cristale lichide feroelectrice
TRANSCRIPT
Cristale lichide feroelectrice
Cristalele lichide sunt cunoscute ca faze stabile, la fel de bine delimitate ca
si fazele solide, lichide si gazoase. Starea de cristal lichid este o stare
intermediara intre starea solida si cea lichida. In corpurile solide cristaline exista
ordonare pozitionala bine determinata a moleculelor precum si o ordonare
orientationala a moleculelor la o distanta foarte mare. Lichidele izotrope au
ordonare pozitionala la distanta mica, nu au o ordonare de orientare si au trei
grade de libertate de miscare de translatie.
In general substantele care pot fi considerate faze intermediare intre starea
solida si lichida sunt impartite in doua clase:
• fazele de cristal plastic care au o mare ordonare pozitionala, dar o
ordonare orientationala redusa;
• fazele de cristal lichid care au o mare ordonare orientationala, dar o
ordonare pozitionala redusa.
cristal lichid cristal plastic
Fazele de cristal lichid se clasifica in cristale lichide termotrope, liotrope si
polimerice.
Cristalele lichide sunt materiale speciale prezentând o serie de proprietati
caracteristice si perfectionarea aplicatiilor lor tehnologice moderne este strâns
legata de realizarea unor combinatii organice cu structuri mult mai complexe,
stiuta fiind relatia strânsa intre structura si proprietatile lor.
Ele se utilizeazã in construirea dispozitivelor de afisaj, de la cele mai mari
dimensiuni pana la cele foarte mici, monocolore si colorate, in televiziunea de
înalta definitie, senzori de temperatura.
Exista mai multe criterii de clasificare a cristalelor lichide datorita diversitatii
tipurilor de mezofaze.
1.Dupã forma moleculelor cristalele lichide se clasifica in trei clase
reprezentate in fig. urmãtoare:
a) b) c)
a)cristale lichide calamitice ale cãror molecule au forma unui cilindru drept
lung care se numesc batonete sau baghete rigide.
b)cristale lichide sanidice ale cãror molecule au forma unei placi
dreptunghiulare.
c)cristale lichide discotice ale cãror molecule au forma unor discuri plate.
2.Dupã masa moleculara cristalele lichide se clasifica in doua categorii:
a)cristale lichide monomerice cu masa moleculara mica;
b)cristale lichide polimerice cu masa moleculara mare.
Cristal lichid nematic
3.Dupã parametrii fizici ce controleazã existenta mezofazelor exista doua
tipuri:
a)cristale lichide termotrope (CLT) la care mezofazele se formeazã ca
urmare a variatiei temperaturii;
b)cristale lichide liotrope (CLL) la care mezofazele se formeazã ca urmare
a modificãrii concentratiei lor in solutie.
Prin intersectia acestor criterii se remarca faptul ca cristalele lichide
termotrope mononumerice pot fi de doua feluri:cristale lichide termotrope
calamitice si cristale lichide termotrope discotice.
Astfel, cristalele lichide termotrope calamitice impart in:
-cristale lichide termotrope calamitice nematice (CLN)
-cristale lichide termotrope calamitice smectice (CLS)
La rândul lor cristalele lichide nematice (CLN) se gãsesc in
doua variante:
-cristale lichide nematice obisnuite (CLN)
-cristale lichide nematice rãsucite sau chirale (CLN*) care
contin si
clasa
cristale lichide colesterice denumite de Friedel in 1922.
Cristale lichide smectice (CLS):
Denumirea de cristal lichid smectic (CLS) vine de la cuvântul grecesc
smectos ce înseamnã sãpun, datorita structurii lor stratificate, asemãnãtoare
solutiei de sãpun.
nematic discoticcolesteric
Cristalele lichide smectice au cel mai mare polimorfism. Astfel exista mai
multe criterii de clasificare a lor:
Dupã înclinarea moleculelor fata de normala la strat:
- cristale lichide smectice ortogonale (fara înclinare) din care fac parte
smectic A, smectic B, cristal smectic B si cristal smestic E cristale lichide
smectice înclinate din care fac parte smectic C, smectic hexatic F, smectic
hexatic I, cristal smectic G, cristal smectic J, cristal smectic His cristal smectic
K;
- cristale lichide smectice chirale (cu înclinare si rãsucire elicoidala a
moleculelor de la un strat la altul) din care fac parte smectic C* (feroelectrice,
antiferoelectrice si ferielectrice) smectic hexatic I*, smectic hexatic F*, cristal
smectic J*, cristal smectic K*, cristal smectic H*.
Cristal lichid smectic
smectic A
smectic C
Cristalele lichide smectice ce apar la temperaturi mai mari decât cristalele
lichide smectice normale se mai numesc faze cu granule rotite si mãrginite ce
se noteazã TGB având doua variante smectic A si smectic C notate TGBA* si
TGBC*
Structura fazei SmA
Ca toate cristalele lichide smectice faza SA
are moleculele orientate paralel intre ele si
aranjate in straturi. In interiorul unui strat,centrele
de masa ale moleculelor sunt asezate
neordonat, astfel faza SA poate fi considerata ca
un lichid bidimensional. Moleculele din interiorul
unui strat au mobilitate relativ ridicata si se pot
deplasa in interiorul stratului, iar acestea pot sa alunece unele peste altele. SA
prezintã fluiditate fara sa se modifice distanta dintre straturi precum si
orientarea moleculelor in strat. Moleculele SA poseda simetrie C¥ in jurul
axelor lungi ale moleculelor.
Structura fazei SmC
Structura e asemãnãtoare cu SA
(moleculele sunt aranjate in straturi, axele lungi
ale moleculelor sunt orientate paralel intre ele)
dar sunt înclinate fata de normala la planul
straturilor. Structura SC are un plan de simetrie
si o axa de simetrie cu doua componente,una
perpendiculara pe planul de simetrie, cealaltã
paralela cu el.
In substantele ce contin molecule chirale, faza SC* are o structura rotita.
Axa de rotatie a fazei SC* rotite este perpendiculara pe planul straturilor;din
punct de vedere optic este uniaxiala. Ca si faza colesterica, faza SC* este optic
activa si prezintã reflexia selectiva a luminii.
Structura fazei SmB
Aceasta faza smectica are moleculele
asezate in straturi cu axele lungi ale
moleculelor orientate perpendicular pe planul stratului.in interiorul stratului
centrele de masa ale moleculelor sunt ordonate intr-o retea hexagonala
centrala.Structura este din punct de vedere optic uniaxiala.In comparatie cu
faza smectica SA,SB are ordonare mai înalta si o mobilitate mai redusa a
moleculelor.starea stabila a fazei smectice SB este starea in care straturile sunt
plane. In interiorul straturilor ordonarea se pãstreazã la mare distanta si din
aceasta cauza faza SB este considerata ca un solid tridimensional,iar straturile
au o periodicitate caracteristica lui,fiind cristale lichide smectice cu o mare
ordonare.
Cristalele lichide feroelectrice:
Faza C smectica a cristalelor lichide a aparut in literatura in 1933. Totusi,
abia in 1974 Robert Meyer a demonstrate ca aceasta faza este feroelectrica,
ceea ce inseamna ca este polarizata permanent fara a fi nevoie de existenta
unui camp electric. Acest lucru a dus la un studiu amanuntit asupra cristalelor
lichide feroelectrice (CLF). In 1980, Clark si Lagerwall au publicat conceptual de
crisital lichid ferroelectric stabilizat in suprafata (SSFLC). Acest lucru a
reprezentat un pas important in eventualitatea folosirii CLF-urilor in aplicatii si a
dus la dezvoltarea pe scara larga a CLF-urilor din punct de vedere chimic.
Primele produse bazate pe CLF au fost afisajele cu vedere directa ce au aparut
in 1989.
Tehnologia CLF starneste si acum un mare interes deoarece permite
obtinerea unor rezolutii foarte mari. CLF-urile au fost deja dezvoltate pt afisajele
miniaturale. Aceste afisaje pot fi marite sau proiectate pt a se obtine imaginea la
scara normala. De asemenea pot fi utilizate in aplicatiile ce folosesc realitatea
virtuala. Aceste afisaje sunt portabile si permit interactiunea cu utilizatorul
(imaginea se schimba cand user-ul isi intoarce capul). In aceste aplicatii
greutatea are o importanta foarte mare importanta, pentru ca e suportata de
utilizator. Cea mai simpla modalitate de a diminua greutatea este prin
micsorarea ecranului. In acelas timp, rezolutia trebuie sa ramana ridicata pt ca
imaginea sa para verosimila utilizatorului. CLF-urile permit acest lucru deoarece
au pixeli de dimensiuni foarte mici.
In continuare se arata diferenta intre o imagine a unui dispozitiv CLF VLSI
(stanga), si un dispozitiv CLF AMLCD. Se observa ca in stanga dispozitivul
permite o nuanta completa pe fiecare pixel, in timp ce in dreapta, fiecare pixel
are o singura culoare.
Structura unui cristal lichid feroelectric:
Moleculele mesogene, alungite sau in forma de disc, prezinta in faza
smectica atat o ordine de translatie cat si una de
orientare . In faza C smectica intre aceste molecule
de-a lungul axei (de ex axa z) se formeaza straturi in
planul x-y. Directoarea fiecarui strat fata de normala
se afla la un unghi Ө. Unghiul depinde de temperatura
daca aceasta creste in tranzitia de la faza smectica de
tip C catre cea de tip A.
In cazul moleculelor chirale, straturile smectic C
succesive prezinta o modificare graduala in directia de
inclinare, obtinandu-se astfel un unghi egal cu 2Ө fata
de normala.
In plus, pe langa structura elicoidala, moleculele chirale implica si o
polarizatie moleculara spontana. Vectorul de polarizatie este perpendicular pe
molecula si face parte din planul fiecarui strat.
Clark si Lagerwall au propus o metoda pentru a diminua arcul elicoidal si
au dezvoltat cristalele lichide stabilizate in suprafata (SSFLC). Fortele de
interactiune dintre cristalul lichid si placile de separatie desfac arcul elicoidal.
De asemenea, datorita simetriei conditia de hotar face ca orientarea moleculara
a fiecarui strat sa fie aceeasi, rezultand comportamentul feroelectric al
materialului. Dreapta directoare are tendinta sa se aseze in planul placilor de
separatie. Datorita acestei conditii si a faptului ca dreapta directoare este
constransa sa se afle la un anumit unghi fata de normala stratului (de exemplu,
sa se afle la intersectia unui con cu o placa de saparatie), exista doua stari
stabile. Astfel vectorul de polarizatie trebuie sa fie normal pe placile de
separatie iar cele 2 stari se afla in directii opuse.
Efectele opto-electrice sunt realizate prin aplicarea unui camp electric ce
induce schimbari in directia de orientare. Intrucat vectorul de polarizare este
legat de dreapta directoare, este modificat intre cele 2 stari stabile de campul
electric. Acest proces este cunoscut sub numele de Efectul Clark-Lagerwall.
Datorita acestui proces, birifringenta materialelor SSFLC poate fi folosita
pentru a crea stari albe si negre ale afisajelor.
Dependenta de temperatura a polarizarii spontane
Dependenta de temperatura a polarizarii spontane a FLC-urilor este
similara cu cea altor materiale feroelectrice, variind ca in figura:
Una din caractiersticile materialelor feroelectrice este cresterea rapida a
polarizarii spontane cand temperatura scade sub valoarea critica Tc.
La materialele feroelectrice cristaline, aceasta crestere rapida a polarizatiei
spontane se datoreaza interactiunii dintre dipolii elementari ai materialului,
producand un camp intern paralel cu dipolii.
Pentru a utiliza cristalele lichide acestea se introduc între doi “electrozi”
distantati cu ajutorul unei piese dintr-un material dielectric. Cei doi electrozi
depusi pe sticla, pot fi ambii transparenti (celula va lucra “prin transmisie”) sau
unul transparent iar celalalt reflectiv (celula va lucra “prin reflexie”). Electrozii
sunt realizati prin depunerea unor oxizi transparenţi conductori (SnO2)
împreună cu un stabilizator şi un element pentru creşterea aderenţei (SbCl3)
sticlelor optice ale celulei.
Dacă celula lucreazã prin transmisie, această depunere se face pe ambele
sticle, iar dacă lucreazã prin reflexie, depunerea se face numai pe sticla
superioară rãmânând ca pe cea inferioară să fie depus un strat opac de Al.
Aceste depuneri se pot face selectiv pentru a activa anumite zone ale celulei de
afişaj.
In productia de afisaje (ceasuri, calculatoare ,reclame publicitare,
indicatoare numerice pentru instrumente de mãsura, filtre optice divers
colorate), o varianta foarte buna o constituie dispozitivele de afisaj cu cristale
lichide smectice feroelectrice cu suprafata stabilizata, deoarece care au un timp
de comutare foarte mic (sub o 1ms), contrast foarte bun si putere mica, dar
pentru functionarea lor in bune conditii trebuie îndeplinite o serie de cerinte:
- celule foarte subtiri (2-3 mm);
- alinierea perfecta a moleculelor;
- obtinerea unei mixturi de CLF cu o faza stabila la temperatura camerei.
Parametrii principali ai dispozitivelor de afisaj cu CLF:
Timpul de viata - este un parametru complicat de determinat deoarece
necesita precizarea stãrii in care dispozitivul nu mai este folositor, atât ca
aspect artistic,timp de rãspuns, pierderi de energie, temperatura de tranzitie
nematic-lichid izotrop.
Dependenta de temperatura - este cel mai complicat factor in constructia
dispozitivelor de afisaj.
Strãlucirea - determina cat de vizibil va fi dispozitivul de afisaj intr-un mediu
iluminat si se mãsoarã in unitati fotometrice(cd/m2).
Contrastul - reprezintã raportul dintre intensitatea luminii provenite de la
portiunile luminoase si cele întunecate ale afisajului.
Alti parametrii importanti sunt: consumul energetic(foarte scãzut-principalul
avantaj al dispozitivelor de afisaj cu CLF), viteza de rãspuns electro-optic (pt
ecranele de tv e necesar un timp de 10ms ,iar pt altele pana la 0.1ms), rezolutia
(nr de linii ce pot fi distinse pe unitatea de lungime).