Casa > Exposició > Contingut

Propietats de cristall líquid

Jun 28, 2018

Propietats de cristall líquid

1. Introducció breu de cristall líquid

El 1888, el científic australià, Leni FM, va sintetitzar un estrany compost orgànic, que tenia dos punts de fusió. Quan el cristall sòlid es va escalfar a 145, es va fondre en un líquid, però només estava ennuvolat i totes les substàncies pures eren transparents quan es van fondre. Si continua escalfant fins a 175 graus, sembla que es fongui de nou i es torni líquid transparent i transparent. Més tard, Lehman, un físic alemany, va anomenar el líquid tèrbol a la "zona mitjana" anomenada cristall. És com una mula ni tan sols com un cavall ni un burro, per això es diu mula orgànica. Des del descobriment del cristall líquid, la gent no sap com s'utilitza fins a 1968, la gent l'ha pres com a material en la indústria electrònica.

L'estat de la majoria de les substàncies amb un pes molecular reduït presenta tres estats de la matèria amb l'augment de la temperatura: sòlid (sòlid), líquid (líquid) i gas (gas). Però si el pes molecular és gran i l'estructura és especial, el canvi d'estat no és tan senzill. En 1888, quan Reinizer es va escalfar a la cristal·lització del benzonat colesteric, es va trobar que quan es va escalfar a 145,5 graus, es va convertir en un líquid blanc envernissat, que es va convertir completament en un líquid transparent quan es va escalfar a 178,5 graus. Lehman va trobar que l'estat entre el cristall i el líquid transparent (fase) té l'anisotropia òptica inherent al sòlid, per la qual cosa es denomina cristall líquid (cristall líquid). El cristall líquid (cristall líquid) és una paraula sintètica de líquid i cristall, que indica que el líquid té la fluïdesa específica (fluïdesa) i que també té l'única anisotropia òptica (anisotropia òptica) al mateix temps. Com que existeix a l'estat entre sòlid i líquid, és més precís anomenar mesofase (mesofase), però més comunament es diu cristall líquid.

Amb l'aprofundiment de la investigació, es va trobar una fase de cristall líquid en moltes substàncies i es van trobar que les molècules amb fase de cristall líquid tenien estructures moleculars similars a la de la cinta o el disc (consulteu la figura 1). Com es pot veure a la figura 2, les molècules amb fase de cristall líquid són estructures de cristall disposades segons certes regles a una certa baixa temperatura, però quan s'aconsegueix un cert punt de fusió (punt de fusió), el centre de masses es mou lliurement, però la direcció de la barra forma un cert estat de distribució del líquid anisòtrop (líquid anisòtrop). És la fase de cristall líquid. Aquesta és la raó fonamental per la qual els cristalls líquids poden tenir anisotropia òptica. Si la temperatura s'eleva en aquest moment (punt de neteja), les molècules no són només el centre de la massa, sinó que també es distribueix lliurement la direcció de la cinta i es converteix en el líquid isotròpic (líquid isotròpic).

1.png


2.png

Fig. 1. exemple d'estructura molecular de cristall líquid, cristall líquid nemàtic 5CB i cristall líquid ferroelèctric DOBAMBC


3.png

 

(sòlid: cristal·lí) (líquid: líquid anisotròpic) (líquid: líquid isotròpic)


Fig 2. segons la distribució i l'ordenació de les molècules (fase).

(1) tipus de cristall líquid

Les molècules amb fase de cristall líquid poden formar una gran varietat de fases segons l'afinitat de la forma o substància específica, tal com es descriu anteriorment, es pot dividir en cristall líquid cristal·lí (lyotropi) líquid amb una fase de cristall líquid quan el líquid fase de cristall (cristall termotròpic) amb fase de cristall líquid en una regió de temperatura específica i una certa proporció del dissolvent en un cristall líquid de dissolvent específic (lyotropi) C). La majoria dels cristalls líquids utilitzats en la pantalla són cristalls líquids termotròpics, i els cristalls líquids lyotropics es troben principalment en biofilms. Els cristalls líquids tèrmics es poden dividir en nemàtics (nemàtics), colestericos (colestericos) i propers a cristal·lins (esfèrics) segons el seu ordre de posició (ordre posicional) i ordre de direcció (ordre orientatiu).

Cristall líquid nemàtic (cristall líquid nemàtic)

El centre de massa de les molècules de cristall líquid nemàtic es mou com un líquid, mentre que la direcció de l'eix llarg (eix molecular llarg) de la molècula té un moviment dinàmic del temps, però es dirigeix uniformement en certa direcció. El vector d'unitat especificat en aquesta direcció s'anomena controlador (director). Gairebé totes les constants físiques macroscòpiques dels cristalls líquids nemàtics són un únic eix (uniaxial) depenent de la simetria rotacional del controlador. A més, el controlador no és simètric abans i després (simetria cap a la cua), per la qual cosa fins i tot si les seves molècules constituents tenen polaritat (polaritat), no hi ha polaritat en cristalls líquids nemàtics. Encara que la seva estructura és la més simple en tres tipus de cristalls líquids, la majoria dels cristalls líquids utilitzats en els monitors són cristalls líquids nemàtics. S'expressa principalment en N.

4.png


Figura 3. Tipus de fase de cristall líquid

cristall líquid colesteric

Els cristalls líquids colestericos són similars als cristalls líquids nemàtics, però els diferents són l'estructura helicoïdal amb el controlador que gira al llarg del seu eix vertical. En un pla perpendicular a l'eix de l'hèlix, no hi ha diferència amb el cristall líquid nemàtic. Les molècules constituents de la fase de cristall líquid colesteric presenten un centre quiral quiral (quiral) sense simetria absoluta, i també es poden mostrar molècules amb radicals quirals en cristalls líquids nemàtics. Per tant, els cristalls líquids colestericos també s'anomenen quiral nematic. A més, segons la idoneïtat de les molècules quirals, es determina la direcció de rotació de l'eix espiral. Per tant, els cristalls líquids colestericos estan ordenats en ordre regular al llarg de l'ordre de direcció i l'eix espiral, amb ordre espacial. La longitud de 1 període de l 'estructura espiral de cristall líquid colesteric s'anomena grau (pitch), igual que la simetria del cap - cua en el cristall líquid nemàtic, de manera que el període real és només la meitat del grau. S'expressa principalment per CLC o ChLC. N * també s'utilitza per expressar el significat dels cristalls líquids colestericos. Asterisk representa quiral.

     

5.png   

Figura 4. Tonalitat de cristalls líquids colestericos

- Cristall líquid esmètic

El cristall líquid esmètic té una estructura de capa fina (estructura de lamela), que es pot subdividir en SmA, SmB, SmC i SmD segons la seqüència de posició i la direcció del controlador a la mateixa capa. A causa de l'estructura de capa fina, la fase gairebé cristal·lina s'afegeix en l'ordre de direcció i té l'ordre espacial de més d'1 eix. SmA significa que el centre de massa de les molècules en la capa prima és lliure i la direcció del controlador és perpendicular a la capa fina. Encara que el centre de massa de la molècula és lliure, la direcció del controlador està lleugerament inclinada a l'estat vertical de la capa prima.
Especialment, el SmC * (chiral SmC) utilitzat en la pantalla té les característiques del fenomen ferroelèctric (ferroelectricitat). Com es pot veure a la figura 5, les molècules de cristall líquid es van inclinant cap a la capa prima i tenen l'estructura de rotació al llarg de la fina capa. Les molècules de cristall líquid en cada capa fina són perpendiculars als seus eixos llargs i tenen moments dipolars espontanis (moment dipolar espontani) en la direcció paral·lela a la fina capa, amb fenòmens ferroelèctrics.

 

6.png

SmA SmC


Fig. 5. La fase representativa de l'esmèctica varia amb la direcció del controlador en la capa prima.

7.png

Fig. 6. Alineament molecular i moment dipolar espontani de cristall líquid ferroelèctric SmC *

(2) característiques de l'aplicació LCD a la pantalla

La raó per la qual LCD és popular com a monitor és que el valor de la retard de fase es pot ajustar fàcilment amb menor voltatge. El cristall líquid és el material anisòtrop diferent del controlador en la direcció paral·lela al controlador i la propietat física en la direcció vertical, a causa de la seva forma molecular asimètrica. Entre les diverses propietats físiques, la major influència en la pantalla LCD és l'anisotropia òptica i l'anisotropía dielèctrica. La diferència de l'índex de refracció (aproximadament 0,05-0,2) és el reflex i la projecció de la llum quan la llum passa pel cristall líquid i afecta la reflexió i la projecció de la llum. L'anisotropia dielèctrica (aproximadament 3,0-8,0) es pot utilitzar per controlar l'eix llarg de les molècules de cristall líquid pel camp elèctric. La figura 8 mostra el procés de retard de fase en funció de la direcció del cristall líquid i la direcció de la llum. A més, la dissimilaritat dielèctrica fa que les molècules de cristall líquid siguin paral·lels o perpendiculars al camp elèctric, i controli la direcció de l'eix llarg de les molècules de cristall líquid per voltaje. Aquest principi es mostra a la figura 7.

8.png

Figura 7. La rotació de les molècules de cristall líquid a causa del camp elèctric


9.png

10.png

Figura 8. La diferència en l'efecte del retard de fase (retard de fase) amb la direcció del cristall líquid.

2. Física del cristall líquid

(1) controlador (director) i paràmetre ordenat (paràmetre de comanda).

Com es va esmentar anteriorment, la molècula de cristall líquid és una barra amb una longitud d'uns 20 i uns 5 d'ample. El seu centre de masses és com un moviment aleatori d'un líquid, mentre que l'eix llarg de la molècula es mou ràpidament, però apunta a una direcció uniforme. Per tant, l'estat dels cristalls líquids es pot dividir aproximadament en dos tipus, és a dir, la direcció de l'eix llarg i el grau de moviment tèrmic centrat en el seu eix. Per expressar aquests dos conceptes, són controladors i paràmetres ordenats. El controlador es pot definir mitjançant un vector d'unitat que apunta cap a una direcció uniforme. El controlador de la posició R sol representar-se per n (R). El paràmetre de comanda representa el grau de moviment tèrmic, que es defineix de la manera següent.

11.png

Figura 9. Definició del controlador i angle theta i phi

12.png

L'angle theta, phi, tal com es mostra a la figura 9, representa l'angle de inclinació al controlador. F (theta, phi) mostra la distribució angular estadística de l'eix llarg de les molècules de cristall líquid. Quan l'eix llarg de les molècules de cristall líquid es distribueix en totes les proporcions de theta i phi, és a dir, en la fase isotròpica (fase isòtrop), f es converteix en una constant i S = 0. Al contrari, si l'eix llarg de les molècules de cristall líquid està alineat amb N, es convertirà en S = 1. Si el valor del cristall líquid nemàtic arriba al 0,3-08, com més gran sigui la temperatura, menor serà el valor.

(2) anisotropia (anisotropia)

Els cristalls líquids són anisotropia d'índex de refracció i anisotropia dielèctrica a causa de l'estructura i orientació de les ratlles. En primer lloc, l'anomenat índex de refracció es refereix al canvi en la distribució del núvol d'electrons causada per la llum incident, que indueix el moment dipolar i la segona llum produïda per la seva vibració es solapa amb la llum incident, mostrant que la velocitat de la llum sembla ser una constant física lenta. Per tant, millor és que el núvol d'electrons de la molècula es reaccioni en el camp elèctric de la llum incident. Com més gran sigui el valor. En el cristall líquid, el grau de reacció del núvol d'electrons en la direcció de l'eix llarg i la direcció de l'eix curt és diferent, de manera que es produeix l'anisotropia de l'índex de refracció. Tal com es mostra a la fig. 10, l'eix principal de l'el·lipsoide refractiu (eix principal) es determina segons la direcció del controlador n.
És a dir, un eix fix es forma en la direcció paral·lela al controlador, i els dos eixos perpendiculars a aquesta forma formen un eix fix. L'índex de refracció de l'el·lipsoide de l'índex de refracció a la direcció paral·lela al controlador és ne, mentre que l'índex de refracció en la direcció vertical s'expressa en cap, i les següents paraules afegides E i cada un representen un índex extraordinari i un índex normal. L'expressió de l'anisotropia de l'índex de refracció (anisotropia refractiva) és la següent.

13..png

D'altra banda, la capacitància és també una constant física que mostra que el núvol d'electrons molecular s'allunya de la refracció externa del camp elèctric, de manera que millor és el valor del moviment del núvol d'electrons. Com en l'índex de refracció, el grau de moviment del núvol d'electrons és diferent d'aquell en la direcció de l'eix llarg i la direcció de l'eix curt, de manera que l'anisotropia dielèctrica existeix en el cristall líquid. La permisivitat paral·lela i vertical del controlador està expressada per epsilon i epsilon. L'anisotropia dielèctrica (anisotropia dielèctrica) es mostra a continuació.

14.png

15.png

Figura 10. La relació entre el controlador i el cargol (eix principal)

(3) teoria de mitjà continu (Teoria de continuïtat)

En general, la distribució espacial de controladors de cristall líquid nemàtic té la propietat de disposar en una determinada direcció en l'espai. No obstant això, si les condicions restringides o els camps elèctrics externs i els camps magnètics estan afectats, la distribució espacial del controlador no serà consistent, i en aquest procés, les molècules de cristall líquid produiran resistència a aquesta deformació. No obstant això, la deformació espacial del controlador generalment no es produeix en el nivell molecular (escala molecular), sinó que es produeix en el nivell de microns. Per tant, és millor descriure el cristall líquid com un continu (Continuum) per descriure la seva deformació que per descriure la complexa energia d'interacció de les molècules individuals per descriure la deformació espacial del controlador. Això és similar al fet de registrar la força de moll a l'hora d'afegir la força a la molla, és millor utilitzar només una constant de moll per registrar l'energia del lligam entre els àtoms de ferro i els àtoms de ferro. Aquesta aproximació a l'equació espacial dels controladors de cristall líquid mitjançant l'aproximació a l'equació és la teoria del continu. La teoria del continu és una teoria estàndard que pot enregistrar gairebé totes les característiques electro-òptiques dels cristalls líquids. No obstant això, no es pot utilitzar en l'anàlisi de RMN i ESR, que són principalment moviments individuals de molècules.

Si hi ha una condició determinada (condició de restricció, camp elèctric, camp magnètic, etc.), es produeix la deformació espacial del controlador n (R). A continuació, les molècules de cristall líquid resistiran la seva deformació espacial per interaccions complexes, i la mida de la resistència a la força elàstica a aquesta deformació és proporcional al grau de deformació espacial de n (R) (imagina, quan s'obre la molla, la força de la força retreta és proporcional a la llei Hook que es tira la longitud). En aquest punt, si el grau de deformació espacial és petit, n (R) es pot utilitzar per representar els valors diferencials de l'espai. Si la mida del canvi espacial no és gran, els valors diferencials múltiples són molt més petits que els valors diferencials. Tenint en compte aquestes suposicions i diverses simetries, la densitat d'energia lliure generada pel volum de la unitat es calcula d'acord amb la deformació espacial del controlador.

16.png

Com es mostra a la figura 11, la deformació d'expansió (splay), distorsió (gir) i de flexió (corbat), K11, K22 i K33 utilitzats com a constants proporcionals es denomina expansió, distorsió i flexió de les constants elàstiques respectivament. A més, la fórmula anterior s'anomena densitat d'energia lliure de Frank-Oseen. Qo és una constant basada en el quiral (quiralitat) de les molècules de cristall líquid. Si el cristall líquid colesteric té un valor limitat, si Qo> 0, la direcció espiral del cristall líquid colesteric serà la dreta (la mà dreta).

17.png

> >

Fig. 11. Tipus de deformació elàstica distribuïda per controladors de cristall líquid

D'altra banda, quan s'afegeix un camp elèctric a una molècula de cristall líquid, la distribució del núvol d'electrons canvia i, alhora, actua com una interacció electrostàtica. La densitat de l'energia lliure per a aquesta interacció es calcula de la següent manera.

18.png

Per tant, quan el cristall líquid es distorsiona a causa del camp elèctric, la densitat total d'energia lliure és

19.png

Segons la llei de la termodinàmica, el controlador de cristall líquid té la distribució de minimitzar l'energia lliure anteriorment f. Per exemple, si s'afegeix un camp elèctric al cristall líquid, si només es considera el cristall líquid FE, el controlador s'ha d'alinear amb el camp elèctric; si es considera FD, l'energia s'ha de reduir sense canviar l'espai. Però, de fet, perquè la suma dels dos tipus d'energia s'ha de minimitzar, la distribució espacial del controlador de cristall líquid es determina en el cas del canvi espacial adequat i l'arranjament paral·lel del camp elèctric adequat.

20.png

21.png

Figura 12. En connectar un camp elèctric, el parell (parell) connectat al cristall líquid.

La solució d'aquesta ecuación diferencial pot determinar la distribució de controladors de cristall líquid. Sembla una mica complicat, però després d'alguns casos simples, la solució està disposada a l'apèndix. La fórmula anterior es refereix a la fórmula d'estat paral·lela. Per conèixer el comportament dinàmic del controlador LCD, hem de fer algunes modificacions menors. Si l'aproximació de relaxació s'utilitza amb més freqüència, la cinètica del cristall líquid pot satisfer la següent fórmula.

22.png

Entre ells, t indica temps, i gamma 1 representa la viscositat rotativa. Com més petita sigui la viscositat rotacional, més ràpid serà el canvi de temps del controlador LCD.

(4) dependència de la temperatura de les constants físiques

Les propietats òptiques del cristall líquid estan determinades per l'índex de distribució i refracció del controlador, i la distribució del control depèn del camp elèctric extern, de la condició de limitació, de la velocitat de capacitància i de la constant elàstica. D'aquesta manera, podem conèixer la importància de l'índex de refracció, la permisivitat i les constants elàstiques del propi cristall líquid en el procés d'enteniment de la pantalla LCD. A més, la constant important en la velocitat de resposta dels cristalls líquids és la viscositat rotativa.

S'informa que el següent paràmetre de comanda S afecta l'anisotropia dielèctrica, l'anisotropia de l'índex de refracció i les constants elàstiques.

23.png

El paràmetre ordenat S disminueix quan s'escalfa, de manera que es pot predir que les característiques electro-òptiques del cristall líquid varien amb la temperatura. A més, encara que no en tots els cristalls líquids, la constant elàstica K33 / K11 és proporcional a la longitud de l'eix llarg i l'eix curt de les molècules de cristall líquid, que és proporcional a L / W.

3. Pantalla de cristall líquid

(1) coordinació de cristall líquid (alineació)

Quan un cristall líquid es col·loca en una ampolla (ampolla), és blanc opac degut a que no es dispersa del sòl. Es farà incolor i transparent quan es col loquen entre la superfície tractada amb dos plaques de vidre, ja que el controlador LCD està en una determinada direcció. Per això, el tractament superficial és molt important. D'aquesta manera, com a la figura 14, les molècules de cristall líquid es poden ajustar a una alineació vertical vertical (homeòtrop) a la superfície, una alineació horitzontal (plana homogènia) disposada paral·lelament a la superfície, una inclinació homogènia, que s'erigeix a una cert angle, etc. Si voleu construir una alineació vertical, podeu aplicar una molècula polar com la lecitina a un substrat de vidre. L'alineació horitzontal o la inclinació d'angle baix s'aconsegueix mitjançant el recobriment de poli imida sobre un substrat de vidre i netejant la superfície amb un drap. Això es diu fregar. En general, la direcció de la solució és que el costat d'expansió està disposat paral·lelament a les molècules de cristall líquid (algunes de les quals estan alineades verticalment amb la direcció de l'extensió).

24.png

Figura 13. Dispersió de la llum en cristalls líquids nemàtics i rangs restringits no coincidents

25.png

Figura 14. Tipus de distribució de cristall líquid


26.png

Figura 15. angle pretilt (angle pretilt) theta

En aquest punt, totes les molècules de cristall líquid no són paral·leles al substrat, sinó que s'inclinen al substrat en un angle determinat. Aquest angle s'anomena angle preliminar.

(2) Mode Birefringència controlada elèctricament (BCE)

Amb aquest fenomen, la pantalla es pot ajustar per la transmitància de llum de la tensió. Com a la figura 16, s'obté una llum lineal polaritzada a través d'un polaritzador (polaritzador), i l'estat de polarització de la llum varia amb la birrefringència del cristall líquid quan la llum polaritzada passa a través de la cel·la de cristall líquid. Quan aquesta llum passa a través de l'analitzador (analizador), la intensitat de la llum de l'analitzador també canviarà amb el grau de retard de la fase (retard de fase) produït per la birrefringència del cristall líquid. En aquest punt, l'angle retorçat del controlador de cristall líquid augmenta l'eix ne de l'el·lipsoide del refractari de cristall líquid i la il·luminació de la llum si el cristall líquid se situa entre les dues plaques de vidre que passen per la distribució horitzontal (això es denomina unitat de cristall líquid (cel·la)), com ara les molècules de cristall líquid a la FIG. 15 a). A aquesta tensió, l'anisotropia dielèctrica de les molècules de cristall líquid.

La direcció del tret és paral·lela, de manera que el retard de fase degut a la cel·la de cristall líquid és més petit (vegeu la Figura 4). Per tant, ajustar la tensió pot canviar la transmitància de la llum.

27.png

Figura 15. Canvis de controladors LCD en mode BCE amb canvis de tensió


28.png

Figura 16. Equip experimental per canviar la transmitància de llum segons el canvi de birrefringencia de cristall líquid