i
i
“Musevic-prikazalniki” — 2010/5/13 — 9:50 — page 1 — #1 i
i
i
i
i
i
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652
Letnik 13 (1985/1986)
Številka 1
Strani 2–7
Igor Muševǐc:
PRIKAZALNIKI S TEKOČIMI KRISTALI
Ključne besede: fizika.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/13/747-Musevic.pdf
c© 1985 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije
c© 2010 DMFA – založništvo
Vse pravice pridržane. Razmnoževanje ali reproduciranje celote ali
posameznih delov brez poprejšnjega dovoljenja založnika ni dovo-
ljeno.
'-1-1'/" -'~ ,-. r Lnn . . . .r- '.
PRIKAZALNIKI S TEKOČIMI KRISTALI
Nekaj osnovnih podat kov o tekočih kri stalih je bralec najbrže izvedel v 4. šte-
vilki Preseka letnika 1983/84, str. 178, kjer smo spoznali predvsem holeste-
rinske tekoče kristale in njihovo uporabo. Poleg holesterinskih tekočih krista-
lov danes poznamo še množico drugih vrst tekočih kristalov, ki sta jim skupni
dve osnovni lastnosti: so tekoči (tečejo kot tekočina). obenem pa kažejo no-
tranjo urejenost, ki je značilna za trdne kristale. Razvrščeni so v razrede, ki ka-
žejo enako notranjo urejenost: nemstski, diskotični, smektični,holesterinski ...
Spoznali bomo notranjo strukturo nematskih tekočih kristalov in tiste njihove
lastnosti, katerih poznavanje je nujno potrebno za razumevanje delovanja pri-
kazalnikov s tekočimi kristali .
Mol ekule nematskih, ho lesterinskih in smektičnih tekočih kri stalov so
podolgovate, cigarasto oblikovane, dolge nekaj 10 nm in debele nekaj nm. Mo-
lekule so med seboj urejene paralelno, do lge osi cigarasto oblikovanih molekul
so pretežno paralelne. V nematski tekočekristalni f azi so težišča molekul te-
kočega kristala naključno porazdeljen a po prostoru, kot je prikazano na sliki 1.
S lika 1. Not ranja ure jen ost nematskega
tekočega kris ta la.
Bralec si lahko predstavlja urejenost molekul nematskega tekočega kristala
z medsebojno urejenost jo rib v jati : med seboj prete žno plavajo paralelno , tež i-
šča rib pa so nak lj učno porazdeljena v prostoru .
Za nematski te koč i kristal je to rej znač i l na ena od likovana smer, to je smer
urejenosti dolg ih osi molekul. S segrevanjem tekočega kristala pride pri določ e ­
ni tempe ratu ri do sprememb v notranj i urejenosti molekul tekočega kristala,
dolge osi moleku l niso med seboj več vzporedne , temveč n a klj učno usmerjene
2
v prostoru . Nematski tekoči kristal preide v tekočino, ki izgubi notranjo ureje-
nost. Temperaturi, pri kateri pride do take spremembe, pravimo temperatura
faznega prehoda tekočega kristala v izotropno fazo (izotropen pomeni v vseh
smereh enak). Podobno se z ohlajanjem tekočega kristala pri določeni tempe-
raturi spremeni struktura nematskega tekočega kristala tako, da običajno pre-
ide v trdno fazo, torej izgubi lastnost tekočine in ne teče. Spremembe notranje
urejenosti tekočega kristala lahko opazujemo na primer z mikroskopom. Na
sliki 2a vidimo fotografijo plasti nematskega tekočega kristala, kot jo pokaže
mikroskop.
Preden spoznamo osnove delovanja prikazalnika s tekočimi kristali , še
tole: na sliki 2a se lepo vidi, da je plast tekočega kristala sestavljena iz nešteto
drobnih "kristalčkov" velikosti 0.05 mm, torej je to nekakšna večkristalična
plast. Kakor bomo kasneje izvedeli, so površine prikazalnikov lahko izredno ve-
like, do nekaj 100 ern", torej je potrebno na nek način doseči enakomerno
urejenost tekočega kr istala oziroma vzgojiti mo no kristal s tako veliko površino
Slika 2a. Mikroskopski posnetki plasti nema.
tskega tekočega kr istala.
Slika 2b . Posnetek urejene plasti nematskega
kristala. Vidni so sledovi drgnjenja steklene
ploščice - tanke navpične raze. Vidimo tudi
elektrode - debele vodoravne, vzporedne
črte.
3
Pri tem si pomagamo z zvijačo. Stekleno ploščico enakomerno podrgnemo z
zelo drobnim diamantnim prahom, s tem naredimo na površini st ekla mikro-
skopsko majhne raze, ki so med seboj paralelne. Povr šina stekla ima to lastnost ,
da se molekule tekočega kristala postavijo vzporedno s površino . Zaradi brazd
je najbolj ugodno, da se dolge osi molekul usmerijo vzdolž brazd . Tako dobimo
tik ob površini stekla enakomerno urejeno plast, še več, urejenost molekul se
prenaša v globino do razdalje 0 .1 mm . Na ta način naredimo tanko, ure jeno
plast tekočega kristala z veliko površino, kar je prikazano na sliki 2b .
Če znamo narediti urejeno plast tekočega kristala , potem do prikazalnika
ni več daleč . Prerez prikazalnika s tekočimi kristali je prikazan na sliki 3 .
LEPILO POLARIZATOR
ELEKTRODA:
PREVODNA.PROZORNA
PLAST
STEKLO ZRCALO
TEKOČI KRISTAL
Slika 3. Prerez prikazalnika s tekočim i kristali
Sestavljen je iz dveh steklenih ploščic debeline 1 mm , ki imata na notranjih
površinah nanešeno zelo tanko plast električno prevodne snovi, ki je prozorna.
Notranji površini obeh stekel sta mehansko podrgnjeni tako , da sta smeri brazd
v spodnji in zgornji ploščici pravokotni. Sestavna dela prikazalnika sta še dva
polarizatorja in zrcalo, o katerih bo tekla beseda malo pozneje . Razmik med
steklenima ploščicama je 5 do 10 11m. Mimogrede : debelina človeškega lasu je
približno 50 11m. Stekleni ploščici po robovih zlepimo in tako dobimo celico
prikazalnika, ki jo napolnimo s tekočim kristalom . Ta se na površinah uredi ta-
ko, da so dolge osi vzporedne z brazdami v površini stekla. Ker sta površini
drgnjeni pod pr avim kotom , se v notranjosti celice vzpostav i vijač na urejenost
molekul tekočega kr istala, ki je prikazana na sliki 4a.
Konice molekul opisujejo 1/4 vijačnice, ko se pomikamo od spodnjega
stekla proti zgornjemu . Poglejmo, kako se širi svetloba skozi takšno strukturo.
Širjenje svetlobe v prostoru si predstavljamo kot širjenje valovanja po napeti
4
f
Slika 4a . Vijačna urejenost nema tskega te -
kočega kristala, prehod svetlobe skozi
takšno plast .
Slika 4b . Porušena vijačna urejenost pod
vplivom električne napetosti med stekleni-
ma ploščicama.
f
5
vrvi. Če prost konec vrvi zan ihamo v smeri gor-dol, se po vrvi širijo valovi,
vrv niha v navpični smeri. Pravimo, da je valovanje polsrizirsno, ker ležijo
odmiki vrvi veni ravnini. Če polarizirano svetlobno valovanje spustimo na te-
kočekristalno celico zvijačno urejenostjo , potem smer nihanja (polarizacija)
sledi smeri dolgih osi molekul. Po prehodu skozi takšno celico je svetlobno va-
lovanje polarizirano pod pravim kotom na smer vstopanja valovanja. Pri preho-
du svetlobe je torej prišlo do sukanja polarizacije svetlobnega valovanja za 90
stopinj .
Omenili smo že, da ima celica na obeh notranjih površinah prevod no plast.
Pravimo, da ima celica dve elektrodi. Če na ti dve elektrodi priključimo ele-
ktrično napetost (4,5 V baterija bo že dovolj), se pojavi v plasti tekočega kri-
stala električno polje, ki zavrti osi molekul tekočega kristala tako, da so po
vsej plasti pravokotne na površino stekla . Ta pojav je zelo podoben zasu ku
magnetne igle ali železnih opilkov pod vplivom magnetnega polja . Nova uredi-
tev tekočega kristala ne suče več polarizacije svetlobe, kot je razvidno iz slike
4b .
Iz povedanega sledi, da se pod vplivom električne napetosti spremenijo
optične lastnosti celice. Kako pa to vidimo?
Dnevna svetloba je nepolarizirano valovanje. Njena polarizacija je naklju-
čno porazdeljena po smereh v prostoru . Iz nepolariziranega valovanja dobimo
polarizirano valovanje s pomočjo posebne priprave, ki jo imenujemo polsrize-
tor. Le-ta iz množice valovanj izlušči valovanja s točno določeno polarizacijo.
Ponazorimo ga lahko z vrvjo in vrtno ograjo z navpično postavljenimi letvami.
Skozi ograjo potegnemo vrv in jo pritrdimo na drugi strani. Če prosti konec za-
nihamo v smeri gor-dol, se bo valovanje lepo širilo skozi ograjo. Če vrv zaniha-
mo v smeri levo-desno, se bo valovanje po vrvi po prehodu skozi ograjo znatno
oslabilo. Tako smo dobili neke vrste polarizator, ki prepušča samo valovanje s
točno določeno smerjo odmikov vrvi. Polarizatorji, ki jih uporabljamo v pri-
kazalnikih , so v obliki tanke plastične folije.
Sedaj, ko smo spoznali polarizator, se vrnimo k naši celici. Pred celico po-
stavimo prvi polarizator, ki iz dnevne svetlobe naredi polarizirano svetlobo.
Obrnemo ga tako, da je smer polarizacije vzporedna s smerjo molekul ob vsto-
pu v celico. Za celico postavimo drugi polarizator, ki prepušča samo tista va-
lovanja, ki so polarizirana pravo kotno na vstopno valovanje. Ker je med obema
polarizatorjema celica, ki suče polarizacijo za 90 stopinj, bo celotna priprava
prepuščala svetlobo. Pod vplivom električne napetosti se spremeni struktura ta-
ko, da ne suče svetlobe in celica bo med prekrižanima polarizatorjema nepre-
pustna. Na tak način lahko z vklopom in izklopom električne napetosti med
ustrezno oblikovanima elektrodama "pišemo" na naš prikazalnik. Zaradi pra-
6
ktičnosti običajno postavimo za drugim polarizatorjem šezrcalo, tako da izpis
opazujemo v odbiti svetlobi.
Spoznali smo torej osnovo delovanja tekočekristalnega prikazalnika.
Takšen prikazalnik ste prav gotovo že videli. Vgrajeni so v ročnih urah, svinčni­
kih, kalkulatorjih, telefonih, začenjajo se pojavljati tudi v osebnih računalni­
kih. Na pogled so to sivozelene ploščice (zaradi polarizatorjal, na katerih se
pojavljajo temne številke, črke, poljubno oblikovani znaki. Takšen prikazalnik
ima nenavadno lastnost: v temi je slabo viden, v močni svetlobi pa odlično,
torej ravno obratno kot TV zaslon. Razlika je v tem, da tekočekristalni prika-
zalnik ne seva svetlobe kot TV cev, temveč jo samo prepušča ali ne. Za delo-
vanje torej potrebuje zunanjo svetlobo. Zaradi tega takšen prikazalnik porabi
znatno manj električne energije, celo večmiljonkrat manj kot katodna cev
ustrezne velikosti. Poleg tega so tekočekristalni prikazalniki ploščati, za delo -
vanje potrebujejo nizko napetost in so zelo poceni. Imajo pa tudi slabe lastno-
sti: otežkočen je večbarvni prikaz, omejeno je število prikazovanih znakov.
Pri nas so se raziskave tekočih kristalov začele v sedemdesetih letih na
Inštitutu Jožef Stefan. Po večletnem raziskovalnem in razvojnem delu je stekla
proizvodnja tekočekristalnih prikazalnikov, vgrajujejo jih v merilne inštrumen-
te , telefon, radiopostaje in v osclloskope s tekočekristalnim zaslonom , ki je
prikazan na sliki 5. Osciloskop je plod domačega znanja in je eden prvih to-
vrstnih izdelkov v svetu. Ima vgrajen mikroprocesor, z njim pa lahko opazuje -
mo časovne odvisnosti električne napetosti. Slike lahko spravljamo v pomnil-
nik, jih obdelujemo, primerjamo, seštevamo in podobno.
Zaradi izredno majhne porabe energije se uporaba tekočekristalnih prika-
zalnikov nezadržno širi , saj se s to danes tako pomembno lastnost jo imenitno
vključujejov proizvodernikroelektronike.
Igor Muševič
Slika 5. Digitalni osciloskop s tekoče­
kristalnim zaslonom.
Glej tud i slike tekočih kristalov na I. in
IV. strani ovitka.
7