LUCRAREA 7CRISTALE LICHIDE1. Scopul lucrriiDeterminarea influenei temperaturii i frecvenei asupra proprietilor cristalelor lichide nematice folosite la realizarea dispozitivelor de afiaj cu mprtierea dinamic a luminii.2. Noiuni teoretice2.1 Cristalele lichide nematice Anumite substane organice prezint, ntr-un domeniu destul de larg detemperaturi, ostareintermediardecristal lichidntrefazadecristal solid i lichid izotrop. Mezomorfismul se manifest la substane organice cu molecule n form alungit ce conin grupuri dipolare sau polarizabile. n aceaststare, datoritforelor dealiniereVander Waals, substanaeste fluid, dar moleculele adopt un aranjament molecular ordonat i puternic aniizotrop. ncazul cristalelor lichide nematice moleculele sunt aliniate paralelnntreaga masalichiduluicu opoziiealeatoare a centrelorde greutate. Domeniul de temperaturi de existen a mezofazei de cristal lichid este limitat ;sub un prag inferior substana devine solid cristalin, iar peste un superior substane se transform n lichid izotrop. Cele dou temperaturi de tranziie sunt abrupte i reproductibile.Anizotropia aranjamentului molecular determin anizotropia constantei dielectrice, constantei elastice, conductivitii termice, susceptibilitii magnetice precumi a indicelui de refracie. Dinacest motiv, aranjamentul molecular al acestora este puternic modificat de cmpuri electrice i magnetice, de variaia temperaturii i presiunii. Odat cumodificareastructurii seschimbi proprietileopticealesubstanei existnd n acest fel posibilitatea transformrii simple a semnalelor de naturfizicdiferitedesemnale opticeale subtanei existnd n acest fel posibilitatea transformrii simple a semnalelor de natur fizic diferite de semnale otice. Astfel aceste substane i-au gsit o larg aplicare n optoelectronic, realizndu-se n prezent pe baza lor dispozitive de afiaj.Cristalele lichide nematice folosite la obinerea afiajelor cu mprtierea cu mprtiere dinamic au aranjamentul molecular n absena tensiunii aplicate ordonat ; moleculele filmului nematic au axa molecular orientat fie paralel cu electronii celulei, figura 1.a fie perpendicular pe electrozi, figura 1.b. Figura 1 Cristalele lichide nematicecu axa molecular orientatparalel cu electronii celulei, fig.1.a fie perpendicular pe electrozi, figura 1.b.nprimul caz, seobinetexturomogen, iar nultimul textura homeotrop.Datorit aranjamentului ordonat al moleculelor, intensitatea radiaiei transmise este maxim. Aplicnd tensiune pe celula cu cristal lichid moleculeletindsseorientezecumomentuldipolar ndirecia cmpului electric, orientarecare este ns modificat de curentul electric ce aparen celul. nacest fel aparefenomenul demprtieredinamicaradiaiei incidente, celula de afiaj devine opac.Pentruapreciereaperformanelorcristalelorlichidenematicecese utilizeaz larealizareadispozitivelor de afiaj cu mprtierea dinamic a luminii este necesar cunoaterea urmtoarelor caracteristici: rezistivitatea cristalului lichid; anizotropia dielectric; contrast; frecvena de tiere.Rezistivitatea cristalelor lichide nematice, , folosite pentru afiajele cumprtieredinamicaluminii estecuprinsnintervalul 108109. Ea poate fi reglat prin dozarea corespunztoare a substanei cu anumii ageni chimici caredefoartemulteori servesci laorientareamoleculelor n interiorul celulei. Domeniul valorilor rezistivitii este limitat; peste un prag superior care trece prin dispozitiv se micoreaz astfel nct dispare mprtierea dinamic a luminii, iar sub un prag inferior mrirea curentului micoreaz durata de via a dispozitivului.Direciamomentului dielectricncristalelichideesteindicatde anizotropia dielectric, , figura 2.Figura 2 Direcia momentului dielectric n cristale lichide

II(1)unde: II este permitivitatea dielectric relativ n lungul axei moleculei;este permitivitatea dielectric relativ definit pe direcia perpendicular pe axa moleculei.Efectul de mprtiere dinamic apare att n cristale lichide nematice cu anizotropie negativ ct i pozitiv.Mrimea care apreciaz gradul de opacitate al cristalului lichid este contrastul definit astfel: 12IIK

(2)unde: K este contrastul; I1intensitatealuminii mprtiatedecristalul lichidnabsena cmpului electric; I2intensitatealuminii mprtiatedecristalul lichidnprezena cmpului electric.Frecvena de tiere,fe,se definete ca fiind frecvena la care contrastul scade la 10% din valoarea nominal. Valoarea acestei mrimi este n jur de sute Hz, ceea ce limiteaz frecvena de adresare a dispozitivului de afiaj.Efectul electrooptic ce se manifest n celulele afiajcu mprtiere dinamic este dat de aciunea combinat a fenomenelor dielectrice i electro-hidrodinamice care se produc n filmul nematic. Variaia temperaturiincristalullichid afecteazdensitatea desarcin,anizotropia dielectric, vscozitatea i constantele elastice; din acest motiv modificarea caracteristicilor menionate mai sus se datoreaz acestor variaii.Moleculele cristalelor lichide sunt lungi i de form rotund n seciune cu moment electric permanent destul de puternic i cu grupuri uor polarizabile. ntre aceste molecule se stabilete ordine spontan la distan asemntoare solidelor cristaline, ordine care dicteaz proprietile anizotrope ale cristalului. n funcie de natura ordinei la distan n modulatoarele temporale electro-optice se folosesc cristalele lichide nematice sau cristalele lichide smectice.n cristalele lichide nematice plasate ntr-un spaiu fr restricii (de exemplu, spaiuinfinit) axelelongitudinalealemoleculelor sunt paralele ntreele, nscentrelelor degreutatesunt aleatoriudistribuite. Fiecare molecul se poate deplasa n toate cele trei direcii ale spaiului i se poate roti n jurul propriei axe. Simetria de structur este de tipul /m (figura 3) care difer de simetria cristalelor cu polarizare spontan (m) prin faptul c nu exist un aranjament preferenial al celor dou extremiti ale moleculei, chiar dac ele difer.a) Lichid b) Cristal lichid nematicFig. 3 Modelul ordonrii moleculare intr-un cristal lichid nematicAvnd centrul de inversie pe axa de ordinul cristalul lichid nematic nuposedpolarizarespontan. Introdus ntr-un spaiu limitat,deregul o cavitate cu perei plan paraleli plasai la distana s, cristalul lichid nematic poate pstra ordonarea spontan din figura 3 (situaie cu potenial termodinamic minim F=F0) sau poate suferi perturbri specifice prezentate n figura 4 (despicare, rsucire, ondulaie sau combinaii liniare ale acestora) n funcie de condiiile la limit impuse la interfaa cu pereii cavitii. n situaiaacestorperturbri potenialul termodinamiccretenconformitate cu expresia: ( ) [ ] ( ) ( ) [ ] ( ) ( ) [ ]233222211 0r u rot r u K21r u rot r u K21r u div K21F F + + + (3)unde:K11,K22,K33sunt constantele elastice Franck (constante de material), iar u ( ) r esteversorul director al orientrii localeacristalului lichid nematic.

a) b) c)Fig. 4 Perturbri specifice ale cmpului vectorilor directori: a) despicare, corespunznd termenului ( ) [ ]2r u div; b) rsucire, corespunznd termenului( ) ( ) [ ]2r u rot r u; c) ondulaie, corespunznd termenului ( ) ( ) [ ]2r u rot x r u.Moleculele cristalelor lichide nematice au n general moment electric propriu, dar datorit centrului de simetrie al structurilor moleculare sistemul de molecule nu are moment electric al unitii de volum diferit de zero. Cristalele lichide nematice posed, deci, numai polarizare temporal care se manifest anizotrop, tipic orientrii spontane cu simetrie /m. ntr-unsistemprincipal decoordonate, ncareaxa Ozcoincide cuaxa de simetrie a structurii, matricea permitivitii complexe relative are forma [ ]0 00 00 0 11 1 1 1 1 ] (4)unde au introdus notaiile: = 11 = 22, = 33Dupsemnul diferenei prilor realealecelor doupermitiviti, cristalele lichide se clasific n:- cristalelichidecuanizotropiedielectricpozitiv(ADP) pentru care ' ' ' 11 este pozitiv;- cristale lichide cu anizotropie dielectric negativ (ADN) pentru care 11 ' ' ' este negativ.Introdus ntr-uncmpelectric decomand deintensitate E un cristal lichid nematic cu versorul director ( ) r u i modific potenialul termodinamic n conformitate cu expresia() [ ] () () [ ] () () [ ]() [ ]20'233222211 02212121r u Er u rot r u K r u rot r u K r u div K F F + + + (5)Micorarea potenialului termodinamic n prezena cmpului electric de comand (semnul minus al ultimului termen din expresia 5) este normal datorit tendinei de ordonare introdus de cmp.Pentru minimizarea potenialului termodinamic (expresia 5) se remarc faptul c n cazul cristalelor ADP ( ' 0 > ) moleculele au tendina s se orienteze paralel cu cmpul de comand (produsul scalar( ) r u Es fie pozitiv i maxim), iar n cazul cristalelor ADN ( ' 0 < ) moleculele au tendina de orientare perpendicular pe liniile de cmp (produsul ( ) r u E s fie nul). De menionat c aceste tendine de ordonare dielectric sunt uneori contracarate deexistena curenilor deconducie (ndeosebi n curent continuu sau la frecvene mici) sau de unele condiii la limit (interacii cu pereii dispozitivului n care este introdus cristalul lichid).Din punctul de vedere al propagrii fasciculelor de fotoni cristalele lichide nematice se comport datorit simetriei lor precum cristalele uniax avnd un elipsoid al indicilor de refracie sub forma unui elipsoid de rotaie. Indicele de refracie n lungul axei optice se noteaz cu n

(n3 = n ), iar n planul perpendicular pe axa optic cu n (n1=n2= n).Birefringena cristalelor lichide nematice n=n -neste pozitiv i foarte puternic (aproximativ 0,20,3) condiionnd efecte optice importante n straturi subiri (uniti zeci de micrometri).n absena cmpului electric de comand cristalul lichid se aranjeaz n conformitate cu condiiile de la discontinuiti astfel nct s minimizeze potenialul sutermodinamic (expresia 3). Prinaplicarea cmpului de comand se urmrete perturbarea ordinii iniiale, deci modificarea elipsoidului indicilor de refracie (minimizarea expresiei 5), propagarea fasciculului fiind i ea modificat n timp i/sau n spaiu, aprnd n acest mod modulaia.Sunt posibile cel puin 25 de efecte (aranjamente), 2.2 Modulatoare bazate pe efectul de birefringenDinpunct devederefuncional modulatorul estesimilar celui pe cristale solide Doi perei dintr-un dielectric inert (sticl) au electrozii transpareni i conductori depui pe feele interioare (de obicei SnO2+In2O3). Feele interioare sunt tratate astfel nct moleculele cristalului lichid nematic ssearanjezeperpendicular peperei (aranjarehomeotrop, obinutde exemplu prin tratare cu lecitin).n absena cmpului de comand ( 0, U 0 E ) fasciculul de fotoni liniar polarizat de polarizorul P (o folie de plastic laminat la rece, lipit pe partea posterioar a dispozitivului) se va propaga ca o und ordinar i va trece prin analizorul A lipit pe partea inferioar dac direcia preferenial aacestuia este paralel cu a polarizorului (AP). Se obine astfel un fond luminos.Fig. 5 Modulator temporal cu cristale lichide folosind efectul de birefringenn prezena unui cmp de comand mai mare dect pragul ( pE E >, U > Up) un cristal lichid ADN va avea tendina s-i aranjeze moleculele cu axa mare perpendicular pe liniile de cmp electric. Fasciculul de fotoni va suferi efectul de birefringen i va iei din cristalul lichid sub forma unei unde eliptic polarizate (figura 5). Se va obine deci o zon ntunecat pe un fond luminos.Intensitatea fasciculului de fotoni la ieire va avea expresia

20I I cos2 _ , (6)unde: [ ]02s n U I Up I0 A P I UUp I0 A P P A s U>Up I0I s PA U=0 I0 I Deoarece birefringenan este foarte puternic grosimea s poate fi foarte mic (micrometri, zeci de micrometri).Tensiunea de prag va avea valori acceptabile:33p0KU' (7)Pentru majoritatea cristalelor lichide aceast tensiune este sub 10V astfel nct o tensiune de lucru de circa 20V asigur un contrast acceptabil.Dac analizorul i polarizorul sunt ncruciai, zona adresat cu cmp de comand va fi luminoas pe fond ntunecat

20I I sin2 _ , (8)Acelai efect seobinei cuuncristal lichidnematicADPcuo aranjare iniial omogen (moleculele se aranjeaz paralel cu peretele prin aranjarea unor valuri de SiO obinute prin evaporarea n vid).Tensiunile de prag au valori apropiate:( )11p0KU' (9)La creterea frecvenei semnalului aplicat pe celule de afiaj curentul de conducie, care induce mprtierea dinamic, ncepe s scad n favoareaforei deorientaredielectric. nacest cazapareoorientarea moleculelor nematice cumomentele dipolare aezate paralel cucmpul electric din interiorul celulei. Dominana forei dielectrice la frecvene nalte este utilizat att pentru scderea timpului off al dispozitivului de afiaj ct i pentrucreterea tensiunii de pragnecesar realizrii discriminrii n afiajele cu adresare matricial.3.Aparatura folositAparatele folosite n cadrul acestei lucrri sunt: Multimetru digital de precizie 6 digii HM8112-3, HAMEG descris la pct. 8, Capitolul 8 al ndrumarului ; Surs de alimentare programabil HM7044, HAMEG descris la pct. 11, Capitolul 8 al ndrumarului; Tunel optic; Punte de msur RLC de precizie E 4980A, Agilent descris n descris la pct. 6, Capitolul 8 al ndrumarului; Etuv cu temperatur reglabil n domeniul (30 70) C; generator desemnal33220A, 20MHz, Agilent ; pct 3din Capitolul 8 al ndrumarului; Microampermetru.4. Desfurarea lucrrii4.1. Metoda de msurRezistivitatea filmului nematic se msoar dispunnd celula de afiaj n serie cu circuitul format dintr-o surs de tensiune,amplificator de semnal i instrumentul de msur.Pentru calculul rezistivitii se folosete expresia : IUds (10)unde : d grosimea filmului ; s suprafaa filmului nematic ; U tensiunea aplicat la borne ; I curentul care circul prin celul.Permitivitatea dielectric relativ (IIsau ) se determin prin msurarea capacitii celului cu cristal lichid, cu ajutorulpunii de msur RLC de precizie E 4980A, pct. 6.3 din Capitolul 8 al ndrumarului. n acest scop,funcia de msur a punii este Cp , Rp , iar frecvena de msur se stabilete la 80Hz. Astfel,permitivitatea se determin cu ajutorul formulei:

sdC10 (11)unde:m F / 1036190 , permitivitatea vidului; C capacitatea msurat; d grosimea filmului ; s suprafaa filmului nematic ;Contrastul celulei se msoar utiliznd schema din figura 6.Figura 6 Msurarea contrastului celulei de afiajC.L.N celula cu cristal lichid nematic, F.D. fotodetecor , 1 i 2 bornele de alimentare cu c.c. ale C.L.N, 1 i 2 ieirile testerului pentru alimentarea celulei, 3 i 4 bornele de alimentarea a sursei de lumin , 3 4ieirile testerului pentru alimentarea sursei de luminPlatforma demsurcuprindetunelul optic, sursadealimentare, amplificatoruldesemnal, multimetru . Celula de cristal lichid nematic se dispune n interiorul unui tunel optic; lumina mprtiat de celul cu sau frtensiuneaplicat, este detectat de fotodetector sub form de semnal electric. Acest semnal este mrit de amplificator i afiatde multimetru.Pentru msurarea corect a contrastului (K) este necesar s se regleze sursa de lumin astfel nct s seminimizeze detectarea de ctre traductoruloptoelectronic a luminii transmis de celula cu cristal lichid.Experimental se deduce pentru dependena K=f(), respectiv contrastul funcie de unghiul sursei , aa cum este prezentat n figura 7.Figura 7 Contrastul celulei de cristal lichid funcie de unghiul sursei de luminAceasta nseamn c pentru msurarea contrastului este necesar s se regleze unghiul sursei de luminla valoarea optim. n acest caz tiind c amplitudinea semnaluluielectric este proporional cu intensitatea luminii mprtiate rezult c, pentru contrast urmtoarea formul de calcul:12UUK unde: U2estetensiuneadatdemultimetrucndpecelulnuseaplic tensiune; U1estetensiuneadatdemultimetrudemsurlaaplicareaunei tensiuni pe celul.4.2Mod de lucruPentru executarea msurtorilor se procedeaz n felul urmtor:4.2.1.Se introduc celulele cu cristal lichid nematic ntr-o etuv cu temperatur reglabil n domeniul (30 70) C. Msurtorile se efectueaz pentru dou tipuri de substane nematice: AN4 i AN5 care posed anizotropie dielectric negativ, prima fiind orientat homeotrop, iar cealaltomogen. Laaceeai temperatursemsoarconsecutivcurentul care trece printr-o celul de cristal lichid, precum i capacitatea celulei. n acestscopmai nti seconecteazieirileetuvei, caresuntncontact cu electrozii de acces ai celulelor, la bornele sursei de alimentare programabil HM7044, HAMEG, conformpct.11.3 dinCapitolul8 alndrumarului. Acesta se regleaz pentru msurarea curentului ce trece prin celule, innd tensiunea sursei continue de alimentare a celulelor la valoarea UC= 25V. Rezultatele msurtorilor se trec n tabelul 1.Tabelul 1Tipul substaneiT(C)Temp.ambiant30C 35C 40C 45C 50C 55C 60CAN4I(A)C(pF)(m)AN5I(A)C(pF)(m)Dupmsurareacurentului, cumultimetrudigital deprecizie6 digii HM 8112-3 conform pct 8.3 din Capitolul 8 al ndrumarului sau cu ajutorul micrometrului, se deconecteaz ieirile etuvei de la bornele acestuia i se conecteaz la puntea RLC de precizie i se msoar, pentru 80Hz , capacitile celulelor de cristal lichid, pe funciaCp , Rp a puni i valorie capacitii se trec n tabelul 1, pentru fiecare celul.4.2.2Se realizeaz montajul din figura 7.Tensiunea sursei de alimentare, pentrucelule este UC = 25Vcc. Celula de afiaj se introduce n tunelul optic, iar aceastadupnchiderei reglaresentroducenetuv. Fcnd legturile de alimentare i msur din figura 7 se modific temperatura etuvei ntre (30 70) C. Testrile se fac numai pentru cristalul lichid nematic AN5 i rezultatele msurtorilor se trec n tabelul 2.Tabelul 2.Tipul substaneiT(C)Temp.ambiant30C 35C 40C 45C 50C 55C 60CAN5U1U2K4.2.3.nmontajul dinfigura7senlocuietesursadealimentare continu cu generator de semnal 33220A, 20MHz, Agilent pentru un semnal de audio frecven n domeniul 20Hz 1000Hz cu amplitudinea de 10V. n acest scop,se procedeazaa cum este prezentat la pct. 3 dinCapitolul 8 al ndrumarului delaborator. Se msoar tensiunea dat detraductorul optoelectronic la modificarea frecvenei oscilatorului. Rezultatele se trec n tabelul 3. Msurtorile se efectueaz pe patru probe din cristalul lichi nematic AN5 ale cror rezistiviti sunt : cm 10 5 cm 10 , cm 10 5 , cm 10 , cm 10 59 9 8 8 7 Tabelul 3Nr.probeiFrecv. (Hz) (cm)204060801001201401601802002202402601.5107(cm)U1U2K2.108U1(cm)U2K3.5108(cm)U1U2K4.109(cm)U1U2K5.5109(cm)U1U2K5. Coninutul referatului1. Scopul lucrrii.2. Prezentarea metodei de msur.3. Valorile msurate i valorile determitate.4. Reprezentrile grafice = f (T) i = f (T) pentru cristalul lichidAN4 i AN5.5. Reprezentarea grafic K = f (T) pentru cristalul lichid AN5, precum i reprezentrile grafice K=f (f) pentrucele patruprobe din cristalul lichidAN5 (tabelul 3).6. Determinarea frecvenelor de tiere pentru probele din cristalul lichid nematic AN5 ( tabelul 3).7. Reprezentarea grafic fc = f ()6. ntrebri i probleme1. explicai naturacurentului, careaparencelulacucristal lichid nematic i legat de aceasta prezentai modul n care electrozii pot influena rezistivitatea materialului ;2. comentai alura curbelor de la punctul E4 ;3. prezentai fenomenelecareduclamodificareacontrastului cu temperatura ;4. explicai modul de variaie al curbelor de la punctul E7 ;5. prezentai fenomenele care au loc n configurai obinut prin dispunereacelulei cucristal lichidnematic, cumptierea dinamic, ntre doi polarizatori ortogonali, n cazul aplicrii sau nu a unei tensiuni pe celul.7.Bibliografie

1.Marin Drgulinescu, Adrian Manea Materiale pentru electronic, vol 1, Bucureti, Ed. Matrix Rom, ISBN 973-685-344-6, 2002.2.Marin Drgulinescu, Adrian Manea Materiale pentru electronic, vol 2, Bucureti, Ed. Matrix Rom, ISBN 973-685-351-9, 2002. 3.PaulchiopuCarmenLilianachiopuElectronicMaterials, Editura Aeternitas, Alba Iulia, ISBN 978-973-1890-51-7, 2009. 4. Ovidiu Iancu Dispozitive Optoelectronice, Ed. Matrix Rom, Bucureti, ISBN:973-685-617-8, 2003.5.Paul chiopu-Optoelectronics, Ed. Matrix Rom, Bucureti, ISBN 978-973-755-443-7, 2009.