Dom > Razstava > Vsebine

Lastnosti tekočih kristalov

Jun 28, 2018

Lastnosti tekočih kristalov

1. kratek uvod v tekoče kristale

Leta 1888 je avstralski znanstvenik Leni FM sintetiziral čudno organsko spojino, ki je imela dve talilni točki. Ko se je trdni kristal segrevalo na 145 ° C, se je stopil v tekočino, vendar je bilo samo motno, in vse čiste snovi so bile transparentne, ko so se stopile. Če se segreje še do 175 stopinj, se zdi, da se spet topi in postane bistra in prosojna tekočina. Kasneje je nemški fizik Lehman imenoval motno tekočino v "srednji coni", ki se imenuje kristal. Je kot mula niti kot konj niti osel, zato se imenuje organska mule. Ker so bili odkriti tekoči kristali, ljudje ne vedo, kako se uporablja do leta 1968, ljudje so ga vzeli kot material v elektronski industriji.

Stanje večine snovi z majhno molekulsko maso predstavlja tri stanja snovi s povišanjem temperature - trdno (trdno), tekoče (tekoče) in plinsko (plinasto). Toda če je molekulska masa velika in je struktura posebna, sprememba njenega stanja ni tako preprosta. Leta 1888, ko je bil Reinizer segret na kristalizacijo holesterin benzonata, je bilo ugotovljeno, da se je, ko se segreje na 145,5 stopinj, spremenila v motno belo lepljivo tekočino, ki se je pri segrevanju do 178,5 stopinj popolnoma spremenila v prozorno tekočino. Lehman je ugotovil, da ima stanje med kristalom in prozorno tekočino (fazo) optično anizotropijo, ki je lastna trdni snovi, zato jo imenujemo kot tekoči kristal (tekoči kristal). Tekoči kristal (tekoči kristal) je sintetična beseda tekočine in kristala, ki kaže, da ima tekočina specifično fluidnost (fluidnost) in ima hkrati tudi edinstveno optično anizotropijo (optična anizotropija). Ker obstaja v stanju med trdnim in tekočim, je bolj natančno imenovati mezofazo (mezofazo), bolj pogosto pa jo imenujemo tekoči kristal.

Z poglabljanjem raziskav so v mnogih snoveh našli fazo tekočih kristalov, molekul s fazo tekočih kristalov pa je imela molekularne strukture, podobne traku ali disku (glej sliko 1). Kot je prikazano na sliki 2, so molekule s fazo tekočih kristalov kristalne strukture razporejene po določenih pravilih pri določeni nizki temperaturi, toda ko je doseženo določeno tališče (tališče), se središče mase prosto giblje, vendar smer bar oblikuje določeno stanje porazdelitve anizotropne tekočine (anizotropne tekočine). To je faza tekočih kristalov. To je temeljni razlog, zakaj imajo tekoči kristali optično anizotropijo. Če se temperatura dvigne v tem času (čistilna točka), so molekule ne le središče mase, ampak tudi smer traku je prosto porazdeljena in postane izotropna tekočina (izotropna tekočina).

1.png


2.png

Sl. 1. primer molekularne strukture tekočih kristalov, nematski tekoči kristal 5CB in feroelektrični tekoči kristali DOBAMBC


3.png

 

(trdna: kristalinična) (tekočina: anizotropna tekočina) (tekočina: izotropna tekočina)


Sl. 2. glede na porazdelitev in razporeditev molekul (faza).

(1) vrsta tekočih kristalov

Molekule s fazo tekočih kristalov lahko tvorijo široko paleto faz glede na afiniteto oblike ali specifične snovi, kot je opisano prej, lahko jo razdelimo na tekoče kristalne (liotropi) tekoče kristale (liotropi) s tekočo kristalno fazo, ko tekočina kristalna faza (termotropni kristal) s fazo tekočih kristalov v določenem temperaturnem območju in določen delež topila v specifičnem topilu (liotropi) C tekočem kristalu). Večina tekočih kristalov, ki se uporabljajo na ogled, so termotropni tekoči kristali, liotropni tekoči kristali pa večinoma najdemo v biofilmih. Toplotne tekoče kristale lahko razdelimo na nematične (nematične), holesterične (holesterične) in blizu kristalinične (smektične) glede na njihov položajni položaj (pozicijski red) in smer zaporedja (orientacijski red).

Nematski tekoči kristali (nematski tekoči kristali)

Središče mase nematičnih molekul tekočih kristalov se giblje kot tekočina, medtem ko ima dolga smer osi (dolga molekularna os) molekule časovno toplotno nihanje, vendar je enakomerno usmerjena v določeni smeri. Enotni vektor, določen v tej smeri, se imenuje krmilnik (direktor). Skoraj vse makroskopske fizikalne konstante nematskih tekočih kristalov so enosne (enoosne), odvisno od rotacijske simetrije krmilnika. Poleg tega krmilnik ni simetričen pred in po (simetrija glave do repa), tako da tudi če imajo sestavne molekule polariteto (polarnost), v nematskih tekočih kristalih ni polarnosti. Čeprav je njena struktura najenostavnejša v treh vrstah tekočih kristalov, je večina tekočih kristalov, ki se uporabljajo v monitorjih, nematični tekoči kristali. V glavnem je izražena v N.

4.png


Slika 3. Vrsta faze tekočih kristalov

holesterični tekoči kristali

Holesterični tekoči kristali so podobni nematičnim tekočim kristalom, različni pa so spiralna struktura s krmilnikom, ki se vrti vzdolž svoje navpične osi. V ravnini, ki je pravokotna na osi vijačnice, ni razlike med nematičnimi tekočimi kristali. Sestavljene molekule holesterične tekoče kristalne faze imajo kiralni kiralni center (kiral) brez absolutne simetrije in lahko se prikažejo tudi molekule s kiralnimi radikali v nematskih tekočih kristalih. Zato se holesterični tekoči kristali imenujejo tudi kiralni nematični. Poleg tega je v skladu z ročnostjo kiralnih molekul določena smer vrtenja spiralne osi. Zato so holesterični tekoči kristali razporejeni v rednem zaporedju vzdolž smeri in spiralne osi s prostorskim redom. Dolžina 1-periodne spiralne strukture tekočega kristala se imenuje stopnja (smola), tako kot ima simetrija glave in repa v nematskem tekočem kristalu, tako da je dejansko obdobje le polovica stopnje. V glavnem se izraža s pomočjo CLC ali ChLC. N * se uporablja tudi za izražanje pomena holesteričnih tekočih kristalov. Zvezdica predstavlja kiral.

     

5.png   

Slika 4. korak kolesternih tekočih kristalov

- smektični tekoči kristali

Smektični tekoči kristali imajo tanko plastno strukturo (lamelno strukturo), ki se lahko razdeli na SmA, SmB, SmC in SmD glede na zaporedje položaja in smer regulatorja v istem sloju. Zaradi strukture tankih plasti je skoraj kristalna faza dodana v smeri zaporedja in ima prostorski red več kot 1 osi. SmA pomeni, da je središče mase molekul v tanki plasti prosto in smer krmilnika je pravokotna na tanko plast. Čeprav je masni center molekule prosta, je smer krmilnika rahlo nagnjena k navpičnemu stanju tanke plasti.
Zlasti SmC * (kiralna smc), ki se uporablja na prikazovalniku, ima značilnosti feroelektričnih pojavov (feroelektričnost). Kot je prikazano na sliki 5, so molekule tekočih kristalov nagnjene proti tanki plasti in imajo strukturo, ki se vrti vzdolž tanke plasti. Molekule s tekočimi kristali v vsaki tanki plasti so pravokotne na njihove dolge osi in imajo spontane dipolne momente (spontani dipolni moment) v smeri, vzporedni s tanko plastjo, s feroelektrični pojavi.

 

6.png

SmA SmC


Slika 5: Reprezentativna smektična faza se spreminja s smerjo regulatorja v tanki plasti.

7.png

Slika 6. Molekularna poravnava in spontani dipolni moment feroelektričnih tekočih kristalov SmC *

(2) značilnosti prikazovalnika LCD

Razlog, zakaj je LCD priljubljen kot monitor, je, da lahko vrednost zaznavanja faze enostavno prilagodimo z nižjo napetostjo. Tekoči kristal je anizotropni material, ki se razlikuje od krmilnika v smeri vzporedno s krmilnikom in fizikalne lastnosti v vertikalni smeri, zaradi svoje asimetrične oblike molekul. Med različnimi fizikalnimi lastnostmi je največji vpliv na LCD optično anizotropijo in dielektirno anizotropijo. Razlika indeksa refrakcije (okoli 0,05-0,2) je odsev in projekcija svetlobe, ko svetloba prehaja skozi tekoči kristal in vpliva na odsev in projekcijo svetlobe. Dielektrično anizotropijo (okoli 3,0-8,0) lahko uporabimo za nadzor dolge osi molekul tekočih kristalov z električnim poljem. Slika 8 prikazuje proces zakasnitve faze, ki temelji na smeri tekočega kristala in smeri svetlobe. Poleg tega dielektrična raznolikost naredi molekule tekočih kristalov vzporedne ali pravokotne na električno polje in nadzoruje smer dolge osi molekul tekočih kristalov z napetostjo. To načelo je prikazano na sliki 7.

8.png

Slika 7. rotacija molekul tekočih kristalov zaradi električnega polja


9.png

10.png

Sl. 8. razlika v učinku faznega zakasnitve (zaviranje faze) s smerjo tekočega kristala.

2. fizika s tekočimi kristali

(1) krmilnik (direktor) in urejeni parameter (parameter naročila).

Kot je omenjeno zgoraj, je molekula tekočih kristalov palica dolžine okoli 20 in približno 5 širok. Njegov masni center je kot naključno gibanje tekočine, medtem ko se dolga os molekule hitro premika, a kaže na enotno smer. Zato lahko stanje tekočih kristalov grobo razdelimo na dve vrsti, in sicer smer dolge osi in stopnjo toplotnega gibanja, ki je usmerjeno na njegovo os. Za izražanje teh dveh pojmov, so kontrolorji in urejeni parametri. Krmilnik se lahko definira z enotnim vektorjem, ki kaže na enotno smer. Krmilnik položaja R je ponavadi predstavljen z n (R). Parameter reda predstavlja stopnjo toplotnega gibanja, ki je definirana na naslednji način.

11.png

Slika 9. Opredelitev krmilnika in kota theta in phi

12.png

Kot theta, phi, kot je prikazan na sliki 9, predstavlja kot nagiba krmilnik. F (theta, phi) prikazuje statistično kotno porazdelitev dolge osi molekul tekočih kristalov. Ko je dolga os molekul tekočega kristala porazdeljena v vseh razmerjih theta in phi, to je v izotropni fazi (izotropna faza), f postane konstanta in S = 0. Nasprotno, če je dolga os molekul tekočega kristala poravnana z N, postane S = 1. Če vrednost nematskega tekočega kristala doseže približno 0,3-08, višja je temperatura, manjša je vrednost.

(2) anizotropija (anizotropija)

Tekoči kristali so anizotropija indeksa refrakcije in dielektrična anizotropija zaradi strukture in orientacije črt. Prvič, tako imenovani lomni indeks se nanaša na spremembo porazdelitve elektronskega oblaka, ki jo povzroča vpadna svetloba, ki inducira dipolni moment, druga svetloba, ki jo tvori njena vibracija, pa se prekriva z vpadno svetlobo, kar kaže, da je hitrost zdi se, da je svetloba počasna fizična konstanta. Zato je bolje, da reagira molekulski elektronski oblak v električnem polju vpadne svetlobe. Večja je vrednost. V tekočem kristalu je stopnja reakcije elektronskega oblaka v smeri dolge osi in smeri kratke osi različna, zato nastane anizotropija refraktivnega indeksa. Kot je prikazano na sl. 10, je glavna os lomnega elipsoida (glavne osi) določena glede na smer krmilnika n.
To pomeni, da je fiksna os oblikovana v smeri, ki je vzporedna s krmilnikom, in obeh osi pravokotno na to obliko tvorita fiksno gred. Indeks loma od elipsoida loma loma do smeri, ki je vzporedna s krmilnikom, je ne, medtem ko je indeks refrakcije v vertikalni smeri izražen v ne, naslednje dodane besede E in o pa predstavljajo izredni indeks in navaden indeks. Izraz anizotropije refraktivnega indeksa (refraktivna anizotropija) je naslednji.

13..png

Po drugi strani pa je kapacitivnost tudi fizična konstanta, ki kaže, da se molekularni oblak elektrona odmika od zunanjega loma električnega polja, tako da je boljša vrednost gibanja elektronskega oblaka. Tako kot v lomnem količniku se stopnja gibanja elektronskega oblaka razlikuje od tiste v smeri dolge osi in v smeri kratke osi, tako da v tekočem kristalu obstaja dielektrična anizotropija. Vzporedno in navpično prepustnost regulatorja se izraža z epsilonom in epsilonom. Dielektrična anizotropija (dielektrična anizotropija) je prikazana spodaj.

14.png

15.png

Slika 10. Razmerje med krmilnikom in vretenom (glavna os)

(3) teorija kontinuirnega medija (teorija kontinuuma)

V splošnem ima prostorska porazdelitev nematskih regulatorjev tekočih kristalov lastnost, da je razporejena v določeni smeri v prostoru. Če pa so prizadeti omejeni pogoji ali zunanja električna polja in magnetna polja, prostorska porazdelitev krmilnika ne bo dosledna in v tem procesu bodo molekule s tekočimi kristali ustvarile odpornost na to deformacijo. Vendar pa se prostorska deformacija regulatorja na splošno ne proizvaja na molekularni ravni (molekularna skala), ampak se proizvaja v mikronski ravni. Zato je bolje opisati tekoči kristal kot kontinuum (Continuum), da bi opisali njegovo deformacijo kot opisati kompleksno interakcijsko energijo posameznih molekul za opis prostorske deformacije krmilnika. To je podobno tistemu, da bi snemali silo vzmeti pri dodajanju sile vzmeti, zato je bolje uporabiti samo eno vzmetno konstanto za beleženje energije vezi med atomi železa in atomi železa. Ta pristop k prostorski enačbi regulatorjev s tekočimi kristali s približevanjem enačbi je teorija kontinuuma. Teorija kontinuuma je standardna teorija, ki lahko beleži skoraj vse elektrooptične lastnosti tekočih kristalov. Vendar pa ga ni mogoče uporabiti pri analizi NMR in ESR, ki so večinoma posamični gibi molekul.

Če obstaja določeno stanje (omejevalno stanje, električno polje, magnetno polje itd.), Pride do prostorske deformacije krmilnika n (R). Nato bodo molekule tekočih kristalov odporne na njihovo prostorsko deformacijo s kompleksnimi interakcijami, velikost elastične odpornosti sile na to deformacijo pa je sorazmerna stopnji prostorske deformacije n (R). vlečne sile je sorazmerna zakonu Hook, da se potegne dolžina). Na tej točki, če je stopnja prostorske deformacije majhna, se lahko n (R) uporabi za predstavitev diferencialnih vrednosti prostora. Če velikost prostorske spremembe ni velika, je več diferencialnih vrednosti veliko manjših od 1 diferencialnih vrednosti. Ob upoštevanju teh predpostavk in več simetrij se gostota proste energije, ki jo ustvari enota prostornine, izračuna glede na prostorsko deformacijo krmilnika.

16.png

Kot je prikazano na sliki 11, se deformacija raztezanja, popačenja (upogibanja) in upogibanja (upogib), K11, K22 in K33, ki se uporabljajo kot proporcionalne konstante, imenujejo ekspanzijske, distorzijske in upogibne elastične konstante. Poleg tega se zgornja formula imenuje Frank-Oseen proste energijske gostote. Qo je konstanta, ki temelji na kiralnosti (kiralnosti) molekul s tekočimi kristali. Če bo holesterična tekočina kristal, bo imela omejeno vrednost, če je Qo> 0, bo smer spirale holesterične tekočine kristalizirala pravokotna (desna roka).

17.png

> >

Slika 11. vrste elastičnih deformacij, ki jih porazdeli regulatorji tekočih kristalov

Po drugi strani, ko se molekuli tekočih kristalov doda električno polje, se spremeni porazdelitev elektronskega oblaka in hkrati deluje kot elektrostatična interakcija. Gostota proste energije za to interakcijo se izračuna na naslednji način.

18.png

Torej, ko je tekoči kristal popačen zaradi električnega polja, je skupna prostornina proste energije

19.png

Po zakonu termodinamike ima regulator tekočih kristalov porazdelitev minimiziranja zgornje proste energije f. Na primer, če se tekočemu kristalu doda električno polje, če se upošteva le tekoči kristal fE, mora biti krmilnik usklajen z električnim poljem; če se upošteva samo FD, je treba energijo zmanjšati brez spremembe prostora. Toda dejstvo je, da mora biti vsota obeh vrst energije čim manjša, zato se prostorska porazdelitev krmilnika s tekočimi kristali določi v primeru pravilne prostorske spremembe in vzporedne razporeditve ustreznega električnega polja.

20.png

21.png

Sl. 12. pri priključitvi električnega polja je navor (navor) povezan s tekočim kristalom.

Rešitev te diferencialne enačbe lahko določi porazdelitev regulatorjev s tekočimi kristali. Izgleda malo zapleteno, vendar je po nekaj preprostih primerih rešitev razporejena v prilogi. Zgornja formula se nanaša na formulo vzporednega stanja. Da bi ugotovili dinamično obnašanje upravljalnika LCD, moramo narediti nekaj manjših sprememb. Če se najpogosteje uporablja relaksacijski približek, lahko kinetika tekočih kristalov zadovolji naslednjo formulo.

22.png

Med njimi t označuje čas in gama 1 predstavlja rotacijsko viskoznost. Manjša je viskoznost rotacije, hitrejša je časovna sprememba LCD-regulatorja.

(4) temperaturna odvisnost fizikalnih konstant

Optične lastnosti tekočega kristala določajo porazdelitev in lomni količnik regulatorja, porazdelitev regulatorja pa je odvisna od zunanjega električnega polja, omejitvenega pogoja, hitrosti kapacitivnosti in elastične konstante. Tako lahko poznamo pomen lomnega količnika, prepustnosti in elastičnih konstant samega tekočega kristala v procesu razumevanja LCD. Poleg tega je pomembna konstanta hitrosti odziva tekočih kristalov rotacijska viskoznost.

Sporočeno je, da naslednji parameter S vpliva na dielektrično anizotropijo, anizotropijo in elastične konstante lomnega količnika.

23.png

Urejeni parameter S se zmanjša pri segrevanju, tako da je mogoče predvideti, da se elektrooptične lastnosti tekočega kristala spreminjajo s temperaturo. Poleg tega je elastična konstanta K33 / K11, čeprav ni v vseh tekočih kristalih, sorazmerna z dolžino dolge osi in kratke osi molekul tekočih kristalov, ki je sorazmerna z L / W.

3. zaslon s tekočimi kristali

(1) koordinacija s tekočimi kristali (poravnava)

Ko se tekoči kristal namesti v steklenico (steklenico), je neprozorna bela, ker ni razpršena s tal. Postala bo brezbarvna in prosojna, ko bo nameščena med površino, obdelano z dvema steklenima ploščama, ker je LCD krmilnik v določeni smeri. V ta namen je zelo pomembna površinska obdelava. Na ta način, kot je prikazano na sliki 14, se lahko molekule s tekočimi kristali prilagodi na vertikalno navpično poravnavo (homeotropno) na površini, vodoravno poravnavo (planarno homogeno), razporejeno vzporedno s površino, nagnjeno homogeno, ki se postavi na določenega kota in tako naprej. Če želite postaviti navpično poravnavo, lahko na stekleno podlago nanesete polarno molekulo, kot je lecitin. Horizontalna poravnava ali nagib pod kotom se doseže s premazovanjem polimida na stekleno podlago in obrišite površino s krpo. To se imenuje drgnjenje. V splošnem je smer brisanja taka, da je ekspanzijska stran razporejena vzporedno z molekulami tekočih kristalov (od katerih so nekatere vertikalno poravnane s smerjo podaljška).

24.png

Sl. 13. sipanje svetlobe v nematskih tekočih kristalih in pri omejenih območjih, ki se ne ujemajo

25.png

Slika 14. Vrsta distribucije tekočih kristalov


26.png

Slika 15. Kot nagiba (kot za žig) theta

Na tej točki vse molekule s tekočimi kristali niso vzporedne s substratom, temveč se nagibajo na substrat pod določenim kotom. Ta kot se imenuje kot nagib.

(2) način ECB (električno nadzorovano dvolomnost)

S tem pojavom se zaslon lahko prilagodi s prepustnostjo svetlobe napetosti. Kot na sliki 16, dobimo linearno polarizirano svetlobo s polarizatorjem (polarizatorjem), polarizacijsko stanje svetlobe pa se spreminja z dvolomnostjo tekočega kristala, ko polarizirana svetloba prehaja skozi celico s tekočimi kristali. Ko ta svetloba preide skozi analizator (analizator), se intenzivnost svetlobe analizatorja spremeni tudi s stopnjo zakasnitve faze (zaviranje faze), ki jo povzroči dvolomnost tekočega kristala. Na tej točki zviti kot krmilnika s tekočimi kristali poveča os ne elipsoida indeksa refrakcijskega indeksa tekočin in osvetlitev svetlobe, če se tekoči kristal nahaja med dvema steklenima ploščama, ki potekajo skozi vodoravno porazdelitev (to se imenuje enota (celica) s tekočimi kristali), kot so molekule s tekočimi kristali na sl. 15 (a). Pri tej napetosti dielektrična anizotropija molekul tekočih kristalov.

Smer žganja je vzporedna, zato je fazna zakasnitev zaradi celice s tekočimi kristali manjša (glej sliko 4). Zato lahko prilagoditev napetosti spremeni prepustnost svetlobe.

27.png

Slika 15. spremembe LCD regulatorjev v načinu ECB z spremembami napetosti


28.png

Slika 16: eksperimentalna oprema za spreminjanje prepustnosti svetlobe glede na spremembo dvolomnosti tekočih kristalov