ADAM FIGIELSKI

SiMR gr. 2,2 zespół 6

Ćwiczenie nr 21

Badanie przejść fazowych i właściwości elektrooptycznych ciekłych kryształów

Wiadomości dotyczące fali elektromagnetycznej:

Polaryzacja światła:

Światło widzialne ma właściwości fal elektromagnetycznych o długości fali z zakresu 0,4÷0,8μm. Dla światła naturalnego pochodzącego ze źródeł termicznych charakterystyczny jest izotropowy rozkład poprzecznego pola elektrycznego w wiązce światła. Natężenie pola elektrycznego w każdym kierunku poprzecznym do kierunku rozchodzenia się wiązki jest takie samo. O takim świetle mówimy, że jest nie spolaryzowane.

Światło nazywamy liniowo spolaryzowanym, gdy drgania wektora E odbywają się tylko w jednej płaszczyźnie zawierającej kierunek jego rozchodzenia się. Płaszczyznę tę nazywamy płaszczyzną polaryzacji światła. Gdy na przykład światło rozchodzi się w kierunku x, a drgania wektora E odbywają się w kierunku y, to płaszczyzną polaryzacji jest płaszczyzna xy. Wtedy drgania wektora H natężenia pola magnetycznego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny polaryzacji.

Wielkości opisujące fale elektromagnetyczne:

λ- długość fali elektromagnetycznej

υ-częstotliwość fali elektromagnetycznej

c-prędkość światła w próżni

Zakres światła widzialnego 430÷690 nm. Środek obszaru widzialnego przypada na około 550 nm.

Wektory :

E - wektor natężenia pola elektrycznego,

E = F/q

gdzie :

F - siła elektryczna działająca na ciało,

q - ładunek próbny ciała.

H - wektor natężenia pola magnetycznego.

H = B - μM/μ

gdzie :

B - wektor indukcji magnetycznej,

M - wektor namagnesowania,

μ - przenikalność magnetyczna próżni.

Badanie nematyka o dodatniej anizotropii dielektrycznej w skrzyżowanych polaryzatorach:

Nematyki- w tych związkach jedynym ograniczeniem ułożenia molekuł jest warunek równoległości długich osi. W nemetykach istnieje jednak pewien rozrzut kierunków długich osi ze względu na drgania termiczne. Średni kierunek długich osi molekuł jest wyznaczony przez jednostkowy wektor uporządkowania n. Lepkość nemetyków jest mała, porównywalna z lepkością mleka.

Anizotropia właściwości fizycznych ciekłych kryształów- uporządkowanie dalekiego zasięgu podłużnych molekuł ciekłych kryształów powoduje silną anizotropowość tzn. kierunkowość wielu właściwości fizycznych, w szczególności optycznych. Cieczowy charakter tych materiałów, a przede wszystkim duża swoboda reorientacji molekuł, umożliwia łatwe sterowanie tymi właściwościami za pomocą stosunkowo słabych zewnętrznych pól np. elektrycznych. Istotne zmiany właściwości optycznych ciekłych kryształów można spowodować już po przyłożeniu do nich napięcia kilku woltów, gdy dla osiągnięcia porównywalnych zmian w kryształach należy przyłożyć napięcia rzędu kilkuset woltów.

W komórce umieszczony jest nematyk o dodatniej anizotropii i teksturze planarnej. Po przyłożeniu słabego zewnętrznego pola elektrycznego (stałego lub zmiennego o niskiej częstotliwości) długie osie molekuł pozostają równoległe do płytek ograniczających. W miarę wzrostu natężenia pola trwałe (lub indukowane) momenty dipolowe zmieniają orientację na równoległą do kierunku pola, co oznacza, że długie osie molekuł stają się prostopadłe do powierzchni płytek. Efekt ten ma charakter progowy. Wyżej opisane zjawisko można zaobserwować, umieszczając badaną komórkę między dwoma skrzyżowanymi polaryzatorami.

Początkowo pole obserwowane jest rozjaśnione, gdyż kierunek rozchodzenia się światła nie jest równoległy do osi optycznej (długich osi molekuł), a więc następuje rozdzielenie promienia na zwyczajny i nadzwyczajny (dwójłomność optyczna). W chwili przekroczenia wartości progowej pola elektrycznego następuje zaciemnienie pola widzenia, gdyż kierunek rozchodzenia się światła jest równoległy do osi optycznej i efekt dwójłomności nie jest widoczny.

Przepuszczając przez warstwę ośrodka dwójłomnego, w kierunku nie pokrywającym się z kierunkiem osi optycznej, światło spolaryzowane liniowo uzyskuje się m.in. skręcenie płaszczyzny polaryzacji, którego wielkość zależy od takich czynników, jak kąt między osią optyczną i kierunkiem rozchodzenia. Można to stwierdzić umieszczając tę warstwę między skrzyżowanymi polaryzatorami (kąt 90⁰). W przypadku materiału izotropowego nastąpiłoby całkowite wygaszenie fali świetlnej, obserwowane jako czarne tło. Gdy między skrzyżowanymi polaryzatorami znajduje się odpowiednio zorientowany materiał dwójłomny pole widzenia jest rozjaśnione.

Analizowanie działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego z nematykiem skręconym o anizotropii dielektrycznej dodatniej

Efekt skręconego nematyka- w komórce umieszczony jest nemetyk o dodatniej anizotropii dielektrycznej i teksturze skręconego nemetyka. Przykładając słabe pole elektryczne wymuszamy taki obrót molekuł, aby ich długie osie ustawiły się równolegle do kierunku pola. Oznacza to przejście do struktury homeotropowej. Efekt ten ma również charakter progowy.

Wyświetlacz ciekłokrystaliczny składa się z polaryzatorów skręconych względem siebie o 90⁰, umieszczonego między nimi ciekłego kryształu i folii odblaskowej umożliwiającej powrót wiązki światła. Ciekły kryształ leży pomiędzy płytkami szklanymi; do nich przylegają przezroczyste elektrody.

Przy braku pola elektrycznego (skręcenie płaszczyzny polaryzacji o 900) światło padające na wyświetlacz przechodzi przez ciekły kryształ i powraca po odbiciu od folii odblaskowej. Dzieje się tak, ponieważ kierunek rozchodzenia się światła nie jest równoległy do osi optycznej substancji i następuje rozdzielenie światła na promień zwyczajny i nadzwyczajny (zjawisko dwójłomności). Światło jest jaśniejsze ze względu na strukturę skręconego nematyka (w obszarze pomiędzy płytkami poszczególne warstwy nematyka są obrócone względem siebie o niewielki kąt; molekuły przylegające do dolnej powierzchni obrócone są w stosunku do molekuł sąsiadujących z drugą płytką o 900). Po włączeniu pola elektrycznego (3...10V ; 15Hz...1kHz) (brak skręcenia płaszczyzny polaryzacji w warstwie ciekłokrystalicznej) tworzy się struktura homeotropowa (brak zjawiska dwójłomności) i światło zostaje wygaszone i rozproszone w dolnym polaryzatorze.

Badanie przejść fazowych w wymuszonych temperaturach

Anizotropia - cecha charakterystyczna niektórych ciał, głównie krystalicznych, polegająca na tym, że wykazują one różne właściwości fizyczne w różnych kierunkach (np. załamywanie lub przepuszczanie światła).

Izotropia - cecha charakterystyczna ośrodka, głównie ciał niekrystalicznych, polegająca na tym, że we wszystkich kierunkach wykazuje on te same właściwości fizyczne, np. rozszerzalność cieplną, przewodnictwo elektryczne i cieplne, łupliwość, twardość.

Ciekłe kryształy są fazą przejściową występującą w zakresie temperatur, różną dla różnych związków ciekłokrystalicznych. Poniżej tego zakresu mają postać krystaliczną, powyżej są typowymi izotropowymi cieczami.

W doświadczeniu wykorzystaliśmy próbkę typu „sandwich” (smektyk) charakteryzującą się tym że, molekuły będąc w równowadze względem siebie tworzą warstwy. Po włożeniu próbki pomiędzy skrzyżowane polaryzatory światło przepływa czego następstwem jest rozjaśnienie monitora komputera. Zjawisko to jest możliwe do zaobserwowania gdy próbka jest w stanie stałym tj. w temp. pokojowej. W momencie podnoszenia temp. następuje przejście ze stanu stałego w ciekły w temp. 41^oC i wykazuje właściwości izotropowe tzn. światło nie przepływa, na monitorze jest zaciemniony obraz. Podczas chłodzenia próbki, kryształ zmienia właściwości izotropowe na anizotropowe w momencie przejścia w stan stały tj. w temp. 30,4­­^oC.

Kolorowe wyświetlacze ciekłokrystaliczne PALC

PALC to skrót od Plasma Addressed Liquid Crystal, co można przetłumaczyć jako „ciekłokrystaliczne adresowanie plazmowe”. System ten bazuje na wyświetlaczach plazmowych pod względem adresowania komórek ekranu, lecz sam wyświetlacz zalicza się do typu LCD. Paski metalowych elektrod pokrywają powierzchnię ekranu z jednej strony, zaś drugą zajmują kanały ze zjonizowanym gazem (ekrany plazmowe po obu stronach mają elektrody w postaci metalowych zakończeń). Przykładając napięcie sterujące, gaz ulega jonizacji i zaczyna świecić.

Zaletą tego rozwiązania jest duża sprawność układu (minimalny prąd upływu) i duża szybkość załącz poszczególnych komórek (4-5 mikronów). Nawet duże ekrany korzystające z tego rozwiązania są zdolne do odświeżania z częstotliwością większą niż 30 razy na sekundę - nie powoduje to męczącego oczy efektu „przeskakiwania”. Jakość obrazu w tym przypadku nie ulega zamianie w zależności od kąta patrzenia.

Wnioski

Ciekłe kryształy ze względu na reakcję na prąd elektryczny o stosunkowo małym napięciu mają bardzo szerokie zastosowanie w elektrooptyce (wyświetlacze ciekłokrystaliczne). Anizotropia stanu stałego w temp. pokojowej (w doświadczeniu) i jednocześnie izotropia po przekroczeniu pewnej granicznej temp. (stan ciekły smektyka) pozwala rozjaśnić i zaciemnić obraz poprzez odpowiednią regulację.

Zastosowanie: wyświetlacze przyrządów mierniczych, wyświetlacze zegarków elektronicznych, monitory komputerów (laptop, notebook); również kolorowe.

1

2

---