Cristale lichide feroelectrice

Cristale lichide feroelectrice

Cristalele lichide sunt cunoscute ca faze stabile, la fel de bine delimitate ca

si fazele solide, lichide si gazoase. Starea de cristal lichid este o stare

intermediara intre starea solida si cea lichida. In corpurile solide cristaline exista

ordonare pozitionala bine determinata a moleculelor precum si o ordonare

orientationala a moleculelor la o distanta foarte mare. Lichidele izotrope au

ordonare pozitionala la distanta mica, nu au o ordonare de orientare si au trei

grade de libertate de miscare de translatie.

In general substantele care pot fi considerate faze intermediare intre starea

solida si lichida sunt impartite in doua clase:

• fazele de cristal plastic care au o mare ordonare pozitionala, dar o

ordonare orientationala redusa;

• fazele de cristal lichid care au o mare ordonare orientationala, dar o

ordonare pozitionala redusa.

cristal lichid cristal plastic

Fazele de cristal lichid se clasifica in cristale lichide termotrope, liotrope si

polimerice.

Cristalele lichide sunt materiale speciale prezentând o serie de proprietati

caracteristice si perfectionarea aplicatiilor lor tehnologice moderne este strâns

legata de realizarea unor combinatii organice cu structuri mult mai complexe,

stiuta fiind relatia strânsa intre structura si proprietatile lor.

Ele se utilizeazã in construirea dispozitivelor de afisaj, de la cele mai mari

dimensiuni pana la cele foarte mici, monocolore si colorate, in televiziunea de

înalta definitie, senzori de temperatura.

Exista mai multe criterii de clasificare a cristalelor lichide datorita diversitatii

tipurilor de mezofaze.

1.Dupã forma moleculelor cristalele lichide se clasifica in trei clase

reprezentate in fig. urmãtoare:

a) b) c)

a)cristale lichide calamitice ale cãror molecule au forma unui cilindru drept

lung care se numesc batonete sau baghete rigide.

b)cristale lichide sanidice ale cãror molecule au forma unei placi

dreptunghiulare.

c)cristale lichide discotice ale cãror molecule au forma unor discuri plate.

2.Dupã masa moleculara cristalele lichide se clasifica in doua categorii:

a)cristale lichide monomerice cu masa moleculara mica;

b)cristale lichide polimerice cu masa moleculara mare.

Cristal lichid nematic

3.Dupã parametrii fizici ce controleazã existenta mezofazelor exista doua

tipuri:

a)cristale lichide termotrope (CLT) la care mezofazele se formeazã ca

urmare a variatiei temperaturii;

b)cristale lichide liotrope (CLL) la care mezofazele se formeazã ca urmare

a modificãrii concentratiei lor in solutie.

Prin intersectia acestor criterii se remarca faptul ca cristalele lichide

termotrope mononumerice pot fi de doua feluri:cristale lichide termotrope

calamitice si cristale lichide termotrope discotice.

Astfel, cristalele lichide termotrope calamitice impart in:

-cristale lichide termotrope calamitice nematice (CLN)

-cristale lichide termotrope calamitice smectice (CLS)

La rândul lor cristalele lichide nematice (CLN) se gãsesc in

doua variante:

-cristale lichide nematice obisnuite (CLN)

-cristale lichide nematice rãsucite sau chirale (CLN*) care

contin si

clasa

cristale lichide colesterice denumite de Friedel in 1922.

Cristale lichide smectice (CLS):

Denumirea de cristal lichid smectic (CLS) vine de la cuvântul grecesc

smectos ce înseamnã sãpun, datorita structurii lor stratificate, asemãnãtoare

solutiei de sãpun.

nematic discoticcolesteric

Cristalele lichide smectice au cel mai mare polimorfism. Astfel exista mai

multe criterii de clasificare a lor:

Dupã înclinarea moleculelor fata de normala la strat:

- cristale lichide smectice ortogonale (fara înclinare) din care fac parte

smectic A, smectic B, cristal smectic B si cristal smestic E cristale lichide

smectice înclinate din care fac parte smectic C, smectic hexatic F, smectic

hexatic I, cristal smectic G, cristal smectic J, cristal smectic His cristal smectic

K;

- cristale lichide smectice chirale (cu înclinare si rãsucire elicoidala a

moleculelor de la un strat la altul) din care fac parte smectic C* (feroelectrice,

antiferoelectrice si ferielectrice) smectic hexatic I*, smectic hexatic F*, cristal

smectic J*, cristal smectic K*, cristal smectic H*.

Cristal lichid smectic

smectic A

smectic C

Cristalele lichide smectice ce apar la temperaturi mai mari decât cristalele

lichide smectice normale se mai numesc faze cu granule rotite si mãrginite ce

se noteazã TGB având doua variante smectic A si smectic C notate TGBA* si

TGBC*

Structura fazei SmA

Ca toate cristalele lichide smectice faza SA

are moleculele orientate paralel intre ele si

aranjate in straturi. In interiorul unui strat,centrele

de masa ale moleculelor sunt asezate

neordonat, astfel faza SA poate fi considerata ca

un lichid bidimensional. Moleculele din interiorul

unui strat au mobilitate relativ ridicata si se pot

deplasa in interiorul stratului, iar acestea pot sa alunece unele peste altele. SA

prezintã fluiditate fara sa se modifice distanta dintre straturi precum si

orientarea moleculelor in strat. Moleculele SA poseda simetrie C¥ in jurul

axelor lungi ale moleculelor.

Structura fazei SmC

Structura e asemãnãtoare cu SA

(moleculele sunt aranjate in straturi, axele lungi

ale moleculelor sunt orientate paralel intre ele)

dar sunt înclinate fata de normala la planul

straturilor. Structura SC are un plan de simetrie

si o axa de simetrie cu doua componente,una

perpendiculara pe planul de simetrie, cealaltã

paralela cu el.

In substantele ce contin molecule chirale, faza SC* are o structura rotita.

Axa de rotatie a fazei SC* rotite este perpendiculara pe planul straturilor;din

punct de vedere optic este uniaxiala. Ca si faza colesterica, faza SC* este optic

activa si prezintã reflexia selectiva a luminii.

Structura fazei SmB

Aceasta faza smectica are moleculele

asezate in straturi cu axele lungi ale

moleculelor orientate perpendicular pe planul stratului.in interiorul stratului

centrele de masa ale moleculelor sunt ordonate intr-o retea hexagonala

centrala.Structura este din punct de vedere optic uniaxiala.In comparatie cu

faza smectica SA,SB are ordonare mai înalta si o mobilitate mai redusa a

moleculelor.starea stabila a fazei smectice SB este starea in care straturile sunt

plane. In interiorul straturilor ordonarea se pãstreazã la mare distanta si din

aceasta cauza faza SB este considerata ca un solid tridimensional,iar straturile

au o periodicitate caracteristica lui,fiind cristale lichide smectice cu o mare

ordonare.

Cristalele lichide feroelectrice:

Faza C smectica a cristalelor lichide a aparut in literatura in 1933. Totusi,

abia in 1974 Robert Meyer a demonstrate ca aceasta faza este feroelectrica,

ceea ce inseamna ca este polarizata permanent fara a fi nevoie de existenta

unui camp electric. Acest lucru a dus la un studiu amanuntit asupra cristalelor

lichide feroelectrice (CLF). In 1980, Clark si Lagerwall au publicat conceptual de

crisital lichid ferroelectric stabilizat in suprafata (SSFLC). Acest lucru a

reprezentat un pas important in eventualitatea folosirii CLF-urilor in aplicatii si a

dus la dezvoltarea pe scara larga a CLF-urilor din punct de vedere chimic.

Primele produse bazate pe CLF au fost afisajele cu vedere directa ce au aparut

in 1989.

Tehnologia CLF starneste si acum un mare interes deoarece permite

obtinerea unor rezolutii foarte mari. CLF-urile au fost deja dezvoltate pt afisajele

miniaturale. Aceste afisaje pot fi marite sau proiectate pt a se obtine imaginea la

scara normala. De asemenea pot fi utilizate in aplicatiile ce folosesc realitatea

virtuala. Aceste afisaje sunt portabile si permit interactiunea cu utilizatorul

(imaginea se schimba cand user-ul isi intoarce capul). In aceste aplicatii

greutatea are o importanta foarte mare importanta, pentru ca e suportata de

utilizator. Cea mai simpla modalitate de a diminua greutatea este prin

micsorarea ecranului. In acelas timp, rezolutia trebuie sa ramana ridicata pt ca

imaginea sa para verosimila utilizatorului. CLF-urile permit acest lucru deoarece

au pixeli de dimensiuni foarte mici.

In continuare se arata diferenta intre o imagine a unui dispozitiv CLF VLSI

(stanga), si un dispozitiv CLF AMLCD. Se observa ca in stanga dispozitivul

permite o nuanta completa pe fiecare pixel, in timp ce in dreapta, fiecare pixel

are o singura culoare.

Structura unui cristal lichid feroelectric:

Moleculele mesogene, alungite sau in forma de disc, prezinta in faza

smectica atat o ordine de translatie cat si una de

orientare . In faza C smectica intre aceste molecule

de-a lungul axei (de ex axa z) se formeaza straturi in

planul x-y. Directoarea fiecarui strat fata de normala

se afla la un unghi Ө. Unghiul depinde de temperatura

daca aceasta creste in tranzitia de la faza smectica de

tip C catre cea de tip A.

In cazul moleculelor chirale, straturile smectic C

succesive prezinta o modificare graduala in directia de

inclinare, obtinandu-se astfel un unghi egal cu 2Ө fata

de normala.

In plus, pe langa structura elicoidala, moleculele chirale implica si o

polarizatie moleculara spontana. Vectorul de polarizatie este perpendicular pe

molecula si face parte din planul fiecarui strat.

Clark si Lagerwall au propus o metoda pentru a diminua arcul elicoidal si

au dezvoltat cristalele lichide stabilizate in suprafata (SSFLC). Fortele de

interactiune dintre cristalul lichid si placile de separatie desfac arcul elicoidal.

De asemenea, datorita simetriei conditia de hotar face ca orientarea moleculara

a fiecarui strat sa fie aceeasi, rezultand comportamentul feroelectric al

materialului. Dreapta directoare are tendinta sa se aseze in planul placilor de

separatie. Datorita acestei conditii si a faptului ca dreapta directoare este

constransa sa se afle la un anumit unghi fata de normala stratului (de exemplu,

sa se afle la intersectia unui con cu o placa de saparatie), exista doua stari

stabile. Astfel vectorul de polarizatie trebuie sa fie normal pe placile de

separatie iar cele 2 stari se afla in directii opuse.

Efectele opto-electrice sunt realizate prin aplicarea unui camp electric ce

induce schimbari in directia de orientare. Intrucat vectorul de polarizare este

legat de dreapta directoare, este modificat intre cele 2 stari stabile de campul

electric. Acest proces este cunoscut sub numele de Efectul Clark-Lagerwall.

Datorita acestui proces, birifringenta materialelor SSFLC poate fi folosita

pentru a crea stari albe si negre ale afisajelor.

Dependenta de temperatura a polarizarii spontane

Dependenta de temperatura a polarizarii spontane a FLC-urilor este

similara cu cea altor materiale feroelectrice, variind ca in figura:

Una din caractiersticile materialelor feroelectrice este cresterea rapida a

polarizarii spontane cand temperatura scade sub valoarea critica Tc.

La materialele feroelectrice cristaline, aceasta crestere rapida a polarizatiei

spontane se datoreaza interactiunii dintre dipolii elementari ai materialului,

producand un camp intern paralel cu dipolii.

Pentru a utiliza cristalele lichide acestea se introduc între doi “electrozi”

distantati cu ajutorul unei piese dintr-un material dielectric. Cei doi electrozi

depusi pe sticla, pot fi ambii transparenti (celula va lucra “prin transmisie”) sau

unul transparent iar celalalt reflectiv (celula va lucra “prin reflexie”). Electrozii

sunt realizati prin depunerea unor oxizi transparenţi conductori (SnO2)

împreună cu un stabilizator şi un element pentru creşterea aderenţei (SbCl3)

sticlelor optice ale celulei.

Dacă celula lucreazã prin transmisie, această depunere se face pe ambele

sticle, iar dacă lucreazã prin reflexie, depunerea se face numai pe sticla

superioară rãmânând ca pe cea inferioară să fie depus un strat opac de Al.

Aceste depuneri se pot face selectiv pentru a activa anumite zone ale celulei de

afişaj.

In productia de afisaje (ceasuri, calculatoare ,reclame publicitare,

indicatoare numerice pentru instrumente de mãsura, filtre optice divers

colorate), o varianta foarte buna o constituie dispozitivele de afisaj cu cristale

lichide smectice feroelectrice cu suprafata stabilizata, deoarece care au un timp

de comutare foarte mic (sub o 1ms), contrast foarte bun si putere mica, dar

pentru functionarea lor in bune conditii trebuie îndeplinite o serie de cerinte:

- celule foarte subtiri (2-3 mm);

- alinierea perfecta a moleculelor;

- obtinerea unei mixturi de CLF cu o faza stabila la temperatura camerei.

Parametrii principali ai dispozitivelor de afisaj cu CLF:

Timpul de viata - este un parametru complicat de determinat deoarece

necesita precizarea stãrii in care dispozitivul nu mai este folositor, atât ca

aspect artistic,timp de rãspuns, pierderi de energie, temperatura de tranzitie

nematic-lichid izotrop.

Dependenta de temperatura - este cel mai complicat factor in constructia

dispozitivelor de afisaj.

Strãlucirea - determina cat de vizibil va fi dispozitivul de afisaj intr-un mediu

iluminat si se mãsoarã in unitati fotometrice(cd/m2).

Contrastul - reprezintã raportul dintre intensitatea luminii provenite de la

portiunile luminoase si cele întunecate ale afisajului.

Alti parametrii importanti sunt: consumul energetic(foarte scãzut-principalul

avantaj al dispozitivelor de afisaj cu CLF), viteza de rãspuns electro-optic (pt

ecranele de tv e necesar un timp de 10ms ,iar pt altele pana la 0.1ms), rezolutia

(nr de linii ce pot fi distinse pe unitatea de lungime).