζουν διάταξη σε ένα μικρό εύρος δυναμικών δηλαδή θα πρέπει η καμπύλη να έχει απότομη κλίση. Η κλίση της καμπύλης εξαρτάται κατά πολύ από τον λόγο Κ 3 / Κ 1 και από τη διηλεκτρική παράμετρο γ = Δε / ε και είναι τόσο πιό απότομη όσο μικρότερες είναι οι τιμές αυτές (σχήμα 5.7). Η εξάρτηση από την ελαστική σταθερά κάμψης Κ 3 προκύπτει από το γεγονός ότι στα υψηλότερα δυναμικά η εκτροπή του ανύσματος εμπεριέχει και ένα σημαντικό παράγοντα κάμψης. Εκτός βέβαια από την αλλαγή στο μέσο του στρώματος ενδιαφέρει η εκτροπή των μορίων σε όλο το πάχος της κυψέλης η οποία δεν είναι ομοιόμορφη. Είναι

64 μέγιστη στο μέσο του στρώματος και μειώνεται όσο τα μόρια προσεγγίζουν τα τοιχώματα της κυψέλης, όπου επικρατούν οι προσανατολιστικές διεπιφανειακές δράσεις. Το ποσοστό του πάχους, στο οποίο δημιουργείται μέγιστη εκτροπή, αυξάνεται αυξανομένου του εφαρμοζόμενου δυναμικού όπως φαίνεται στο σχήμα 5.8. Σχήμα 5.8: Μεταβολή της γωνίας κλίσης κατά μήκος του πάχους της κυψέλης σε διάφορες τιμές δυναμικού. Ανάλογη συμπεριφορά με την κυψέλη Fréedericksz παρουσιάζουν και οι οθόνες στραμμένων νηματικών κρυστάλλων στις οποίες, οπως αναφέρθηκε, στηρίζονται οι περισσότερες εμπορικές εφαρμογές. Στο σχήμα 5.9 δίνονται οι μεταβολές της γωνίας κλίσης και της γωνίας στρέψης του ανύσματος των μορίων κατα μήκος του πάχους μιας κυψέλης στραμμένων κατα 90 ο νηματικών κρυστάλλων στις δύο on και off καταστάσεις. Λόγω της ύπαρξης κοντά στα τοιχώματα περιοχών μορίων με μικρές ή με μηδενική κλιση παρουσιάζονται προβλήματα για πλάγια πρόσπτωση του φωτός. Προκαλείται αλλαγή της πόλωσης με αποτέλεσμα κάποιο φως να διέρχεται και να μειώνεται σημαντικά η αντίθεση φωτεινότητας ιδίως όταν η τιμή dδn είναι μικρή σε σχέση με το μήκος κύματος λ του φωτός και έτσι περιορίζεται η γωνία οπτικού πεδίου (viewing angle). H μεταβολή αυτή της αντίθεσης φωτεινότητας με την γωνία

65 παρατήρησης είναι μια σύνθετη συνάρτηση του πάχους της στιβάδας, της διπλοδιαθλαστικότητας, των ελαστικών παραμέτρων του υλικού και του εφαρμοζόμενου δυναμικού. Σχήμα 5.9: Mεταβολή των γωνιών κλίσης και στρέψης του άξονα των νηματικών κρυστάλλων κατά μήκος του πάχους της κυψέλης στις δύο on, off καταστάσεις. 5.3.5 Οθόνες υπερστραμμένων νηματικών υγρών κρυστάλλων Οπως είδαμε η κλίση της ηλεκτροπαραμορφωτικής καμπύλης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά με επιλογή των κατάλληλων παραμέτρων του υλικού. Με βάση όμως υπολογιστικά μοντέλλα προέκυψε ότι θεαματική βελτίωση της καμπύλης μπορεί να γίνει με αύξηση της γωνίας στρέψης οπως φαίνεται στο σχήμα 5.10. Ετσι για γωνία στρέψης 270 ο η καμπύλη στη περιοχή του οριακού δυναμικού γίνεται σχεδόν κατακόρυφη. Για να δημιουργηθούν όμως γωνίες στρέψης μεγαλύτερες των 90 ο θα πρέπει το υλικό να είναι ασύμμετρο δηλαδή οι υγροί κρύσταλλοι να είναι χοληστερικού τύπου. Συνήθως αυτό επιτυγχάνεται με προσθήκη μιας ασύμμετρης ένωσης σε μικρό ποσοστό στο υλικό του νηματικού υγρού κρυστάλλου. Το βήμα της δημιουργούμενης έλικας p είναι αντιστρόφως ανάλογο προς τη συγκέντρωση του ασύμμετρου

66 πρόσθετου και ρυθμίζεται να πληρεί την συνθήκη d/p = Φ/2π όπου d το πάχος της κυψελίδας και Φ η συνολική γωνία στρέψης. Σχήμα 5.10: Μεταβολή της γωνίας κλίσης στο μέσο επίπεδο της κυψέλης συναρτήσει του δυναμικού για διάφορες γωνίες στρέψης. Στις υπερστραμμένες νηματικές κυψέλες (SuperTwisted Nematics, STN) η ικανότητα της στιβάδας των υγρών κρυστάλλων να στρέφει το επίπεδο του πολωμένου φωτός μειώνεται. Το φως γίνεται ελλειπτικά πολωμένο και ο μεγάλος άξονας της έλλειψης περιστρέφεται. Οι οθόνες αυτού του τύπου λειτουργούν με βάση τη μεταβλητή διπλοθλαστικότητα που εμφανίζουν. Με κατάλληλη επιλογή του πάχους της στιβάδας και της γωνίας των δύο πολωτών επιτυγχάνεται μέσω συμβολής ένα σκοτεινό και ένα φωτεινό αποτέλεσμα για τους δύο ηλεκτροοδηγούμενες καταστάσεις. Στο σχήμα 5.11 δίνεται μιά σχηματική εικόνα μιας STN οθόνης. Η διεύθυνση αναπαριστά τη μεταβολή της διεύθυνσης των μορίων σε ολη την έκταση του στρώματος με μια μη επιλεγμένη κατάσταση αριστερά και μια επιλεγμένη δεξιά. Oι τύπου STN οθόνες στις αρχικές τους εφαρμογές εμφάνιζαν προβλήματα χρωματισμού γιατί τα διπλοδιαθλαστικά στρώματα προκαλούν επιβράδυνση, που είναι συνάρτηση του μήκους κύματος. Κάποια μήκη κύματος υφίστανται εκλεκτικά απόσβεση και προκύπτει χρωματισμός. Το πρόβλημα του χρωματισμού έχει αντιμετωπισθεί με διάφορες τεχνικές όπως μικρές τιμές dδn, προσθήκη εξωτερικών διπλοδιαθλαστικών στρωμάτων, χρήση διπλών κυψελίδων.

67 Σχήμα 5.11: Σχηματική εικόνα μιας STN οθόνης στραμμένης κατά 270 ο. 5.3.6 Συστήματα οδήγησης για στραμμένους νηματικούς υγρούς κρυστάλλους Στα συστήματα οδήγησης από πίνακες παθητικών στοιχείων λόγω του τρόπου τροφοδοσίας των στηλών και των γραμμών εμφανίζεται το φαινόμενο της διαφωνίας (cross talk), το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα να εμφανίζουν σημαντική τιμή δυναμικού και στοιχεία της οθόνης που δεν έχουν επιλεγεί. Οσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα ανάλυσης της οθόνης, δηλαδή ο συνολικός αριθμός των στοιχείων τόσο μικρότερη γίνεται η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα στοιχεία που έχουν (on) και σε εκείνα που δεν έχουν επιλεγεί (off). Ο μέγιστος λόγος των δυναμικών των on και off στοιχείων σε μια οθόνη με Ν γραμμές δίνεται από τη σχέση: V V on off N N 1 1 (5.4) Ετσι σε μια οθόνη 100 γραμμών η διαφορά μεταξύ των δύο δυναμικών είναι περίπου 10% ενώ σε μια οθόνη 240 γραμμών μισές περίπου απο αυτές μιας σημερινής τυπικής οθόνης τηλεόρασης η παραπάνω διαφορά γίνεται 6.7 %. Για να εφαρμοστεί αυτό το σύστημα οδήγησης σε μια οθόνη θα πρέπει η ηλεκτροοπτική καμπύλη να έχει απότομη κλίση. Επίσης θα πρέπει το οριακό δυναμικό και η γωνία οπτικού πεδίου να έχουν μικρή εξάρτηση από τη θερμοκρασία.

68 Στα συστήματα οδήγησης με πίνακες ενεργών στοιχείων όπως ήδη αναφέρθηκε κάθε στοιχείο ελέγχεται από ένα ξεχωριστό τρανζίστορ (TFT, Thin Film Transistor). Τα τρανζίστορ έχουν αρχιτεκτονική πίνακα και οι σειρές συνδέονται με τις πύλες των τρανζίστορ και το σήμα κάθε γραμμής καθορίζει το δυναμικό της πύλης των τρανζίστορ που ανήκουν στη γραμμή, καθορίζει δηλαδή τη δυνατότητα αγωγιμότητας του κάθε τρανζίστορ. Οι στήλες συνδέονται με τις πηγές και χρησιμοποιούνται για να αλλάζει η τιμή δυναμικού των επιθυμητών pixels στην γραμμή που έχει ήδη επιλεγεί. Το υλικό του υγρού κρυστάλλου αποτελεί το διηλεκτρικό μέσο της αποτελεσματικής αποθήκευσης των φορτίων πράγμα που απαιτεί μεγάλη αντίσταση και σταθερότητα του υλικού των υγρών κρυστάλλων. 5.3.7 Yλικά για οθόνες στραμμένων και υπερστραμμένων υγρών κρυστάλλων Στις παραπάνω παραγράφους περιγράφηκαν στοιχειωδώς ο συσχετισμός μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών και του πρακτικού αποτελέσματος στη λειτουργία της οθόνης. Η ανάπτυξη λοιπόν των υλικών για αυτού του τύπου τις οθόνες που κυριαρχούν στην αγορά από τα μέσα της δεκαετίας του 1970 ακολούθησε τις απαιτήσεις των χρηστών. Οι βασικές απαιτήσεις είναι: Σταθερά άχρωμα υλικά που να σχηματίζουν μεσοφάσεις στη θερμοκρασία δωματίου και σε ένα σχετικά μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Λειτουργία σε χαμηλό δυναμικό. Δυνατότητα χειρισμού απο συστήματα οδήγησης με μορφή πίνακα. Το θέμα της εύρεσης υλικών με μεσοφάσεις στη θερμοκρασία δωματίου και σταθερότητα στο φως και στη έκθεση στον ατμοσφαιρικό αέρα λύθηκε από το 1960 και μετά με την ανακάλυψη τάξεων ενώσεων όπως τα κυανοδιφαινύλια, οι φαινυλοπυριμιδίνες και τα φαινυλοκυκλοεξάνια, οι οποίες αντικατέστησαν τα λιγότερο σταθερά παράγωγα των βάσεων του Schiff και αζοξυπαράγωγα. Στόχος είναι να είναι δυνατή η λειτουργία μεταξύ 30 ο C και +85 ο C. Το πάνω όριο της περιοχής θερμοκρασιών λειτουργίας είναι η θερμοκρασία διαύγασης. Οπως προκύπτει απο την εξίσωση 5.3 η οριακή του δυναμικού καθορίζεται από το Δε και το μέγεθος των ελαστικών σταθερών. Ετσι απαιτούνται μεγάλη τιμή

69 Δε και μικρές τιμές ελαστικών σταθερών. Επίσης για να υπάρχει επαρκής οπτική ανταπόκριση απαιτούνται μεγάλες τιμές Δη. Για να είναι δυνατή η χρησιμοποίηση συστημάτων οδήγησης με μορφή πίνακα θα πρέπει η ηλεκτροοπτική καμπύλη να έχει μεγάλη κλίση έτσι ώστε η διαφορά μεταξύ του V on και V off δυναμικών να είναι μικρή (εξίσωση 5.4). Ετσι απαιτούνται υλικά με όσο το δυνατόν μικρότερο λόγο Κ 3 / Κ 1. Επίσης τα χρησιμοποιούμενα υλικά πρέπει να έχουν μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση. Τέλος όλες οι κρίσιμες ιδιότητες δεν θα πρέπει να μεταβάλλονται σημαντικά με τη θερμοκρασία. Όλες οι παραπάνω απαιτήσεις δεν ικανοποιούνται απο ένα τύπο ένωσης γιαυτό και κατά κανόνα χρησιμοποιούνται μίγματα ενώσεων ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές φυσικές ιδιότητες στο τελικό προϊον. Βασική αρχή για την σύνθεση των μιγμάτων είναι ότι εάν μια ένωση ή μια τάξη ενώσεων έχει μια ορισμένη φυσική ιδιότητα θα συμβάλει σε αυτή την ιδιότητα και στο μίγμα. Βέβαια οπως αναφέρθηκε στο κεφάλαιο 4 η μεταβολή των φυσικών ιδιοτήτων με τη σύσταση του μίγματος δεν είναι πάντα γραμμική. Επίσης ένα συστατικό μπορεί να δρα συνεργαστικά σε περισσότερες απο μιά ιδιότητες ή ανταγωνιστικά. Οσον αφορά το απαιτούμενο εύρος θερμοκρασιών το κάτω όριο καθορίζεται από το ιξώδες και για να είναι αρκετά χαμηλό θα πρέπει το υλικό να έχει μικρό ιξώδες αλλά είναι δύσκολο να συνδυαστεί μικρό ιξώδες με τον απαιτούμενο πολικό χαρακτήρα για μεγάλες τιμές Δε. Έτσι προστίθενται συστατικά μικρόυ ιξώδους αλλά παράλληλα και συστατικά τα οποία ανεβάζουν τη θερμοκρασία διαύγασης. Στον πίνακα 5.1 δίνονται μερικά χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων υλικών. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή οριακού δυναμικού χρησιμοποιούνται μίγματα συστατικών με μεγάλο θετικό και με μικρό Δε. Θα πρέπει να σημειωθεί οτι συχνά υπάρχει μια ανακολουθία μεταξύ των παρατηρούμενων διηλεκτρικών ιδιοτήτων των υγρών κρυστάλλων και της διπολικής ροπής των μορίων η οποία εξηγείται με την τοπική αντιπαράλληλη διάταξη των μορίων στη μεσοφάση. Συνήθως χρησιμοποιούνται μιγματα κυανοδιφαινυλίων τα οποία έχουν μεγάλο Δε με λιγότερο πολικά παράγωγα όπως είναι οι εστέρες που έχουν μικρές τιμές Δε. Στα μιγματα αυτά η τοπική αντιπαράλληλη διάταξη των κυανοδιφαινυλίων διακόπτεται και αυτό επιδρά ευεργετικά στο λόγο των ελαστικών σταθερών ενώ δεν έχει μεγάλη επίδραση στο οριακό δυναμικό μέχρι περίπου 35% προσθήκης του συστατικού χαμηλού Δε.

70 Προσθήκη σε μεγαλύτερη αναλογία αυξάνει το οριακό δυναμικό. Ανάλογη συμπεριφορά παρατηρείται και σε άλλες οικογένειες υγρών κρυστάλλων. Συστατικά χαμηλού ιξώδους ΠΙΝΑΚΑΣ 5.1 Συστατικά για ΤΝ μεγάλου εύρους θερμοκρασιών R R R C 2 H 4 R R C 2 H 4 R Συστατικά υψηλού σημείου διαύγασης R R R R R C 2 H 4 R R C 2 H 4 R Νηματογενή χαμηλού ιξώδους μεγάλου εύρους R F R R C 2 H 4 R F Τις οξύτερες ηλεκτροοπτικές καμπύλες δίνουν παράγωγα αρωματικών και ετεροκυκλικών υγρών κρυστάλλων ενώ τις μικρότερες μεταβολές του οριακού δυναμικού με τη θερμοκρασία παρουσιάζουν οι αλεικυκλικοί υγροί κρύσταλλοι. Θα πρέπει να γίνεται προσεκτική βελτιστοποίηση των μιγμάτων για να αποφευχθεί η δημιουργία ανεπιθύμητων σμηκτικών φάσεων οι οποίες συχνά σχηματίζονται κατά τη μείξη συστατικών χαμηλού και υψηλού Δε.

71 Οσον αφορά την απαιτούμενη μεγάλη αντίσταση των υλικών για τα συστήματα οδήγησης από πίνακες ενεργών στοιχείων τα κυανοπαράγωγα δεν ικανοποιούν πλήρως τις απαιτήσεις και έχουν διερευνηθεί και άλλες τάξεις ενώσεων με ακραίους υποκαταστάτες φθορο, τριφθορο και τριφθορομεθοξυομάδες. Γενικά οι πληροφορίες που δίνονται στη βιβλιογραφία για τις μελέτες βελτιστοποίησης των διάφορων υλικών είναι περιορισμένες λόγω του τεράστιου εμπορικού ενδιαφέροντος. 5.4 Οθόνες διχρωϊκών χρωμάτων Ενα στρώμα υγρών κρυστάλλων που περιέχει ένα κατάλληλο διχρωϊκό χρώμα απορροφά αποτελεσματικά το πολωμένο φως μόνον εάν ο άξονας της πόλωσης συμπίπτει με τον άξονα του μορίου με την προϋπόθεση ότι το χρώμα έχει θετικό διχρωϊσμό (σχήμα 5.12). Κάποια παραδείγματα ενώσεων που παρουσιάζουν το φαινόμενο αυτό δίνονται στο σχήμα 5.13. Σχήμα 5.12: Διατάξεις μορίου διχρωϊκού χρώματος ως προς τη διεύθυνση του φωτός; (a) και (b) διατάξεις ελάχιστης απορρόφησης; (c) διάταξη μεγίστης απορρόφησης. Μέσω επιδράσεων τύπου guest-host τα μόρια των χρωμάτων με σχήμα ράβδου διατάσσονται ομοιόμορφα ανάμεσα στα μόρια του υγρού κρυστάλλου χωρίς τα ίδια να έχουν υγρή κρυσταλλική φάση. Με βάση λοιπόν τη διάταξη των ενώσεων αυτών μπορεί να ρυθμιστεί η διέλευση του φωτός μέσω μιας κυψέλης υγρών κρυστάλλων

72 περιορίζοντας τους πολωτές ή και χωρίς καθόλου πολωτές. Οι οθόνες αυτού του τύπου έχουν μεγαλύτερη λαμπρότητα αλλά μικρότερη αντίθεση φωτεινότητας. OC 5 H 11 O HN O S NH O S O H 11 C 5 O μωβ κίτρινο N N O S 2 N N N(CH 3 ) 2 N N N N N μπλε κόκκινο Σχήμα 5.13: Παραδείγματα πλεοχρωμικών ενώσεων Οι οθόνες τύπου Heilmeier είναι εφοδιασμένες με ένα πολωτή με τον άξονα του παράλληλο προς τη διεύθυνση προσανατολισμου των μορίων. Στη κατάσταση αυτή (off) το φως απορροφάται ισχυρά περίπου στο λ max του χρώματος και η οθόνη εμφανίζεται χρωματισμένη. Στην on κατάσταση με την επίδραση δυναμικού το χρώμα εφόσον έχει θετικό Δε διατάσσεται ομοτροπικά και δεν απορροφά αποτελεσματικά το φως και τα επιλεγμένα τμήματα εμφανίζονται άσπρα μέσα σε ένα έγχρωμο υπόβαθρο (σχήμα 5.14). Η αντίθεση φωτεινότητας στις οθόνες αυτές εξαρτάται απο την παράμετρο τάξης του χρησιμοποιούμενου διχρωϊκού χρώματος. Είναι γνωστά διάφορα διχρωϊκά χρώματα με παράμετρο τάξης περίπου 0.8, η οποία δίνει μια αντίθεση φωτεινότητας 10 : 1. Αύξηση της αντίθεσης μπορεί να επιτευχθεί σε βάρος της λαμπρότητας. Γενικά οι οθόνες αυτού του τύπου υστερούν ως προς την αντίθεση φωτεινότητας σε σχέση με τις οθόνες τύπου ΤΝ που λειτουργούν με πολωτές. Επίσης επειδή για την πλήρη απόδοση τους απαιτούνται υψηλότερα δυναμικά είναι δύσκολο να χρησιμοποιηθούν με τα ηλεκτρονικά συστήματα οδήγησης τύπου πίνακα.

73 Σχήμα 5.14: Κυψέλη τύπου Heilmeier σε (α) off και (b) on καταστάσεις. Ενας αλλος τύπος οθόνης διχρωϊκών χρωμάτων είναι οι White Taylor οθόνες στις οποίες δεν χρησιμοποιούνται πολωτές. Στις οθόνες αυτού του τύπου το χρώμα ακολουθεί την διάταξη ενός πολυστραμμένου νηματικού κρυστάλλου με μικρό βήμα έλικας της τάξης των μm. H διάταξη αυτή επιτυγχάνεται όπως και στους STN με την προσθήκη ενός οπτικά ενεργού συστατικού. Στην on κατάσταση ο άξονας της έλικας είναι κάθετος προς τις γυάλινες πλάκες και εφόσον το βήμα της έλικας είναι αρκετά μικρό (ΡΔn << 1) το προσπίπτον φως δεν διέρχεται δια μέσου της έλικας αλλά απορροφάται στις περιοχές, όπου ο άξονας του χρώματος έχει την κατάλληλη διεύθυνση. Για να είναι αποτελεσματική η απορρόφηση απαιτούνται μικρό βήμα έλικας, μικρή διπλοδιαθλαστικότητα του LC και σχετικά μεγάλη συγκέντρωση χρώματος. Στην on κατάσταση με την επίδραση δυναμικού η έλικα ξεδιπλώνεται το χρώμα διατάσσεται, όπως και στην οθόνη τύπου Heilmeier, ομοτροπικά και δεν απορροφά αποτελεσματικά το φως. Οι οθόνες αυτού του τύπου δεν απαιτούν πολωτές αλλά παρουσιάζουν ανάλογα μειονεκτήματα με τις οθόνες τύπου Heilmeier. 5.5 Οθόνες σμηκτικών υγρών κρυστάλλων Μετά την νηματική και την χοληστερική φάση η σμηκτική φάση τύπου Α είναι η συχνότερα απαντώμενη φάση θερμοτροπικών υγρών κρυστάλλων. Αν και έχουν

74 διερευνηθεί σε μικρότερο βαθμό και υγροί κρύσταλλοι αυτού του τύπου χρησιμοποιούνται σε οθόνες. Σε σύγκριση με τις οθόνες νηματικών υγρών κρυστάλλων οι οθόνες αυτού του τύπου παρουσιάζουν δισταθερότητα (bistability), μεγαλύτερη αντίθεση φωτεινότητας και σε ορισμένες περιπτώσεις καλύτερους χρόνους ανταπόκρισης. Μειονεκτούν στο ότι έχουν μεγαλύτερες ενεργειακές απαιτήσεις. Οπως και οι άλλες LCDs οι οθόνες σμηκτικών υγρών κρυστάλλων λειτουργούν με βάση την εναλλαγή μεταξύ δύο καταστάσεων μιας διαφανούς διαπερατής από το φως και μιας μη διαπερατής γαλακτώδους, στην οποία γίνεται σκεδασμός του φωτός. Η μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, όπως ακτίνες Laser, θερμικά ή ηλεκτρικά. 5.5.1 Οθόνες κατευθυνόμενες από Laser Οι οθόνες αυτού του τύπου βρίσκουν εφαρμογή σαν οθόνες προβολέων.οι οποίες έχουν υψηλές απαιτήσεις αντίθεσης φωτεινότητας και ανάλυσης. Αρχικά χρησιμοποιήθηκαν οι νηματικές και χοληστερικές φάσεις αλλά οι σμηκτικοί υγροί κρύσταλλοι πλεονεκτούν, γιατί τα κέντρα σκεδασμού του φωτός είναι μικρότερα και μεγαλύτερης έντασης με αποτέλεσμα μεγαλύτερη αντίθεση φωτεινότητας και ανάλυση. Στη βασική διαφανή κατάσταση οι S A υγροί κρύσταλλοι είναι ομοιόμορφα διατετεγμένοι ως προς τις εξωτερικές γυάλινες επιφάνειες και δεν προκαλούν σκεδασμό του φωτός. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση υλικών που προκαλούν ομοτροπική διάταξη όπως αλκυλοτριχλωροσιλάνια ή αλκυλοκαρβοξυλικά σύμπλοκα χρωμίου. Στην περίπτωση αυτή τα σμηκτικά στρώματα έχουν παράλληλη διάταξη ως προς τις γυάλινες επιφάνειες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η ομογενής διάταξη ή και υβρίδια ομογενούς και ομοτροπικής διάταξης. Γενικά υπάρχει μια διαφωνία ως προς τον καταλληλότερο τύπο διάταξης, αν και στις περισσότερες περιπτώσεις αναφέρεται η ομοτροπική διάταξη. Οταν μια εστιασμένη ακτίνα Laser προσπίπτει στο στρώμα του υγρού κρυστάλλου (συνήθως 12-14 μm) και με την προϋπόθεση ότι μπορεί να απορροφηθεί, ο υγρός κρύσταλλος θερμαίνεται τοπικά. Η ένταση της ακτινοβολίας ρυθμίζεται έτσι ώστε η παραγόμενη θερμότητα να είναι αρκετή για να μετατραπεί ο υγρός

75 κρύσταλλος στην ισοτροπική υγρή φάση. Μετά την παύση της ακτίνας Laser το υγρό ψύχεται γρήγορα λόγω μεταφοράς της θερμότητας στον περιβάλλοντα χώρο και μέσω της νηματικής φάσης επανέρχεται στη σμηκτική. Η σμηκτική όμως φάση, που σχηματίζεται με τη γρήγορη ψύξη, δεν έχει την αρχική διάταξη αλλά σχηματίζει εστιασμένες κωνικές ομάδες οι οποίες σκεδάζουν έντονα το φως. Σχήμα 5.15: Λειτουργία οθόνης με επίδραση ακτινοβολίας Laser. Το υπάρχον στρώμα του υλικού διάταξης δεν επαρκεί για να επαναφέρει την αρχική διάταξη, λειτουργεί κυρίως στη νηματική φάση και εφόσον υπάρχει ένας επαρκής χρόνος παραμονής σ αυτή. Ετσι λοιπόν δημιουργείται μια οθόνη με ένα διαφανές υπόβαθρο και ένα γράφημα στα σημεία προσβολής του Laser. H κατάσταση αυτή μπορεί να διατηρηθεί για μήνες ακόμη και χρόνια εφόσον το επιτρέπει το ιξώδες του υλικού. Συνήθως η οθόνη διατηρείται σε μια θερμοκρασία 4-10 ο C κάτω από τη θερμοκρασία μετατροπής S A Ν. Ετσι η ενέργεια που απαιτείται για την μετατροπή της σμηκτικής φάσης στο ισότροπο υγρό είναι σχετικά μικρή αλλά παράλληλα θα πρέπει να εξασφαλίζεται η γρήγορη ψύξη για το σχηματισμό της μη διατεταγμένης σταθερής σμηκτικής φάσης. Μερικό εκλεκτικό ή συνολικό σβήσιμο του γραφήματος μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Εκλεκτικό σβήσιμο συνήθως επιτυγχάνεται με ακτινοβόληση με Laser των επιθυμητών περιοχών και εφαρμογή ενός πεδίου χαμηλής τάσης (~ 30 V) κατά τη διάρκεια της ψύξης. Το μικρό αυτό πεδίο διατάσσει ομοτροπικά την ενδιάμεση N φάση οπότε και η προκύπτουσα S A φάση διατάσσεται κατά τον ίδιο τρόπο και δε σκεδάζει το φως. Συνολικό σβήσιμο του γραφήματος επιτυγχάνεται με θέρμανση και μετατροπή ολης της οθόνης στο ισότροπο υγρό με εφαρμογή ενός σύντομου παλμού d.c. και στη συνέχεια βραδεία ψύξη ή εφαρμογή μια μικρής τάσης. Επίσης συνολικό καθάρισμα της οθόνης μπορεί να γίνει και χωρίς θέρμανση με

76 εφαρμογή υψηλότερης τάσης (100 140 V), οπότε το υλικό επανασυντάσσεται στην αρχική του ομοτροπική διάταξη που δεν σκεδάζει το φως. Ενα υλικό κατάλληλο για αυτού του τύπου τις οθόνες θα πρέπει να παρουσιάζει S A φάση σε ένα σχετικά μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και εφόσον χρησιμοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου το σημείο τήξης πρέπει να είναι χαμηλότερο αυτής. Είναι απαραίτητο να παρουσιάζει μια νηματική φάση πάνω από τη σμηκτική για να μπορεί να γίνει η ομοιόμορφη διάταξη των υγρών κρυστάλλων. Επίσης οι μετατροπές S A Ν και Ν Ι πρέπει να γίνονται σε ένα σχετικά στενό εύρος θερμοκρασιών και όχι πολύ πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Βέβαια δεν θα πρέπει να είναι και πολύ κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος γιατί δεν εξασφαλίζεται η μνήμη της οθόνης. Επίσης το υλικό θα πρέπει να παρουσιάζει μεγάλη διπλοδιαθλαστικότητα για να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη η ένταση του σκεδασμού και θετική διηλεκτρική ανισοτροπία (Δε) για να μπορεί να γίνει η επαναδιάταξη των μορίων με επίδραση πεδίων. Και βέβαια όπως προκύπτει από τον τρόπο λειτουργίας της οθόνης θα πρέπει να είναι σταθερό στο φώς και τη θερμότητα. Για να εξασφαλιστεί μια μεγάλη τιμή διπολικής ροπής κατά μήκος του κύριου άξονα του μορίου και θετικό Δε χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά κυανοπαράγωγα. Για να βρεθούν τα optimum χαρακτηριστικά όσον αφορά τις θερμοκρασίες τήξης και μετατροπής των φάσεων χρησιμοποιούνται διάφορα μίγματα διαφόρων ενώσεων (σχήμα 5.16). Τα αρχικά πειράματα έγιναν με βάση την 4-κυανο-4 -οκτυλοβενζυλιδενο ανιλίνη (1) και μίγματα ομολόγων της. Παρόλο που προσεγγίστηκαν αρκετα καλές τιμές οσον αφορά τις θερμοκρασίες μετατροπής των φάσεων οι ενώσεις αυτές μειονεκτούν γιατί δεν είναι σταθερές και η αζωμεθινο ομάδα μπορεί σχετικά εύκολα να υδρολυθεί. Ετσι λοιπόν αντικαταστάθηκαν σχεδον αποκλειστικά από μίγματα 4- κυανο-4 -αλκυλοδιφαινυλίων (2). Ενώσεις αυτού του τύπου είναι σταθερές και χρησιμοποιούνται είτε μόνες τους ή σαν ευτηκτικά μίγματα. Ετσι μίγμα 8CB (2, R = οκτυλο) και 10CB (2, R = δεκυλο) έχει θερμοκρασίες μετατροπής C - S A, 5 o C; S A Ν, 40 o C; N I, 43 o C. Με προσθήκη αλκοξυδιφαινυλίων ή παραγώγων του τύπου 3 προκύπτουν σμηκτικές φάσεις με μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, ενώ με προσθήκη παραγώγων του τύπου 4 ελαττώνεται το εύρος της νηματικής φάσης.

77 C 8 H 17 CH N CN R CN 1 2 RO R CN COO CN 3 RO 4 C 8 H 17 COO Br Br 5 Σχήμα 5.16: Ενώσεις για οθόνες σμηκτικών υγρών κρυστάλλων. Οπως ήδη αναφέρθηκε προυπόθεση για την λειτουργία των Laser LCDs είναι η απορρόφηση της ακτινοβολίας. Προς το σκοπό αυτό προστίθεται ένα στρώμα κατάλληλου απορροφητικού υλικού στην επιφάνεια της οθόνης ή κάποιο χρώμα διαλύεται στο υλικό του υγρού κρυστάλλου. Η δεύτερη περίπτωση είναι προτιμητέα γιατί υπάρχουν μικρότερες απώλειες σε θερμότητα και επομένως απαιτούνται Laser μικρότερης ενέργειας. Για να χρησιμοποιηθεί ένα χρώμα πρέπει να πληρεί ορισμένες προυποθέσεις: να παρουσιάζει μέγιστο απορρόφησης στο μήκος κύματος εκπομπής του Laser, να έχει μεγάλο μοριακό συντελεστή απόσβεσης, να είναι διαλυτό στον υγρό κρύσταλλο, να είναι διαπερατό στο φώς του προβολέα, να είναι σταθερό στη θερμότητα και στο φως. Επίσης πρέπει να είναι διχρωϊκό γιατί μειώνει το πλάτος της κηλίδας του απορροφόμενου φωτός και βελτιώνει την ανάλυση. Τα διχρωϊκά χρώματα μέσα στον υγρό κρύσταλλο διατάσσονται κατά μια ορισμένη διάταξη από την οποία εξαρτάται το κατά πόσο απορροφούν την ενέργεια του προσπίπτοντος Laser. Καλά αποτελέσματα δίνουν συνήθως χρώματα με παράμετρο διάταξης 0.5-0.6. Τα He-Ne Lasers εκπέμπουν στα 633 nm και κατάλληλα χρώματα που έχουν χρησιμοποιηθεί για την περιοχή αυτή είναι ενώσεις των τύπων 6, 7 και 8. Τα He-Ne Lasers μειονεκτούν στο ότι είναι σχετικά μεγάλα και έχουν περιορισμούς στο φως του προβολέα γιατί τα χρησιμοποιούμενα χρώματα απορροφούν στην ορατή περιοχή.

78 Ιδανικά Laser για τις οθόνες υγρών κρυστάλλων ειναι τα Laser ημιαγωγών (GaAs και GaAlAs), τα οποία είναι μικρά, σχετικά φθηνά και εκπέμπουν στο εγγύς υπέρυθρο (750 1200 nm). Δεν υπάρχουν όμως αρκετά κατάλληλα χρώματα που να απορροφούν στη περιοχή αυτή. Χρώματα που απορροφούν στην περιοχή αυτή και έχουν δοκιμαστεί χωρίς να πληρούν όλες τις προϋποθέσεις είναι ενώσεις των τύπων 9, 10 και 11. O NH R R OH O OH R O 6 NHCH 3 OH O NH 2 NH 2 O 7 NH 2 O R NH 2 O 8 OH Σχήμα 5.17: Χρώματα απορρόφησης για He-Ne Lasers. S N S N CH CH (CH 2 ) 3 OCOCH 3 CH CH ClO 4 N (CH 2 ) 3 OCOOOCH 3 9 O R CH 3 CH 3 2 O CH 3 CH 3 S S Ni S S (CH 3 ) 2 CH 10 CH(CH 3 ) 2 11 R Σχήμα 5.18: Χρώματα απορρόφησης για Laser ημιαγωγών.

79 5.5.2 Οθόνες κατευθυνόμενες θερμικά και ηλεκτρικά Η αρχή λειτουργίας των οθονών αυτού του τύπου είναι ίδια με αυτών που κατευθύνονται από Laser με τη διαφορά ότι για την εκλεκτική θέρμανση και μετατροπή του υγρού κρυστάλλου στο ισότροπο υγρό χρησιμοποιείται αντί του Laser μια πηγή θέρμανσης. Έχουν χρησιμοποιηθεί υλικά και με θετική και με αρνητική τιμή διηλεκτρικής ανισοτροπίας. Το υλικό είναι και πάλι ομοτροπικά διατεταγμένο ανάμεσα σε δυό φύλλα γυαλιού. Η πίσω γυάλινη πλάκα φέρει ένα σύστημα θερμικών στοιχείων τα οποία μπορούν να ενεργοποιηθούν με θερμικό παλμό. Στα υλικά με θετικό Δε μετά την ενεργοποίηση με το θερμικό παλμό το σύστημα ψύχεται γρήγορα οπότε εμφανίζεται στις επιλεγμένες περιοχές η σκεδάζουσα αδιαφανής δομή. Εαν όμως καθώς το σύστημα ψύχεται εφαρμοστεί ένα μικρό πεδίο η ενδιάμεσα σχηματιζόμενη Ν φάση διατάσσεται ομοτροπικά και προκαλεί την ίδια διάταξη και στην σμηκτική που ακολουθεί. Ετσι επιτυγχάνεται το γράψιμο και το σβήσιμο αντίστοιχα. Συστήματα που έχουν βρεί εφαρμογή σε οθόνες αυτού του τύπου είναι μίγματα 8CB και 10CB και της ένωσης 5 (σχήμα 5.16), η οποία προστίθεται για να μειώσει την διηλεκτρική ανισοτροπία και επομένως να αυξήσει το οριακό δυναμικό της οθόνης. Στα υλικά με αρνητικό Δε η σκεδάζουσα δομή δηλαδή το γράψιμο δημιουργείται με την επίδραση πεδίου ενώ με θέρμανση και βραδεία ψύξη δημουργείται η διατεταγμένη διαφανής δομή. Συστήματα που μπορούν να λειτουργήσουν με αυτό τον τρόπο είναι μίγματα 4-αλκοξυ-3-κυανοβενζοϊκών 4- αλκυλοφαινυλεστέρων και βενζοϋλοξυβενζοϊκών υποκατεστημένων φαινυλεστέρων. 5.5.3 Οθόνες κατευθυνόμενες ηλεκτρικά Στις οθόνες αυτού του τύπου η μετάβαση μεταξύ της διαυγούς δομής και της σκεδάζουσας γίνεται μόνον με εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς θέρμανση. Ο τρόπος αυτός λειτουργίας έχει το πλεονέκτημα της μικρότερης καταναλώσης ενέργειας και συντομότερους χρόνους γραφής γιατί δεν μεσολαβεί η περίοδος ψύξης. Οι πρώτες οθόνες αυτού του τύπου εμφανίστηκαν το 1978 και παρά τα αναμενόμενα είχαν μικρότερους χρονους απόκρισης από τις οθόνες νηματικών υγρών κρυστάλλων και επί πλέον δυνατότητα αποθήκευσης για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

80 Η διαυγής ομοτροπική διάταξη επιτυγχάνεται εύκολα με εφαρμογή ενός υψηλού δυναμικού υψηλής συχνότητας. Το οριακό δυναμικό (V) για την μετατροπή στη διαυγή φάση εξαρτάται από τη φύση του υλικού και το πάχος της κυψελίδας. V K1d (5.5) Δ 2 2 o όπου Κ 1 είναι ελαστική σταθερά, d το πάχος της κυψελίδας, Δε η διηλεκτρική ανισοτροπία και λ η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων. Το οριακό δυναμικό επίσης ελαττώνεται αυξανομένης της συχνότητας. Εάν χρησιμοποιηθούν πολύ μεγάλες τιμές δυναμικού ή συχνότητας τότε η μεταφορά στη κατάσταση σκεδασμού γίνεται δύσκολη γιαυτό και αναζητούνται οι optimum συνθήκες; π.χ. για το 8CB είναι 65 V σε 1.5 khz για πάχος 18 μm. Η μετάβαση στη σκεδάζουσα μορφή είναι πιό περίπλοκη. Επιτυγχάνεται με εφαρμογή μιας υψηλής τάσης (50 80 V) σε χαμηλές συχνότητες (20 100 Hz). Απαραίτητη προϋποθεση επίσης είναι η αντίσταση του υλικού να είναι μικρότερη απο 1x10 9 Ω cm. Για το λόγο αυτό προστίθενται αλκυλοαμμωνιακά άλατα όπως το βρωμίδιο του δεκαεξυλοτριμεθυλοαμμωνίου, το οποίο λειτουργεί και σαν παράγοντας της ομοτροπικής διευθέτησης. Η εμφάνιση σκεδασμού στην περίπτωση αυτή αποδίδεται στην κίνηση των ιόντων κυρίως ανάμεσα ανάμεσα στα μοριακά στρώματα αλλά σε μικρότερο ποσοστό και εντός αυτών. Η κίνηση αυτή δημιουργεί μικρές δίνες οι οποίες παραμένουν και μετά την παύση λειτουργίας του πεδίου. 5.6 Οθόνες σιδηροηλεκτρικών υγρών κρυστάλλων Οι οθόνες αυτού του τύπου παρουσιάζουν ιδιαίτερο επιστημονικό και πρακτικό ενδιαφέρον αν και μέχρι στιγμής δεν έχουν βρει ευρεία εμπορική εφαρμογή. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σύνθετες οθόνες χωρίς να απαιτούνται πίνακες ενεργών στοιχείων και επιπλέον έχουν πολύ μικρούς χρόνους απόκρισης (της τάξης των μs) πολύ μικρότερους απο τις συμβατικές οθόνες νηματικού τύπου (της τάξης των ms). Σιδηροηλεκτρικά είναι τα υλικά τα οποία εμφανίζουν μακροσκοπικά αυθόρμητη πόλωση Ρ s, λόγω περιορισμένης συμμετρίας. Ο όρος αυτός αναφερόταν αποκλειστικά στη στερεά φάση μέχρι το 1975, οπότε διαπιστώθηκε ότι σμηκτικοί

81 υγροί κρύσταλλοι με ασύμμετρα κέντρα μπορούν υπό ορισμένες προϋποθέσεις να εμφανίσουν το φαινόμενο του σιδηροηλεκτρισμού. Στην σμηκτική S C φάση όπως ήδη αναφέρθηκε τα μόρια είναι διατεταγμένα σε στρώματα παράλληλα ως προς άξονα με μια κλίση ως προς το επίπεδο των στρωμάτων. Οταν υπάρχουν ασύμμετρα κέντρα (S * C φάση) υπάρχει μια προτιμητέα διάταξη μεταξύ τους, αυτή που αντιστοιχεί στη μικρότερη στερεοχημική παρεμπόδιση (στο σχήμα 5.19 η α έναντι της β), με αποτέλεσμα όλα τα εγκάρσια δίπολα να έχουν την ίδια διεύθυνση και να αναπτύσσεται μιά πόλωση Ρ S της οποίας το άνυσμα είναι κάθετο προς τον άξονα των κρυστάλλων (σχήμα 5.19). Σχήμα 5.19: Διάταξη χειρόμορφων μορίων στην S C * φάση. Οι χειρόμορφες όμως επιδράσεις μεταξύ των στρωμάτων απουσία άλλων εξωτερικών παραγόντων προκαλούν μια ελικοειδή ανάπτυξη αυτών με ένα βήμα έλικας της τάξης λίγων μικρών, στην οποία ο μέσος όρος της διπολικής ροπής μηδενίζεται (σχήμα 5.20, α). Για να εμφανιστεί η πόλωση θα πρέπει κατά κάποιο τρόπο η έλικα να ξεδιπλωθεί. Αυτό έγινε δυνατό το 1980 από τους Clark και Lagerwall οι οποίοι * δημιούργησαν ένα λεπτό στρώμα ξεδιπλωμένου S C ανάμεσα σε δυο γυάλινες πλάκες επικαλυμένες με πολυιμίδιο. Ετσι προέκυψε ένα συστημα σιδηροηλεκτρικών υγρών κρυστάλλων σταθεροποιούμενο μέσω επιφανειών (SSFLC, surface stabilized

82 ferroelectric liquid crystal) στο οποίο εμφανίζεται πόλωση κατά διεύθυνση κάθετη προς τις γυάλινες επιφάνειες (σχήμα 5.20, β). Σχήμα 5.20: Σχηματική παράσταση της S C * φάσης α) με τη μορφή μακροσκοπικής έλικας απουσία προσανατολισμου μέσω επιφανείας β) ως SSFLC στρώμα μεταξύ δύο γυάλινων πλακών. Κατά την εφαρμογή ενός χαμηλού δυναμικού κατά μήκος των πλακών η διεύθυνση της πόλωσης μπορεί να αλλάξει από πάνω κάτω και αντίστροφα. Συνακόλουθα τα μόρια υφίστανται μια στροφή του άξονα τους κατά 2θ, όπου θ η γωνία μεταξύ του άξονα των μορίων και της διεύθυνσης της κάθετης προς το επίπεδο των στρωμάτων (σχήμα 5.21). Οι δύο διευθύνσεις έχουν την ίδια ενέργεια και σταθεροποιούνται επί αόριστο χρόνο και μετά την παύση λειτουργίας του πεδίου. Η αλλαγή αυτή έχει ως αποτέλεσμα ένα οπτικό φαινόμενο εφοσον στρέφεται και ο οπτικός άξονας του μορίου και μπορεί να παρατηρηθεί μεταξύ δυο διασταυρούμενων πολωτών. H ένταση του διερχόμενου φωτός εξαρτάται από τη γωνία 2θ μεταξύ των δύο προσανατολισμών, το πάχος της κυψέλης του υγρού κρυστάλλου τη διπλοθλαστικότητα Δη και το μήκος κύματος του φωτός. Ως προς τη γωνία 2θ η optimun τιμή είναι 45 ο δηλαδή γωνία κλίσης 22.5 ο. Για την περιοχή του ορατού φωτός και για τιμές Δn 0.1 εως 0.2 που έχουν οι διαθέσιμοι Sc * το πάχος της κυψελίδας θα πρέπει να είναι περίπου 2 μm δηλαδή αρκετά μικρότερο από αυτό των κυψελών νηματικών κρυστάλλων (5 10 μm).

83 Σχήμα 5.21: Mεταβολή της διεύθυνσης της αυθόρμητης πόλωσης με την εφαρμογή δυναμικού. Ο χρόνος απόκρισης τ δίνεται από τη σχέση (5.6) P E s όπου P s η αυθόρμητη πόλωση, η το περιστροφικό ιξώδες (rotational viscosity) και Ε το εφαρμοζόμενο πεδίο. Για να εμφανίσει μια μοριακή δομή σιδηροηλεκτρικές ιδιότητες με δυνατότητα εφαρμογών σε οθόνες θα πρέπει να σχηματίζει σμηκτική φάση τύπου S c να έχει ασύμμετρο κέντρο και να έχει κατάλληλες τιμές γωνίας κλίσης, πόλωσης και ιξώδους. Επειδή όλα αυτά τα χαρακτηριστικά δεν μπορούν να προκύψουν από μια δομή συνήθως χρησιμοποιούνται μιγματα δύο ή και περισσοτέρων συστατικών. Τρία ειναι τα κύρια χαρακτηριστικά στα περισσότερα υλικά που σχηματίζουν S C φάσεις. Ενας αρωματικός πυρήνας με δύο ακραίες αλκυλοαλυσίδες Ισχυρά ακραία πλευρικά δίπολα Δύο τουλάχιστον αρωματικοί δακτύλιοι Και βέβαια για να είναι η φάση σιδηροηλεκτρική πρέπει να έχει και ένα ασύμμετρο κέντρο. Η πρώτη σιδηροηλεκτρική φάση βρέθηκε στην ένωση 12 (DOBAMBC, (R)-4- n-hexyloxybenzylideneamino-2 -chloropropyl cinnamate) της οποίας οι θερμοκρασίες μετατροπής των φάσεων είναι: C S C *, 76 o C; (S * C - S * I, 63 o C); S * C - S A, 95 o C; S A I, 117 o C. Με βάση την ένωση 12 συντέθηκε η 13 (HOBACPC, (S)-

84 4-n-decyloxybenzylideneamino-2 -methylbutyl cinnamate), της οποίας η SC * έχει μικρότερο εύρος (C S * Ι, 65 o C; S * Ι - S * C, 74.5 o C; S * C - S A, 81 o C; S A I, 136 o C), αλλά η πόλωση P S είναι πολύ μεγαλύτερη απότι της DOBAMBC. Σε μια * προσπάθεια να δημουργηθεί η S C σε θερμοκρασία δωματίου παρασκευάστηκαν απλούστερες βασείς του Schiff όπως το οκτυλοομόλογο 14, το οποίο έχει θερμοκρασίες μετατροπής C S * C, 12 o C; S C * I, 97 o C. Το 14 και ομόλογα του ομως έχουν μικρό P S και γωνία κλίσης μονο 8 ο. S * C σχηματίζουν και οι πιό σταθερές αζοξυ ενώσεις του τύπου 15. Το χαμηλό σ. τήξης που παρουσιάζουν χάνει την χρηστικότητα του λόγω μεσολάβησης της S Β φάσης (C S Β, 24 o C; S Β S * C, 66 o C; S * 9.3 o C; C I, 84.2 o C C, 7 C). C 6 H 13 O CH N 12 Cl CH CHCOOCHC 2 H 5 * CH 3 C 10 H 21 O CH N CH CHCOOCHC 2 H 5 * 13 CH 3 C 2 H 5 CH(CH 2 ) 5 O CH N C 8 H 17 * OH 14 CH 3 CH 3 C 2 H 5 CH(CH 2 ) 4 * O N N O O (CH 2 ) 4 CHC 2 H 5 15 Σχήμα 5.22: Παράγωγα βάσεων του Schiff και αζοξυ ενώσεων που σχηματίζουν σιδηροηλεκτρικές φάσεις. * Μια πιό συστηματική μελέτη για την εμφάνιση της S C έγινε σε σειρές εστερικών παραγώγων (16 21). Βρέθηκε ότι σε ομόλογα του τύπου 16 αυξάνοντας την πλευρική αλυσίδα σύνδεσης με το ασύμμετρο κέντρο παρατηρείται αύξηση της Τ SC* SΑ κατά 15 ο C κατά άτομο άνθρακα. Αυξάνοντας την συζυγία στο βασικό

85 αρωματικό πυρήνα με σύνδεση με μια βινυλο ή φαινυλο ομάδα όπως στην ένωση 17 αυξάνονται όλες οι θερμοκρασίες μεταβολής μεταξύ των υγρών κρυσταλλικών φάσεων αλλά συνήθως προκύπτουν και σμηκτικές φάσεις υψηλότερης τάξης. Επίσης ιδιαίτερη σημασία έχει ο τρόπος σύνδεσης της εστερικής ομάδας. Αναστροφή του αλλάζει δραματικά την ακολουθία των φάσεων. Ετσι η ένωση 18 έχει ακολουθία φάσεων C S C S A I ενώ η 19 C S * C Ch I. Επίσης η ένωση 20 έχει μεταβολή S C I, ενώ η 21 S C S A. CH 3 C n H 2n+1 COO O (CH 2 ) n CHC 2 H 5 * 16 C 8 H 17 CH 3 C 2 H 5 CH(CH 2 ) n O * 17 18 COO COO CH 3 O CH 2 CHC 2 H 5 * OC n H 2n+1 CH 3 C 2 H 5 CH(CH 2 ) n O OOC OC n H 2n+1 * 19 C 8 H 17 O OOCCH 2 CHC 2 H 5 * 20 21 CH 3 CH 3 C 8 H 17 O COOCH 2 CHC 2 H 5 * Σχήμα 5.23: Παράγωγα εστέρων που σχηματίζουν σιδηροηλεκτρικές φάσεις.