Мэтью грегори льюис. Отрывок, характеризующий Льюис, Мэтью Грегори
Федеральное агентство по науке и образованию РФ
Иркутский государственный технический университет
Кафедра физики
РЕФЕРАТ
на тему: Жидкие кристаллы и их
применение в жидкокристаллических
Выполнил:
Студент группы ЭЛ-03-1
Мороз Я.В.
Проверили:
Преподаватели
Созинова Т.В.
Шишилова Т.И.
Иркутск, 2005
1. Что такое жидкие кристаллы 3
1.1. Жидкие кристаллы 3
1.2. Типы жидких кристаллов 4
1.3. Применение 5
2. Жидкокристаллические мониторы 6
2.1. TN – кристаллы 6
2.2. Анатомия LCD 8
2.3. TFT – дисплеи 8
2.4. Ферродиэлектрические жидкие кристаллы 12
2.5. Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC) 12
3. Итоги 13
1.1 ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ - состояние вещества, промежуточное между жидким и твердым состояниями. В жидкости молекулы могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях. В кристаллическом твердом теле они расположены по узлам правильной геометрической сетки, называемой кристаллической решеткой, и могут лишь вращаться в своих фиксированных позициях. В жидком кристалле имеется некоторая степень геометрической упорядоченности в расположении молекул, но допускается и некоторая свобода перемещения.
Рисунок 1. Увеличенное изображение жидкого кристалла.
Считается, что состояние жидкого кристалла открыл в 1888 австрийский ботаник Ф.Рейнитцер. Он изучал поведение органического твердого вещества, называемого холестерилбензоатом. При нагревании это соединение переходило из твердого в мутное на вид состояние, ныне называемое жидкокристаллическим, а затем в прозрачную жидкость; при охлаждении последовательность превращений повторялась в обратном порядке. Рейнитцер отметил также, что при нагревании изменяется цвет жидкого кристалла – от красного к синему, с повторением в обратном порядке при охлаждении. Почти все жидкие кристаллы, обнаруженные на сегодняшний день, представляют собой органические соединения; примерно 50% всех известных органических соединений при нагревании образуют жидкие кристаллы. В литературе описаны также жидкие кристаллы некоторых гидроксидов (например, Fe 2 O 3 ·x H 2 O).
Жидкие кристаллы, жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние - состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией свойств). Ж. к. образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. Различают термотропные и лиотропные Ж. к. Первые - индивидуальные вещества, которые существуют в мезоморфном состоянии в определённом температурном интервале, ниже которого вещество является твёрдым кристаллом, выше - обычной жидкостью. Примеры:
параазоксианизол (в интервале температур 114-135°С), этиловый эфир азоксибензойной кислоты
(100-120°С), пропиловый эфир холестерина (102-116°С). Лиотропные Ж. к. - растворы некоторых веществ в определённых растворителях. Примеры: водные растворы мыльные растворы синтетических полипептидов (поли-g-бензил-L -глутамат) в ряде органических растворителей (диоксан, дихлорэтан).
1.2 Типы жидких кристаллов.
Есть два способа получить жидкий кристалл. Один из них был описан выше, когда говорилось о холестерилбензоате. При нагревании некоторых твердых органических соединений их кристаллическая решетка разваливается и образуется жидкий кристалл. Если температуру повышать и далее, то жидкий кристалл переходит в настоящую жидкость. Жидкие кристаллы, образующиеся при нагревании, называются термотропными. В конце 1960-х годов были получены органические соединения, являющиеся жидкокристаллическими при комнатной температуре.
Существуют два класса термотропных жидких кристаллов: нематические (нитевидные) и смектические (сальные или слизистые). Нематические жидкие кристаллы можно разделить на две категории: обычные и холестерически-нематические (скрученные нематики).
Рисунок 2. ТЕРМОТРОПНЫЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ , схема молекулярной упаковки. В смектическом классе (за исключением смектика D) молекулы расположены в слоях. Каждая молекула остается в своем слое, но слои могут скользить один относительно другого. В нематических жидких кристаллах молекулы могут двигаться во всех направлениях, но их оси всегда остаются параллельными друг другу. В холестерически-нематических жидких кристаллах оси молекул лежат в плоскости слоя, но их ориентация меняется от слоя к слою как бы спирали. Благодаря такой спиральной закрутке тонкие пленки холестерических жидких кристаллов обладают необычайно высокой способностью к вращению плоскости поляризации поляризованного света. а – смектический; б – нематический; в – холестерический.
1.3 Применение.
Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. (У холестерически-нематических жидких кристаллов эта способность очень велика.) На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала.
Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.
2.Жидкокристаллические мониторы
Наше знакомство с жидкокристаллическими дисплеями длится уже долгие годы, и его история уходит корнями еще в докомпьютерную эпоху. Сегодня если человек смотрит на наручные часы, проверяет состояние принтера или работает с портативным компьютером, он поневоле сталкивается с феноменом жидких кристаллов. Более того, эта технология посягает на традиционную вотчину CRT-мониторов - настольные дисплеи для ПК.
ЖК-технология базируется на использовании такой характеристики света, как поляризация. Человеческий глаз не может различать состояния поляризации волны, но некоторые вещества (например, поляроидные пленки) пропускают свет только с определенной поляризацией. Если взять два поляроида -- один задерживающий свет с вертикальной поляризацией, а другой с горизонтальной, поместить их друг напротив друга, то свет через такую систему пройти не сможет (Рисунок 3).
Рисунок 3. Поляризация света.
Избирательно вращая поляризацию света в промежутке между пленками, мы смогли бы формировать светящиеся и темные участки - пиксели. Это возможно, если использовать пластину с вкраплениями оптически активных кристаллов (так их называют потому, что они, благодаря особенностям своих несимметричных молекул, могут изменять поляризацию света).
Но дисплей подразумевает динамичное отображение информации, и обычные кристаллы тут не смогут нам помочь. На выручку приходят их жидкие собратья. Жидкие кристаллы - это жидкости, которым присущ определенный порядок расположения молекул, вследствие чего появляется анизотропия механических, магнитных и, что наиболее интересно для нас, электрических и оптических свойств.
Благодаря анизотропии электрических свойств и наличию текучести можно управлять преимущественной ориентацией молекул, тем самым изменяя оптические свойства кристалла. А они имеют замечательную особенность - специфическая удлиненная форма молекул и параллельное их размещение делают их весьма эффективными поляризаторами. Теперь приступим к изучению элементарной разновидности ЖК-дисплеев - на скрученных нематических кристаллах (Twisted Nematic - TN).
2.1 TN – кисталлы.
То, что молекулы нематического жидкого кристалла выстраиваются подобно солдатам на параде, - следствие анизотропии сил их взаимодействия. Предсказать положение директора с макроскопической точки зрения в свободном жидком кристалле невозможно, поэтому заранее определить, в какой плоскости он будет поляризовать свет, нельзя.
Оказывается, придать молекулам ту или иную ориентацию достаточно просто, необходимо только изготовить пластину (для наших целей прозрачную, например, стеклянную) со множеством микроскопических параллельных углублений-бороздок (их ширина должна соответствовать минимальному размеру элемента формируемого изображения).
Узкие и длинные молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, вынуждены придерживаться заданной ориентации. А все последующие слои молекул будут выстраиваться им "в затылок" вследствие уже упомянутого выше межмолекулярного взаимодействия. Если теперь поместить сверху еще одну стеклянную пластину с аналогичным набором бороздок так, чтобы они были перпендикулярны бороздкам нижней пластины, то продольные оси молекул самого верхнего слоя будут расположены под прямым углом по отношению к осям молекул из нижнего слоя. Между этими двумя крайними положениями образуется своеобразная молекулярная спираль из промежуточных ориентаций, которая и дала название технологии -- twisted nematic (закрученные нематические).
По мере прохождения света вдоль спирали плоскость его поляризации вращается, следуя за ориентацией продольной оси составляющих ее молекул. В случае "сандвича" из пластин с перпендикулярными бороздками получается спираль с поворотом на 90°, и плоскость поляризации поворачивается именно на этот угол. Если поместить такой "сандвич" между двумя поляроидами с перпендикулярно расположенными осями (поляроид пропускает только свет, линейно поляризованный вдоль его оси), то свет будет проходить через такую систему (Рисунок 4).
Таким образом, в TN-дисплеях формируются светящиеся пикселы. Инверсные (в данном случае темные) пикселы - продукт еще одного свойства жидких кристаллов - электрической анизотропии. Достаточно приложить к спирали электрическое поле, и молекулы тут же будут вынуждены развернуться вдоль вектора его напряженности. Разместив миниатюрные прозрачные пленочные электроды над и под слоем жидкого кристалла, подавая напряжение на них, можно ориентировать молекулы вертикально. После этого они уже не могут менять поляризацию света, а так как оси поляроидов расположены перпендикулярно, то свет проходить не будет. Включая и выключая электроды по отдельности, мы и получим динамическую черно-белую картинку.
"А как насчет градаций серого?" - спросите вы. Градациями, или уровнями яркости пикселов, можно управлять с помощью величины приложенного напряжения. Постепенно повышая его, мы будем наблюдать, как молекулярная спираль проходит через три этапа своего состояния - три зоны (рисунок 5). Зона 1 соответствует максимуму пропускания и белому цвету (максимальному повороту поляризации), зона 3 - минимуму и черному цвету, а самые интересные состояния находятся в зоне 2. При прецизионном изменении напряжения в ее пределах получаются все оттенки серого.
2.2 Анатомия LCD .
Немного разобравшись с физическими принципами работы ЖК-дисплея простого нематического типа, можно рассмотреть чисто механические аспекты его конструкции (Рисунок 6). В основании располагается система подсветки -- это мощные (ведь остальная часть "сандвича" поглощает до 50% проходящего света) флюоресцентные лампы в виде трубок и специальные материалы (plastic light guide), или световоды, способствующие более равномерному распределению освещения по плоскости экрана. Этого далеко не всегда удается достичь, и результатом могут стать темные полосы, неоднородность изображения.
Рисунок 6. Строение ЖК - монитора Свет направляется на поляризационный фильтр. Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова, формирующие пикселы изображения. Затем идет полимерная пленка с микробороздками, ориентирующими молекулы жидких кристаллов, составляющие следующий слой. Вторая половина - все с точностью до наоборот (за исключением подсветки).
Теперь рассмотрим основные различия активных и пассивных матриц, а также образование цветных изображений. В пассивных матрицах для адресации используются полоски полупрозрачных электродов, расположенные на обеих поверхностях стеклянных подложек и ориентированные перпендикулярно (рисунок 7). Их пересечение формирует пиксель. Чтобы изменить его состояние, необходимо задействовать две адресные линии - вертикальную и горизонтальную. Одна, к примеру нижняя, заземляется, а на другую подается управляющий импульс. Процесс, в ходе которого с помощью поочередной выборки всех комбинаций из двух управляющих линий создается изображение, называется сканированием.
2.3 TFT - дисплеи
Проходя путь от опытных черно-белых дисплеев, жк-дисплеи дошли до уровня развития на котором используется технология называемая TFT(Thin Film Transistors). Она основана на активных матрицах на базе тонкопленочных транзисторов. В этом случае на стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния, на котором формируются транзисторы - по одному на каждый пиксель. Транзисторы исполняют роль посредника между системой адресации и ЖК-ячейками. Существуют и панели на основе тонкопленочных диодов (TFD). В активных матрицах исключается влияние процесса выборки (адресации) на соседние ячейки, каждый пиксел изолирован. Благодаря этому задержки при "переключении" жидкокристаллических ячеек удается сократить до 25 мс, что уже позволяет активно-матричным дисплеям соперничать с CRT-мониторами. Как только ячейка получает заряд, она, подобно конденсатору, хранит его, но недостаточно долго. В то время как сканирование матрицы завершается, ячейки, обработанные первыми, уже начинают терять заряд. Чтобы избежать неоднородности изображения, к каждой ячейке подключают дополнительный конденсатор, который "подпитывает" ее на протяжении цикла сканирования.
Общий принцип действия всех TFT LCD показан на рисунке 8: свет от неоновой лампы проходит через систему отражателей, направляется через первый поляризационный фильтр и попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором; затем свет проходит через цветовые фильтры (как и в CRT, каждый пиксель матрицы строится из трёх компонент цвета – красной, зелёной и синей). Транзистор создаёт электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Свет, проходя через такую упорядоченную молекулярную структуру, меняет свою поляризацию, и в зависимости от неё будет либо полностью поглощён вторым поляризационным фильтром на выходе (образуя чёрный пиксель), либо не будет поглощаться или поглотится частично (образуя различные цветовые оттенки, вплоть до чистого белого).
Рисунок 8.
Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении 1280 x 1024 точки экран содержит ровно 3840 x 1024 транзистора и пиксельных элемента. Шаг пиксела для 15.1" TFT-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" TFT (1280 x 1024 точки) примерно 0.28 мм.
Рисунок 9. Строение пикселя TFT -дисплея.
Пикселы TFT-дисплея. Левый верхний угол ячейки содержит тонкоплёночный транзистор (T hin F ilm T ransistor). Цветные фильтры дают возможность ячейкам менять свои естественные цвета RGB. Точки явственно различимы, при этом чем меньше расстояние между ними, тем больше максимально возможное разрешение. Однако TFT также имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана.
Самый распространённый тип цифровых панелей основан на технологии, сокращённо называемой TN TFT или TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film ). Термин Film обозначает дополнительное наружное плёночное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со стандартных 90 градусов (по 45 с каждой стороны) до приблизительно 140 градусов. Схема работы TN TFT дисплея показана на рисунке 10:
1. Когда транзистор находится в выключенном состоянии, то есть не создаёт электрическое поле, молекулы жидких кристаллов находятся в своём нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них светового потока на 90 градусов (жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задаётся световым фильтром.
2. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым никоим образом не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая чёрную точку на месте одной из трёх цветовых компонент.
|
Проблемы с допустимым углом обзора экрана характерны для ЖК, обеспечивающих полутона. Результирующая интенсивность пропущенного панелью света вследствие явления двойного лучепреломления в жидких кристаллах зависит от угла (j) между нормалью к фронту световой волны и направлением директора молекул ЖК, как sin2j. Это означает, что в полностью включенном состоянии при значениях j вплоть до 30° интенсивность пропущенного света изменяется не более чем на 10%, в то время как при уровне серого 50% (угол между директором и нормалью к поверхности экрана составляет 45°) - на 90%, что ведет к серьезным искажениям градаций яркости или цветов при незначительном изменении угла обзора. Одним из самых простых способов избежать влияния двойного лучепреломления является нанесение на поверхности панели полимерных компенсирующих пленок, которые имеют показатель преломления другого знака, нежели жидкий кристалл.
Оригинальный способ разрешения проблемы нашел Гюнтер Баур в 1971 г. На основе его методики корпорация Hitachi в 1995 г. разработала технологию IPS (In-Plane Switching). Баур предложил новую схему ЖК-ячейки, в которой молекулы в нормальном состоянии не закручены в спираль на 90°, а ориентированы параллельно друг другу. Бороздки на нижней и верхней полимерных пленках параллельны, и все управляющие электроды расположены на одной стороне панели. При подаче напряжения электрическое поле разворачивает молекулы ЖК в плоскости экрана. Угол между директором и плоскостью панели остается постоянным. К сожалению, IPS имеет и некоторые недостатки, например на 50% ниже яркость.
Японское подразделение фирмы IBM предложило и совершенствует методику OCB (Optically Compensated Bend). В ее основе так называемые Pi-ячейки, в которых используется возможность изменять параметры двойного лучепреломления жидких кристаллов. Луч света, попадая в ячейку, немного изменяет свое направление, как бы "прижимаясь" к направлению вектора нормали к поверхности экрана, а покидая ее, возвращается к своему первоначальному направлению распространения.
Специалисты Sharp реализовали другую технологию расширения угла обзора -- ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode). На цветном фильтре формируются специальные выступающие стенки, покрытые ориентирующей полимерной пленкой (Рисунок 11). Они образуют индивидуальные ЖК-ячейки с необычным аксиально-симметричным расположением молекул кристалла (наподобие лопастей вентилятора). Стенки, ограничивающие ЖК-ячейки, получаются в результате внедрения в состав кристалла молекул полимеризованной смолы и облучения полученной смеси ультрафиолетовым излучением после фазового разделения. ASM относится к классу методик стабилизации ЖК с помощью полимеров. Согласно другому методу использования полимеров, их в небольшом количестве домешивают к жидким кристаллам, что позволяет контролировать ориентацию молекул ЖК непосредственно внутри ячейки, а не только на двух граничных поверхностях, как это происходит в случае полимерных пленок.
Рисунок 11
2.4 Ферродиэлектрические жидкие кристаллы
Одним из слабых мест любой ЖК-панели является регенерация изображения. Сложные процессы зарядки и разрядки ячеек, короткое время сохранения ими заданного состояния, опасность накопления значительных зарядов -- все это усложняет производство. Косвенно удается упростить управляющую электронику, используя ферродиэлектрические жидкие кристаллы (FLCD). Если придать группе молекул определенную ориентацию, они (в отсутствие внешних воздействий) будут сохранять ее в течение неограниченного периода времени, образуя единый домен. Ферродиэлектрические ячейки не требуют частой регенерации, сканирование будет происходить только в моменты смены кадров. К тому же они обладают отменной скоростью реакции - 10 мс. Однако их бистабильная природа затрудняет генерацию полутонов. Создаются дисплеи и на основе антиферродиэлектрических ЖК (AFLCD). Самые последние их модификации позволяют частично снять эту проблему.
2.5 Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)
В этом типе дисплеев используется плазменная панель для управления ЖК-ячейками. PALC-дисплей состоит из стеклянной подложки, с нижней стороны которой нанесен поляризационный фильтр, а с верхней -- сформированы продольные выступы-барьеры. Внутри каждой колонки, образованной барьерами, расположены два электрода. Сверху конструкцию накрывают тонким слоем стекла и полученные емкости наполняют газом под давлением несколько кПа. Затем следуют слой ЖК, прозрачная пленка с электродами колонок, цветные фильтры, субстрат стекла с поляризатором (Рисунок 12). Позади всей конструкции располагается блок подсветки. Выборка колонки осуществляется путем генерации разряда между двумя электродами в наполненной разреженным газом продольной ячейке. На поверхности стекла, разделяющего газовую и ЖК-ячейки, формируется отрицательный заряд, представляющий собой как бы виртуальный электрод (Рисунок 13). На один из поперечных электродов с противоположной стороны "сандвича" подается напряжение +70 В. Заряд с виртуального электрода протекает через ЖК-ячейку, расположенную на пересечении газовой продольной ячейки и поперечного электрода. Как только заряд стечет, все ЖК-ячейки переходят в полностью изолированное состояние, и можно начинать выборку следующего пиксела.
Рисунок 12.
Рисунок 13.
Одно из достоинств PALC-панелей - простота изготовления. Они менее чувствительны к чистоте производственных помещений и точности компоновки по сравнению с традиционными TFT-матрицами. Это позволяет использовать большие по размерам стеклянные подложки и, следовательно, открывает перспективы производства больших ЖК-экранов. PALC-дисплеи свободны от влияния точечных дефектов, к которым так чувствительны активно-матричные мониторы. Конструктивная независимость плазменной и ЖК-панели облегчает процесс разработки новых модификаций.
3. Итоги
В данном материале были рассмотрены только основы технологии производства ЖК-дисплеев, и многое осталось за рамками публикации. Мир жидкокристаллических панелей находится на стыке сразу нескольких наук: химии, физики твердого тела и физики жидкостей, кристаллографии. Богатство компонентов обусловливает разнообразие решений. Отрасль плоскопанельных мониторов бурно развивается, и уследить за появлением новых технологий, модификацией существующих и исчезновением устаревших можно, только постоянно просматривая специализированную литературу.
Список литературы:
1. http://www.cultinfo.ru
2. http://bigpi.biysk.ru
3. Чистяков И. Г., Жидкие кристаллы, М., 1966;
4. Gray G. W., Molecular structure and the properties of liquid crystals, L. - N. Y., 1962;
5. Жидкие кристаллы, пер. с франц., «Природа», 1972, № 2;
6. Туранов А.Н, Гончаров В.А, Галяметдинов Ю.Г., Иванова Г.И., Овчинников И.В. Изв. Акад. наук, сер. хим., 1999, № 4, 694-697.
7. Овчинников И.В., Галяметдинов Ю.Г., Магнитные жидкие кристаллы на основе координационных соединений. Российский химический журнал 2001, XLV. №3. стр.74-79
Жидкие кристаллы
Шлирен-текстура в нематических жидких кристаллах
Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) - это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей , что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики . В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
История открытия жидких кристаллов
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма - и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления , детекторы ультразвука . Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.
Ссылки
- Беседа о жидких кристаллах с доктором химических наук Алексеем Юрьевичем Бобровским в программе Наука 2.0
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Жидкие кристаллы" в других словарях:
Особое состояние нек рых органич. в в, в к ром они обладают реологич. св вами жидкости текучестью, но сохраняют определ. упорядоченность в расположении молекул и анизотропию ряда физ. св в, характерную для тв. кристаллов. Открыты в 1889 австр.… … Физическая энциклопедия
Жидкие кристаллы - Жидкие кристаллы. Расположение молекул в жидком кристалле. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ, жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченностью в ориентации молекул. Благодаря сильной зависимости физических свойств… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптической), связанной с упорядоченностью в ориентации молекул. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят разнообразное применение в технике… … Большой Энциклопедический словарь
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ - органические вещества, характеризующиеся сочетанием свойств (см.) текучестью и твёрдого (см.) упорядоченностью ориентации молекул и оптической (см.). Особые направления в Ж. к., как и в твёрдых, в которых луч света распространяется, не испытывая… … Большая политехническая энциклопедия
Жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлинённой формой молекул и упорядоченностью в их ориентации. Благодаря сильной зависимости свойств жидких кристаллов от внешних воздействий они находят… … Энциклопедический словарь
Жидкокристаллическое состояние, мезоморфное состояние, состояние вещества, в котором оно обладает свойствами жидкости (текучестью) и некоторыми свойствами твёрдых кристаллов (анизотропией (См. Анизотропия) свойств). Ж. к. образуют… … Большая советская энциклопедия
В ва, переходящие при определенных условиях (т ра, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллич. состояние, к рое является промежуточным между кристаллич. состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, Ж. к. обладают текучестью, но при… … Химическая энциклопедия
Особое состояние нек рых органич. в в, в к ром они обладают реологич. (см. Реология) св вами жидкости текучестью, но сохраняют упорядоченность в расположении молекул и анизотропию нек рых св в, характерную для кристаллов. Ж. к. образуют в ва,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлинённой формой молекул и упорядоченностью в их ориентации. Благодаря сильной зависимости свойств Ж. к. от внеш. воздействий они находят разнообразное применение в … Естествознание. Энциклопедический словарь
Жидкие кристаллы - жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с удлиненной формой молекул и упорядоченностью в их ориентации … Начала современного естествознания
Жидкие кристаллы
Введение
Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) - вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
История открытия жидких кристаллов
Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния - мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы», открытию не нашлось применения.
В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3114836 (англ.)), интерес к жидким кристаллам резко возрос.
В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.
Группы жидких кристаллов
По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:
термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений и лиотропные ЖК, которые представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи - по-гречески означает с двух концов, филос - любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.
Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3-(СН2)n-2-СО2- (где n ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2- стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.
Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:
Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны). Примером вещества, образующего нематический ЖК, может
Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис(nара-бутиланилин):
Холестерические жидкие кристаллы - образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара-(4-цианобензилиденамино)- циннамат
Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.
Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором - называемым «директором».
В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь в 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.
У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики - оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.
Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.
Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через нуль при температуре 146° С, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.
Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.
Применение жидких кристаллов
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы - сильно нагретые или холодные, неработающие - сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.
Жидкие кристаллы - это такие вещества, которые находятся в состоянии мезоморфном (среднем, промежуточном) между изотропным жидким и твердым кристаллическим. Эти элементы обладают текучестью, способны пребывать в виде капель. Вместе с проявлением указанных свойств, жидкие кристаллы проявляют анизотропию магнитных, электрических, оптических и прочих свойств, обусловленных с упорядоченностью в молекулярной ориентации. Другими словами, вещества обладают разнонаправленными характеристиками. При отсутствии внешнего влияния анизотропны в жидких кристаллах теплопроводность, электропроводность, магнитная восприимчивость, В веществах отмечаются дихроизм и двойное лучепреломление.
Жидкие кристаллы смектические
Впервые их обнаружили в мыле (отсюда и название - "смегма" - мыло). Концы молекул как будто закрепляются в перпендикулярных их продольным осям плоскостях. Смектические кристаллы жидкие отличаются слоистым строением. К этим веществам относят растворы мыл водные, эфир этиловый кислоты азоксибензойной.
"Смектики" считаются самым обширным классом жидких кристаллов. Отдельные их разновидности обнаруживают и сегнетоэлектрические (наличие самопроизвольной поляризации в определенном температурном интервале). Высокая вязкость не позволила найти широкое применение жидких кристаллов смектических в технике.
Нематики
Нематические кристаллы жидкие отличаются ориентацией продольных молекулярных осей по некоторому направлению. Другими словами, они характеризуются дальним ориентационным порядком. Название кристаллов произошло от греческого определения "нема" - нить. Дисинклинации (нити) обладают высокой подвижностью, в естественном свете они хорошо заметны.
Холестерические жидкие кристаллы и их применение
Молекулярная форма веществ этого типа представляет собой расположенные параллельно продолговатые пластинки. Холестерики дают эфир пропиловый холестерина, холестерилциннамат, прочие производные холестерина.
Термоиндикаторы жидких кристаллов холестерического типа широко применяются в медицинской и технической дианостике. Чувствительность этих веществ к температуре позволяет визуализировать температурное распределение по поверхности. Это, в свою очередь, применяется в интроскопии (наблюдение процессов внутри тел, оптически непрозрачных), при выявлении некоторых заболеваний, а также в Эти кристаллы формируют температурную картину в форме цветовой диаграммы. Холестерики могут применяться также и при визуализации полей СВЧ. Для производства индикаторов используется эффект динамического светового рассеяния. В жидкокристаллических индикаторах применяется окружающий свет. Это позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Так, мощность на порядок ниже, чем в пленочных и порошковых люминофорах, светодиодах, газоразрядных индикаторах. Холестерики используются в основе преобразования в видимое изображение инфракрасного.
В холестерическом жидком кристалле (в отличие от нематического) динамическое световое рассеивание может иметь память - состояние, рассеивающее свет, может сохраняться и после удаления поля. При этом определенные свойства холестерика оказывают влияние на продолжительность состояния. Так, память может сохраняться от нескольких минут до нескольких лет. В первоначальное состояние (нерассеивающее) холестерика приводит переменное напряжение. Указанное свойство применяется при формировании ячеек памяти.
