Modern Fizika Labor
A mérés dátuma:
A mérés száma és címe:
Értékelés:
17. 2005.11.16. Folyadékkristályok vizsgálata
A beadás dátuma: 2005.11.30.
A mérést végezte: Orosz Katalin Tóth Bence
1
A mérés során megismerkedtünk a folyadékkristályos anyagok néhány alapvető tulajdonságával. Mivel a folyadékkristályok szerves molekulákból álló kristályok megolvadásakor jönnek létre, a folyadékkristályos anyagok viselkedésében fontos szerepe van a hőmérsékletnek. Ezt az első mérési feladat során vizsgáltuk, amikor is a hőmérsékletet változtatva gyakorlatban is találkoztunk a kettőstörés jelenségével, valamint nyomon követhettük a hőmérséklet függvényében bekövetkező törésmutató-változást. A tömegközéppontok rendezettsége alapján megkülönböztethető csoportok közül először a csavart nematikus változatot vizsgáltuk. Itt egy LCD kijelző egyenszint nélküli szinusz, háromszög és négyszög bemenő jelre adott válaszát detektáltuk fotodetektor segítségével. Meghatároztuk a maximális kontraszt mértékét, a szinuszos jelre felvettük a feszültségfeszültség karakterisztikát, majd a maximumnál a frekvencia függvényében bekövetkező maximális kimenő jelamplitúdót vizsgáltuk. A négyszög bemenő jel esetében az exponenciális válasz időállandóját határoztuk meg. A második LCD ferroelektromos, csavart szmektikus folyadékkristályt tartalmazott. Ez esetben szintén szinusz, háromszög és négyszög bemenő jeleket vizsgáltunk, s kimeneti jelek karakterisztikáján kívül a négyszögjelre adott exponenciális időállandóját mértük meg.
1.
A mérés első részében a csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó prizmán átengedtünk lézerfényt, majd egy tükörről visszaverve kb. 5 méter út megtétele után az ajtóra ragasztott milliméterpapírra rárajzoltuk a két különbözően eltérített komponens (eléggé diffúz) fényfoltjának fényes középpontjának helyét. A hőmérséklet növelésével az alsó folt elindult fölfele, a felső sokkal lassabban lefele. Kb. fokonként rajzoltuk a pozíciókat. A mérési összeállítás: lézer
folyadékkristály
polárszűrő
tükör
ernyő (milliméterpapír az ajtón) A kapott pontok egy bifurkációs görbét rajzolnak ki. A jelenség tulajdonképpen egy fázisátalakulás. Miután a folyadékkristály átalakult folyadékká egy kritikus hőmérsékleten, csak egy ágat detektálunk. A kritikus pont előtt 35˚C-tól fokonként vettük fel a pontokat, majd a kritikus pontot követően, ez nálunk tc=41,3˚C-nál volt, 45˚C-ig csak pár pontot vettünk fel, itt szinte tényleg nem is változott a nyaláb helyzete, ezért a 43˚C fölött nem is ábrázoltuk már az onnantól vízszintes egyenest, hogy jobban látható legyen a bifurkáció. A milliméterpapír folyadékkristálytól mért távolságát összehangolt együttműködéssel l=(440±2)cm-nek mértük.
2
Az alábbi táblázatban a prizma nélküli fénypont helyétől mért távolság van megadva milliméterben a hőmérséklet függvényében: ˚C
38,0 39,0 40,0 41,0 41,2 42,0 43,0 45,0 extraordinárius 87,3 86,8 86,0 84,2 82,1 72,7 72,7 72,2 ordinárius 68,0 68,5 69,0 70,8 71,3 72,7 72,7 72,2
Az adatok ábrázolva: 88
d (cm)
86 84 82 80 78 76 74 72 70 68 38
n=
39
40
41
42
T (˚C)
sin(α + ϕ) α + ϕ ≈ α sin(α)
tgφ=d/L d2(mm) d1(mm)
87,3 68,0
86,8 68,5
86,0 69,0
84,2 70,8
82,1 71,3
72,7 72,7
72,7 72,7
tgφ=φ (fok)
0,0198 0,0155
0,0197 0,0156
0,0195 0,0157
0,0191 0,0161
0,0187 0,0162
0,0165 0,0165
0,0165 0,0165
n n
1,54 1,42
1,54 1,42
1,53 1,43
1,52 1,44
1,51 1,44
1,45 1,45
1,45 1,45
±0,5
±0,02
A sorpárok közül a felső mindig az extraordinárius, az alsó pedig az ordinárius komponens; a hibák az utolsó oszlopba kerültek, mivel ezek az értékek minden adatra azonosak lettek.
3
43
2.
A mérés második részében csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó cellára 100Hz-es szinuszos feszültséget adtunk, majd a bemenő jel amplitúdóját állítva felvettük a bemenő jel - kimenő jel karakterisztikát és megnéztük, hol lesz a legnagyobb a (p-p) kimenő jel, és ezután mindig ennél az értéknél mértünk. Mivel a csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó LCD esetében a direktor iránya kezdetben a függőlegesen álló polárszűrőével megegyező, majd a második vízszintes irányú polárszűrőig 90˚-ot fordul el, ezért ha nem kapcsolunk az elektródákra feszültséget, akkor a fotodetektorral detektált fényintenzitás maximális lesz, míg ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor az optikai tengelyek irányába befordult direktorokkal megegyező irányban polarizált fény a második polárszűrőn nem tud átmenni. A mért adatok az alábbi táblázatban láthatók (hiba: ±0,2V ill. ±2mV): Ube (V) 6,0 6,4 6,8 7,2 7,6 8,0 8,4 8,8 9,2 9,6 10,0
Uki (mV) 78 86 100 104 104 100 96 88 84 78 72
Ábrázolva: 110.00
Uki (mV)
100.00
90.00
80.00
70.00 6.00
7.00
8.00
9.00
Ube (mV) U be (V)
4
10.00
A görbe maximumánál maximális lesz a kontarszt. Ez fontos jellemzője egy folyadékkristályos kijelzőnek. Azt a bemenő szinusz amplitúdót keressük tehát, amelynél a detektált fényintenzitás maximális, hiszen ekkor lesz a sötét és a fényes pontok aránya a legnagyobb. A fenti görbe (3,7±0,1)V amplitúdójú bemenő jel esetén lesz maximális. Természetesen ez az érték hibával terhelt, tehát azt mondhatjuk, hogy U = (3,7±0,1)V körüli értéken érdemes az LCD-t működtetni. Egy fotó az oszcilloszkópról a maximális kimenő amplitúdónál (νbemenő=100Hz, Abemenő = 3,7V, oszcilloszkóp kimenő jelre: 20mV/div, 2ms/div):
Az ábrán jól látható, hogy a kimenő jel már nem vált polaritást, valamint a maximumai közel a bemenő szinusz nullátmeneteihez, a minimumai pedig közel a bemenő jel maximumaihoz jelennek meg. A kapott jelünkön azért az is látszik, hogy kicsit aszimmetrikus, de nagyjából megfelel a várakozásoknak. Maximum esetén megnéztük a kimenő jel amplitúdójának a bemenő jel frekvenciától való függését 10 Hz-től 1000Hz-ig. A csúcstól csúcsig értékek: νbe(Hz) 10 20 40 80 160 300 600 1000
Uki (V)(p-p) 0,6 0,44 0,24 0,132 0,061 0,005 0,007 0,025
5
A kimenő jel amplitúdója a bemenő jel frekvenciájának függvényében ábrázolva: 0.6
U (V, p-p) 0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
ν (Hz)
Ezután háromszögjelet adtunk be (20mV, 2ms):
Majd négyszögjelet (5mV, 2ms):
6
Ugyanez a négyszögjel más felbontásban (10mV, 5ms):
A négyszög jel időállandója azt fejezi ki, hogy a kijelző milyen gyorsan reagál a rákapcsolt feszültségre. Bemenő négyszögjel esetén az időállandót az elektronikából megismert módszer szerint számoltuk: az exponenciális felfutásához 5τ idő kell, az 1τ-hoz tartozó feszültségérték pedig a jel maximális értékének 2/3-ánál van. Ha mindkettőt megmérjük, még jobb értéket kapunk az időállandóra: τ = (2,6±0,1)ms
7
3.
Ezek után kicseréltük a cellát egy ferroelektromosra.
Ráadtunk szinuszos bemenő jelet (5V, 2ms):
Majd háromszögjelet (5V, 2ms):
Majd négyszögjelet (0,5V, 0,5ms):
Bemenő négyszögjel esetén az időállandó az előbb leírt módszer szerint: τ = (0,30±0,02)ms
8
A jegyzetben megadott elrendezés szerint összeállítottuk a rendszerünket. Kipróbáltuk a könyv szerinti „A” elrendezést, amikor az első polarizátor és a direktor iránya megegyezett, a második polarizátor pedig merőleges volt az elsőre. Ekkor tényleg nem volt kimenő jelünk. A másik esetben („B” összeállítás) a kijövő jel elliptikusan polarizált, amit egy polárszűrővel lineárisan polarizálttá alakítottunk; a fotodetektoron pedig szépen megjelentek a kimenő jeleink a különféle bemenő jelekre. Ezen bemenő jel – kimenő jel kvalitatív karakterisztikák a fenti képeken láthatók, melyeken jól látszik, hogy a rendszer bistabil, azaz például egy négyszög jel esetén mind a fenti félperiódusra, mind a lenti félperiódusra kapott válaszfeszültség stabil egész addig, amíg a bemenő jelünk előjelet nem vált. Ez persze a háromszög- és a szinuszjelre is igaz. Azt is látni lehet, hogy a kimenő jel „lebillenése” körülbelül a bemenő jel nullátmeneténél van. Az időállandóra itt kisebb értéket kaptunk, azaz a ferroelektromos LCD gyorsabban reagál a vezérlő feszültségre, mint a csavart nematikus.
9
