Obsah SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK .....................................................11 ÚVOD........................................................................................................................14 1
TEORETICKÁ ČÁST ..........................................................................................15 1.1 HISTORIE ........................................................................................................15 1.2 TYPY KAPALNÝCH KRYSTALŮ .............................................................................15 1.3 LYOTROPNÍ KAPALNÉ KRYSTALY ........................................................................16 1.4 STRUKTURA TERMOTROPNÍCH KAPALNÝCH KRYSTALŮ .........................................17 1.5 KALAMITICKÉ KAPALNÉ KRYSTALY ......................................................................18 1.5.1 Kapalné krystaly v nematické fázi............................................................19 1.5.2 Kapalné krystaly ve smektické fázi ..........................................................19 1.5.3 Kapalné krystaly v chirální fázi ................................................................21 1.6 DISKOTICKÉ KAPALNÉ KRYSTALY .......................................................................22 1.7 LOMENÉ KAPALNÉ KRYSTALY.............................................................................23 1.8 FYZIKA KAPALNÝCH KRYSTALŮ ..........................................................................24 1.8.1 Mechanické vlastnosti .............................................................................25 1.8.2 Elektrické a magnetické vlastnosti...........................................................25 1.8.3 Optické vlastnosti ....................................................................................26 1.9 APLIKACE S KAPALNÝMI KRYSTALY .....................................................................30 1.10 PRINCIP POLARIZACE SVĚTLA .........................................................................35 1.10.1 Polarizace světelných svazků...............................................................36 1.10.2 Polarizace světla dvojlomem ................................................................37 1.10.3 Dichroismus..........................................................................................37 1.11 DIELEKTRICKÁ RELAXAČNÍ SPEKTROSKOPIE DRS ............................................38 1.11.1 Popis dielektrika ...................................................................................38 1.11.2 Dielektrická polarizace a polarizovatelnost ...........................................39 1.11.3 Dielektrika ve střídavém elektrickém poli a komplexní permitivita ........41 1.11.4 Modelování dielektrických veličin..........................................................42
2
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ..................................................................................43 2.1 PARAMETRY URČUJÍCÍ KVALITU OBRAZU LCD .....................................................43 2.1.1 Doba odezvy (Response time) ................................................................43 2.1.2 Pozorovací úhel.......................................................................................43 2.1.3 Kontrast a jas...........................................................................................45 2.2 LCD SAMSUNG LTM240M2-L02......................................................................45 2.2.1 Vybrané elektrické vlastnosti ...................................................................46 2.2.2 Vybrané optické vlastnosti.......................................................................47 2.3 POPIS EXPERIMENTU ........................................................................................47 2.3.1 Postup při měření vlivu teploty na dielektrické vlastnosti.........................47 2.3.2 Postup při měření kapacitních závislostí LCD monitoru ..........................48 2.4 VÝSLEDKY EXPERIMENTU ..................................................................................48 2.4.1 Vliv teploty na složky komplexní permitivity kapalných krystalů ..............48 2.4.2 Kapacitní závislosti kapalných krystalů....................................................49 2.5 VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU............................................................................53
-9-
3
ZÁVĚR ................................................................................................................55
4
POUŽITÁ LITERATURA.....................................................................................56
-10-
Seznam použitých symbolů a zkratek c
(m·s-1)
rychlost světla
C
(F)
kapacita
C0
(F)
geometrická kapacita
Cx r D r E
(F)
kapacita měřícího kondenzátoru
(C·m-2)
vektor elektrické indukce
(V·m-1)
vektor intenzity elektrického pole
f
(Hz)
kmitočet
Fel
(J)
elektrická volná energie
Fm r H
(J)
magnetická volná energie
(A·m-1)
vektor intenzity magnetického pole
I
(lx)
intenzita prošlého světla
I0
(lx)
intenzita dopadajícího světla
j
(-)
komplexní složka
r k
(-)
vlnový vektor
n r n
(-)
index lomu
(-)
směr orientace (direktor)
p
(-)
krok spirálového uspořádání
P
(C·m-2)
dielektrická polarizace
RH r s
(m)
hydrodynamický poloměr
(-)
jednotkový vektor
tg δ
(-)
ztrátový činitel
T
(K)
teplota
TR
(s)
doba rozsvícení (rise time)
TF
(s)
doba zhasnutí (fall time)
V
(m3)
objem
ve
(m·s-1)
rychlost elektronů
-11-
α
(C·m2·V-1)
polarizovatelnost
α
(-)
parametr Havriliak – Negamiho modelu
β
(-)
parametr Havriliak – Negamiho modelu
δ
(-)
ztrátový úhel
∆ϕ
(°)
úhel pootočení os molekul cholesterických kapalných krystalů
ε
(-)
permitivita prostředí
ε*
(-)
komplexní permitivita
ε0
(-)
permitivita vakua (8,854·1012)
εa
(-)
dielektrická anizotropie
εk
(-)
permitivita kolmá k direktoru molekuly
εr
(-)
permitivita podél direktoru molekuly
εs
(-)
statická permitivita
ε∞
(-)
optická permitivita
ε´
(-)
reálná složka komplexní permitivity
ε″
(-)
imaginární složka komplexní permitivity (ztrátové číslo)
κ
(-)
magnetická susceptibilita
κa
(-)
magnetická anizotropie
κk
(-)
magnetická susceptibilita kolmá k direktoru molekuly
κr
(-)
magnetická susceptibilita podél direktoru molekuly
ϑNI
(°C)
teplota přechodu ZLI-4801-000 na izotropní kapalinu
λ
(m)
vlnová délka
µ r
(C·m)
dipólový moment
µ celk
(C·m)
vektor celkového dipólového momentu
χ
(-)
dielektrická susceptibilita
χr
(-)
dielektrická susceptibilita podél direktoru molekuly
-12-
χk
(-)
dielektrická susceptibilita kolmá k direktoru molekuly
Ψ
(°)
úhel mezi intenzitou elektrického pole a směrem snadného průchodu
ω
(rad·s-1)
úhlová rychlost (ω = 2πf)
AM
aktivní matice
CCFT
trubice se studenou katodou (cold cathode fluorescent tube)
DAP
deformace vertikálních fází (defotmation augfgerichter phase)
DRS
dielektrická relaxační spektroskopie
DSM
dynamický rozptyl (dynamic scattering mode)
DSTN
dvojitý displej se superzkroucenými krystaly
DWDM
hustý vlnový multiplex
FSTN
filtrem kompenzované zkroucené krystaly
HDTV
formát televizního signálu s výrazně vyšším rozlišením (high – definition television)
ILC
ionty kapalných krystalů
ISG
iontová smektická skla
LCD
displej založený na funkci kapalných krystalů (liquid crystal display)
LCOS
kapalné krystaly na křemíkovém čipu
MEM
mikroelektromechanické zrcadlo
MVA
technologie výroby displejů firmy Fujitsu (multi – domain vertical alignment)
NMR
nukleární magnetická rezonance
OLED
organická dioda
PM
pasivní matice
PVA
technologie výroby displejů firmy Samsung (patterned vertical alignment)
S – IPS
technologie výroby displejů firmy Hitachi (super in – plane switching)
TFT
tranzistor vázaný v tenké vrstvě (thin – film transistor)
TN
zkroucené nematické kapalné krystaly (twisted nematic) -13-
Úvod Kapalné krystaly jsou organické chemické sloučeniny, jejichž charakteristickou vlastností je existence stabilní mezofáze v určitém rozmezí teplot. Vzhledem k nepříliš silným vazbám mezi molekulami se látky v mezofázi podobají kapalinám s vyšší hodnotou viskozity, svými vlastnostmi a strukturou však představují přechod mezi izotropní kapalnou formou a krystalickou tuhou látkou. Molekuly se v mezofázi stále mohou pohybovat, přičemž na jejich pohyb mohou mít vliv mechanické síly, a nebo vhodně orientované přiložené elektrické nebo magnetické pole. Molekuly se totiž většinou vyznačují vysokou dielektrickou a magnetickou anizotropií. Uvedené vlastnosti molekul a chování mezofáze vyvolají změnu zejména optických vlastností kapalných krystalů a proto je tato technologie rozšířena především v zobrazovací technice. V dnešní době již existuje celá řada aplikací pro zobrazování využívající kapalných krystalů. Neméně důležité postavení zaujímají kapalné krystaly i v materiálovém inženýrství. Je možno na nich zkoumat vztahy mezi strukturou molekul a fyzikálními vlastnostmi látek, přispívají k pochopení fázových přechodů a makroskopických vlastností látek a jejich chování ve vnějších polích.
-14-
1 Teoretická část 1.1
Historie
Přibližně v polovině 19. století objevili tři chemici Mettenheimer, Virchow a Valentin, že zkoumané nervové vlákno (látka známá jako "myelin", pokrývající nervová vlákna), vytvořilo při vložení do vody tekutou substanci, která se při prohlížení s použitím polarizovaného světla chovala velmi neobvykle a podivuhodně. V danou chvíli ještě nestanovili, že se jedná o mezofázi mezi tekutým a tuhým stavem látky. Následně bylo objeveno mnoho materiálů, které se zajímavě chovají při teplotě okolo jejich bodu tání. V roce 1877 Otto Lehmann zkoumal přechod z tekuté do pevné fáze různých látek za pomoci polarizačního mikroskopu a zjistil, že některé látky vytvoří určitou mezifázi [1]. Roku 1888 Rakouský botanik Friedrich Reinitzer, působící na německé části Karlovy university, objevil, že organická látka založená na cholesterolu C24H46O zahřátá na 145,5 °C tvoří mezofázi a kapalná je teprve při teplotě 178,5 °C. Následně byla tato fáze označená jako fáze tekutých krystalů (liquid crystal phase). Do poloviny 60. let minulého století byly však kapalné krystaly předmětem jen okrajového zájmu několika specialistů. Teprve využití nematického krystalu pro konstrukci prvního displeje (1968) nastartovalo prudký rozvoj základního a aplikovaného výzkumu. Kapalné krystaly začali postupně nacházet široké uplatnění v optoelektronických zařízeních, světelných modulátorech, fotovodičích, polarizované světlo emitujících zařízeních, termických, chemických a elektronických senzorech, systémech pro uvolňování léčiv, vysokonapěťových polymerech atd. [2]. 1.2
Typy kapalných krystalů
V kapalně krystalickém stavu (mezofázi) se kombinují vlastnosti kapalin (např. tečení s poměrně malou viskozitou) s vlastnostmi tuhých látek (např. orientované uspořádání). Organické sloučeniny vytvářející mezofáze se označují jako mezogeny. Praktický význam kapalných krystalů spočívá v reakci uspořádané definované struktury na vnější příčiny (elektrické, magnetické, mechanické) projevující se změnou uspořádání za vzniku nových konfigurací s minimem energie. A právě tyto vlastnosti se využívají v řadě různých aplikací [2]. Kapalně krystalické fáze lze rozdělit do dvou základních skupin. Termotropní kapalně krystalické fáze, vyskytující se nad teplotou tání u některých organických látek. Stabilita mezofází se zde pohybuje v určitém teplotním intervalu. V současné době už je známo více než 70 tisíc takových látek připravených synteticky [2].
-15-
U jiných organických látek vzniká kapalně krystalická fáze ve vhodném roztoku lyotropní kapalné krystaly. Tvorba mezofází je zde řízena koncentrací. Lyotropní kapalné krystaly, v nichž je kolem 90 % vody, se těší zejména zájmu biologů [2]. Tvorba kapalně krystalických fází v organických molekulách je typickým projevem spontánního uspořádávání (samoskladby či samoorganizace) indukovaného tvarem těchto molekul. Ačkoliv pro samoskladbu existuje spousta příčin, molekulární základ je vždy jednoduchý: anizotropní nebo amfifilní molekuly vytvářejí jednoduché stavební bloky, které dostačují k vybudování supramolekulárních systémů. 1.3
Lyotropní kapalné krystaly
Kapalně krystalické mezofáze vznikají rozpouštěním vhodných látek ve vodě a jiných rozpouštědlech na bázi vody. Stabilita mezofáze je závislá více na koncentraci výsledného roztoku než na teplotě. Taková forma se nazývá amfifilní směsí, ve které jedna molekula obsahuje dvě vzájemně mísitelné části – hydrofilní a hydrofobní. Molekulová struktura typická pro lyotropní kapalné krystaly se tedy skládá ze dvou částí, jedna je polární hydrofilní, a další je nepolární hydrofobní [7]. Rozpuštěním lyotropních mezogenů v rozpouštědle se vytvoří jedna a nebo více fází v závislosti na velikosti hlavní polární skupiny, počtu alifatických řetězců a povaze rozpouštědla. Obsah vody nebo jiného rozpouštědla v molekulách mění základní strukturu látky. Při velmi malé amfifilní koncentraci budou molekuly rozptýleny různými směry bez jakékoliv organizace, naopak při mírně vyšší koncentraci se amfifilní molekuly budou spontánně shromažďovat do micel nebo dutin. Typickým příkladem lyotropních kapalných krystalů, konkrétně ve formě micely je mýdlo (obr. 1.1).
polární polární hydrofilní hydrofilní část část
nepolární hydrofobní část
Obr. 1.1 Ukázka lyotropního kapalného krystalu – konkrétně micely mýdla
-16-
1.4
Struktura termotropních kapalných krystalů
Stabilita mezofáze u termotropních kapalných krystalů závisí na určitém teplotním rozsahu. Pokud teplota vzroste nad určitou kritickou hranici dojde následkem tepelného pohybu ke zničení křehké struktury mezofáze a materiál přechází do izotropní kapalné fáze. Naopak pokud teplota klesne na příliš nízkou teplotu budou kapalné krystaly tvořit krystalovou strukturu. Mnoho termotropních kapalných krystalů projde při zvyšování teploty celou řadou takovýchto fází. a)
b)
c)
Obr. 1.2 Tyčinkový (a), diskový (b) a banánový molekulární tvar (c) [2]
Podle způsobu uspořádání molekul lze rozdělit kapalně krystalické fáze do několika hlavních skupin, přičemž ve všech případech jde o látky s anizotropními vlastnostmi, s tvarem molekul připomínající tyčinky (kalamitické, rodlike), disky (diskotické, disclike) a banány (lomené, bentshaped). Grafické znázornění jednotlivých struktur je uvedeno na obr. 1.2. Zatímco tyčinkové kapalné krystaly jsou známy více než sto let, diskové kapalné krystaly jsou předmětem výzkumu od roku 1977 a dynamicky se vyvíjející oblast banánových kapalných krystalů teprve od roku 1996 [2]. Charakteristickým znakem termotropních mezogenních materiálů je jejich molekulární struktura vytvářená nejméně dvěma různými částmi. Obvykle jednou částí rigidní, tvořenou aromatickými zbytky (jádro), a částí flexibilní, tvořenou dlouhými alkylovými řetězci. Tato duální struktura je nutná pro indukování částečného tání materiálu, ke kterému dochází v mezofázi. Většina běžných molekul, které tvoří kapalně krystalické fáze, jsou tyčinkovitého tvaru, tj. jedna molekulární osa je mnohem delší než ostatní dvě. Takové molekuly vytvářejí mnoho různých fází. Molekuly diskového tvaru, tj. molekuly s jednou molekulární osou -17-
mnohem kratší než ostatní dvě, rovněž tvoří mezofáze, jejich jádro je často odvozeno od symetrických kondenzovaných aromátů, jako je trifenylen, truxen, porfyrin atd. Nejnovějším typem krystalů s výraznou anizotropií molekulární struktury jsou lomené kapalné krystaly, které vytvářejí zcela nové a odlišné typy smektických mezofází [2]. 1.5
Kalamitické kapalné krystaly
Kalamitické mezogeny jsou tvořeny tyčinkovitými molekulami s rigidním jádrem. V krystalickém stavu jsou tyto molekuly seskupeny silnými přitažlivými silami, které jsou v důsledku tvaru molekuly také anizotropní. Zahříváním krystalu dochází k postupnému rozvolňování krystalové mřížky (obr. 1.3).
Obr. 1.3 Postupné rozvolňování krystalové mřížky při zahřívání [2] Pokud jsou laterální mezimolekulové přitažlivé síly silnější než přitažlivé síly terminálních řetězců, dojde při ohřátí (T1) k jejich přerušení a vznikají smektické mezofáze. Při dalším růstu teploty (T3) je zrušeno translační uspořádání a vzniká lamelární (vrstevnatá) struktura, ve které již nejsou vrstvy dokonale definovány. Podle různých korelací ve vrstvách a mezi vrstvami je možno rozlišit pět smektických fází a dalších šest kvazismektických neuspořádaných krystalických mezofází. Další zvýšení teploty (T4) vede ke vzniku nematické fáze, která má jen orientační uspořádání. Při ztrátě orientačního uspořádání (T5) vznikne izotropní kapalina. Žádný kapalně krystalický materiál nevykazuje všechny kapalněkrystalické fáze, mnoho sloučenin však tvoří jednu až tři mezofáze [2]. -18-
1.5.1
Kapalné krystaly v nematické fázi
Molekuly nematických krystalů nejsou uspořádány do pravidelných vrstev, těžiště molekul jsou rozptýleny podobně jako v izotropní kapalině, jde o tzv. orientační uspořádání (viz. obr. 1.4 a). Molekuly nematických krystalů jsou tyčinkového tvaru, v celém objemu vzájemně rovnoběžné. Svými vlastnostmi se nejvíce blíží izotropní kapalině (tečou ve všech třech směrech s podobnou hodnotou viskozity), opticky se chovají jako jednoosé krystaly s optickou osou ve směru delší osy molekul. Směr kterým jsou orientovány se nazývá r direktor ( n ). Molekuly navíc volně rotují kolem své dlouhé i krátké osy. Tato rotace vykompenzuje molekulární dipólové momenty. Jedná se o fázi s nejméně uspořádanou strukturou a vysokým stupněm fluidity (míra tekutosti kapalin). Tato fluidita je společně s anizotropní povahou molekul významná pro konstrukci kapalně krystalických displejů. Fluidní nematická fáze má nízkou hodnotu viskozity a nematické materiály lze navrhovat tak, aby molekulární orientace mohla být přepínána v elektrickém poli [3] [4].
a)
b)
Obr. 1.4 Schematické znázornění mezogenů v nematické fázi orientovaných zhruba ve stejném směru (a) a chemická struktura představující nematika (b) [4]
1.5.2
Kapalné krystaly ve smektické fázi
Ve smektických krystalech jsou protáhlé molekuly uspořádány do vrstev. Vrstvy se po sobě snadno pohybují, dochází k tečení v rovině. Viskozita nabývá o něco větších hodnot než u nematické fáze. S rozvojem experimentálních technik byla objevena řada fází s vrstevnatou strukturou, jako jsou základní typy SmA a SmC fáze (písmenné označení jednotlivých smektických fází je arbitrární a je dáno pořadím, ve kterém byly tyto fáze objevovány a charakterizovány) [2].
-19-
a)
b)
c)
Obr. 1.5 Schematické znázornění mezogenů ve smektické fázi typů SmA (a) a SmC (b) a ukázka chemické struktury (c) [4]
Smektické krystaly typu A mají orientaci delších os molekul ve směru kolmém k povrchu vrstvy. V jednotlivých vrstvách jsou molekuly vzájemně vázány, přesto ve vrstvách neexistuje výrazné uspořádání na velkou vzdálenost, vazby mezi vrstvami jsou velmi slabé. Vrstvy mohou po sobě lehce klouzat, avšak nelze pozorovat uspořádanost mezi vrstvami. Ve směru napříč vrstev je pohyb molekul silně omezen, krystal se jeví jako tuhý. Opticky se smektické krystaly chovají jako jednoosá anizotropní dielektrika s optickou osou shodnou se směrem delších os molekul. Smektické krystaly typu B se vyznačují velmi pravidelným uspořádáním molekul v jednotlivých vrstvách. Stejně jako u typu A, i tady je charakteristické, že delší osa molekul je kolmá k povrchu vrstvy. Molekuly jsou zde na rozdíl od typu A vázány i mezi jednotlivými vrstvami, tedy existuje uspořádání i na velkou vzdálenost. Tyto vzájemné vazby ztíží pohyb vrstev mezi sebou, umožňují však pohyb ve směru delších os molekul bez vlivu na uspořádání. Tyto smektické krystaly mají svým uspořádáním a vlastnostmi nejblíže k tuhým látkám. Opticky se většinou chovají jako jednoosá anizotropní dielektrika. Smektické krystaly typu C mají opět v jednotlivých vrstvách molekuly uspořádány paralelně. Směry delších os molekul se mohou v jednotlivých vrstvách lišit. Uspořádanost molekul v jednotlivých vrstvách není nijak pravidelná. Smektické kapalné krystaly tohoto typu se opticky chovají jako dvojosé krystaly [2].
-20-
Vedle těchto pravých smektických fází existují ještě více organizované krystalické smektické fáze. V kolmých smektických krystalech typů SmB a SmE je ve vrstvách hexagonální a čtvercové uspořádání. U nakloněných smektických krystalů typů SmI, SmF, SmJ, SmG, SmH a SmK je uspořádání hexagonální nebo čtvercové s náklonem molekul ke straně nebo k vrcholu šestiúhelníku nebo čtverce. U fází typů SmJ, SmG, SmH, SmK navíc už vrstvy nejsou zcela nezávislé, ale je mezi nimi korelace na dlouhou vzdálenost. Nejde už o kapalné krystaly v pravém slova smyslu, ale spíše o orientované neuspořádané tuhé látky [6]. 1.5.3
Kapalné krystaly v chirální fázi H3C
a)
H3C
b) H3C H3C
H3C
polovina délky závitu
H3C
Obr. 1.6 Stoupání závitu chirální nematické fáze (half pitch lenght = polovina délky závitu) (a) a ukázka chemické struktury cholesterik (b) [2] [4]
Chirální kapalné krystaly se organizují do pravotočivých či levotočivých spirálových struktur. Cholesterylbenzonát, na kterém byl kapalně krystalický stav objeven (r. 1888), vykazoval mezofázi, kterou nyní označujeme jako chirální nematickou fázi (N*) (dříve podle zkoumaného materiálu označovaná jako fáze cholesterická). Dnes existuje mnoho chirálních materiálů vykazujících N* - fázi. Chirální nematická fáze je analogicky jako u nechirálních r látek tvořena molekulami uspořádanými paralelně s direktorem n .
-21-
r Chiralita molekul však způsobuje mírnou a postupnou rotaci direktoru n a tato postupná
změna direktoru opisuje spirálu vykazující materiálově specifické a teplotně závislé stoupání závitu (obr. 1.6 a). Nematická fáze je tedy zkroucena podél jedné osy, která je kolmá na direktor. Při vyšší teplotě mají zúčastněné molekuly vyšší tepelnou energii, změna úhlu direktoru je větší a závit je kratší (těsnější). Poklesem teploty se naopak délka závitu prodlužuje. Spirálová struktura má schopnost selektivně odrážet světlo o vlnové délce rovné délce stoupání závitu. Aby k tomu však došlo, musí být osa spirály rovnoběžná se směrem procházejícího paprsku. Pokud je délka závitu v oblasti vlnové délky viditelného bílého světla, odráží se selektivně barevné světlo. To je principem komerčně využívaných chirálních nematických materiálů v termochromních zařízeních, teploměrech a dalších zařízeních, které, v důsledku změny kroku spirály, mění barvu v závislosti na teplotě, např. části oděvů, inkousty, barvy, atd. [2]. 1.6
Diskotické kapalné krystaly
Mezomorfie látek diskovitého tvaru byla poprvé popsána v roce 1977 u hexa(alkanoyl) benzenových sloučenin. Nejjednodušším typem diskotické fáze je fáze nematická, ve které jsou molekulární krátké osy přednostně orientovány (obr. 1.7 a). Disky se uspořádávají tak, že většina jejich krátkých os je orientována přibližně paralelně. Nematickou fázi je možno simulovat rozpadem sloupce mincí a jejich náhodných rozprostřením na stole. a)
b)
Obr. 1.7 Struktura diskotických kapalných krystalů v podobě nematické fáze (a) a polohovém uspořádání (b) [4]
Polohové uspořádání (obr. 1.7 b) v diskotických krystalech vyplývá z tendence plochých molekul uspořádat se samovolně do sloupců. Ty se pak v rovině kolmé na sloupce uspořádávají do dvourozměrné mřížky, buď pravoúhle nebo hexagonálně. Výsledná struktura se označuje jako kolumnární fáze. V některých kolumnárních fázích rovněž dochází k odklonu krátkých os molekul od osy sloupce (jsou tiltovány). Směr odklonu se mění od jednoho sloupce k druhému. Aplikace využívající diskotické kapalné krystaly nalezneme ve fotovoltaických zařízeních, u organických diod (OLED), v LCD panelech, atd [2]. -22-
1.7
Lomené kapalné krystaly
Ačkoliv molekuly s lomeným tvarem vykazující mezogenní vlastnosti byly popsány již před 80 lety, jejich tvar byl považován za nevhodný a nepoutal bližší pozornost. V roce 1996 však bylo teoreticky předpovězeno, že molekuly s lomeným tvarem by mohly vytvářet polární fáze vykazující (anti)feroelektrické vlastnosti i bez přítomnosti chirálního prvku v molekule. Vzhledem ke značné obtížnosti a nákladnosti syntézy opticky čistých chirálních materiálů jde o vlastnost s velkým potenciálem pro optoelektronické aplikace. To pochopitelně vyvolalo intenzivní výzkum v této oblasti kapalných krystalů a dnes je možno tuto skupinu materiálů považovat za samostatnou součást termotropních kapalných krystalů. Kapalné krystaly banánového tvaru obecně vytvářejí smektické fáze, které jsou však odlišného typu než ty, které vytvářejí kalamitické materiály. Tvorba nematických fází je výjimečná. Podobně jako pro geometrii kalamitických kapalných krystalů je i pro geometrii kapalných krystalů banánového tvaru důležitým prvkem rigidní jádro, které u těchto molekul primárně zajišťuje jejich ohnutý tvar. Za ideální úhel obou ramen banánového kapalného krystalu se považuje 120 °. Z daného faktu vychází i volba vhodného strukturního prvku jako základu jádra. V dnešní době se nejčastěji využívá jader odvozených od 1,3-substituovaného benzenu (např. benzen-1,3-diolu), popř. 2,7-disubstituovaného naftalenu (např. naftalen-2,7diolu). Bylo však prokázáno, že úhel ohybu může mírně kolísat kolem této hodnoty (110 až 140 °). Strukturální rentgenová analýza i NMR spektroskopie prokázaly, že lomená struktura zůstává zachována i v mezofázi a velikost úhlu mezi oběma rameny je závislá na typu a poloze laterálního substituentu v centrálním jádru [2].
Obr. 1.8 Prostorové uspořádání molekul lomených kapalných krystalů [4]
-23-
Vyvolání makroskopické chirality vrstev je umožněno velmi těsným uspořádáním molekul (Layer Plane), existencí tiltu (Tilt Plane) a vznikem polarizace (Dipole Plane), viz. obr. 1.8. V důsledku značné omezenosti molekulární rotace kolem dlouhé osy molekuly tyto tři veličiny vytvářejí dvě možná zrcadlově symetrická prostorová uspořádání (racemické a homogenní), tj. mohou vzniknout dvě makroskopicky opačná uspořádání vrstev i přes nepřítomnost chirality v molekulách. Pro označení různých fází se v případě banánových kapalných krystalů používá jak označení odvozené od kalamitických fází tak často i speciální označení BX, kde X je index fáze v pořadí, v jakém byly objeveny. U kapalných krystalů banánového tvaru je kompenzace spontánní polarizace v antiferoelektrické fázi realizována změnou direktoru mezi sousedními vrstvami. Zatímco u běžných kalamitických kapalných krystalů je vznik antiferoelektrické fáze vzácný oproti fázím feroelektrickým, je situace u kapalných krystalů banánového tvaru opačná. Antiferoelektrické uspořádání pak u těchto látek umožňuje částečné pronikání sousedních vrstev a je tedy energeticky výhodnější, zatímco feroelektrické uspořádání jej znevýhodňuje. Stejný efekt pak u klasických kalamitických kapalných krystalů zvýhodňuje feroelektrické uspořádání [2]. 1.8
Fyzika kapalných krystalů
Strukturu kapalných krystalů lze snadno ovlivnit vnějšími poli i tvarem a vlastnostmi stěn nádob, ve kterých jsou umístěny. Těchto vlastností se využívá k uspořádávání a orientaci vzorků používaných ke studiu i pro aplikace v displejích. Jako nádobky se většinou používá skleněných planárních buněk (liquid crystal cells) s definovanou tloušťkou. Povrchy skel jsou opatřeny průhlednými elektrodami, které slouží k přiložení elektrického pole a dále jsou speciálně upraveny tak, aby se molekuly na nich uchytily definovaným způsobem a to buď s dlouhou osou rovnoběžnou s určitým směrem na povrchu - planární kotvení (obr. 1.9 b), nebo dlouhou osou kolmou na povrch - homeotropní kotvení (obr. 1.9 a) anebo šikmo k povrchu pod definovaným úhlem. Interakcemi mezi molekulami se toto uspořádání přenáší od povrchu dovnitř vzorku. Uvnitř vzorku je pak možno ještě uspořádání molekul ovlivnit pomocí elektrického nebo magnetického pole [5]. a)
b)
Obr. 1.9 Uspořádání molekul v homeotropním (a) a planárním vzorku (b) [5]
-24-
1.8.1
Mechanické vlastnosti
V kapalných krystalech podobně jako v kapalinách nelze vyvolat prostorově homogenní deformace. Typickými deformacemi kapalných krystalů jsou ohyb, rozevření a zkrut. Důsledkem ohybové deformace nebo deformace rozevření může být i indukce náboje. K vysvětlení tohoto jevu je třeba uvažovat nesymetrický tvar molekul, který má za následek jejich speciální rozložení v ohybu nebo rozevření (viz. obr. 1.10). Tento jev, který je nehomogenní analogií piezoelektrického jevu známého u tuhých látek, se nazývá flexoelektrický jev. Důsledkem citlivosti kapalných krystalů na deformace je vznik četných poruch, které jsou pro kapalné krystaly typické. Tyto poruchy vytvářejí textury charakteristické pro jednotlivé fáze. Tyto fáze je pak možno podle pozorovaných textur identifikovat. Ve všech fázích je možno pozorovat čárové poruchy zvané disklinace, tj. poruchy v rotační symetrii. Vidíme je v textuře vzorků jako nitě. Jsou typické zejména pro nematika, kterým daly jméno (řecké “nema” znamená vlákno). Ve smektických kapalných krystalech se dále vyskytují poruchy ve vrstevnatém uspořádání – dislokace, známé i v tuhých látkách. V případě větších deformací dojde ke vzniku tzv. fokálních konik, které jsou spojené s velkým zakřivením smektických vrstev [5].
a)
b)
Obr. 1.10 Uspořádání molekul tvaru kapky v deformaci rozevření (a) a tvaru banánu v deformaci ohybu (b). Molekulární dipóly jsou označeny šipkami [5] 1.8.2
Elektrické a magnetické vlastnosti
Interakce kapalných krystalů s elektrickým a magnetickým polem se dá popsat pomocí dielektrické a magnetické susceptibility. Jelikož struktura kapalných krystalů je anizotropní jsou obě susceptibility tensory, tj. mají různou velikost v různých směrech. Mikroskopický původ dielektrické susceptibility je v působení elektrického pole na molekulární dipólové momenty, které se snaží uspořádat. Vlivem anizotropie struktury je dielektrická susceptibilita podél střední dlouhé osy molekul (direktoru) χr jiná než ve směru kolmém χk. Interakce r s elektrickým polem E lze pak popsat pomocí elektrické volné energie Fel, do níž vstupuje -25-
dielektrická anizotropie εa = εr - εk, kde ε = χ + 1, a skalární součin vektoru elektrického pole a direktoru Fel = −
r r 1 εa ( E n ). 2
(1.1)
Dielektrická anizotropie může být kladná i záporná. Při kladné anizotropii se molekuly natáčejí do směru elektrického pole, při záporné se staví kolmo na směr elektrického pole. V obou případech dojde ke snížení elektrické energie [5]. Magnetická susceptibilita κ většiny kapalných krystalů je záporná, to znamená, že jsou tzv. diamagnetické. Podobně jako u elektrických vlastností je interakce magnetického pole s kapalným krystalem vyjádřena magnetickou volnou energií, která závisí na magnetické anizotropii κa = κr - κk , a na skalárním součinu vektoru magnetického pole a direktoru Fm = −
r r 1 κa ( H n ). 2
(1.2)
r r U kapalných krystalů platí |κk| > |κr|, tj. κa > 0. V případě, kdy vektory n a H jsou
paralelní, je energie Fm nejnižší, proto se molekuly natáčejí svojí dlouhou osou do směru magnetického pole. Popsané děje dokumentují rozdíl chování vzorků kapalných krystalů a tuhých krystalických látek. Pro oba tyto systémy je charakteristická anizotropie dielektrických i magnetických vlastností. U tuhých látek v polích dojde pouze ke vzniku indukovaného elektrického nebo magnetického momentu, který je různě velký pro různou orientaci pole v materiálu. U kapalných krystalů, díky jejich tekutosti, dochází k reorientaci molekul vzhledem k působícímu vnějšímu poli. Proto je možno využívat vnější pole k uspořádávání kapalných krystalů ve vzorcích. V případě, že vzorek je pomocí povrchového zakotvení orientován předem do homeotropního nebo planárního uspořádání (viz. obr. 1.9), je možné ho působením polí převrátit do uspořádání opačného. Tomuto chování se říká Frederiksův přechod. Po odpojení pole se molekuly opět vrátí zpět do uspořádání vynuceného povrchem. Na tomto principu pracují běžné displeje z kapalných krystalů a k převracení je použito elektrické pole [5]. 1.8.3
Optické vlastnosti
Nematické kapalné krystaly jsou opticky jednoosé matriály s optickou osou rovnoběžnou s direktorem. Jev, kdy při dopadu světelného paprsku a jeho průchodu látkou dojde k rozštěpení paprsku na dva, takže obraz se jeví jako zdvojený se nazývá dvojlom a u nematických kapalných krystalů je obrovský ∆n ~ 0,2 – 0,3. V homeotropním vzorku (obr. 1.9 a) je ∆n = 0, v planárním vzorku (obr. 1.9 b) je ∆n maximální.
-26-
Unikátní optické vlastnosti má zkroucený (twistovaný) vzorek. V něm dochází ke stáčení roviny polarizovaného světla o úhel π / 2 bez ohledu na tloušťku vzorku. To znamená, že mezi zkříženými polarizátory propouští světlo. Analogický jev je v pevných látkách neznámý. Zkroucený vzorek je základem jednoho z typů LCD (liquid crystal display). Elektrické pole přiložené na zkroucený vzorek prostřednictvím průhledné elektrody reorientuje tento vzorek na vzorek homeotropní, kterým mezi zkříženými polarizátory světlo neprochází. K reorientaci dochází mechanismem Frederiksova přechodu, který zde vhodně funguje jen u materiálů s pozitivní dielektrickou anizotropií, tj. εa > 0. Po vypnutí pole se vzorek opět vrátí do zkrouceného uspořádání daného povrchovým zakotvením molekul. Tyto displeje zobrazují tmavé znaky na světlém pozadí, protože světlo neprochází právě v částech displeje pod elektrickým polem [5]. Cholesterické kapalné krystaly jsou jednoosé, opticky negativní materiály, osa zkrutu je optickou osou. Podél ní dochází k rotaci roviny polarizovaného světla, rotace může být pravotočivá i levotočivá. Tento jev je analogií optické aktivity u tuhých látek. V praxi to znamená, že při osvětlení bílým světlem se vzorek jeví jasně zbarvený podle odražené vlnové délky λ ~ p . Hodnota p se výrazně mění s teplotou, proto i vzorek mění barvu s teplotou. Tohoto jevu se využívá k mapování teplotních polí v lékařství nebo pro diagnostiku materiálů. Smektické kapalné krystaly - ortogonální smektické fáze jsou opticky jednoosé, positivní, optická osa je kolmá na vrstvy, tzn. je rovnoběžná s direktorem jako u nematických fází [5].
Způsoby využití optických vlastností kapalných krystalů: •
dynamický rozptyl
•
deformace vertikálních fází
•
stočený nematický krystal
•
termická a elektrická kolorace kapalných krystalů
Dynamický rozptyl DSM Principem metody dynamického rozptylu světla je měření světla rozptýleného molekulami ve vzorku v průběhu času. Při rozptylu světla molekulou se rozptýlí část dopadajícího světla. Kdyby byla molekula stacionární, množství rozptýleného světla by bylo konstantní, ale jelikož všechny molekuly v roztoku difundují Brownovým pohybem vzhledem k detektoru, existují interference (pozitivní nebo negativní), které způsobují změnu intenzity. Čím rychleji částice difundují, tím rychleji se mění intenzita (pokud mělo světlo dostatečný
-27-
jas, projeví se to jako viditelný jev mihotání). Rychlost těchto změn je tudíž přímo závislá na pohybu molekuly. Difúzi molekul v principu ovlivňují následující faktory: •
teplota – čím vyšší je teplota, tím rychleji se molekuly pohybují
•
viskozita rozpouštědla – čím vyšší je hodnota viskozity rozpouštědla, tím pomaleji se molekuly pohybují
•
velikost molekul – čím větší jsou molekuly, tím pomaleji se pohybují
Jsou-li teplota a rozpouštědlo známy a konstantní, proměnlivost intenzity rozptýleného světla je přímo úměrná „velikosti“ molekuly. Tato veličina se nazývá hydrodynamický poloměr (RH) a je znázorněna na obr. 1.11 [6].
Obr. 1.11 Hydrodynamický poloměr molekulové struktury [6] Dynamický rozptyl lze pozorovat v tenkých filmech nematických kapalných krystalů se zápornou dielektrickou anizotropií (εa < 0), kde je elektrický dipól kolmý na geometrickou osu. Vrstva kapalného krystalu v mezofázi nenarušená vnějším působením je čirá. Při přiložení rostoucího napětí se kapalný krystal vlivem elektrického pole stává ještě homogennějším a mizí poruchy v jeho uspořádání. Při dosažení prahové intenzity (cca 200 V·mm-1) se povrch krystalu v odraženém světle silně nehomogenizuje, objeví se světlejší a tmavší místa. V krystalu začíná vznikat hydromechanická cirkulace molekul po uzavřených drahách. Důsledkem turbulencí v objemu krystalu je silný rozptyl světla nazývaný právě dynamickým rozptylem [3]. Deformace vertikálních fází DAP Vychází z elektricky řízeného dvojlomu v homeotropní vrstvě nematických kapalných krystalů. Homeotropní vrstva krystalů se bez přiloženého napětí chová jako jednoosý krystal s optickou osou kolmou na elektrody. Homeotropní uspořádání molekul se v nematikých kapalných krystalech získává většinou přidáním povrchově aktivní směsi do mateřského krystalu. Přiložením napětí dojde, pokud budou mít molekuly zápornou dielektrickou -28-
anizotropii, k deformaci vzpřímených fází. Úhel náklonu geometrických os molekul závisí na velikosti i polaritě budoucího napětí. Náklon os molekul způsobí změnu směru optické osy krystalu vzhledem k dopadajícímu záření. Při kolmém dopadu záření na krystal ve směru optické osy se materiál chová jako izotropní látka, při průchodu záření nedochází k žádným změnám jeho polarizace. Ve vrstvě bez napětí jsou rychlosti obou vlastních vln shodné, nedochází ke změnám polarizace, pozorovatel vidí světlé pole. Zatemnění pole při přivedení napětí je však závislé na vlnové délce záření zdroje. Při osvitu buňky s kapalným krystalem v módu DAP bílým světlem dojde vlivem napětí jednak ke zatemnění pole, ale též k jeho zbarvení [3]. Stočený nematický krystal TN Vychází z uspořádání molekul kladně dielektricky anizotropního nematického kapalného krystalu. Stočená struktura se dá odvodit tak, že jednu z desek, mezi kterými jsou umístěny kapalné krystaly, otočíme vzhledem k druhé o 90 °. Geometrické osy molekul se budou šroubovitě natáčet od horní elektrody ke spodní. Tato struktura podobně jako chirální kapalné krystaly vykazuje optickou aktivitu. Ve stavu bez napětí způsobí optická aktivita krystalu stočení polarizace dopadajícího světla. Polarizátor výstupní záření absorbuje a pole se jeví jako temné. Po přiložení napětí se naopak vyjasní. Kladná dielektrická anizotropie molekul způsobí natočení molekul kolmo k elektrodám, čímž zmizí optická aktivita a záření bude krystalem procházet jako v izotropní kapalině. Polarizátor propustí vystupující záření, které průchodem kapalného krystalu nezměnilo svou polarizaci [3]. Termická a elektrická kolorace kapalných krystalů Tenký film chirálního kapalného krystalu mění při odrazu v osvitu bílým světlem svou barvu podle teploty. S teplotou krystalu se svinují nebo rozvinují spirály Grandjeanovy textury. Úhel otočení roviny polarizace záření při průchodu vrstvou kapalných krystalů závisí na kroku spirály, délce dráhy záření v krystalu a kmitočtu záření. Elektrická korelace je založena na využití kladně dielektricky anizotropního nematického kapalného krystalu, do jehož textury jsou zabudovány molekuly pleochroického barviva. Tvarem a strukturou se molekuly pleochroického barviva podobají molekulám nematických kapalných krastalů. Příkladem těchto barviv je methylová červeň či indofenolová modř. Pleochroismus molekul barviva spočívá ve směrově selektivním pohlcování určitých vlnových délek. Je-li geometrická osa molekuly rovnoběžná s vektorem elektrické intenzity lineárně polarizovaného záření, je záření některých vlnových délek intenzivně absorbováno. Je-li geometrická osa molekuly barviva kolmá na vektor elektrické intenzity, je světlo propouštěno [3]. -29-
1.9
Aplikace s kapalnými krystaly
Termotropní kapalné krystaly se vyskytují v celé řadě elektronický a optických aplikacích, zde budou uvedeny jen některé z nich. S kapalnými krystaly se lze setkat při výrobě polaroidů, kdy je tenká vrstva nematického kapalného krystalu umístěna mezi dvěmi orientovanými průsvitnými destičkami. Nematické kapalné krystaly jsou při výrobě orientovány tak, aby jejich dlouhé osy byly rovnoběžné. Polaroid je tedy tenký filtr pro získávání polarizovaného světla tím, že při průchodu nepolarizovaného světla je intenzita elektrického pole v jednom směru pohlcena a ve směru kolmém částečně propuštěna. Cholesterických kapalných krystalů se využívá v indikátorech chemických látek. Tato aplikace je založena na citlivosti cholesterické fáze na přítomnost par různých chemických látek. Výhodou je možnost identifikace chemických látek i v malých koncentracích. Nové materiály založené na metal-alkanových kapalných krystalech a smektických sklech se využívají pro impulsní dynamické holografické aplikace. Třídu smektických iontových kapalných krystalů a iontových smektických skel (ISG) zastupují metal-alkany s jedno, dvou a tří mocnými kovovými kationy. Metal-alkanové ionty kapalných krystalů (ILC) mají vlastní dvouvrstvou smektickou strukturu jež se skládá z nesmáčivých alkylových řetězců a kationtových vrstev. Pro zobrazení dynamických hologramů se užívá impulsních laserových zařízení a optický nelineární mechanismus je určen hlavně využitím fotocitlivé příměsi v metal-alkanové matici [8]. Technologie kapalných krystalů se též používá u telekomunikačních zařízení. Konkrétně jde o použití ve vlnových multiplexech DWDM. Hustý vlnový multiplex optické sítě, tak jako u informační sítě, vyžaduje přepínač směru šíření signálu. DWDM sítěmi prochází několik informačních kanálů současně ve stejném světelném vlnovodu (optickém vláknu) a každý kanál má vlastní vlnovou délku. Následkem toho tyto sítě vyžadují přepínače, které budou vybírat vlnové délky s velmi vysokým rozlišením (rozdíly vlnových délek jsou v nanometrech). Obvykle se používají dva způsoby: mikroelektromechanické zrcadlo (MEM) a kapalné krystaly (LC). MEM jsou mikrozrcadla zkonstruována mikrolitografickou metodou. Technologie kapalných krystalů má relativně dlouhou historii pro optické měniče. Pracují na tom principu, že kapalné krystaly způsobí dvojlom a optická osa může být pomocí kapalného krystalu a elektrického pole přeorientována. Ve funkci kapalných krystalů jako měničů vlnové délky byly navrhnuty dva mechanismy: polarizační modulace a fázová modulace. Používá se kapalných krystalů na křemíkovém čipu LCOS s aktivní maticí, podobně jak je tomu v mikrodisplejích s vysokým rozlišením. Vrstva nematických kapalných krystalů je mezi dvěma průhlednými substráty. Průhledné řídící elektrody jsou z vnitřní strany osazeny substráty a jsou připojeny k napěťovému zdroji skrz elektrický spínač. Takto by vypadalo -30-
zařízení elektricky řízeného dvojlomu. Můžeme použít i další zařízení jako je polarizační přepínač, ten může být typu – 90 ° zkroucený nematický krystal (používán nejběžněji kvůli jeho lepšímu optickému výkonu a operuje s nižším napětím), 270 ° zkroucený nematický krystal a feroelektrické kapalné krystaly [9]. Asi nejrozšířenějším a nejznámějším použitím kapalných krystalů je jejich uplatnění v elektrooptických zobrazovačích (displejích), které se používají v hodinkách, kalkulačkách a nejrůznějších elektronických přístrojích. Při konstrukci displejů se využívá změny optických vlastností kapalných krystalů pod vlivem elektrického pole. Vhodnost výběru kapalného krystalu (většinou jde o směs kapalných krystalů), typu elektrooptického jevu a aplikačního uspořádání se posuzuje podle následujících kritérií [5]: •
optický kontrast
•
rychlost optické odezvy na změnu pole
•
teplotní obor funkce displeje
•
zorný úhel, pod kterým kontrast zůstává na dobré úrovni
•
optická homogenita displeje
•
chemická a fotochemická stabilita
•
spotřeba elektrické energie
LCD displeje jsou neemisní zdroje obrazu, tzn. nevytváří vlastní záření, ale upravují okolní světlo. Mají dobrou viditelnost na denním světle, velmi nízké nároky na výkon (běžně 10 až 100 µW·cm-2) a jsou látkově vhodné pro použití v přenosných přístrojích. Displeje z tekutých krystalů lze dělit podle metody, při níž jsou aktivovány (adresovány) jednotlivé obrazové prvky (pixely). Obvykle se používají dva režimy adresování: pasivní (passive matrix – PM) a aktivní (active matrix – AM). U pasivních LCD displejů řídí celý řádek nebo sloupec jeden tranzistor. Napětí přivedené na kterýkoliv vybraný pár vyvolá reakci materiálu tekutého krystalu v průsečíku elektrod. Nevýhodou je jeho pomalejší reakce na změny obrazu (větší než 150 ms) a také barvy nemají odpovídající sytost. U prvních panelů s pasivní maticí se kapalné krystaly natáčely o 90 °. Toto řešení dobře fungovalo pro displeje s malou informační hustotou, ale bylo nevhodné pro počítačové zobrazovače. Proto vznikly displeje se superzkroucenými nematickými krystaly dosahující většího zkroucení odlišným chemickým složením. Obraz se viditelně zlepšuje při zkrutu krystalu o 180 ° nebo 270 °. Větší zkrut sice zesiluje polarizaci, ale také dokáže zabarvit procházející světlo (to se projevilo v prvních laptopech jejich namodralým či nažloutlým zabarvením). Dalším pokrokem u displejů s pasivní maticí byla technologie DSTN – dvojitý displej se superzkroucenými nematickými krystaly. Šlo o dvě LCD vrstvy -31-
položené na sebe, jež byly zkrouceny v opačném směru. Nevýhodou byla jejich náročná výroba a také pohlcovali mnohem více světla. Další jednodušší možností spočívá v použití kompenzačních filtrů pro zeslabení zbarvujících efektů. Většina dnešních barevných panelů s pasivní maticí využívá filtrem kompenzovanou technologii (FSTN). Největší zlepšení panelů s pasivní maticí přinesli konstrukce s dvojím vykreslováním. Panel je rozdělen vodorovně na dvě poloviny, přičemž se obě poloviny vykreslují současně, což umožní, aby se každý pixel vykreslil častěji. To samozřejmě působí na zlepšení kontrastu, kvalitu barev a dobu odezvy. Aktivní LCD displej má přepínací zařízení a akumulační kondenzátor integrovány v každém pixelu, což zabraňuje vzájemnému ovlivňování sousedících pixelů. Jako integrovaná přepínací zařízení se nejvíce užívají tranzistory vsazené do tenkých vrstev, proto se tyto displeje nazývají TFT (thin – film transistor). Každý pixel je tedy aktivně ovládán jedním tranzistorem. Aby vznikl obraz potřebujeme ještě dvě složky – světlo a barvu. Světlo zajišťují podsvětlovací katody, které vyzařují bílé světlo a musí být velmi jasné. Široká škála barev je zajištěna pomocí tří barevných složek – červené, zelené a modré. Protože se každý obrazový bod displeje skládá ze tří barev (sub-pixelů), musí tedy i každý sub-pixel obsahovat svůj spínací prvek, tak jak je vidět na obr. 1.12. Většina displejů dnes nabízí 256 úrovní jasu.
tranzistor (TFT)
obrazový bod (pixel)
subpixel
Obr. 1.12 Ukázka jednotlivých sub-pixelů LCD panelu [10] Šířka těchto bodů musí být samozřejmě velice malá a pohybuje se standardně v rozmezí cca 0,24 - 0,29 mm, u nejvyspělejších panelů může klesnout na pouhých 0,12 mm. Rozteč bodů také ovlivňuje maximální rozlišení při dané úhlopříčce, a proto se jen výjimečně objevují malé monitory s vysokým rozlišením. Náročností výroby se však zvyšuje jejich cena. Jen pro příklad, při rozlišení displeje 1024 x 768 pixelů, je v displeji umístěno 2 359 296 tranzistorů [10].
-32-
Elektrooptické přepínání kapalných krystalů Polární povaha molekul kapalných krystalů znamená, že jejich konfigurační uspořádání je závislé na přiloženém vnějším elektrickém poli (obvykle paralelní k direktoru pro pozitivní dielektrickou anizotropii). Kapalný stav umožňuje molekulám pohyb podle velikosti působícího pole na buňku kapalných krystalů a díky anizotropním optickým vlastnostem, dochází při jejich rotaci ke změně indexu lomu. Převážná část fázového posuvu je řízena elektronicky. Jako první polarizují dopadající světlo a způsobují tak zpoždění, díky kterému se využívají v řadě aplikací, a které je také základem většiny elektrooptických měničů s kapalnými krystaly. Je použito nematických kapalných krystalů v rovinném uspořádání buněk vložených mezi zkřížené polarizátory a svorkové napětí (na těchto parametrech závisí i hloubka modulace). Pro různá napětí je dosaženo různých fázových modulací. Při fázovém posunu rovnému π procházející světlo není polarizováno a vzhledem k poloze direktoru neprojde druhým polarizátorem a výsledným stavem je tma. Při fázovém posunu rovnajícímu se 2π výsledné světlo projde skrz druhý polarizátor a výsledkem je jasný stav. Další stavy jasu nacházející se mezi tmou a úplným jasem jsou řízeny napětí.
světlo neprochází
průchod světla polarizátor (+45° vzhledem k direktoru) vodivá vrstva ITO (Indium Tin Oxid) vyrovnávací vrstva LC kapalné krystaly
skleněný substrát polarizátor (-45° vzhledem k direktoru)
dopadající světlo
dopadající světlo
Obr. 1.13 Schéma představující buňku kapalného krystalu a průběh modulace při přepínání mezi jasným stavem (vlevo) a tmou (vpravo) [11]
Nematické kapalné krystaly nicméně mění stavy pro náročnější zobrazovací aplikace pomalu. Proto se vyvíjí stále nové technologie s kapalnými krystaly, které budou zvládat náročnější aplikace a přitom se bude snižovat čas odezvy. Mezi takové patří například extra zkroucené nematické kapalné krystaly, smektické kapalné krystaly typu A, displeje na principu kapalně krystalového laseru (liquid crystal laser display), modrých fázích kapalných -33-
krystalů (blue phase liquid crystal display), polymer-disperzních kapalných krystalech (polymer-dispersed liquid crystal display), dye guest-host systémy a hybridní displeje [11]. Populárním hitem poslední doby, nejvíce známým z mobilních telefonů, avšak hojně využívaným i v jiných aplikacích jsou dotykové displeje. Klasické ovládací prvky, nejčastěji v podobě tlačítek, ale i jiných přepínačů a jiných analogových prvků, jsou nahrazeny dotekovou plochou, umístěnou před samotným displejem. Takovýto systém umožňuje snadné ovládání a je možná rychlá úprava zobrazovaného obsahu, kupříkladu od jednoho ovládacího tlačítka až po celou klávesnici zobrazenou na displeji. Problémem nejsou ani aplikace umožňující kreslení čar nebo operace Drag & Drop. Veškerá zobrazení ovládacích prvků, jejich snímání a kompetentní zpracování je poté otázkou softwarového vybavení [12]. Pro každodenní používání se díky své spolehlivosti osvědčili především dva typy snímacích dotykových ploch: Odporový panel je jednoduchým a cenově výhodným řešením realizace dotykové plochy. Na jeho výstupech je k dispozici analogová hodnota každé osy, přitom prostřednictvím A/D převodníků mikrokontroléru může být snadno vypočítán soubor souřadnic právě zobrazených aktivních prvků. Kapacitní panely tvořené oddělenou skleněnou plochou jsou druhou možností snadné realizace dotykových ploch. K dispozici jsou přitom pevně dané snímací plošky rozmístěné nejčastěji v pravidelných útvarech po celé ploše displeje. Použití takových panelů má velkou výhodu především ve kvalitním skleněném povrchu umístěném před samotný displej. Ten může v případě potřeby sloužit zároveň jak ochrana proti poškrábání či poškození. Navíc je skleněná plocha značně odolná i proti chemicky agresivním kapalinám a čistícím prostředkům, což dále zvyšuje užitnou dobu zařízení [12]. Široký teplotní rozsah, dlouhodobá použitelnost a zvýšená odolnost proti nárazům a vibracím s sebou přinesly nové technické požadavky na tyto prvky systémů, tedy nové výzvy pro výrobce TFT displejů. Navíc musí být u součástek určených pro průmyslové zákazníky zajištěna jejich dostupnost po dlouhou dobu beze změny jejich vlastností a jejich přiměřená cena. Mnoho výrobců displejů se tak snaží o vyhrazený rozsah od 2,2“ až do 10,4“ splňující všechny tyto požadavky. Běžným a snadno dostupným řešením jsou především QVGA (320x240) a VGA (640x480) typy. Při požadavku na širokoúhlý formát poté typy WQVGA (400x240) a WVGA (800x480). Jako volitelný doplněk je k dispozici čtyř drátový odporový dotykový panel, laminovaný přímo do TFT. Displej může být vybaven i dalším typem dotykové technologie, jako jsou skleněné panely pro Cypress' CapSense (nová technika pro kapacitní snímání), apod. [12]
-34-
Další možností uplatnění LCD technologie jsou 3D monitory. Využívá se klasických TFT monitorů a polarizace světla pomocí pasivních polarizačních brýlí. Tyto monitory slučují obrazy pro pravé a levé oko do jednoho snímku a použitím polarizace dojde k zobrazení obrazů do každého oka. Tato technologie je použita v moderních 3D kinech a je schopna vytvořit kvalitní 3D efekt. Existuje několik nevýhod těchto monitorů. Je snížen jas obrazu vzhledem k tomu, že každý pixel musí vyjádřit obraz pro každé oko zvlášť. Také polarizace není dokonalá, může dojít k nevyrovnanému zobrazení barev. Avšak již nyní existuje několik typů 3D brýlí, které zdokonalují požadovaný 3D efekt, a dokonce jsou dostupné monitory, jež nabízí 3D efekt bez použití brýlí. Stejně tak, jako LCD nahradily velké CRT obrazovky a HDTV nahrazují klasické televizory, předpokládá se, že 3D monitory a televize budou další hlavní technologií displejů. 1.10
Princip polarizace světla
Světlo je příčné elektromagnetické vlnění. Elektromagnetické pole světelné vlny má v každém bodě paprsku stejný charakter jako v případě rovinné vlny. Toto pole je tvořeno r třemi navzájem kolmými vektory intenzity elektrického pole E , intenzity magnetického r r pole H a vlnového vektoru k , který je roven r 2π r k= ⋅s ,
(1.3)
λ
r r r r kde s je jednotkový vektor tečný k paprsku. Vektory E , H , k tvoří pravotočivý systém,
jedná se o vlnění transverzální (příčné). Interakce světla s optickým prostředím se ve většině případů realizuje interakcí s elektrickým polem světelné elektromagnetické vlny. Je to proto, že intenzita elektrického pole ovlivňuje distribuci elektronů v látce. Vzhledem k tom, že rychlost pohybu těchto elektronů ve je mnohem menší než rychlost světla c a magnetické pole vlny vykonává silové působení úměrné intenzitě a poměru ve / c, můžeme magnetickou složku interakce zanedbat. Distribuce hustoty elektronů v látce souvisí s její polarizací vlivem světelné vlny a tedy i s indexem lomu látky. V anizotropních materiálech je v důsledku anizotropie molekul jejich elektrická polarizace v různých směrech různá. Index lomu takové látky bude záviset jak na směru šíření světelné vlny, tak i na směru, ve kterém kmitá vektor intenzity jejího elektrického pole. Tento r směr kmitání vektoru E nazýváme polarizací světelné vlny [14].
-35-
1.10.1 Polarizace světelných svazků
Bude předpokládáno, že světelné svazky jsou výsledkem superpozice záření z mnoha elementárních zdrojů (atomů, molekul, apod.). I když každý takový elementární zdroj emituje záření s přesně definovanou polarizací v daném směru šíření, závisí stav polarizace světelné vlny na koherenci záření z jednotlivých elementárních zdrojů. Pokud elementární zdroje emitují koherentní světlo, které má pro jednotlivé zdroje různou eliptickou polarizaci, bude mít výsledný svazek opět eliptickou polarizaci. Její charakter bude záviset jednak na charakteru polarizace vln emitovaných jednotlivými elementárními zdroji, jednak na fázovém posunutí jednotlivých vln vůči sobě. Emitují-li elementární zdroje nekoherentní záření, získá se superpozicí světlo zcela nepolarizované (někdy polarizované částečně). Pokud jednotlivé elementární zdroje emitují nekoherentní světlo se stejnou polarizací, bude tuto polarizaci mít i výsledný svazek. Světlo z běžně užívaných zdrojů jako jsou výbojky, žárovky, apod. je nepolarizované. Polarizovaného světla lze dosáhnout buďto použitím zdroje polarizovaného světla, a nebo světlo s požadovanou polarizací získat z nepolarizovaného světla jeho polarizací. Nejpřístupnějším zdrojem polarizovaného světla je plynový laser, který emituje úzký svazek vysoce monochromaticky lineárně polarizovaného světla. Dalším, méně dostupným zdrojem polarizovaného světla je synchrotronové zařízení, emitované elektrony pohybujícími se po kruhové dráze v magnetickém poli. Toto světlo je též polarizováno lineárně a jeho polarizační rovina je totožná s rovinou kruhové orbity elektronu [14]. Nejběžnější metodou získání polarizovaného světla polarizací je použití polarizačního filtru. Polarizační filtry jsou schopny blokovat jednu ze dvou rovin kmitání elektromagnetické vlny. Zda-li budou kmity absorbovány filtrem ve vertikálním nebo v horizontálním směru určuje polarizační osa filtru. Tato osa je po celé délce filtru a umožňuje průchod pouze elektromagnetickému vlnění, které je s osou rovnoběžné (obr. 1.14).
nepolarizované světlo
polarizační filtr
polarizované světlo
Obr. 1.14 Polarizace světla pomocí polarizačního filtru
-36-
Dalším typem polarizace světla je polarizace odrazem. Míra polarizace závisí na úhlu, pod kterým světlo dopadá na povrch materiálu. Kovové materiály světlo odráží v různých směrech, takové odražené světlo je nepolarizované. Naopak nekovové povrchy odráží světlo s velkou koncentrací vlnění v rovině rovnoběžné s povrchem odrazu. Ideálním příkladem je vodní hladina, kde je odrážející se světlo částečně polarizováno ve směru rovnoběžném s vodní hladinou. K polarizaci světla může také dojít při průchodu paprsku světla z jednoho materiálu do druhého – polarizace lomem světla nebo polarizace rozptylem. 1.10.2 Polarizace světla dvojlomem
Většina optických materiálu v krystalickém stavu je opticky anizotropních, což znamená, že podmínky pro šíření světla uvnitř těchto materiálů závisí na směru paprsku vzhledem ke krystalografickým osám. V takových materiálech dochází k dvojlomu, kdy se dopadající nepolarizovaný světelný paprsek štěpí na dva paprsky, které se obecně šíří různým směrem s různou fázovou rychlostí a každý z nich je lineárně polarizovaný. Roviny polarizace těchto paprsků jsou navíc vzájemně kolmé. V každém dvojlomném krystalu existují jeden nebo dva směry, ve kterých ke dvojlomu nedochází. Tyto směry se nazývají optické osy. Krystaly je pak možno dělit na dvouosé (mají dva směry, v nichž k dvojlomu nedochází) a jednoosé (existuje jediný směr, v němž k dvojlomu nedochází). Pomocí dvojlomu lze získat dva úplně polarizované vzájemně oddělené paprsky v navzájem kolmých polarizačních rovinách. To umožní jeden z nich odklonit a získat tak z přirozeného světla světlo lineárně polarizované. Elektronicky kontrolované dvojlomné přístroje jsou spolu s polarizačními filtry využívány jako optické modulátory [14]. 1.10.3 Dichroismus
Dichroismem nazýváme různou velikost absorpce světla, šířícího se v dané látce určitým r směrem, pro různé orientace vektoru elektrické intenzity E světelné vlny. To vede k závislosti koeficientu absorpce světla, šířícího se daným směrem, na polarizaci. V krajním r případě je látka zcela propustná, je-li vektor E orientován do “směru snadného průchodu (easy passage)“ a je-li ψ úhel sevřený mezi vektorem intenzity elektrického pole a směrem snadného průchodu, platí pro intenzitu prošlého světla I = I 0 ⋅ cos 2 ψ , kde I0 je intenzita dopadajícího světla [14].
-37-
(1.4)
1.11
Dielektrická relaxační spektroskopie DRS
Dielektrická relaxační spektroskopie je měřící metoda zkoumající chování polarizačních mechanismů v izolantu po přiložení proměnného elektrického pole. Dielektrická relaxace vychází z pohybu dipólů nebo elektrických nábojů v elektrickém poli, umožňuje tedy měření obou složek komplexní permitivity v závislosti na široké škále kmitočtů (10-4 Hz až 1012 Hz podle vlastností měřícího přístroje), na teplotě a na vlhkosti, a to v rozsahu reakční doby polarizačních mechanismů od několika pikosekund (u nízkých viskozitních kapalinách) až do několika hodin (u některých typů skel). 1.11.1 Popis dielektrika
Působení elektrického pole na elektrické náboje v materiálech se projevuje pohybem elektrického náboje. Pokud se elektrické náboje mohou pohybovat na tak velké vzdálenosti, že překonají vzdálenost mezi elektrodami, jedná se o vodivost. Pokud se náboje pohybují na malé vzdálenosti, pak se pouze posunou vůči svým původním rovnovážným polohám a dvojice sousedních nábojů opačného znaménka vytvoří elektrický dipól. V takovém případě se jedná o vázané elektrické náboje a jejich polarizaci. Může nastat situace, kdy se posune pouze jediný náboj, zatímco náboj opačného znaménka je pevný, v takovém případě také vzniká elektrický dipól a i zde půjde o polarizaci. V materiálech zpravidla existují volné i vázané náboje současně a v daném materiálu se tedy po přiložení elektrického pole uplatňuje jak vodivost, tak polarizace. Pokud se u daného materiálu uplatňují především jevy související s polarizací, popisuje se tento materiál jako dielektrikum. Naopak, převažují-li jevy související s vodivostí, hovoříme o vodičích. Výraz izolátor (izolant) je opakem termínu vodič. Nevodivý, resp. málo vodivý materiál obsahuje málo volných nábojů a jedná se současně o dielektrikum. Kdežto dielektrikum samo o sobě nevodičem být nemusí, může vykazovat i dosti značnou vodivost, ale musí si zachovat schopnost se polarizovat. Ve smyslu obsahu pouze volných či pouze vázaných nábojů není žádný materiál ani dokonalým vodičem ani dokonalým dielektrikem [16]. Elektrické pole v dielektrikách je popisováno dvěma základními veličinami – intenzitou r r elektrického pole E a elektrickou indukcí D . r r (1.5) D =ε ⋅E, kde ε je permitivita prostředí a bývá definována jako součin permitivity vakua ε0 a relativní permitivity εr:
ε = ε0 ⋅εr .
(1.6)
Relativní permitivita prostředí je bezrozměrný materiálový parametr, který udává, kolikrát je permitivita prostředí větší než permitivita ve vakuu. Permitivita prostředí je dána -38-
jeho strukturou a chemickým složením a je závislá na frekvenci, intenzitě a směru elektrického pole, na teplotě a dalších veličinách vyjadřujících působení okolí na danou látku . r r Zvýšení elektrické indukce D v důsledku polarizace se při konstantní intenzitě E projeví zvětšením náboje na elektrodách příslušného měřícího kondenzátoru. Tohoto jevu se užívá při praktickém určování relativní permitivity, kdy se měření elektrické indukce, resp. náboje převádí na měření kapacity, přičemž platí
εr =
CX , C0
(1.7)
kde Cx je kapacita měřícího kondenzátoru s vloženým dielektrikem a C0 kapacita geometricky shodného měřícího systému, u něhož je místo původního dielektrika vakuum [16]. 1.11.2 Dielektrická polarizace a polarizovatelnost
Základní veličinou pro makroskopický popis polarizace je dipólový moment celého r materiálu µ celk (tj. součet dipólových momentů všech dipólů v dielektriku). Pro charakteristiku dielektrické polarizace se používá stejnosměrná veličina P, definována jako lokální objemová hustota dipólového momentu r µr celk P= . (1.8) V V dielektrikách jsou rozlišovány dva způsoby vzniku vázaných elektrických nábojů a v souvislosti s tím i dva různé způsoby vzniku makroskopického dipólového momentu: •
Posouvající se náboj je pružně vázán ke své rovnovážné poloze a při přiložení vnějšího elektrického pole se posune do takové polohy, v níž budou pružná síla a elektrostatická síla způsobená vnějším elektrickým polem vyrovnány. V nepřítomnosti elektrického pole jsou polohy kladného i záporného náboje shodné (indukovaný dipólový moment).
•
Náboj má několik různých rovnovážných poloh, z nichž každou obsazuje s pravděpodobností, jež závisí na přiloženém vnějším elektrickém poli (permanentní dipólový moment).
Jakmile se nějaké těleso, které obsahuje elektrické náboje vloží ve vakuu do homogenního elektrického pole, obecně se změní dipólový moment tohoto tělesa. Tělesem přitom může být buďto makroskopické těleso (vzorek) nebo jeho mikroskopická část (doména), jednotlivá část (atom, molekula či iont) či konkrétní chemická vazba. Rozdíl mezi dipólovým momentem před přiložením elektrického pole a dipólovým momentem po jeho přiložení se nazývá indukovaný dipólový moment µ. Jestliže indukovaný dipól vykazuje po
-39-
přiložení homogenního elektrického pole nenulový dipólový moment, pak je popisován jako polarizovatelný. Polarizovatelnost α vyjadřuje schopnost polarizace látky [16].
rezonanční disperze
ε″ (ω)
Obr. 1.15 Dielektrické spektrum složek komplexní permitivity s třemi relaxačními maximi [16] V dielektrických látkách se často vyskytuje současně několik druhů polarizací, přičemž slabší z nich bývají překryty silnějšími. Jedná se o polarizační mechanismy s rychlým průběhem, tzv. pružné polarizace a jevy s pomalým průběhem, tzv. relaxační polarizace. Relaxace je definována jako opožděná reakce nějakého systému na změnu sil, které na daný systém působí. Relaxační je tedy takový jev, který probíhá pomaleji, než jeho příčina [16]. Mezi polarizační mechanismy patří (obr. 1.15): •
Elektronová polarizace (pružná)
•
Iontová pružná a iontová relaxační polarizace
•
Dipólová polarizace (relaxační)
•
Mezivrstvová polarizace (relaxační) -40-
•
Spontání polarizace (relaxační)
•
Trvalá polarizace (relaxační)
•
Rezonanční polarizace (pružná)
1.11.3 Dielektrika ve střídavém elektrickém poli a komplexní permitivita
Střídavé (harmonické) elektrické pole je časově proměnné pole. Pro popis dielektrika v takovémto poli slouží kmitočtově závislá komplexní veličina – komplexní permitivita ε *. Vlastnosti dielektrika lze měřit jednak v časové oblasti, jednak ve frekvenční oblasti a oba dva typy výsledků lze mezi sebou transformovat. Komplexní permitivita je obecně vyjádřena pomocí reálné a imaginární složky, a lze ji popsat vztahem
ε * (ω ) = ε ′(ω ) − jε ′′(ω ) .
(1.9)
Reálná složka komplexní permitivity ε´ je mírou kapacitního charakteru dielektrika (odpovídá relativní permitivitě εr) a platí pro ni
ε ′ = ε∞ +
(ε s − ε ∞ )
1 + ω 2τ 2
.
(1.10)
ε″ je imaginární složka komplexní permitivity, nebo též ztrátové číslo a je úměrné celkovým ztrátám v dielektriku
ε ′′ =
ωτ (ε s − ε ∞ ) , 1 + ω 2τ 2
(1.11)
kde ε ∞ je relativní optická permitivita určena při velmi vysokých kmitočtech a εs je relativní statická permitivita určena při kmitočtu f → 0. Závislost ztrátového čísla na frekvenci, tj. ε″ (ω), se označuje jako dielektrické spektrum a je uvedeno na obr. 1.15.
Podíl obou složek komplexní permitivity
tgδ =
ε ′′ ωτ (ε s − ε ∞ ) = ε ′ ε s + ε ∞ ω 2τ 2
(1.12)
se nazývá ztrátový činitel tg δ a vyjadřuje míru dielektrických ztrát. Jedná se o veličinu závislou na konduktivitě izolantu a podobně jako permitivita na uplatňujícím se polarizačním mechanismu. Obr. 1.16 ilustruje vzájemnou závislost vztahů mezi složkami komplexní permitivity a ztrátovým číslem [16].
-41-
Obr. 1.16 Závislost složek komplexní permitivity [16] 1.11.4 Modelování dielektrických veličin
Pro matematické odvození dielektrické relaxace ideálních navzájem se neovlivňujících dipólů ve vnějším střídavém elektrickém poli byla zavedena matematická formulace komplexní permitivity, tzv. Debyeho rozdělení relaxačních dob. Debyeho matematický model je platný pouze v přítomnosti jediného relaxačního času, komplexní permitivita pro toto rozdělení je dána vztahem (1.13). Reálný systém, ale obsahuje celé spektrum relaxačních dob, proto byly zavedeny další empirické dielektrické modely. Mezi nejvýznamnějšími patří Cole – Cole, Cole – Davidson a Havriliak – Negami modely. Coleovo – Coleovo rozdělení (1.14) je doplněno o parametr α, který udává rozptyl relaxačních dob polárních molekul v dielektriku. Coleovo – Davidsonovo rozdělení (1.15) je rozšířeno o distribuční koeficient β a rovnice se tímto parametrem stává nesymetrická. Havriliakovo – Negamiho rozdělení (1.16) je v praxi nejpoužívanější a nejlépe modeluje chování dielektrik. Kombinuje parametry α a β, jejichž význam je totožný jako v Cole – Cole a Cole – Davidson modelech. Přehled všech modelů je v tabulce tab. 1.1. Tab. 1.1 Matematická vyjádření dielektrických modelů
Model Debye
Matematické vyjádření
εs −ε∞ 1 + jωτ
(1.13)
εs −ε∞ 1−α 1 + ( jωτ )
(1.14)
εs − ε∞ (1 + jωτ )β
(1.15)
ε ∗ (ω ) = ε ∞ +
Cole - Cole
ε ∗ (ω ) = ε ∞ +
Cole - Davidson
ε ∗ (ω ) = ε ∞ +
Havriliak - Negami
ε ∗ (ω ) = ε ∞ +
-42-
εs −ε∞
{1 + ( jωτ ) }
1−α β
(1.16)
2 Experimentální část 2.1
Parametry určující kvalitu obrazu LCD 2.1.1
Doba odezvy (Response time)
Důležitým parametrem u LCD displeje je jeho response time, tedy doba odezvy, udávaná v milisekundách. Tento časový údaj nám říká, za jaký čas je pixel schopen ze zhasnutého stavu dosáhnout plného rozsvícení a opětovně zhasnout. Tedy přejít z černé barvy do bílé a z ní znovu do černé. Převedeno do 8 bitového jazyka jde o sérii 0 - 255 - 0. První část 0 - 255 je nazývána rise time TR (náběh, rozsvícení), část 255 - 0 fall time TF (zhasnutí, dosvit). Čím rychleji to monitor zvládne, tím menší je možnost, že bude docházet k degradaci obrazu stíny za předměty při jejich pohybu apod. Tak vypadá ideální stav, nicméně v praxi to bývá s jednotlivými časy všelijaké. Pro měření se často používají hodnoty v rozmezí 10 - 90 % maximální hodnoty jasu. To znamená, že se nedosahuje hodnot 0 - 255 - 0, ale například 10 245 - 10. Přece jen změna z černé na bílou se vyskytuje snad jen při psaní textových dokumentů. Daleko častěji dochází ke změně jednoho odstínu do druhého. A právě proto se v dnešní době hledí na hodnotu “gray to gray“, která udává změnu z tmavě šedé do světle šedé a zpět (tedy např. 32 - 128 - 32) [13]. U levnějších monitorů je také možné, že jejich čas rozsvícení bodu je zřetelně kratší než čas potřebný k jeho zhasnutí. Vždy je nutné zkontrolovat, jaký čas má výrobce vlastně na mysli, když propaguje svůj výrobek. 2.1.2
Pozorovací úhel
Asi největší nevýhodou LCD displejů je změna jasu či deformace barevných odstínů při jiném než přímém úhlu pohledu. Pozorovací úhly udávají úhel, pod kterým je obraz dobrý, tedy bez změny barvy. Rozlišuje se vertikální a horizontální pozorovací úhel. Úhel ve vertikálním směru bývá menší, avšak záleží na technologii výroby. Rozeznáváme technologii TN – twisted nematic, která je nejstarší z technologií. Dříve se vyznačovala obdélníkovými pixely a tím pádem horšími pozorovacími úhly. Právě vertikální směr byl menší což zapříčiňovalo zhoršenou kvalitu barev hlavně v tomto směru. Dnešní TN panely však již mají čtvercový pixel, tedy i stejné pozorovací úhly v obou směrech. I tak se pozorovací úhly pohybují do 140 ° [13].
-43-
Dalším řešením pozorovacího úhlu jsou technologie MVA (multi – domain vertical alignment) a PVA (patterned vertical alignment). Výrobní proces MVA byl vyvinut ke zkrácení reakční doby kapalného krystalu na elektrické pole a zvětšení kontrastu a jasu. Pixely jsou čtvercové a symetrické v ose x i y. To zaručí naprosto stejné vertikální i horizontální pozorovací úhly. Zatímco u technologie TN se musely kapalné krystaly uspořádat do šroubovice, tak u MVA se pouze ze “stromečkovitého“ uspořádání natáčejí o pár desítek stupňů (obr. 2.1 a), což má pozitivní vliv i na dobu odezvy. Elektrody mají dosti specifický tvar, který je náročnější na výrobu, zajišťuje však všude stejnou vrstvu kapalných krystalů a to je důležité pro průchod světla. Rozdíl mezi MVA a PVA je takový, že technologii MVA vyvinula firma Fujitsu a technologii PVA firma Samsung. Přesné rozdíly ve výrobě si firma Samsung pečlivě tají [13]. a)
b)
1- Zdroj bílého světla 2- Polarizační desky 3-Polarizované světlo 4- Elektrody 5- Kapalné krystaly 6- Polarizované světlo
1- Zdroj bílého světla 2- Polarizační filtr 3- Polarizované světlo 4- Elektrody 5- Kapalné krystaly
Obr. 2.1 Ukázka technologie MVA (a) a S-IPS (b) [13]
-44-
Poslední představovanou technologií je IPS (in-plane switching) vyvinutou firmou Hitachi. Respektive se bude jednat o vylepšenou technologii S-IPS (super in-plane switching), jež nahradila mnohem pomalejší IPS (průměrně měla ideální dobu odezvy 50ms). Tato technologie má vynikající výsledky v odezvě i v zobrazení barev, potřebuje však o něco silnější podsvícení a elektrody vyžadují více prostoru - na rozdíl od ostatních technologií jsou na jedné straně dvě elektrody (obr. 2.1 b). Pixely jsou tak menší, vzdálenost mezi nimi se opticky zvětší a obraz se jeví hrubější. V klidovém stavu jsou všechny molekuly uspořádány do jedné roviny a světlo neprochází. Pokud se na elektrodách objeví napětí, tak se molekuly otočí o 90 ° a světlo může procházet. Pozorovací úhly jsou u této technologie největší a dosahují až 178 ° [13]. 2.1.3
Kontrast a jas
Důležitou hodnotou při pozorování panelu za přímého slunečního svitu je kontrast. Jeho hodnota je vypočítána z poměru svítivosti bílé a černé barvy. Obě hodnoty jsou měřeny v luxech a dány do poměru. Reálné hodnoty jsou hluboko pod hodnotami udávanými výrobci. Je to způsobeno tím, že laboratorní měření se provádí jen na jednom pixelu [13]. Úzce spjat s kontrastem je jas. Jeho hodnota se určí zobrazením bílé barvy všemi pixely a změřením svítivost. Odtud vychází jednotka jasu – cd·m-2. Podsvětlení displeje je díky katodám velice jasné a u kvalitnějších monitorů i dokonale rovnoměrné. K podsvícení displeje se používají tenké trubice u nichž je kladen velký důraz na rovnoměrnost světla a jeho barvu (měla by být bílá). Levné panely používají systém dvou trubic, což má za následek nerovnoměrné podsvětlení. Kvalitní monitory obsahují až čtrnáct trubic na obrazovku, takové řešení zajišťuje velmi rovnoměrné podsvětlení a menší zatížení trubic větší životnost monitoru. Stření třída monitorů využívá čtyř, popřípadě šesti trubic. Obvyklá životnost trubic je 50000 hodin (doba, za kterou dosáhnou trubice poloviční svítivosti). Samotná trubice však nedokáže rovnoměrně rozvést světlo po celé ploše monitoru, toho je dosaženo pomocí difuzních vrstev. Počet těchto vrstev závisí na výrobci. Nižší počet difúzních vrstev znamená snížení ztrát svítivosti, nevýhodou je nesouměrná svítivost panelu [13]. 2.2
LCD Samsung LTM240M2-L02
LTM240M2-L02 je barevný LC displej s aktivní maticí. Tento model se skládá z TFT LCD vrstvy, řídícího obvodu a podsvětlovacího systému. 24 ″ displej má rozlišení 1920 x 1200 pixelů a umožňuje zobrazení 16,7 milionů barev v širokém úhlu sledování (vertikální úhel pozorování: 178 °, horizontální úhel pozorování: 178 °) [15].
-45-
Hlavní rysy displeje: •
vysoká ostrost zobrazení
•
S-PVA mód (Super Patterned Vertical Aligment)
•
široký úhel pozorování
•
rychlá doba odezvy (16 ms)
•
nízká spotřeba (max. 130 W)
•
LVDS rozhraní (Low Voltage Differential Signaling)
•
podsvětlení šesti U-trubicemi CCFT (trubice se studenou katodou)
•
podle ISO 13406-2 (norma zohledňující vadné pixely) spadá displej do Třídy II
2.2.1
Vybrané elektrické vlastnosti
Měření elektrických vlastností displeje se provádí při teplotě 25 °C a napětí zdroje 5 V. Měření stejnosměrného proudu zdroje se provádí u tří módů displeje – černý, bílý a bodový, tak jak je zobrazeno na obr. 2.2. Tab. 2.1 Vybrané elektrické vlastnosti [15]
položka
symbol
minimum
TFT LCD modul Napětí zdroje
b) Bílá
jednotka
VSS = GND = 0 V, T = 25 ± 2 °C VDD
a) Černá Proud zdroje
maximum
IDD
c) Body
0,5
6,5
V
min. -
typická 1,7
max. -
mA
min. -
typická 2,0
max. -
mA
min. -
typická 2,4
max. 3,05
mA
Podsvětlení
T = 25 ± 2 °C
Proud podsvětlení
IL
5,5
7
mArms
Frekvence podsvětlení
fL
40
80
kHz
-46-
Obr. 2.2 Jednotlivé módy při měření vlastností displeje [15] 2.2.2
Vybrané optické vlastnosti
Výrobce udává oba typy doby odezvy (obr. 2.3). Od úplného rozsvícení do úplného zhasnutí bodů (On/Off response time) je doba odezvy rovna 16 ms a od zobrazení světle šedé barvy do tmavě šedé barvy (grey to grey response time) je odezva 8 ms. Měření optických vlastností výrobcem jsou prováděna při teplotě okolí 25 °C, napětí zdroje 5 V a proudu podsvětlovací soustavy 6 mA. Jas displeje je 500 cd·m-2. Pozorovací úhly jsou totožné pro horizontální i vertikální úhel pohledu, vždy 178 °.
Obr. 2.3 Určení doby odezvy [15] 2.3
Popis experimentu 2.3.1
Postup při měření vlivu teploty na dielektrické vlastnosti
Měření bylo prováděno na vzorku nematických kapalných krystalů ZLI-4801-000 od společnosti Merck s.r.o. ZLI-4801-000 se vyznačuje kladnou dielektrickou anizotropií a teplota přechodu, při níž se látka stává izotropní kapalinou je ϑNI = 93 °C. Uvedený vzorek byl v kapalné formě nanesen do elektrodového systému 16452A (obr. 2.4 a) propojeného s měřícím LCR metrem Agilent E4980A (obr. 2.4 b).
-47-
Umístěním elektrodového systému v klimatické komoře CLIMACEL bylo dosaženo ideálních podmínek po celou dobu experimentu. Vzorek uložený v elektrodovém systému byl vystaven změnám teplot v rozmezí 0 °C až 40 °C po 5 °C. a)
b)
Obr. 2.4 Elektrodový systém 16452A (a) a LCR metr E4980A (b) [17]
Elektrodový systém byl pro měření upraven použitím distanční vložky o tloušťce 0,19 mm, což umožnilo použít menší množství kapalného vzorku. Změnila se tím i hodnota geometrické kapacity elektrodového systému na C0 = 5,28·10-11 F. 2.3.2
Postup při měření kapacitních závislostí LCD monitoru
Měření bylo prováděno na LCD panelu typu LTM240M2-L02 od firmy Samsung. Monitor bylo nutno rozebrat do té míry, aby zůstal odhalen pouze samotný TFT displej s kontakty. Při této příležitosti bylo zjištěno jakým způsobem je u displeje produkováno a rozptylováno světlo. Displej využívá pro rozptýlení světla z šesti trubic tvaru “U“ tří difúzních vrstev. Měření kapacity bylo prováděno přístrojem LCR metr E4980A (obr. 2.4 b) ve frekvenčním rozsahu 100 HZ až 1 MHz s odpojeným napájením displeje a při teplotě okolí 22,4 °C. Po připojení napětí k displeji byla změřena C – V charakteristika pro rozsah napětí 1 V – 10 V. 2.4
Výsledky experimentu 2.4.1
Vliv teploty na složky komplexní permitivity kapalných krystalů
U vzorku nematických kapalných krystalů byly proměřeny frekvenční závislosti složek komplexní permitivity na teplotě. Závislosti ε´ = F (f), ε″ = F (f), tg δ = F (f), ε″ = F (ε´) získané při růstu teploty byly zpracovány a aproximovány matematickým Havriliak – Negamiho modelem. Přehled parametrů tohoto matematického modelu je uveden v tab. 2.2. Frekvenční závislost relativní permitivity je zobrazena na obr. 2.5 a frekvenční závislost -48-
ztrátového čísla na obr. 2.6. Velikost ztrát vyjádřena frekvenční závislostí ztrátového činitele je vidět na obr. 2.7. Obr. 2.8 představuje Coleho – Coleho diagram. Vliv rostoucí teploty na posun relaxačního maxima k vyšším frekvencím, vyjádřený pomocí relaxačních dob je uveden na obr. 2.9. Tab. 2.2 Změna parametrů Havriliak – Negami modelu
Teplota (°C)
Parametr α (-)
Parametr β (-)
Relaxační doba τ (s)
∆ε (-)
0
0,10
0,50
6,0.10-6
6,05
5
0,10
0,50
4,0.10-6
5,79
10
0,10
0,50
2,8.10-6
5,53
15
0,18
0,50
2,0.10-6
5,12
20
0,14
0,50
1,5.10-6
4,95
25
0,14
0,55
1,0.10-6
4,79
2.4.2
Kapacitní závislosti kapalných krystalů
Zkoumaný displej byl bez napětí podroben měření kapacity v závislosti na frekvenci, tzn. měření závislosti C = F (f) při teplotě okolí 22,4 °C. Takový průběh je zobrazen na obr. 2.10. Vliv připojeného stejnosměrného napětí ke svorkám panelu a jeho postupný nárůst na kapacitu displeje je vidět na obr. 2.11. Měření bylo provedeno pro frekvenci 1.103 Hz opět při teplotě okolí 22,4 °C.
-49-
9
8
7
ε ´ (-)
6
5 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C
4
3
2 10
100
1000
10000
100000
1000000
f (Hz)
Obr. 2.5 Závislost relativní permitivity na frekvenci s parametrem teploty
3 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C
2,5
ε ´´ (-)
2
1,5
1
0,5
0 10
100
1000
10000
100000
1000000
f (Hz)
Obr. 2.6 Závislost ztrátového čísla na frekvenci s parametrem teploty
-50-
0,6 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C
0,5
tg δ (-)
0,4
0,3
0,2
0,1
0 10
100
1000
10000
100000
1000000
f (Hz)
Obr. 2.7 Závislost ztrátového činitele na frekvenci s parametrem teploty
5 0 °C 5 °C 10 °C 15 °C 20 °C 25 °C 30 °C 35 °C 40 °C
4
ε ´´ (-)
3
2
1
0 1
2
3
4
5
6
7
8
ε ´ (-)
Obr. 2.8 Coleho – Coleho diagram s parametrem teploty
-51-
9
τ [s]
1,00E-05
1,00E-06
1,00E-07 0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
0,0035
0,0036
0,0037
-1
1/T [K ]
Obr. 2.9 Změna relaxační doby vlivem teploty
2,50E-10
2,10E-10
C (F)
1,70E-10
1,30E-10
9,00E-11
5,00E-11 100
1000
10000
100000
f (Hz)
Obr. 2.10 Frekvenční závislost kapacity monitoru Samsung
-52-
1000000
3,80E-10
C (F)
3,40E-10
3,00E-10
2,60E-10
2,20E-10 0
2
4
6
8
10
U (V)
Obr. 2.11 C – V charakteristika monitoru Samsung
2.5
Vyhodnocení experimentu
U vzorku kapalných krystalů ZLI-4801-000 jenž byly podrobeny měření v teplotní závislosti (0 – 40 °C) sledujeme změny v chování složek komplexní permitivity. Relativní permitivita je charakterizována postupným poklesem v rozmezí hodnot 8,2 – 2,2 s rostoucí frekvencí při teplotě měření 0 °C. Vzrůstem teploty dochází ke změně hodnot, avšak klesající charakter průběhu je zachován (obr. 2.5). Statická relativní permitivita εs se vlivem rostoucí teploty pohybuje kolem hodnoty 8,2, až u teplot 35 a 40 °C se projeví mírným růstem hodnot v rozmezí 8,2 – 9. Optická relativní permitivita ε ∞ dosahuje rapidnějších změn vlivem teploty. U kmitočtu 1.106 Hz, jenž je mezním kmitočtem měření, je rozdíl hodnot optické složky permitivity ∆ ε ∞ = 2,2 – 5,8. Rozdíl statické a optické relativní permitivity vyjádřen pomocí veličiny ∆ε se stejně jako sklon křivky relativní permitivity a rozptyl relaxačního maxima téměř nemění až do teploty měření 25 °C. Poté se relaxační maximum posouvá mimo měřené kmitočty a sklon křivek není možno jednoznačně určit. Tyto změny průběhů lze matematicky vyjádřit pomocí parametrů α a β, aplikací Havriliak – Negamiho modelu na danou problematiku (tab. 2.2). Parametr α má vliv na rozptyl hodnot a pro teploty 0 – 25 °C se pohybuje od 0,10 do 0,18. Parametr β mění zakřivení průběhu a způsobí nesymetrii aplikované funkce. V rozmezí teplot 0 – 20 °C se nemění a odpovídá hodnotě 0,50. Pro teploty nad 25 °C nebylo možné určit koeficienty matematického rozdělení kvůli posunu relaxačního maxima mimo měřené frekvence. -53-
Posun relaxačního maxima a vliv parametrů α a β je patrnější z frekvenční závislosti ztrátového čísla, resp. ztrátového činitele (obr. 2.7). Lze určit, že pro teplotu měření 0 – 20 °C, se relaxační maximum pohybuje v rozmezí frekvencí 2.105 do 9.105 Hz. Při dalším zvyšování teplot se toto maximum posouvá doprava, až mimo měřené frekvence. Rozsah teplot 0 – 25 °C má též jen minimální vliv na ztráty v dielektriku, jež jsou stanoveny z grafu frekvenční závislosti ztrátového čísla (obr. 2.6). Avšak dalším zvyšováním teploty se mění viskozita kapalných krystalů, mění se vazební síly mezi atomy a hodnota ztrát roste. Pokud by bylo dosaženo teploty přechodu ϑNI = 93 °C, kapalné krystaly by se staly izotropní kapalinou bez dielektrických vlastností. Relaxační charakter a rozptyl relaxačních dob je patrný z průběhu ε´ = F (ε″), který znázorňuje část kruhového oblouku se středem pod reálnou osou. Posun relaxačního maxima vlivem teploty, patrný z průběhu složek komplexní permitivity, je vyjádřen závislostí relaxační doby na funkci teploty. Tento průběh je vidět na obr. 2.9 a lze stanovit, že s rostoucí teplotou se relaxační maximum posouvá lineárně do vyšších hodnot frekvencí. Na TFT displeji bylo provedeno měření kapacity v závislosti na frekvenci. Průběh nebylo možné přepočítat na frekvenční závislost relativní permitivity, typickou pro dielektrické materiály, protože nebyla známa hodnota geometrické kapacity potřebná k výpočtu. I tak průběh vykazuje klasický pokles hodnot s rostoucí frekvencí v rozmezí kapacity 230 pF – 65 pF. Chování kapalných krystalů po přiložení vnějšího elektrického pole popisuje C – V charakteristika (obr. 2.11) měřená pro frekvenci 1.103 Hz a hodnoty napětí 0 – 10 V s krokem 0,5 V. Pokud není připojeno žádné napětí, kapalné krystaly jsou uspořádány tak, jak jim udává skleněná planární buňka v níž jsou umístěny – direktor kapalných krystalů je orientován kolmo k povrchu buněk (homeotropní kotvení) a hodnota kapacity je rovna 230 pF. Při dosažení určité hodnoty napětí dochází vlivem dielektrické anizotropie ke změně orientace uspořádání kapalných krystalů – natáčí se do směru přiloženého elektrického pole a direktor se stává tedy se směrem elektrického pole rovnoběžný. Tento jev nastává v rozmezí napětí 4 – 6 V, poté se hodnota kapacity ustálí na 374 pF. Hodnoty napětí při změně vlastností kapalných krystalů lze porovnat s teoretickými hodnotami udávanými výrobcem. Ten ve své odporné literatuře uvádí, že změna vlastností kapalných krystalů nastane v rozmezí teplot 4,5 – 5,5 V. Naměřená hodnota tedy vzhledem k jiným podmínkám měření a jiné přesnosti měření odpovídá výsledkům výrobce.
-54-
3 Závěr V diplomové práci byl zkoumán vliv teploty na dielektrické vlastnosti kapalných krystalů ZLI-4801-000, a u předloženého typu displeje na bázi kapalných krystalů byly stanoveny některé jeho parametry. Výsledky získané měřením složek komplexní permitivity (DRS) v rozsahu teplot 0 – 40 °C ukazují vliv teploty na posun relaxačního maxima dielektrika. U frekvenčních závislostí ε´ = F (f), ε″ = F (f), tg δ = F (f) lze pozorovat rozptyl hodnot a nesymetrické uspořádání křivek způsobené existencí více relaxačních spekter v dielektriku. Na základě dosažených výsledků se dá stanovit, že by při dalším zvyšování teploty docházelo k narůstání ztrát a utlumování dielektrických vlastností kapalných krystalů až do té doby, než by byla potlačena mezofáze a kapalné krystaly by se staly kapalinou s izotropními vlastnostmi. Avšak takové měření již nebylo součástí experimentu. Podnětných výsledků bylo dosaženo u měření LCD panelu Samsung. Zde se podařilo potvrdit hodnoty napětí udávané výrobcem, když byla zkoumána oblast změny vlastností kapalných krystalů. Působením elektrického pole došlo ke změně směru direktoru, při provozu displeje by došlo k rozsvícení obrazovky. Fyzikálně tento děj popisuje vlastnost kapalných krystalů zvaná anizotropie, a projevuje se vzrůstem relativní permitivity, zde představované kapacitou vlivem napětí.
-55-
4 Použitá literatura [1]
MALLÁT, Jaroslav. LC - Liquid Crystals. Hps v IT [online]. 29.09.2004, [cit. 2008-1113]. Dostupný z WWW:
. ISSN 1214-4436.
[2]
SVOBODA, Jiří; GLOGAROVÁ, Milada. Kapalné krystaly [online]. 2005 [cit. 201002-26]. Ústav organické chemie a biochemie. Dostupné z WWW: .
[3]
URBAN, František. Optoelektronika [online]. [s.l.], 07.10.2002. 304 s. Učební text. Vysoké učení technické v Brně. Dostupné z WWW: .
[4]
The barrett research group : Introduction to liquid crystals [online]. 2008 [cit. 2009-0430]. Dostupné z WWW: .
[5]
GLOGAROVÁ, Milada. Kapalné krystaly [online]. 2005 [cit. 2010-02-26]. Dostupné z WWW: .
[6]
JACKSON, Kevin. Dynamický rozptyl světla - co, jak, proč?. Chemagazín [online]. 2007, 17, 1, [cit. 2010-02-26]. Dostupný z WWW: .
[7]
University of York. The liquid crystal & advanced materials group [online]. 2005 [cit. 2010-03-20]. York university liquid crystal group. Dostupné z WWW: .
[8]
BUGAYCHUK, S, Novel materials based on metal-alkanoate liquid crystals and smectic glasses for impulse dynamic holographic applications. Advanced Optoelectronics and Lasers, 2008. CAOL 2008. 4th International Conference [online]. 17. listopadu 2008, [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW: <www.ieee.com>. ISSN 9781-4244-1973-9.
[9]
KELLY, J. Application of liquid crystal technology to telecommunication devices. Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference, 2007. OFC/NFOEC 2007. [online]. 15. říjen 2007, [cit. 2010-04-15]. Dostupný z WWW: <www.ieee.com>. ISSN 1-55752-831-4.
[10] KABÁT, Zdeněk. Svět hardware [online]. 17.3.2003 [cit. 2010-04-19]. Technologie: TFT LCD displeje. Dostupné z WWW: . -56-
[11] University of Cambridge, Department of Engineering. Centre of molecular materials for photonics and electronics [online]. 2007 [cit. 2010-04-20]. Introduction to liquid crystals. Dostupné z WWW: . [12] Pandatron: Elektrotechnický magazín [online]. 12. března 2009 [cit. 2010-04-22]. Možnosti řízení TFT displejů pomocí mikrokontrolérů. Dostupné z WWW: . [13] KOVAČ, Pavel. Svět hardware: Technologie LCD panelů [online]. 28.7.2005, [cit. 2010-05-06]. Dostupný z WWW: . [14] Polarizace světla [online]. [s.l.], 2008. 10 s. Učební text. Univerzita Karlova v Praze. [cit. 2010-05-06]. Dostupné z WWW: . [15] Product Information: LTM240M2-L2. Datasheet firmy Samsung electronics Co. 28 s. [16] LIEDERMANN, Karel. Nedestruktivní diagnostika a fyzika dielektrik: Část dielektrika. 66 s. Učební text k předmětu nedestruktivní diagnostika a fyzika dielektrik. [17] Acessories selection guide for impedance mesaurements: 16452A Liquid dielectric tester fixture. Datasheet firmy Agilent Technologies. 108s. June 2003. [2010-05-13] Dostupné z WWW:
-57-
