Cristale lichide (utilizarea lor in electronica)

In anul 1873 ,scriitorul Edgar Allan Poe , in Narrative of Arthur Gordon Pym,

facea una din primele si cele mai interesante relatari cu privire la enigmatica

aparitie a unui lichid apt de reflexe cristaline discret nuantate si de alte remarcabile

insusiri a caror descriere , dupa propria sa marturisire , cerea multe vorbe.

Fenomenologia mezomorfica a lichidelor cristaline a facut , mai bine

de un secol ,cu inerente periodizari si intermitente , obiectul a numeroase

investigatii stintifice , reluate in ultimul timp cu mijloace si implicatii

nebanuite cu decenii in urma. Studiile teoretice si experimentale

privind structura , textura , proprietatile fizice , caracateristicile renome si

interactiunea cu campul exterior a cristalelor lichide au deschis calea cunoasterii

lor profunde si a unor aplicatii execptionale.

In anul 1910 cristalele lichide erau definite de catre Woldemar Voigt , ilustru

fizician-cristalograf , ca materiale cu structuri constranse ; Voigt mentiona ,

in aceeasi perioada de timp coexistenta particularitatilor si criteriilor concomitente

de stare lichida si cristalina a acestor materiale.

Cristalele lichide au fost descoperite de Fredreich Rheinizer in 1888. In anii 60 s-a

demosntrat ca stimulate de o diferenta de potential, cristalele lichide pot modifica

proprietatile luminii care trece prin ele

Cristalele lichide reprezinta o stare intremediara intre solidul cristalin si lichid ,

caracteristica numai anumitor materiale organice (un cristal lichid se compune din

particule ce prezinta corelari de orientare pe axele moleculare, pe distante lungi ca

un cristal obisnuit, dar care manifesta proprietati de fluid ) .

Moleculele in cristalele lichide se pot misca fiecare relativ usor ,ca si moleculele

intr-un lichid.Totusi toate moleculele dintr-un cristal lichid tind sa se orienteze in

1

aceeasi maniera , asemanator cu aranjamentul molecular din cristalele solide .

Cristalele lichide retin lichidul si se solidifica natural numai dupa anumite temperaturi

si presiuni.

-La o suficient de mare temperatura sau presiune mica ,ordinea moleculelor se

modifica ducand la transformarea unui cristal in cristal lichid .

-.La o suficient de joasa temperatura si o presiune mare moleculele cristalelor

lichide inceteaza sa se mai miste si cristalele lichide se transforma in cristale solide.

Există mai multe tipuri diferite de faze ale cristalelor lichide, care pot fi diferen iateț

pe baza proprietă ile lor diferite, a a cum ar fi dubla refrac ie sau birefringen aț ș ț ț

(proprietate optică a unui cristal de a despăr i în două raza de lumină, la traversareaț

unui mediu anizotrop al unui mineral cristalin ca de exemplu calcita).

Văzute la microscop, prin utilizarea unei surse de lumină polarizată, fazele diferite

ale cristalelor lichide apar având texturi diferite. Zonele de schimbare a texturii

structurii cristalelor lichide corespund domeniului unde moleculele substan ei suntț

orientate pe direc ii diferite. Pe un anumit domeniu, moleculele oricărui cristal lichidț

sunt clar orientate. Substan ele i materialele de tipul liquid crystal nu suntț ș

întotdeauna într-o fază de cristal lichid, aidoma apei care nu este întotdeauna în faza

lichidă.

Numeroasele clase de cristale lichide includ cristale lichide termotrope si cristale

lichide biotrope.

Substantele care trec în faza de cristal lichid prin modificarea temperaturii ,

se numesc cristale lichide termotrope, iar cele care trec

în faza de cristal lichid prin modificarea concentratiei lor în solutie se numesc

cristale lichide liotrope.

Pentru a utiliza cristalele lichide acestea se introduc intre doi electrozi distantati

cu ajutorul unei piese dintr-un material dielectric( izolator). Cei doi electrozi depusi pe

sticla , pot fi ambii transparenti( celula va lucra prin transmisie) sau unul transparent

si celalat reflectiv ( celula va lucra prin reflxie). Elctrozii sunt realizati

prin depunerea unor oxizi transparenti conductori impreuna cu

un stabilizator ITO si un element pentru crestrea aderentei sticlelor optice ale celulei.

2

Cristalul lichid este un material organic . Moleculele acestuia se pot misca

libere,dar sunt grupate impreuna, intr-o maniera ordonata. Proprietatile optice ale

unui cristal lichid pot fi deseori manipulate prin supunerea sa la un camp electric sau

magnetic care sa schimbe orientarea moleculelor sale.

Cristalele lichide sunt, în cazul de fa ă, combina ii chimice de natură organicăț ț

aflate în stare lichidă. Ele au proprietatea de a putea fi comandate de o tensiune

electrică corespunzătoare, astfel încât î i ordonează moleculele trecând de la stareș

„transparentă” la stare „netransparentă”.

Concret, este vorba de o polarizare electrică a unor molecule lichide care în contrast

cu restul „câmpului” formează o imagine vizibilă.

Cristalele lichide folosite in LCD sunt structurate nematic. Fiecare pixel dintr-un

LCD este alcatuit dintr-un strat de molecule perpendiculare aranjate intre doi

electrozi transparenti si doua filtre de polarizare,gradul de polaritate a celor

perpendiculare una fata de alta.

Fara un cristal lichid intre filtrele de polarizare,lumina care trece printr-un filtru ar fi

blocata de electrozi.

Astfel, moleculele lor alungite (nematice) pot fi aliniate incat sa modifice polaritatea

luminii care trece prin ele, iar proprietatile lor optice pot fi influentate de campurile

electrice.

Cristalele lichide au fost folosite pentru inceput in fabricarea ceasurilor

electronice, regasindu-se apoi in afisajele aproape tuturor echipamentelor, inclusiv al

telefoanelor mobile. Imaginile LCD monocrome par albastre sau gri inchis, pe un

fundal alb, spre gri. Ecranele LCD color, utilizate pentru prima data la notebook-uri

folosesc doua tehnici, matricea pasiva (varianta mai ieftina) sau matricea activa, mai

cunoscuta ca TFT.

Ecranele mici monocrome ca cele ale agendelor electronice sau

ale laptop-urilor mai vechi folosesc matricea pasiva, folosindu-se de structura rotita

nematic(TN) sau superrotita(STN) and colour-STN (CSTN) (o tehnologie unde

culorile sunt obtinute folosind un filtru de culoare intern). Matricea de afisaj e formata

din n linii si m coloane (cu n.m pixeli). Fiecare rand sau coloana a display-ului are un

singur circuit electric.Practic,fiecare pixel poate fi comandat static aplicand o

3

diferenta de potential intre electrozii corespunzatori pixelii sunt comandati pe rand

dupa linia si coloana in care se afla.

Afi ajul cu cristale lichide ( Liquid Crystal Display, prescurtat LCD) este unș

dispozitiv de afi are pentru litere, cifre, grafică i imagini,fiind constituit dintr-oș ș

matrice de celule lichide care devin opace sau î i schimbă culoarea sub influen aș ț

unui curent sau câmp electric.

Se prezintă sub forma unui ecran (display) care este comandat electronic printr-un decodificator de caractere numerice i alfabetice. Este folosit frecvent înș construc ia ceasurilor digitale (ceasuri care au în locul acelor arătătoare un displayț de tip LCD). Functionarea ecranelor cu LCD .

Ecranele LCD color produse in prezent contin cristale lichide asezate intre doua staturi de sticla transparenta.

Elementul functional al unui ecran LCD este pixel-ul, format dintr-o celula LCD.

Cristalele care formeaza celula isi schimba polarizarea sub actiunea unei diferente

de potential electric si modifica cantitatea de lumina care trece prin celula. Daca se

modifica diferenta de potential se modifica si cantitatea de lumina care trece prin

celula. Diferenta de potential este creata printr-un sistem de electrozi. Lumina este

generata de o sursa care se afla in spatele ecranului.

Urmatoarea generatie de LCD-uri a fost dezvoltata utilizand cristale lichide cu

structura twisted nematic TN (nematic rasucita ceea ce le asigura un contrast

puternic si un unghi de vedere mare) , pe care le gasim si azi la monitoare si

televizoarele cu ecran plat.

Un pixel este reprezentat de o celula TN (nematic rasucita), compusa din doi

electrozi transparenti si doua filtre de polarizare, unul orizontal si unul vertical, aflate

la o distanta tipica de 5-10 micrometrii, intre care se afla cristalul lichid.

In lipsa unei tensiuni, alinierea perpendiculara a filtrelor de polarizare obliga

moleculele cristalului lichid sa adopte o configuratie rasucita, elicoidala. In lipsa

cristalului lichid, lumina care trece prin celula ar fii absorbita datorita polarizarii

incrucisate, si celula ar apare neagra.

4

Datorita cristalului lichid insa, lumina care trece prin unul dintre filtrele de polarizare

este rotita de elicoidul cristalului lichid in timp ce trece prin stratul de cristal lichid,

permitandu-i sa treaca si prin al doilea filtru de polarizare si celula sa apara luminata.

La aplicarea unei tensiuni de 3 pana la 5 volti insa, forma elicoida este distrusa si

moleculele sunt fortate sa se orienteze paralel cu campul electric, impiedicand astfel

trecerea luminii prin celula si aceasta sa apara neagra. Controland tensiunea aplicata

stratului de cristal lichid in fiecare pixel, luminii ii poate fi permis sa treaca in cantitati

variabile, iluminand in mod corespunzator ficare pixel.

Cand un numar mare de pixeli este necesar intr-un afisaj nu este fiabil sa dirijezi

direct pe fiecare din moment ce fiecare pixel necesita electrozi independenti.In

schimb afisajul este multipixelat.Intr-un afisaj multipixelat,electrozii de pe o parte a

afisajului sunt grupati si legati impreuna(normal in coloane),si fiecare grup isi

primeste propria sursa de curent.Pe de alta parte,electrozii sunt grupati(normal in

randuri),fiecare grup primind o ramificatie electronica.Grupurile sunt create in asa fel

incat fiecare pixel sa aibe o combinatie de sursa si ramificatii unica si neimpartasite.

Aparatura electrica sau programul care manevreaza aparatul da drumul apoi la

ramificatii in secvente,si conduce sursele pixelului din fiecare ramificatie.

1. Placuta filtrului vertical care polarizeaza lumina care intra.

2. Substrat de sticla cu electrozi ITO.Formele acestor electrozi vor determina formele

inchise care vor aparea atunci cand LCD-ul este pornit sau oprit.

3. Cristalele lichide cu twisted nematic.

4. Substrat de sticla cu placuta de electrod comun(ITO) cu creasta orizontala pentru

5

a alinia filtrul orizontal.

5. Placuta filtrului orizontal care permite/interzice patrunderea luminii.

6. Suprafata reflactanta pentru a trimite inapoi lumina privitorului.

TFT-urile fac parte din familia mai larga a ecranelor cu cristale lichide , care au un

principiu de functionare destul de simplu. Practic, in spatele unui panou format din

cristale lichide se amplaseaza o sursa uniforma de lumina ; in mod normal, daca nu

esta aplicat nici un fel de semnal electric cristalelor, acestea lasa lumina sa treaca

nestingherita si astfel se obtine albul. In cazul in care sa doreste obtinerea unei

anumite culori, fiecareia din componentele de baza (RGB) i se aplica un semnal de o

anumita intensitate, astfel incat sa se obtina o transparenta mai redusa a cristalelor

fata de rosu, verde respectiv albastru.In situatia in care este aplicata intensitatea

maxima pentru toate cele trei componente se obtine opacitatea pentru zona

respectiva sau,cu alte cuvinte, negrul.

Afisajele cu cristale lichide au urmatoarele caracteristici :

-stralucirea,

-contrastul culorilor,

-vizibilitate foarte buna,

6

-consum redus de energie,

-viteza de raspuns opto-electronic(măsurarea i folosirea radia iei electromagneticeș ț

din domeniul optic, precum i de conversia acestei radia ii în semnal electric)ș ț

-memorie ,timp de viata mare.

Aceste afisaje cu cristale lichide mai au avantajul ca pot fi alimentate cu energie de la

baterii solare,permitand un cost redus.

Decelarea unor noi interconexiuni la nivelul momentului electric molecular şi al

influentei direcţionale a câmpului electric de joasă frecventa, sau corelarea

conductivitatii cu câmpul magnetic şi temperatura mezofazei au premers

investigaţiilor vizând proprietăţile termice, elasto-chimice şi ca câmp ale sistemelor

mezogene. Svedberg, Ornstein, Bjornstahl, Riwlin si altii pusesera temeliile

cunoasterii unor raporturi dintre efectele statice şi dinamice ale compusilor mezogeni

aflaţi în interactie cu un câmp influent, încât cele aproape 100 de dizertaţii, eleborate

numai la şcoala de la Halle a lui Vorlander, nu au făcut decat să diversifice riguros şi

să confirme cimportanta domeniului cristalelor lichide şi a perspectivelor sale

devenite realitate în ultimele două decenii. În perioada care a cuprins cel de-al doile

război mondial W. Maier, C. Weygard, Zocher, Zwetkoff, Michailow, Marinin,

Chatelain, Zolina şi mulţi altii au contribuit la sublinierea şi impunerea următoarelor

rezultate mai semnificative pentru evoluţia ulterioara a preocuparilor stiintifico-tehnice

şi a tehnologiei aferente cristalelor lichide:

- efectul orientării moleculelor de cristal lichid în câmp electric este proportional cu E2

adică, este dependent de anizotropia dielectrică;

intensitatea mişcării moleculelor într-un strat de lichid anezotrop de grosime variabilă

creşte cu intensitatea câmpului electric E de joasă frecvenţă;

aplicarea unui câmp magnetic cu efecte de orientarea are ca urmare dezorientarea

moleculară, miscarea turbulentă a moleculelor;

în structurile lamelare, intensitatea E a câmpului aplicat în condiţii date implică o

anumită grosime critică a stratului reprezentativ;

efectele de orientare sau de perturbare parţoială nu modifică esenţial caracterul

alinierii, sau a paralelismului axelor moleculare cu liniile de forţă, sau de curent;

7

compensarea câmpurilor electrice şi magnetice poate facilita evaluarea anizotropiei

dielectrice;

la frecvenţe mai mari de 3*105 Hz, dacă nu se produc curenţi, efectele de orientare

nu se schimbă;

proprietăţile optice, electric şi magnetice ale cristalelor lichide concorda cu teoria

fenomenelor cooperative şi pot fi exprimate în termenii gradului de ordine la distanta

şi al energiei de orientare în funcţie de temperatura.

Cristalele lichide pot fi clasificate ca fiind termotropice i liotropice. Cristelele lichideș

termotropice au o fază de tranziţie în starea de CL pe măsură ce temperatura se

schimbă, în timp ce tranzi ia de fază a substan elor liotropice este determinată deț ț

concentra ia mesogenului ( unitatea fundamentală a unui cristal lichid care induceț

ordine structurale în cristale ) din solvent, de obicei apă, la care se adaugă iș

influen a temperaturii.ț

Formarea de model în cristale lichide

Anizotropia cristalelor lichide este o proprietate care nu a fost observata in alte

fluide.

Aceasta anizotropie face ca fluxurile de cristale lichide sa se comporte diferit fata de

cele ale fluidelor obisnuite.

De exemplu, injectarea unui flux de cristal lichid între două plăci paralele apropiate,

cauzeaza ca orientarea moleculelor sa se „cupleze” cu fluxul , rezultand aparitia unor

modele dendritice.

Cristalele lichide se grupeaza, în general, în doua clase: termotrope si liotrope.

Prima se subdivide la rândul ei în tipurile enantitropic si monotropic.

1)Structurile enantritope se formeaza prin încalzirea fazei cristaline sau prin racirea

lichidului izotrop si se caracterizeaza printr-un domeniu definit de temperatura al

stabilitatii, în sensul ca tranzitiile se petrec la o temperatura a stabilitatii (se petrec la

8

o temperatura specifica prin racire sau încalzire). Mezofaza monotropa se obtine

numai prin supraracirea lichidului izotrop.

2) Cea de a doua clasa – cristalele lichide liotrope – se formeaza în stare de solutie

la o anumita concentratie a compusului dizolvat. Dintre materialele care formeaza

cristale lichide liotrope se amintesc sapunurile, detergenti si diversi compusi

macromoleculari naturali si sintetici.

O substanta data poate trezenta diferite mezofaze, fiecare dintre ele aparând în

intervale definite de temperatura separate prin tranzitii de ordinul I.

Structurile moleculare lichid-cristaline sunt de tip (1)nematic, (2)smectic si

(3)colesteric

1) In primul caz, centrele de greutate ale particulelor ce alcatuiesc mezofaza lichid-

cristalina sunt dispuse la întâmplare, ceea ce face ca aici sa lipseasca ordinea

îndepartata. Axele tuturor particulelor din interiorul volumului elementar al probei

macroscopice sunt totusi orientate într-o anumita directie.

2) In mezofazele smectice, centrele de greutate ale moleculelor în stare întinsa, sunt

dispuse în plane echidistante ce alcatuiesc straturi smectice. În interioril straturilor

dispunerea moleculelor este întâmplatoare, astfel ca axele pot fi orientate paralel cu

normala stratului, sau formeaza diferite unghiuri cu aceasta, generând o multitudine

de formatiuni smectice. În interiorul straturilor sunt posibile, de asemenea, structuri

bidimensionale de ordine apropiata sau îndepartata.

3) Mezofaza colesterica apare la substantele optic active si corespunde unor

straturi nematice rasucite intr-o structura elicoidala.

9

Mezafaza consta din straturi asemanatoare fazei smectice, insa fiecare strat

prezinta o ordine caracteristica de tip nematic.

Desi exista numeroase avantaje in utlizare cristalelor lichide in cazul LCD(printre

care faptul ca permit rezolutii mai mari , deci o imagine mult mai fidela) trebuie

precizat faptul ca si cateva dezavantaje.

In cazul LCD TV-urilor, riscul cel mai mare este provocat de defectarea unui

“pixel” din multitudinea celor folosite de cristalele lichide. Acesta, avand dimensiunea

unui varf de ac, se poate incapatana sa nu mai functioneze, tronand undeva pe

ecran fara sa mai vedea ceva. Oricum, acest lucru se intampla numai dupa o folosire

indelungata a respectivului televizor.

Durata obisnuita de viata a LCD-urilor este de 50.000-60.000 de ore, echivalentul a

cel putin cinci ani de utilizare nonstop

10

In prezent, cristalele lichide, redevenite pe un alt plan utilitar materiale moderne,

se incorporează tacit dar eficient în diverse sectoare ale cercetarii de dezvoltare şi în

direcţii importante de activitate tehnico-stiintifica, cum sunt optica electronica, radio-

locaţia, calculatoarele electronice, termografia, medicina si altele.

11

12