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Proprietà di cristalli liquidi
Jun 28, 2018

Proprietà di cristalli liquidi

1. breve introduzione a cristalli liquidi

Nel 1888, lo scienziato australiano, Leni FM, sintetizzò uno strano composto organico, che aveva due punti di fusione. Quando il cristallo solido veniva riscaldato a 145, si scioglieva in un liquido, ma era solo torbido e tutte le sostanze pure erano trasparenti quando venivano sciolte. Se continua a scaldarsi fino a 175 gradi, sembra fondersi di nuovo e diventare liquido trasparente e trasparente. Più tardi, Lehman, un fisico tedesco, chiamò il liquido torbido nella "zona centrale" chiamata cristallo. È come un mulo né come un cavallo né un asino, quindi è chiamato un mulo organico. Dal momento che il cristallo liquido è stato scoperto, la gente non sa come è usato fino al 1968, la gente l'ha preso come materiale nell'industria elettronica.

Lo stato della maggior parte delle sostanze con piccolo peso molecolare presenta tre stati della materia con l'aumento della temperatura: solido (solido), liquido (liquido) e gas (gas). Ma se il peso molecolare è grande e la struttura è speciale, il cambiamento del suo stato non è così semplice. Nel 1888, quando il Reinizer fu riscaldato alla cristallizzazione del benzonato colestico, si scoprì che, riscaldato a 145,5 gradi, si trasformò in un liquido bianco appiccicoso, che si trasformò completamente in un liquido trasparente quando scaldato a 178,5 gradi. Lehman ha scoperto che lo stato tra il cristallo e il liquido trasparente (fase) ha l'anisotropia ottica intrinseca nel solido, quindi è chiamato il cristallo liquido (cristallo liquido). Il cristallo liquido (cristallo liquido) è una parola sintetica di liquido e cristallo, indicando che il liquido ha la fluidità specifica (fluidità) e ha anche l'unica anisotropia ottica (anisotropia ottica) allo stesso tempo. Poiché esiste nello stato tra solido e liquido, è più accurato chiamarlo mesofase (mesofase), ma più comunemente si chiama cristallo liquido.

Con l'approfondimento della ricerca, la fase a cristalli liquidi è stata trovata in molte sostanze e le molecole con fase a cristalli liquidi sono risultate avere strutture molecolari simili a strisce o dischi (fare riferimento alla figura 1). Come mostrato in Figura 2, le molecole con fase a cristalli liquidi sono strutture cristalline disposte secondo certe regole a una certa bassa temperatura, ma quando viene raggiunto un certo punto di fusione (punto di fusione), il centro di massa si muove liberamente, ma la direzione di la barra forma un certo stato di distribuzione del liquido anisotropico (liquido anisotropico). È la fase a cristalli liquidi. Questa è la ragione fondamentale per cui i cristalli liquidi possono avere l'anisotropia ottica. Se la temperatura viene aumentata in questo momento (punto di eliminazione), le molecole non sono solo il centro di massa, ma anche la direzione della striscia è distribuita liberamente e diventa il liquido isotropo (liquido isotropico).

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Fig. 1. Esempio di struttura molecolare a cristalli liquidi, cristallo liquido nematico 5CB e cristallo liquido ferroelettrico DOBAMBC


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(solido: cristallino) (liquido: liquido anisotropico) (liquido: liquido isotropico)


Fig. 2. in base alla distribuzione e disposizione delle molecole (fase).

(1) tipo di cristallo liquido

Le molecole con fase a cristalli liquidi possono formare un'ampia varietà di fasi secondo l'affinità della forma o sostanza specifica, come descritto in precedenza, può essere diviso in cristalli liquidi cristallini (lyotropi) (lyotropi) con fase a cristalli liquidi quando il liquido fase cristallina (cristallo termotropico) con fase a cristalli liquidi in una specifica regione di temperatura e una certa proporzione del solvente in un determinato cristallo di liquido solvente (lyotropi) C). La maggior parte dei cristalli liquidi usati in esposizione sono cristalli liquidi termotropici, e i cristalli liquidi liotropici si trovano principalmente nei biofilm. I cristalli liquidi termici possono essere suddivisi in nematici (nematici), colesterici (colesterici) e quasi cristallini (smectic) in base al loro ordine di posizione (ordine di posizione) e ordine di direzione (ordine orientativo).

Cristallo liquido nematico (cristallo liquido nematico)

Il centro di massa delle molecole nematiche di cristalli liquidi si muove come un liquido, mentre la direzione dell'asse lungo (lungo asse molecolare) della molecola ha un tempo di oscillazione del calore ma è uniformemente diretta in una certa direzione. Il vettore unitario specificato in questa direzione è chiamato controller (director). Quasi tutte le costanti fisiche macroscopiche dei cristalli liquidi nematici sono monoasse (uniassiali) a seconda della simmetria rotazionale del controller. Inoltre, il controller non è simmetrico prima e dopo (simmetria testa a coda), quindi anche se le sue molecole costituenti hanno polarità (polarità), non c'è polarità nei cristalli di liquido nematico. Sebbene la sua struttura sia la più semplice in tre tipi di cristalli liquidi, la maggior parte dei cristalli liquidi utilizzati nei monitor sono cristalli liquidi nematici. È principalmente espresso in N.

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Figura 3. tipo di fase a cristalli liquidi

cristallo liquido colesterico

I cristalli liquidi colesterici sono simili ai cristalli liquidi nematici, ma diversi sono la struttura elicoidale con il suo controller che ruota lungo il suo asse verticale. In un piano perpendicolare all'asse dell'elica, non vi è alcuna differenza dal cristallo liquido nematico. Le molecole costituenti della fase di cristallo liquido colesterico hanno un centro chirale chirale (chirale) senza simmetria assoluta e possono essere visualizzate anche molecole con radicali chirali in cristalli liquidi nematici. Pertanto, i cristalli liquidi colesterici sono anche chiamati nematici chirali. Inoltre, in base alla manualità delle molecole chirali, viene determinata la direzione di rotazione dell'asse a spirale. Pertanto, i cristalli liquidi colesterici sono disposti in un ordine regolare lungo l'ordine di direzione e l'asse a spirale, con un ordine spaziale. La lunghezza a 1 periodo della struttura a spirale di cristallo liquido colesterico è chiamata grado (altezza), proprio come ha la simmetria testa a coda nel cristallo liquido nematico, quindi il periodo effettivo è solo la metà del grado. È espresso principalmente da CLC o ChLC. N * è anche usato per esprimere il significato di cristalli liquidi colesterici. Asterisco rappresenta chirale.

     

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Figura 4. altezza dei cristalli di colesterici liquidi

- cristallo liquido smectic

Il cristallo liquido smectic ha una struttura a strati sottili (struttura lamellare), che può essere suddivisa in SmA, SmB, SmC e SmD in base alla sequenza di posizione e alla direzione del controller nello stesso strato. A causa della struttura a strati sottili, la fase quasi cristallina viene aggiunta nell'ordine di direzione e ha l'ordine spaziale di più di 1 asse. SmA significa che il centro di massa delle molecole nello strato sottile è libero e la direzione del controller è perpendicolare allo strato sottile. Sebbene il centro di massa della molecola sia libero, la direzione del controller è leggermente inclinata rispetto allo stato verticale dello strato sottile.
Soprattutto, l'SmC * (SmC chirale) utilizzato nel display ha le caratteristiche del fenomeno ferroelettrico (ferroelettricità). Come mostrato in Fig. 5, le molecole di cristalli liquidi sono inclinate verso lo strato sottile e hanno la struttura di ruotare lungo lo strato sottile. Le molecole di cristalli liquidi in ogni strato sottile sono perpendicolari ai loro lunghi assi e hanno momenti di dipolo spontaneo (momento di dipolo spontaneo) nella direzione parallela allo strato sottile, con fenomeni ferroelettrici.

 

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SmA SmC


Fig. 5 .. La fase smectic rappresentativa varia con la direzione del controller nello strato sottile.

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Fig. 6. allineamento molecolare e momento di dipolo spontaneo di SmC * cristallo liquido ferroelettrico *

(2) caratteristiche dell'applicazione LCD sul display

Il motivo per cui l'LCD è popolare come monitor è che il valore di ritardo di fase può essere regolato facilmente con una tensione inferiore. Il cristallo liquido è il materiale anisotropico che è diverso dal controller nella direzione parallela al controller e la proprietà fisica nella direzione verticale, a causa della sua forma molecolare asimmetrica. Tra le varie proprietà fisiche, la più grande influenza sul display LCD è l'anisotropia ottica e l'anisotropia dielectirica. La differenza dell'indice di rifrazione (circa 0,05-0,2) è il riflesso e la proiezione della luce quando la luce passa attraverso il cristallo liquido e influenza il riflesso e la proiezione della luce. L'anisotropia dielettrica (circa 3.0-8.0) può essere utilizzata per controllare l'asse lungo delle molecole di cristalli liquidi mediante il campo elettrico. La Figura 8 mostra il processo del ritardo di fase basato sulla direzione del cristallo liquido e la direzione della luce. Inoltre, la dissomiglianza dielettrica rende le molecole di cristalli liquidi parallele o perpendicolari al campo elettrico e controlla la direzione dell'asse lungo delle molecole di cristalli liquidi per tensione. Questo principio è mostrato in Figura 7.

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Figura 7. la rotazione delle molecole di cristalli liquidi dovuta al campo elettrico


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Fig. 8. la differenza nell'effetto del ritardo di fase (ritardo di fase) con la direzione del cristallo liquido.

2. fisica dei cristalli liquidi

(1) controller (director) e parametro ordinato (parametro ordine).

Come accennato in precedenza, la molecola di cristalli liquidi è una barra con una lunghezza di circa 20 e circa 5 di larghezza. Il suo centro di massa è come un movimento casuale di un liquido, mentre l'asse lungo della molecola si muove rapidamente, ma indica una direzione uniforme. Pertanto, lo stato dei cristalli liquidi può essere approssimativamente suddiviso in due tipi, vale a dire la direzione dell'asse lungo e il grado di movimento termico centrato sul suo asse. Per esprimere questi due concetti, sono controllori e parametri ordinati. Il controller può essere definito da un vettore unitario che punta a una direzione uniforme. Il controller della posizione R è solitamente rappresentato da n (R). Il parametro dell'ordine rappresenta il grado di movimento termico, che è definito come segue.

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Figura 9. definizione di controller e angolo theta e phi

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L'angolo theta, phi, come mostrato in Fig. 9, rappresenta l'angolo di inclinazione rispetto al controller. F (theta, phi) mostra la distribuzione angolare statistica dell'asse lungo delle molecole di cristalli liquidi. Quando l'asse lungo delle molecole di cristalli liquidi è distribuito in tutte le proporzioni di theta e phi, cioè nella fase isotropa (fase isotropica), f diventa una costante e S = 0. Al contrario, se l'asse lungo delle molecole di cristalli liquidi è allineato con N, diventerà S = 1. Se il valore del cristallo liquido nematico raggiunge circa 0,3-08, maggiore è la temperatura, minore è il valore.

(2) anisotropia (anisotropia)

I cristalli liquidi sono l'anisotropia dell'indice di rifrazione e l'anisotropia dielettrica a causa della struttura e dell'orientamento delle strisce. In primo luogo, il cosiddetto indice di rifrazione si riferisce al cambiamento nella distribuzione della nube di elettroni causata dalla luce incidente, che induce il momento di dipolo, e la seconda luce prodotta dalla sua vibrazione si sovrappone alla luce incidente, mostrando che la velocità di la luce sembra essere una costante fisica lenta. Pertanto, migliore è la nuvola di elettroni della molecola che viene fatta reagire nel campo elettrico della luce incidente. Maggiore è il valore. Nel cristallo liquido, il grado di reazione della nube di elettroni nella direzione dell'asse lungo e la direzione dell'asse corto sono diversi, quindi viene prodotta l'anisotropia dell'indice di rifrazione. Come mostrato in FIG. 10, l'asse principale dell'ellissoide rifrangente (asse principale) è determinato secondo la direzione del controllore n.
Vale a dire, un asse fisso è formato nella direzione parallela al controller e i due assi perpendicolari a questa forma formano un albero fisso. L'indice di rifrazione dall'ellissoide di rifrazione alla direzione parallela al controller è ne, mentre l'indice di rifrazione nella direzione verticale è espresso in no, e le seguenti parole aggiunte E e o ciascuna rappresentano indice straordinario e indice ordinario. L'espressione di anisotropia dell'indice di rifrazione (anisotropia refrattiva) è la seguente.

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D'altra parte, la capacità è anche una costante fisica che mostra che la nube di elettroni molecolari si sta allontanando dalla rifrazione esterna del campo elettrico, quindi migliore è il valore del movimento della nube di elettroni. Come nell'indice di rifrazione, il grado di movimento della nuvola di elettroni è diverso da quello nella direzione dell'asse lungo e nella direzione dell'asse corto, così che l'anisotropia dielettrica esiste nel cristallo liquido. La permittività parallela e verticale del controller è espressa da epsilon ed epsilon. L'anisotropia dielettrica (anisotropia dielettrica) è mostrata sotto.

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Figura 10. la relazione tra il controller e il mandrino (asse principale)

(3) teoria del medium continuo (Continuum Theory)

In generale, la distribuzione spaziale dei controllori di cristalli liquidi nematici ha la proprietà di essere disposta in una certa direzione nello spazio. Tuttavia, se sono interessate condizioni ristrette o campi elettrici esterni e campi magnetici, la distribuzione spaziale del controller non sarà coerente e, in questo processo, le molecole di cristalli liquidi produrranno resistenza a questa deformazione. Tuttavia, la deformazione spaziale del controller non viene generalmente prodotta a livello molecolare (scala molecolare), ma viene prodotta a livello di micron. Pertanto, è meglio descrivere il cristallo liquido come un continuum (Continuum) per descrivere la sua deformazione che descrivere la complessa energia di interazione delle singole molecole per descrivere la deformazione spaziale del controller. Questo è simile a quello per registrare la forza della molla quando si aggiunge la forza alla molla, è meglio usare solo una costante di molla per registrare l'energia di legame tra gli atomi di ferro e gli atomi di ferro. Questo approccio all'equazione spaziale dei controllori a cristalli liquidi avvicinandosi all'equazione è la teoria del continuo. La teoria del continuo è una teoria standard in grado di registrare quasi tutte le caratteristiche elettro-ottiche dei cristalli liquidi. Tuttavia, non può essere utilizzato nell'analisi di NMR e ESR, che sono principalmente moti individuali di molecole.

Se c'è una certa condizione (condizione di restrizione, campo elettrico, campo magnetico, ecc.), Si verifica la deformazione spaziale del controller n (R). Quindi, le molecole di cristalli liquidi resisteranno alla loro deformazione spaziale da interazioni complesse, e la dimensione della resistenza della forza elastica a questa deformazione è proporzionale al grado di deformazione spaziale di n (R) (immagina, quando la molla è aperta, la forza della forza ritratta è proporzionale alla legge Hook che la lunghezza è tirata). A questo punto, se il grado di deformazione spaziale è piccolo, n (R) può essere usato per rappresentare i valori differenziali dello spazio. Se la dimensione della modifica spaziale non è grande, più valori differenziali sono molto più piccoli dei 1 valori differenziali. Tenendo conto di queste ipotesi e di diverse simmetrie, la densità di energia libera generata dal volume dell'unità viene calcolata in base alla deformazione spaziale del controller.

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Come mostrato in Figura 11, la deformazione di espansione (splay), distorsione (torsione) e piegatura (piegatura), K11, K22 e K33 usate come costanti proporzionali sono chiamate rispettivamente costanti elastiche di espansione, distorsione e flessione. Inoltre, la formula sopra è denominata densità di energia libera di Frank-Oseen. Qo è una costante basata sulla chiralità (chiralità) delle molecole di cristalli liquidi. Se il cristallo liquido colesterico avrà un valore limitato, se Qo> 0, la direzione della spirale del cristallo liquido colesterico sarà giusta rotazione (mano destra).

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Fig. 11. tipi di deformazione elastica distribuiti da controllori a cristalli liquidi

D'altra parte, quando un campo elettrico viene aggiunto a una molecola di cristalli liquidi, la distribuzione della nuvola di elettroni cambia e allo stesso tempo agisce come un'interazione elettrostatica. La densità dell'energia libera per questa interazione è calcolata come segue.

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Pertanto, quando il cristallo liquido è distorto a causa del campo elettrico, la densità totale di energia libera è

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Secondo la legge della termodinamica, il controllore a cristalli liquidi ha la distribuzione di minimizzare la suddetta energia libera f. Ad esempio, se si aggiunge un campo elettrico al cristallo liquido, se si considera solo il cristallo liquido fE, il controller deve essere allineato con il campo elettrico; se si considera solo FD, l'energia deve essere ridotta senza cambiamenti di spazio. Ma in effetti, poiché la somma dei due tipi di energia deve essere ridotta al minimo, la distribuzione spaziale del controller a cristalli liquidi viene determinata nel caso del cambiamento spaziale appropriato e della disposizione parallela del campo elettrico appropriato.

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Fig. 12. quando si collega un campo elettrico, la coppia (coppia) collegata al cristallo liquido.

La soluzione di questa equazione differenziale può determinare la distribuzione dei controller a cristalli liquidi. Sembra un po 'complicato, ma dopo alcuni semplici casi, la soluzione è disposta nell'appendice. La formula precedente riguarda la formula dello stato parallelo. Per scoprire il comportamento dinamico del controller LCD, è necessario apportare alcune modifiche minori. Se l'approssimazione di rilassamento è usata più frequentemente, la cinetica del cristallo liquido può soddisfare la seguente formula.

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Tra questi, t indica il tempo e la gamma 1 rappresenta la viscosità rotazionale. Più piccola è la viscosità rotazionale, più veloce è il cambiamento di orario del controller LCD.

(4) dipendenza dalla temperatura delle costanti fisiche

Le proprietà ottiche del cristallo liquido sono determinate dall'indice di distribuzione e di rifrazione del controller e la distribuzione del controller dipende dal campo elettrico esterno, dalle condizioni limite, dal tasso di capacità e dalla costante elastica. In questo modo, possiamo conoscere l'importanza dell'indice di rifrazione, della permittività e delle costanti elastiche del cristallo liquido stesso nel processo di comprensione dell'LCD. Inoltre, l'importante costante nella velocità di risposta dei cristalli liquidi è la viscosità rotazionale.

È stato riferito che il seguente parametro di ordine S influenza l'anisotropia dielettrica, l'anisotropia dell'indice di rifrazione e le costanti elastiche.

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Il parametro ordinato S diminuisce quando riscaldato, quindi si può prevedere che le caratteristiche elettro-ottiche del cristallo liquido variano con la temperatura. Inoltre, anche se non in tutti i cristalli liquidi, la costante elastica K33 / K11 è proporzionale alla lunghezza dell'asse lungo e asse corto delle molecole di cristalli liquidi, che è proporzionale a L / W.

3. display a cristalli liquidi

(1) coordinazione dei cristalli liquidi (allineamento)

Quando un cristallo liquido viene posto in una bottiglia (bottiglia), è bianco opaco a causa della mancanza di dispersione da terra. Diventerà incolore e trasparente se inserito tra due lastre di vetro trattate in superficie, poiché il controller LCD si trova in una determinata direzione. A tal fine, il trattamento di superficie è molto importante. In questo modo, come nella Figura 14, le molecole di cristalli liquidi possono essere regolate su un allineamento verticale verticale (omeotropico) sulla superficie, un allineamento orizzontale (planare omogeneo) disposto parallelamente alla superficie, un inclinato omogeneo, che viene eretto in un certo angolo, e così via. Se si desidera erigere un allineamento verticale, è possibile applicare una molecola polare come la lecitina su un substrato di vetro. L'allineamento orizzontale o l'inclinazione del basso angolo si ottiene rivestendo la polide su un substrato di vetro e pulendo la superficie con un panno. Questo è chiamato sfregamento. In generale, la direzione della cancellazione è che il lato di espansione è disposto parallelamente alle molecole di cristalli liquidi (alcune delle quali sono allineate verticalmente con la direzione dell'estensione).

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Fig. 13. dispersione della luce in cristalli liquidi nematici e intervalli ristretti non corrispondenti

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Figura 14. tipo di distribuzione dei cristalli liquidi


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Figura 15. angolo di pretilt (angolo di pretensionamento) theta

A questo punto, tutte le molecole di cristalli liquidi non sono parallele al substrato, ma si inclinano al substrato con una certa angolazione. Questo angolo è chiamato angolo di pretensione.

(2) Modalità ECB (birifrangenza controllata elettricamente)

Con questo fenomeno, il display può essere regolato dalla trasmissione luminosa della tensione. Come in Figura 16, una luce polarizzata lineare è ottenuta attraverso un polarizzatore (Polarizzatore), e lo stato di polarizzazione della luce varia con la birifrangenza del cristallo liquido quando la luce polarizzata viene fatta passare attraverso la cella a cristalli liquidi. Quando questa luce passa attraverso l'analizzatore (analizzatore), anche l'intensità della luce dell'analizzatore cambia con il grado del ritardo di fase (ritardo di fase) prodotto dalla birifrangenza del cristallo liquido. A questo punto, l'angolo contorto del controller a cristalli liquidi aumenta l'asse ne dell'ellissoide di rifrazione del cristallo liquido e l'illuminazione della luce se il cristallo liquido è posto tra le due lastre di vetro che passano attraverso la distribuzione orizzontale (questo è chiamato il unità a cristalli liquidi (cella)), come le molecole di cristalli liquidi in FIG. 15 (a). A questa tensione, l'anisotropia dielettrica delle molecole di cristalli liquidi.

La direzione della cottura è parallela, quindi il ritardo di fase dovuto alla cella a cristalli liquidi è inferiore (vedi Figura 4). Pertanto, la regolazione della tensione può modificare la trasmissione della luce.

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Fig. 15. cambiamenti dei controller LCD in modalità ECB con variazioni di tensione


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Fig. 16. Apparecchiature sperimentali per cambiare la trasmittanza della luce in base al cambio di birifrangenza a cristalli liquidi