LABORATORIUM FIZYKI II					Ćwiczenie nr: 21
Wydział: Mechatronika	Grupa: 34			Zespół: 1	Data wykonania:
Nazwisko i Imię: Sebastian Rękawek						Przygotowanie:
Sprawozdanie przyjęto		Data:	Podpis:
Prowadzący:

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie nas ze strukturą ciekłych kryształów i aparatura umożliwiającą ich obserwację i właściwiści.

Schemat stanowiska pomiarowego

2.Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie rozpoczęliśmy od kalibracji urządzenia pomiarowego. W tym celu ustawiliśmy obraz możliwie jak najjaśniej ( równoległe polaryzatory ) i sterując położeniem próbki wzorcowej odszukaliśmy podziałkę. Przy pomocy programu komputerowego wyznaczyliśmy odcinki które kolejno przypisaliśmy odpowiedniej liczbie działek. Wyniki kalibracji przedstawia poniższa tabela.

Odłegłość między działkami wyznaczona przez komputer	Wartość działek elementarnych
382,98	0,35
382,41	0,35
383,56	0,35

Następnie ustawiliśmy zaciemniony obraz (skrzyżowane polaryzatory) i umieściliśmy pod mikroskopem płytkę typu „sandwich” tak aby widoczne były ciekłe kryształy - jak na poniższym rysunku.

Zaprezentowana próbka przedstawia nematyk o dodatniej anizotropii elektrycznej. Jest to kryształ bez korekcji polaryzatorów ( kryształ aktywny optycznie ). Aktywność ujawniła się dopiero po przyłożeniu napięcia zewnętrznego gdy nastąpiła zmiana struktury

(kryształ ujawnił cechy cieczy).Regulując napięciem zanotowaliśmy napięcie przy którym zaobserwo-waliśmy początek zjawiska.

V_O = ( 7 - 8 )V

Pozostawienie kryształu pod napięciem wiekszy od V_O powodowało również stopniowe zaciemnianie obrazu.

Przyłożone napięcie powoduje wymuszony obrót molekuł tak że ustawiają się one równolegle do pola .

Następnym etapem było badanie wyświetlacza z nematykiem skręconym (90^O)i dodatniej anizotropii. Zmieniając zakres częstotliwości generatora notowaliśmy wartości napięcia przy których następowało wyświetlanie poszczególnych segmentów.

Segment Częstotliwość	1	18
5 Hz	0,4 V	8,2 V
20 Hz	1,4 V	11,3 V
50 Hz	2 V	11,5 V
100 Hz	2 V	12 V
300 Hz	2,2 V	10,8V
1 kHz	2,2 V	12 V
10 kHz	2,2 V	19 V
50 kHz	4,5 V	20 V
100 kHz	20 V	21 V

Na koniec przeprowadziliśmy obserwację temperaturowych przejść fazowych ciekłego kryształu. Wyjściowy obraz w temperaturze otoczenia był różnokolorowy i aktywny optycznie. Kryształy były stosunkowo długie i regularne. Podgrzewanie próbki przyniosło następujące zmiany :

29^OC - widoczne wcześniej molekuły zniknęły a oraz stał się ciemno czerwony.(faza nieregularna).

31^OC - następuje gwałtowny proces zmiany struktury, kolor zmienia się na zielony (rysunek obok).

Powyżej 31,6^OC obraz staje się ciemny.

Ciekły kryształ

Ciekłe kryształy są substancjami organicznymi, mającymi postać cieczy, których wyróżniającą cechą jest anizotropia właści­wości fizycznych, nigdy nie spotykana w cieczach. Stan ciekłokrystaliczny występuje w charakterystycznym dla danej substan­cji zakresie temperatur. W niższej temperaturze substancje ciekłokrystaliczne stają się ciałami sta­łymi krystalicznymi, natomiast w wyższej tempera­turze przechodzą w stan ciekły normalny, czyli stają się cieczami izotropowymi. Unikalne możliwości zastosowań kryształów cie­kłych w elektronice wynikają stąd, że struktura przestrzenna cząsteczek związanych niewielkimi siłami jest bardzo podatna na wpływ oddziaływań zewnętrznych w postaci temperatury, naprężeń oraz pól elektrycznych i magnetycznych. Zmiany struktury przestrzennej cząsteczek pod wpływem pola elektrycznego powodują, między innymi,

zmiany właściwości przepuszczania lub odbijania światła, co stanowi podstawę dzielenia wskaźników optoelektronicznych z kryształów ciekłych. Bardzo charakterystyczną cechą substancji ciekłokrystalicznych jest wydłużony kształt ich cząsteczek.

Rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek jest kryterium podziału kryształów ciekłych na trzy zasadnicze typy: a-nematyczny, b-smektyczny i c-chole­steryczny, nazywany też cholesterolowym (rys.1). Dotychczas najszersze zasto-sowanie znalazły kryształy ciekłe nematyczne, przede wszystkim we wskaźnikach ciekłokrystalicznych i kryształy ciekłe choleste-ryczne, głównie w termografii. Najczęściej kryształy ciekłe stosuje się w postaci cienkich warstw. W przypadku wskaźników ciekło. krystalicznych cienka warstwa kryształu ciekłego znajduje się między dwiema płytkami- szklanymi, Na granicy kryształ ciekły-ciało stałe cząsteczki kryształów ciekłych przyjmują określone położenie - równolegle bądź prostopa­dłe, w zależności od stanu powierzchni materiału stałego. Cząsteczki te działają orientująco na cząsteczki wnętrza warstwy ciekłokrystalicznej, tak że stan jednorodnego zorientowania może objąć celą warstwę. Wskaźniki ciekłokrystaliczne działają na zasadzie deformowania tekstury kryształu ciekłego pod wpływem pola elektrycznego (rys.2).

Po ustaniu działania pola oddziaływania powierzchniowe przywracają pierwotną teksturę warstwie ciekłego kryształu.

Wskaźnik z ciekłych kryształów LCD

Wskaźniki z ciekłych kryształów mają nazwę skró­tową LCD (ang. Liquid Crysial Display). Podstawę działania tych wskaźników stanowią zmiany właś­ciwości optycznych kryształów ciekłych pod wpły­wem pola elektrycznego, w szczególności zmiany

właściwości przepuszczania lub odbijania światła. Konstrukcja poszczególnych typów wskaźników LCD zależy od rodzaju zastosowanego zjawiska elektrooptycznego. Wspólnym zespołem w różnych typach wskaźników są dwie równolegle płytki szklane z umieszczoną między nimi cienką warstwą (ok. 30 μm) kryształu ciekłego (rys.3).

Na wewnętrznych powierzchniach płytek są naparo­wane przezroczyste elektrody przewodzące, okreś­lające obszary kryształu ciekłego, które są podda­wane oddziaływaniu pola elektrycznego. Elektrody są pokryte cienką przezroczystą warstwą dielektry­ki, która zapobiega szkodliwym procesom elektro­chemicznym na styku elektroda-kryształ ciekły. Najbardziej rozpowszechnione są wskaźniki LCD, w których warstwa przewodząca elektrody jednej płytki jest wytrawiona w kształcie 7-segmentowego pola numerycznego z odpowiednimi ścieżkami służącymi do doprowadzenia sygnałów sterujących. Na drugiej płytce jest umieszczona elektroda wspól­na. Wskaźniki LCD pracują przy oświetleniu ze źródła zewnętrznego. Może to być światło rozpro­szone z otoczenia, a przy pracy w ciemności stosuje się odpowiedni podświet­lacz.

Istnieją wskaźniki przepuszczające światło oraz wskaźniki odbiciowe ze zwierciadłem naparowa­nym na tylnej płytce. W starszych typach wskaźni­ków LCD wykorzystywano zjawisko dynamicznego rozpraszania światła w kryształach ciekłych typu nematycznego. W tych wskaźnikach elektrody metalowe stykają się bezpośrednio z kryształem ciekłym, który jest przezroczysty przy braku pola­ryzacji, gdyż struktura jego cząsteczek jest uporząd­kowana w kierunku wymuszonym przez stan powierzchni płytek szklanych. Przy polaryzacji

napięciem zewnętrznym, przez kryształ ciekły pły­nie prąd jonowy i jego cząsteczki przyjmują orien­tację chaotyczną. Wówczas światło jest rozpraszane i taki obszar jest widoczny jako mlecznobiały. Wadą tych wskaźników jest ich mała trwałość, gdyż wskutek przepływu prądu jonowego następuje stop­niowy rozkład chemiczny kryształu ciekłego. Wprowadzenie warstw dielektrycznych oddzielają­cych elektrody metalowe od kryształu ciekłego umożliwiło wyeliminowanie szkodliwego wpływu prądu jonowego. W stosowanych obecnie wskaźni­kach LCD stosuje się kryształy ciekłe typu nema­tycznego i cholesterycznego; są też prowadzone prace nad wykorzystaniem kryształów ciekłych typu smektycznego. Najczęściej stosuje się nema­tyki o teksturze planarnej homeotropowej lub skrę­conej. W tym ostatnim przypadku stosuje się najczęściej skręcenie nema­tyka o 90°, co oznacza, że cząsteczka przy dolnej powierzchni ograniczającej są obrócone o 90' względem cząsteczek położonych przy płaszczyźnie górnej. Cząsteczki kolejnych warstw wewnętrznych zmieniają swój kierunek uporządkowania wzdłuż linii śrubowej.

Cechą charakterystyczną współczesnych wskaźni­ków jest umieszczenie kryształu ciekłego między dwoma polaryzatorami obróconymi względem sie­bie o 90° (rys.4).

Światło przechodzi przez taki zespól polaryzatorów tylko wówczas, gdy między nimi znajduje się ośrodek skręcający o 90' płasz­czyznę światła spolaryzowanego (przy przejściu przez pierwszy polaryzator światło ulega spolaryzo­waniu). Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, to światło spolaryzowane jest pochłaniane przez drugi polaryzator.

Układ dwóch polaryzatorów z warstwą nematyka skręconego (skręcającego płaszczyznę polaryzacji światła o 90') umożliwia uzyskanie wskaźnika o ciemnych polach elektrod polaryzowa­nych napięciem zewnętrznym. Jeżeli kryształ ciekły jest nematykiem o ujemnej anizotropii dielektrycz­nej, to bez zewnętrznej polaryzacji pole wskaźnika jest ciemne. Światło przechodzi przez górny polary­zator, następnie jest przepuszczane przez kryształ ciekły, a ponieważ jego płaszczyzna polaryzacji nie ulega skręceniu zatem jest pochłaniane przez drugi polaryzator. Po doprowadzeniu napięcia cząsteczki kryształu ciekłego ustawiają się prostopadle do linii pola elektrycznego i odbijają światło padające na wskaźnik. Obszar spolaryzowanej elektrody jest zatem jaśniejszy niż tło. Efekt odwrotny, tj. jasne pole przy braku napięcia, ciemne zaś przy spolary­zowaniu elektrody, uzyskuje się w przypadku zasto­sowania nematyka o teksturze planarnej i dodatniej anizotropii dielektrycznej. We wskaźnikach LCD znajdują zastosowanie również inne zjawiska fotooptyczne, np. przemiana fazowa kryształu cie­kłego typu cholesterycznego w nematyk pod wpły­wem pola elektrycznego.

Zaletami wskaźników LCD są:

- bardzo maty prąd sterowania (1 - 10 μA na 1 cm² powierzchni czynnej), a więc bardzo mały pobór mocy ze źródła sterowania (20 - 200 μW na 1 cm² powierzchni czynnej), co umożliwia bezpośrednie ich sterowanie z wyjść układów MOS;

- niska cena.

Wadami wskaźników LCD są:

- duża bezwładność pracy (czas odpowiedzi 10 - 200 ms), przy czym szybkość działania jest największa przy sterowaniu falą prostokątną z czę­stotliwością 20 - 200 Hz; w celu zmniejszania czasu wyłączania stosuje się wyłączanie impulsowe;

- ograniczony zakres temperatury pracy od nie­wielkich temperatur ujemnych do +55^OC; powyżej określonej temperatury kryształ ciekły zmienia się w ciecz izotropową, a poniżej w kryształ stały W warunkach laboratoryjnych uzyskuje się już kry­ształy ciekle pracujące zadowalająco w zakresie temperatury od -50 do +300°C.

Trwałość wskaźników LCD wynosi wiele tysięcy godzin pracy. Są one budowane nie tylko w konfi­guracji 7-segmentowej, lecz również jako wskaźniki alfanumeryczne, mozaikowe i obrazowe.

W technice ciekłokrystalicznej budowane są również wyświetlacze PALC (rys. 6) z adresacją plazmową. Należą one do wyświetlaczy LCD z aktywną matrycą. Do adresowania punktów ekranu w stosuje się w nich paski metalowych elektrod z jednej strony i kanaliki zjonizowanego gazu z drugiej strony, który pod wpływem napięcia sterującego ulega jonizacji. Czas przełączania kanalika gazowego wynosi ok. 5 mikronów co pozwala na odtwarzanie obrazu z częstotliwością 30 ramek/s .

Szkło Paski elektrod

Ciekły kryształ

Dielektryk

A- anoda ;K-katoda Kanaliki z gazem

Wskaźnik LCD z dwoma polaryzatorami: ;

1. budowa wskaźnika;

2. droga światła we wskaźnikach z kryształem ciekłym typu skręcony nematyk, przy braku napięcia;

1-polaryzator górny;

2 - płytka szklane z elektrodami segmentowymi;

3 - kryształ ciekły;

4 - płytka szklana ze wspólną elektrodą;

5 -polaryzator dolny obrócony względem polaryzatora górnego o 90 °;

6 - elektrody

Budowa wskaźnika 7 segmentowego z ciekłych kryształów;

1 - dielektryk;

2 - ciekły kryształ;

3 - płytka szklana ze wspólna elektrodą;

4 - przekładka dystansowa;

5 - płytka szklana z siedmioma elektrodami;

---