PRIKAZOVALNIKI S TEKOČIMI KRISTALI
Milan Ambrožič, Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, Ljubljana
Liquid Crystal Displays ABSTRACT
LqukI crystal» are interesting boi^, from tarmotfynamtc point artd S«itdij$a of th«ir appHealiort in liquid aystal displays In (Ms artKle a s^n raview of trtdit cnaractensucs is ^iven, especially of nemetics which are technologically Itie mosl imporiarit A liqu»d crystal call will also be desaibed
POVZETEK
TekočI kristali so zanrwvi s lef modinam$Kega fttdlt$&d m laradi rabe V pnka£ovalni»(ih V(emOankusond k'atko opfiar^e njihov« lastnosti posepno pa r^emal*ov, ki so tshnolesko najzammtvajsi Ogladali si l>orr^o tudi standardno cahce W<o£6kf istalnaga zaslona
1	Uvod
Tekoči kristali so vmesne (mezomorfna) faza med izo-tropnimi tekočinami In krisJainiini Jrdnimi snovmi. Pn/a sta jih opazovala Reinitzer In Lehmann konec prejšnjega slole^a. Reinitzer je ugotovil, da ima holestenl ben-zoat pri taljenju dve zna^lni (amperaturi: pri 145,5 "C se stali v nx)tno tekočino, ki se zbistri šele pri 178»d Lehmann Je opazoval ta kristal med prekrlžantma po* larlzatorjema. Ker je ta sistem prepuščal svetlobo, je sklepal, da Je snov opt^no anizotropna v nasprotju z navadnimi tekočinamr. Zato jI Je dal ime tekoči kristal.
Danes poznamo na tisoče organskin snovi, ki tvonjo mezomorfno fazo. V tridesetih ietih tega stoletja, potem ko so izdelali teorijo o tekočih kristalih, je zanimanje zanje skoraj popolnoma zamrlo, šele v šestdesetih letih so obudili raziskave na tem področju, največ zaradi možnosti njihove uporabe v pnkazovalnikih na digitalnih urah, žepnih računalnikih m raznih merilnih insirumen-trh. Glavni poudarek je na iztpoijševanju elektrooptičnih lastnosti teh materialov, kot so velik kontrast svetlo» temno, majhna električna moč (nizka vzbujevalna napetost) In hiter odziv na spremembo električnega polja Pomembni so tudi kemijska obstojnost, ponovljivost In reverzibilnost gJede na spreminjanje električne napetosti. Pn velikih tekočekristalnih zaslonih se poleg težav pri doseganju ugodnih lastnost) samih kristalov pojavlja ludi problem naslavljanja, to je vzbujanja posameznih točk zaslona. Poleg lega mora biti tehnologija teh prikazovalnikov združljiva s C-MOS. ki temelji na polprevod-niku siliciju. V nadaljevanju si bomo najprej ogledali lastnosti in klasifikacijo tekočih kristalov, potem pa §e phn Ol p delovanja napogoslejSe izpisne celice tipa INC.
2	Osnovne lastnosti tekočih kristalov
Mezomorfno fazo lahko dobimo pri segrevanju nekaterih organskih spojin v temperaturnem območju med trdnim in tekočim agregatnim stanjem Pri temperaturi tališča Tt preide snov iz kristalne v mezomorfno fazo, ki Je največkrat rrxjtna, pri višji temperaturi Tb (tempe rat ura zblstriive) pa v izotropno tekočino Razlika med temperaturama je lahko več deset stopinj Pn mnogih tekočih kristalih obstaja več strukturno različnih mezomorfnih faz, ki so stabilne v intervalih med lem»
peraturama Tt in Tb Pri segrevanju take snovi od Tt do Tb dobimo torej zaporedje vmesnih faznih prehodov Mezomorfne faze se od navadne tekočine razlikujejo predvsem v tem. da se uredijo smeri molekul V nasprotju s trdnimi kristali pa nimajo translacijske urejenosti (aii pa je ta le delna) - težišča molekul mso razporejena v periodično strukturo Da dopolnimo sliko, omenimo še tako imenovane plastične knslale. ki imajo transiacijski red, nimajo pa onentacijskega Vse štKi faze prikazuje tabela 1.
TABELA 1 Transiacijski m onentadjsks red različnih stnjktur
Struktura	Transiacijski red	Or»entscijsi(i red
Trdni krisiali	Da	Da
Tekoči knstali	Ne (delen)	Da
Plastični knsiali	Da	Ne
Izotropne tekočine	Ne	Ne
Najpomembnejša lastnost tekoČJh knstalov je močna anizotropnost v različnih fizikalnih lastnostih, mehanskih, električnih, magnetnih m optičnih Ta izhaja rz anizotropne oblike sestavnih molekul: lahko so podol* govate ali pa sploščene (diskaste). Omejili se bomo na obravnavo pn/ih. ker so tehnološko pomembnejše. Največkrat vsebujejo eden ali dva benzenova obroča
CN-
\
(CH2)n—CH^ n = 7
Slika 1. Molekula tekočega kristala dC8/5/
3 Klasifikacija tekočih kristalov
Tekoči kristali se delijo na dve veliki skupim liotropne m termotropne Liotropni so sestavljeni vsaj iz dveh kemijsko različnih komponent. Največkrat so to vodne raztopine organskih snovi. Pn njih lahko dosežemo prehod v mezomorfno fazo tudi s spreminjanjem koncentracije topljenca Nas bodo zanimali le termotropni tekoči kristali, kjer pndemo do mezomorfne faze predvsem s spreminjanjem temperature To skupino delimo na nematike rn smektlke. Obe imeni izhajata iz grških besed: vt^a {izgovori nema) = ml. otisv^c (izgovora smegma) = mik) Pri nemaOkih res vidimo pod mikroskopom nrtaste strukture, smektiki pa po nekatenh mehanskih lastnostih spominjajo ri9 mila Leg» t^žisČ molekul nematskih tekočih kristalov so popolnoma neurejene v prostoru, mtedlem ko je za smektike značilna plastna-tosl (si, 2). Pn smekiikih lahko torej govorimo o delni transiacijski urejenosti: molekule so razporejene v
plasti, torej Imsmo periodičnost v smeri, pravokotni na plast. Glede na razporeditev in onentacijo molekul v plasteh se smektiki deli)o na več skupin. Najpreprostej* ia }e s/nektična faza A (SmA), kjer so molekule orlenti* rane pravokotno na plast ter so lege težišč molekul v plasti neurejene. Pri smektični fa2i C pa so molekul nagnjene glede na pravokotnico na plast. Vtein članku nas bodo zanimali predvsem nematski tekoči kristali zaradi njihove uporabe v prikazovalnikih.
Glede na ravnovesno porazdelitev nematskega direk> torja v prostoru se nematiki delijo na nevijačne in vijačne. Pri nevijadnih so molekule povsod enako
usmerjene: n(r)= konstanta. Pn vijačnih pa nematski direktor opiše vijačnioo. V vsaki ravnini, pravokotni na vijačno o$. so molekule enako usmerjene, vendar se mihova usmerjenost spreminja od ravnine do ravnine Ce izberemo koordinatni s<stem z osjo z v smeri vijačne osi, opišemo nematski direktor z enačbami:
ÖODOO	OOOOOk
OOODO OOOiPO/ OOöOOt 00000	OOWW
fet ^-c^o
On''00
krrttai
yw>1f«m c ISmCI
iMoci Intioli
fiLii^'» k n*MW' ISAA)	tN)


Slika 2. Nemetiki in smektiki /6/
4 Orientacija nematskih molekul
f^ematski tekoči kristali so lahko dvoosni (značilni fizi* kalni tenzoiji irr^ajo vse tri lastne vrednosti med seboj različne) ali pa enoosni (dve lastni vrednosti sta enaki). Pri enoosnih tekočih kristalih oDstaja v vsaki točki pro* štora 05, v smeri katere ima neka fizikalna koliäna (npr. dielektrična konstanta c) določeno vrednost (cv), vvseh smereh, pravokotnih na os, pa ima dnjgo vrednost (ep). Enoosnost oziroma dvoosnost tekočih knstalov je odvisna od simetrije samih molekul. Vendar ni nujno, da enoosne (rolacijskosimetrične) molekule tvorijo eno» osne, dvoosne molekule padvoosne mezomorfne faze. V veČini primerov je dvoosnost zanemarljiva ali pa je ni. Za opis enoosnih tekočih kristalov zadostujeta dva parametra:
a)	nematski direktor-to je enotski vektor, ki v vsaki točki prostora kaže v smeri povprečne usmeijenosti dolgih osi molekul. Označujemo ga z n{r). Ker predznak usmerjenosti molekul (v večim primerov) ni pomemben, sta nasprotno predznačeni vrednosti
nematskega direktorja ekvivalentni, n s —n
b)	ureditveni parameters, ki v vsaki točki prostora meri stopnjo urejenosti dolgih osi molekul glede na nematski direktor.
5(r)»i(3<cos^8>-l),
n^ = coMgz)'
ng=0
To fazo imenujemo spiralno ali helično.
Parameter q imenujemo vijačnost. če je pozitiven, Je vijačnica desno-, v nasprotnem primeru pa levosučna. Njena perioda je enaka L - 7c/q In ne 2ii/q, ker sla nasprotna smeri nematskega direktorja ekvivalentni Molekule vijačnih nematikov se od nevijačnih razlikujejo po tem, da niso simetrične glede na inverzijo koordinat* nega sistema (inverzija je operacija, ki vsak vektor preslika v nasprotno predznačen vektor). Seveda se molekule uredijo na zgoraj opisan način le. če nanje ne deluje nobena zunanja sila. Električno ali magnetno polje spremenila orientacijo molekul. Zelo pomemben je tudi vpliv površin (mejnih ploskev med tekočim kristalom ir\ drugimi snovmi). Oglejmo si primer ravne površine. Ta hoče vsiliti {odvisno od obeh stičnih kom» ponent) molekulam tekočega kristala t^k ob njej
določeno smer d (si. 3). Ta pojav imenujemo sidranje Enotski smemi vektor d je def niran z dvema kotoma* 9in« Polarni kot Oje kot med vektorjem innom^alona ravnino, azimutaini kot pa je kot med določeno smerjo
v ravnini m projekcijo ä na ravnino. Lahko obstaja več lakih energijsko ugodnih smeri - v tem pnmeru definiramo množico smernih vektorjev 5, Glede na poiarm kot razlikujemo pravokotno (6=0), poševno (0<9<ii/2) m vzporedno sidranje (6=ii/2). Pn poševnem in vzporednem je lahko ena ah več ali celo neskončno energijsko ugodnih smeri v prostoru Najpogostejša sidranja so pravokotno, degenerirano vzporedno (6s7c/2, ^ je poljuben) in vzporedno s preferenčno smerjo (9sn/2. o ima eno samo določeno vrednost) Vpliv površin postane pomemben tam, kjer je tekoči kristal omejen vsaj v eni dimenziji, npr. pri tanki plasti tekočega kristala
kjer je 8 kot med nematski m direktorjem in posamezno molekulo, trikotna oklepaja pa označu* jeta termodinamsko povprečje izraza, ki ga oklepata. V izotropni tekočini je S - O, v popolnoma urejeni fazi pa je S ' 1 V resnici la vrednost m nikoli dosežena zaradi termičnih fluktuacij smeri molekul okrog povprečne smeri. V nematskih kristalih velja; 0.4 < S < 0.6.
Slika 3 Sidranje molekul na površim/6/
med dvema vzporednima ploščama ali pri tekočih kristalih v mikroskopskih porah poroznega materiala
5 Celica TNC
Današnji prikazovalniki iz tekočih kristalov delujejo večinoma na osnovi vpliva električnega polja na orientacijo molekul vijačnega nematika. Od tod ime celici • ang. (wjsted nematic celi (TNC). Tekoči kristal je med sle» klenima ploščama z dvakrat manjšim razmikom od periode L (nematske rtKilekuie se na tej razdalji v odsotnosti zunanjih sil zasukajo za 00 stopinj okrog vijačne osi). Sidranje na steklenih stenah celice je vzporedno. Preferenčna smer molekul ob spodnji steni je v smeri osi x. na zgomji pa v smeri y. Vijačna os je v srr^riz. Celico damo med dva preknžana pclarizatoija, Ki prepuščata svettobo s polanzacijo v p referenčnih smereh molekul na stenah. Helična faza je optično aktivna: polarizacija svetlobe, ki pada od spodaj pravokotno na tanko plast, se suka skupaj z nematskim direktorjem. To je zato, ker je valovna dolžina vidne svetlobe veliko manjša od nematske sučne periode (L ' 10 m). Torej se polarizacija zasuka za 90'In zgornji poiarizator prepušča svetlobo. Če pa na celico pnklju-ČirT>o napetost, dobimo električno polje, ki skuša zasukati molekule v smeri osi z. če je napetost dovolj velika, zasuka vse molekule v tej smen. Polarizacija svetiobe se ne spremeni pn prehodu skozi celico, zato ni prepuščene svetlobe zaradi prekrižanih polarizator-jev. Ta celica torej deluje kot črno-beli preklopnik za svetlobo2 vmesnimi sivimi odtenki, če pnkijučena nape-tost ni prevelika. To celico sta patentirala Schadt m
Slika 4. Celica z vijsčnim nematikom v odpilem
stanju f2J', PI in P2 - poiarizaiorja, G - stekieni ploščicK ft in B2 • efe^frod, LČ • motakufe tekočega kristala: L • svatioba; I - zaslon, S - stikakt
Helfrich beta 1970. Njena dobra Stranje bila zelo majhna potrebna električna moč • le nekaj mikrovatov na kvad-
ratni centimeter Vendar v sedemdesetih letih še m Oiio primernega tekočega kristala, ki bi ustrezal vsem zah tevam delovanje pri sobni temperaturi, ponovljivost "i vzporedno sidranje na steklenih ploščah Kl|ub temu je laponska elektronska industrija spreiela izziv m v osem desetih letih razvila uspešne prikazovalnike Slaba stran TNC je počasen odziv na spremembo električnega polja (nekaj stotink sekunde) Preferenčno sidra nje v določeni smeri dosežejo z orientacijsko plastjo npr znaparevanjem pod neprdvim kotom ah 2 nanosom polimernih plasti na steklo ter brušenjem v dok)Čeni smen
Steklem ploščici, ki omejujeta tekoči knstaf. sta spojem s tesnilko lz nizkotalečega stekla Ta spoj mora bit' izdelan zeJo natančno, ker sta debelina tn homogenost vmesnega prostora odločilna za delovanje celice Skoz* majhno odprtino v tesniiki napolnijo celico s tekočrm kristalom m nepredušnozaprejo. Zaradi občutljivosti na prašne delce poteka polnjenje v vakuumski komon s tlakom največ tisočinke milibara Evakuirane celice potopijo v posodo s tekočim kristalom (v komori sevedaj. da se napolnijo zaradi kapilarnega efekta Na notranjo stran steklenih ploščic napanjo prozorne elektrode \z indijevega oksida. Zaradi matričnega naslavljanja celice so elektrode na obeh ploščicah usmerjene v pravokotnih smereh Pokrite so z zaščitno plastjo (npr silox) Na to plast je naparjena onentacijska plast Nd zunanjih straneh steklenih pk)Ščic sta prtlepljena polari-zatorja, na enega od njiju pa še nepolanziran reflektor ki omogoča refiektivno delovanje celice
S Prikazovalniki na osnovi feroelektricnih tekočih kristalov
Leta 1980 sta Clark m Lagorwall izumila površinsko stabilizirano celico s feroelektnčnim tekočim knstalom Označimo jo s kratico SSFLCC (surface stabilized ferroelectric liquid crystal cell). Njena glavna prednost pred TNC je znatno hitrejši odziv na električno polje m s tem krajši preklopni čas (mikrosekundno območje) Tekoči kristal je v smektičm fazi C (SmC). Od faze SmC se razlikuje v tem, da se azimutalm kot o postopoma spreminja od plasti do plasti (imamo torej spontan zasuk okrog osi. pravokotne na plast, kot pn vijačnih nema-tikih, si. 5). Ta faza je feroelektnčna. V vsaki plasti je električna polarizacija vzporedna s plastjo m pravo* kotna na smer dolge osi molekule. V SSFLCC so smek-tične plasti pravokotne na stekleni plošaci (si 6). če je debelina celice dovolj majhna {1-3 fxm), je prostostna stopnja sukanjd molekul okrog pravokotnic na plasti omejena na dve orientaciji: $ s o m s n; vse molekule so namreč praktično vzporedne s ploščicama Elek trična polarizacija kaže v smeri "gor" (proti eni ploščici) ali "dol" (proti drugi pk)ščici). Obe stanji sta energijsko enakovredni: med njima preklapljamo s pulzi elek-tričrrega polja če izberemo ustrezno debelino celice m je smektični nagib 9 okrog 22,5®, potem z dvema preknžanima polanzatorjema na obeh straneh dosežemo. da v enem stanju = 0) ni prepuščene svetlobe, v drijgem pa je celica prepustna
Glavna pomanjkljivost te celice je občutljivost na mehanski stres. To v zadnjem času režu^jo s pnjstorsko stabilizacijo celice, to je z dodatkom polimerne mreže, ki onemogoča transiacijo molekul in s tem porušenje
plastnate strukture. Prostorsko stabilizacijo laJ^ko dosežemo te z majhriiini koncentracijami polirr^fov (0,5 • 3 %).
Hod
vljdjnic«
kateri je zasuk krislala med ploičama 270* namesto 90^. Take ceiice imajo danes prenosni osebni računalniki. Veliko je še nejasnega tudi glede njihovi h osnovni h fizikalnih lastnostih. Fizika teko6ih kristalov je eno izmed najbotj značilnih raziskovalnih področij, Kjer se teorija in eksperiment tesno prepletata in dopolnjujeta


Slike 6 C&/rc$ SSFLCC/4/
S'Aa 5. P0Z& $mC'/5/
7 Sklep
Uporaba tekočih kristalov je danes zelo razširjena. Njihova prednost pred drugimi načini prikazov (LED*diode, fluorescentne cevi, klasični prikazovalniki z žarilno nitko) je n%ajhnd poraba električne energfje, velika ponovljivost in dober kontrast. Največji pomanjkljivosti sta njihov razmeroma počasen odziv na spremembo električne napetosti in tehnični problemi ph naslavljanju tekoče kristalni h oelic, kar je trenutno še ozko grlo za množično proizvodnjo televizijskih zaslonov na osnovi tekočih kristalov. Prvi napredek v tej smeri je bilo odkritje oelice STNC (super twisted nematio cell), v
8 Literatura
/1/S Ch«ndra»ekhar, LtQud Crystals, CambftOg« UrirversiTy Pre&s 1977, 1992
/2/ U Sctiadt, Trte history of tU liquid crysra! Ottplsy ai^d inuiO crystal material technology. Liquid Crystals 19S9 Vol S Mo 1 57-71
/i/ W $«hadl and W Helfncti, Vollage-deperxlent activity of a twisted nemalK iqutd crystal Applied Physics l«tt*rs Vol No 4.127-120
/4U Pifi,B Marin,$ Pir^, P«rro«9ctnc itguiQ crystal • polymet gel diSDlays, Inrermaeija MIDEM 23(1993) i,L]uDlF8ru
/S/ M Vilfan, Tako^ knsuii - doOnh sio let po odKr^u Proteus 3S (1992-93] str 219-223 ri> 366-373
/6/B Jerome, Rep Prog. Phys 55(1991), 391-451
cr-c^ OBVESTILO
Naročnike Vakuumista prosimo, da čim prej poravnate naročnino za leto 1995. Cena štirih številk, kolikor jih bo izšlo v letu, je 1000,00 tolarjev.