RGB - Serwis Elektroniki

Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCDOd ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD (cz.–1)Karol ŒwiercZ pojêciem ciek³ych kryszta³ów zd¹¿yliœmy siê znacznielepiej oswoiæ ani¿eli z pojêciem plazmy. By³o wiêcej czasu.Wyœwietlacze ciek³okrystaliczne w zegarkach i kalkulatorachznane s¹ od ponad 20 lat. Jednak, czym ró¿ni siê Liquid CrystalDisplay od tych¿e historycznych ju¿ wyœwietlaczy? W niniejszymopracowaniu chcemy odpowiedzieæ na to pytanie.Na pocz¹tek jednak parê s³ów o fizyce tego „stanu skupienia”.1. Co to s¹ ciek³e kryszta³yTrudno oprzeæ siê wra¿eniu, i¿ ciek³y kryszta³, to jakiœ poœrednistan skupienia materii miêdzy solid state a ciecz¹. Faktycznie,skojarzenie pada na pó³przewodnik, który jest czymœpoœrednim miêdzy przewodnikiem a izolatorem. Tak siê sk³ada,¿e takie formy „poœrednie” dysponuj¹ w³asnoœciami przes¹dzaj¹cymio ich technicznej wartoœci.W³asnoœci cieczy s¹ powszechnie znane i nie trzeba jej definiowaæ.Odpowiedzmy zatem na pytanie, czym jest kryszta³?To cia³o sta³e o strukturze cechuj¹cej siê okreœlonym uporz¹dkowaniematomów lub cz¹steczek. Dziêki temu kryszta³ wykazujecechy anizotropowe (ró¿ne dla okreœlonych kierunków wprzestrzeni). Anizotropiê mog¹ wykazywaæ ró¿ne w³asnoœci fizyczne:mechaniczne, optyczne, elektryczne i/lub magnetyczne.Ciek³y kryszta³ zachowuje wy¿ej wymienione w³asnoœci, ama tê cenn¹ cechê, i¿ jako ciecz podporz¹dkowuje siê wymiaromprzestrzeni, w której jest zamkniêty. Optyczne w³asnoœcianizotropowe niektórych cieczy zosta³y zaobserwowane ju¿ w1888 roku. Niemal od tego okresu funkcjonuje w fizyce pojêcieciek³ego kryszta³u, który traktowano jako odmienny stan skupieniamaterii. Historycznie substancjom tym przypisywanodwie temperatury topnienia. Faktycznie, w pewnej temperaturzekryszta³ topi siê tworz¹c mêtn¹ ciecz. Podnosz¹c dalej temperaturêw pewnym momencie ciecz ta staje siê nagle przezroczystai ma ju¿ w³asnoœci izotropowe („normalna” ciecz). Topewna niedogodnoœæ, i¿ ciek³y kryszta³ jest „sob¹” tylko w okreœlonymprzedziale temperatur. Ów stan przejœciowy nazywanotak¿e faz¹ mezomorficzn¹ (od greckiego mezos = poœredni). Dlazastosowañ technicznych najistotniejsze s¹ w³asnoœci optycznemezofazy. W szczególnoœci, powstaje w nich zjawisko podwójnegoza³amania œwiat³a (to samo obserwuje siê w wielu kryszta³achsta³ych). Obecnie znanych jest wiele tysiêcy substancjiwykazuj¹cych w³asnoœci ciek³okrystaliczne. Cenne jest tak¿eto, i¿ postaæ mezomorficzn¹ mo¿na uzyskaæ z wielu kryszta³ówsta³ych na dwa sposoby: topienie (podnosz¹c temperaturê) lub„rozpuszczenie” (znanych jest wiele substancji rozpuszczalników).Choæ lista substancji o po¿¹danych w³asnoœciach jest wfizyce i chemii doœæ d³uga, praktyczne znaczenie zyska³y nielicznei z oczywistych powodów te, które wykazuj¹ po¿¹danecechy w temperaturze pokojowej.Wspomnieliœmy o anizotropii jako cesze decyduj¹cej o technicznejprzydatnoœci substancji. Oznacza to, ¿e dowolnie wybranawielkoœæ fizyczna wykazuje ró¿ne wartoœci wzglêdemwybranej osi. Interesuje nas anizotropia optyczna, choæ wykazuj¹j¹ tak¿e w³asnoœci elektryczne, magnetyczne, a tak¿e lepkoœcii przewodnictwa cieplnego. Powy¿ej pewnej temperaturyw³asnoœci te znikaj¹, co t³umaczy siê niszczeniem struktur uporz¹dkowanychcz¹steczek w wyniku energii ruchu termicznego.Zaœ struktura uporz¹dkowania cz¹steczek jest kryterium,wed³ug którego dokonano podzia³u ciek³ych kryszta³ów. Kryszta³ynematyczne maj¹ moleku³y silnie wyd³u¿one (nema = niæ).Uk³adaj¹ siê one równolegle do siebie. W kryszta³ach smektycznychcz¹stki równoleg³e wzglêdem siebie u³o¿one s¹ warstwami.Nazwa pochodzi od greckiego smegma = myd³o, gdy¿zarówno ich lepkoœæ, jak i mêtnoœæ przypomina stê¿ony roztwórmydlany. Szczególnie interesuj¹ce s¹ ciek³e kryszta³y zwanecholesterolowymi. Ich cz¹steczki uk³adaj¹ siê w warstwy,jednak osie kolejnych warstw s¹ wzglêdem siebie nieco skrêcone.Tworzy to strukturê œrubow¹. Z praktycznego punktu widzeniacenna jest zaœ cecha, i¿ skrêtnoœæ struktury kryszta³upowoduje „skrêt” p³aszczyzny polaryzacji œwiat³a przechodz¹cegoprzez niego. Zjawisko to t³umaczy siê siln¹ aktywnoœci¹optyczn¹, gdy d³ugoœæ skoku „œruby” jest porównywalna z d³ugoœci¹fali œwiat³a. Do cechy tej powrócimy podczas opisu dzia-³ania ekranu LCD. Znane s¹ tak¿e substancje, które maj¹ wiêcejni¿ jedn¹ fazê ciek³okrystaliczn¹. Zwykle w ni¿szej temperaturze(po stopieniu kryszta³u) otrzymuje siê smektyk, w wy-¿szej nemetyk. Dalsze podwy¿szanie temperatury powodujetopienie kryszta³u do postaci cieczy izotropowej.Bie¿¹cy punkt artyku³u jest wstêpem do opisu dzia³ania ekranuLCD. Nale¿y jednak wspomnieæ tak¿e o innych zastosowaniachtych ciekawych substancji. Pierwsze wyœwietlacze ciek³okrystalicznezosta³y zdominowane przez smektyki. Wykorzystywanopraktycznie jedynie ich cechê mêtnoœci. Bardzowa¿nym jest, i¿ stan ciek³ego kryszta³u mo¿na kontrolowaæ przezumieszczenie go w zewnêtrznym polu elektrycznym. Po rozpoznaniutych cech wyœwietlacze ciek³okrystaliczne znalaz³y licznezastosowanie w urz¹dzeniach zasilanych bateryjnie, jako ¿e sterowaniejest typu napiêciowego ze znikomym poborem pr¹du.Wielu z nas pamiêta jak wyœwietlacze segmentowe (w szczególnoœci7-segmentowe) zast¹pi³y segmenty z³o¿one z czerwonychdiod elektroluminescencyjnych w kalkulatorach, gdzie nadelementami wyœwietlacza umieszczano soczewki. W³asnoœcioptyczne ciek³ych kryszta³ów dotycz¹ g³ównie ich wspó³czynnikaza³amania œwiat³a. Podwójne za³amanie jest odpowiedzialneza ich mêtnoœæ. Jednak, tak¿e w œwietle odbitym od cholesterykówobserwowane s¹ ciekawe plamy barwne. Wykorzystano tow termografii do pomiaru rozk³adu temperatur na podstawieplam na ciele pokrytym ciek³ym kryszta³em. Te ciekawe substancjewykorzystywane s¹ tak¿e do budowy laserów cieczowychi detektorów promieniowania. Wykorzystuje siê je tak¿ew technice œwiat³owodowej. Niemniej, najistotniejszym ich zastosowaniemjest kolorowy ekran TFT-LCD.Odpowiedzmy te¿ na pytanie, dlaczego istnieje mo¿liwoœæwp³ywania na anizotropowoœæ ciek³ego kryszta³u za pomoc¹zewnêtrznego pola elektrycznego. Bez tej mo¿liwoœci by³byon jedynie ciekawostk¹ dla fizyków czy chemików.Otó¿, jak powiedziano wy¿ej, moleku³y ciek³ego kryszta³umaj¹ kszta³t silnie wyd³u¿ony w jednym kierunku („pa³eczki”).SERWIS ELEKTRONIKI 2/2009 29