Elektro – optičke ćelije sa tečnim kristalima

ELEKTRO-OPTI

Č

KE 

Ć

ELIJE SA  

TE

Č

NIM KRISTALIMA  

- diplomski rad - 

 
 
 
 
Mentor: 

      Kandidat: 

dr Dušanka Obadovi

ć

Biljana Marjanovi

ć

Novi Sad, 2007 

UNIVERZITET U NOVOM SADU 

PRIRODNO-MATEMATI

Č

KI  

FAKULTET 

DEPARTMAN ZA FIZIKU 

Biljana Marjanovi

ć

: Elektro-opti

č

ke 

ć

elije sa te

č

nim kristalima

2

SADRŽAJ

 
UVOD 
TEORIJSKI DEO 
1.

Otkri

ć

e te

č

nih kristala 

2.

Oblasti primene te

č

nih kristala 

3.

Tipovi te

č

nih kristala, njihove fizi

č

ke osobine i reakcija na elektri

č

no polje 

3.1.

Nematski (N) 

3.1.1.

Reakcija mezogena na spoljašnje elektri

č

no polje 

3.1.2.

Brzina reakcije nematske 

ć

elije  

3.2.

Smekti

č

ki (SmA, SmC, SmC

A

) 

3.3.

Hiralni nematici (N*) i holesterici 

3.3.1.

Opti

č

ki efekti 

3.4.

Hiralni smekti

č

ki (SmC*, SmA*, SmC

A

*) 

3.4.1.

Elektroklinski efekat u SmA* 

3.4.2.

Osobine masivnog materijala SmC* 

3.4.3.

Reakcija SmC* na spoljašnje elektri

č

no polje 

3.4.4.

Osobine masivnog SmC

A

* 

EKSPERIMENTALNI DEO 
4.

Displeji na bazi te

č

nih kristala 

4.1.

Princip rada klasi

č

ne TN 

ć

elije 

4.2.

Tipovi displeja: klasifikacije i osobine  

5.

Ć

elije sa feroelektri

č

nim te

č

nim kristalima (SmC*) 

5.1.

Deformisana spirala (DHF) 

5.2.

Površinski-stabilisani SmC* SSFLC 

5.2.1.

SSFLC 

ć

elije i displeji  

5.2.2.

Realan SSFLC 

5.3.

Uvrnuti smekti

č

ki režim (TSM) i kontinualna rotacija direktora (CDR) 

6.

Višeslojni holesteri

č

ki displeji u boji 

6.1.

Opšti problem reflektivnosti kolor displeja 

6.2.

Princip rada višeslojnog holesteri

č

kog kolor displeja 

6.2.1.

Prelazi izme

đ

u faza i upravljanje 

ć

elijom 

6.2.2.

Generacija boja i karakteristike displeja 

6.3.

Tehnologija izrade troslojnog holesteri

č

kog displeja 

ZAKLJU

Č

AK 

LITERATURA 
 
 
 

Biljana Marjanovi

ć

: Elektro-opti

č

ke 

ć

elije sa te

č

nim kristalima

4

UVOD 

Termin “te

č

ni kristali” odnosi se na organske materije koje u odre

đ

enoj temperaturnoj 

oblasti poseduju prelaznu fazu odnosno, posebno agregatno stanje koje se nalazi izme

đ

u 

te

č

nog i 

č

vrstog. Ovo “te

č

no-kristalno” stanje odlikuje se nekim karakteristikama 

č

vrstog 

kristalnog stanja – ure

đ

enost molekula i anizotropija fizi

č

kih osobina, ali i nekim osobinama 

te

č

nosti – fluidnost. Suprotno 

č

vrstom kristalnom stanju, ure

đ

enost molekula u te

č

no-

kristalnom stanju je samo delimi

č

na i opada sa porastom temperature. Molekuli te

č

nih kristala 

mogu biti u obliku štapa, diska ili banane… Anizotropija je veoma izražena i u tome se te

č

no-

kristalno stanje jasno razlikuje od izotropnih te

č

nosti. Makroskopski elektri

č

ni i mehani

č

ki 

parametri te

č

nih kristala su tako

đ

e anizotropni: permitivnost, indeks prelamanja, koeficient 

elasti

č

nosti, viskoznost... Osnovu na kojoj se zasniva prakti

č

na primena te

č

nih kristala 

predstavlja mogu

ć

nost upravljanja anizotropijom primenom spoljašnjeg elektri

č

nog ili 

magnetnog polja, elektromagnetnim talasima, temperaturom... 

Poslednjih nekoliko decenija, odnosno od sedamdesetih godina XX veka, u oblasti 

primene te

č

nih kristala došlo je do nagle ekspanzije: od indikatora u ru

č

nim digitalnim 

satovima i prenosnim mernim ure

đ

ajima male potrošnje, do masovne komercijalne industrije 

vredne više desetina-milijardi EUR u poslednjoj godini. To zna

č

i da je od prvih opažanja 

(1850 god.) i otkri

ć

a te

č

no-kristalnog stanja (1888 god.) do prve ideje o prakti

č

noj primeni 

(1966 god.), prošlo više od jednog veka. Te

č

ni kristali su dugo bili predmet 

č

isto akademskog 

interesovanja, bez ikakve prakti

č

ne upotrebe. Do proboja u oblasti primene došlo se otkri

ć

em 

i demonstracijom koncepta displeja: 1968 godine napravljen je displej sa dinami

č

kim 

rasejanjem na nematskim te

č

nim kristalima (ameri

č

ka kompanija RCA; potrebna radna 

temperatura oko 80

o

C), a 1971 godine prva TN (“twisted nematic” – uvrnuti nematik) 

ć

elija. 

U to vreme stabilni nematski materijali, u intervalu sobnih temperatura, sa pozitivnom 
anizotropijom permitivnosti nisu postojali. Te

č

no-kristalni materijali nisu bili dovoljno 

kvalitetni za komercijalnu upotrebu. Mogu

ć

nost komercijalne primene naglo su pospešila 

istraživanja te

č

no-kristalnih supstancija, kako na akademskim institucijama, tako i u 

industriji. Ve

ć

 1973god. u nau

č

noj literaturi su publikovani, a i komercijalizovani, prvi te

č

no-

kristalni materijali sa faznim prelazima na sobnoj temperaturi. Intenzivan rad u industriji i 
specijalizovanim institucijama poslednjih decenija doveo je do razvoja velikog broja 
kvalitenih materijala. Glavna motivacija razvoja bila je mogu

ć

nost primene u TV displejima.  

Osnovni preduslovi za masovnu komercijalnu upotrebu te

č

nih kristala su: 

I.

Č

isto

ć

a: mogu

ć

nost nabavke sintetizovanih materijala visoke 

č

isto

ć

e (bez jona),  

II.

Širok temperaturni opseg mezofaze

1

,  

III.

Pouzdane i jevtine mikro-fabrikacione tehnologije (razvijene za mikroelektronsku, 
mikromehani

č

ku i druge industrije), 

IV.

Kvalitetne podloge za dobijanje ure

đ

enih slojeva (“alignment layers”) i razumevanje 

procesa orijentacije. 

1

 Napomenimo da je zahtevani opseg za elektronski sistem: u komercijalnim primenama od 0 do 60

o

C, u 

industrijskim od -30 do 85

o

C, a automobilska specifikacija zahteva od -40 do 125

o

C (u proširenoj oblasti  

od –45 do +150

o

C).  

Biljana Marjanovi

ć

: Elektro-opti

č

ke 

ć

elije sa te

č

nim kristalima

5

Komercijalne te

č

no-kristale smeše danas se prave od velikog broja 

č

istih te

č

no-kristalnih 

supstancija sa dopantima (primesama) – ciljno za odre

đ

enog kupca – za odre

đ

enu namenu. 

Č

ak, dodavanje visoko-anizotropnih supstancija, ali bez te

č

no-kristalne faze, može zna

č

ajno 

da poboljša karakteristike smeše. Parametri koji se podešavaju su: anizotropija indeksa 
prelamanja (“birefringence”), viskoznosti, temperaturni opseg mezofaza, prag napona, ugao 
uvrtanja, dužina koraka spirale, permitivnost, otpornost, napon rada 

ć

elije, vreme isklju

č

enja 

ć

elije, prenosna karakteristika 

ć

elije (transparentnost u funkciji napona), kao i temperaturna 

stabilnost, stabilnost na UV zra

č

enje…  

U teorijskom delu ovog rada

 dat je prikaz osnovnih karakteristika te

č

no-kristalnih 

supstancija. Posebna pažnja posve

ć

ena je odzivu pojedina

č

nih molekula i slojeva te

č

no-

kristalnih faza na primenjeno spoljašnje elektri

č

no polje.  

U eksperimentalnom

delu

 rada dat je pregled elektro-opti

č

kih 

ć

elija sa te

č

nim 

kristalima. Objašnjeni su principi rada klasi

č

nih 

ć

elija: TN (“twisted-nematic“ – uvrnuti 

nematik), STN (“super-twisted-nematic“ – jako uvrnuti nematik) i IPS (“in-plane switching“ 
– prekidanje u ravni 

ć

elije). Diskutovane su razne vrste i realizacije displeja sa te

č

nim 

kristalima. Posebna pažnja posve

ć

ena nekim elektro-opti

č

kim efektima i 

ć

elijama specijalnih 

karakteristika, kao:  

-

elektroklinski efekat – vrlo velika brzina rada,  

-

reflektivna slojna holesteri

č

ka 

ć

elija – stabilna bez napona, visoko reflektivna,  

-

ć

elija sa SSFLC (“surface-stabilized-feroelectric-liquid-crystal” – površinski stabilisan 

feroelektri

č

ni te

č

ni kristal) i 

ć

elije sa SmC* u kontinualnom režimu rada (deformisana 

spirala, kontinualna rotacija direktora) – velike brzine rada.   

Dat je opis tehnološkog postupka dobijanja reflektivnog kolor holesteri

č

kog displeja i 

opisan je prakti

č

an rad na realizaciji tog displeja (

eksperimentalan deo

). 

Biljana Marjanovi

ć

: Elektro-opti

č

ke 

ć

elije sa te

č

nim kristalima

7

Born (M.Born) je 1916 god. postavio teoriju te

č

no-kristalnog stanja na osnovu postojanja 

stalnih dipola molekula za objašnjenje nematske faze. Kasnije je pokazano da je efekat dipola 
(dipol-dipol interakcija) slab da bi igrao klju

č

nu ulogu u održanju faze.  

Prvi matemati

č

ki model te

č

no-kristalnog stanja su postavili Ozen i Coher (C.Oseen i 

D.Zocher). Oni su definisali parametar ure

đ

enosti, a u periodu od 1922-1939 god., razvili 

kontinualnu teoriju te

č

no-kristalnog stanja, kao kontinualanog mediuma preko makroskopskih 

konstanti elasti

č

nosti. Kona

č

nu opštu “Kontinualnu teoriju stati

č

kih sistema” dao je Frank 

(F.C.Frank) 1958 god. Teorija se obi

č

no referiše kao Frank-Leslijeva (Frank-Leslie) ili Ozen-

Frankova metoda, a koeficienti elasti

č

nosti za istezanje (K

1

), uvrtanje (K

2

) i savijanje (K

3

) 

č

esto se nazivaju Frankovi koeficienti elasti

č

nosti.  

Lesli i Erikson (F.M.Leslie i J.L.Ericksen) su razvili “Kontinualnu teoriju dinami

č

kih 

sistema”, u periodu 1960-1968 god. (dinami

č

ka teorija Lesli-Eriksona). 

Frederiks (V.K.Freedericksz) je 1930-tih godina izu

č

avao i objasnio deformaciju te

č

nog 

kristala pod uticajem spoljašnjeg elektri

č

nog polja, kao i postojanje praga polja za 

deformaciju (efekat Frederiksa). 

Onzager (L.Onsager) je publikovao svoj rad o prelazu iz izotropne u nematsku liotropnu 
te

č

no-kristalnu fazu (1949 god.). 

Zaupe i Majer (A.Saupe i W.Maier) su razvili statisti

č

ku molekularnu teoriju te

č

nih kristala 

bez stalnih dipola, uklju

č

uju

ć

i intermolekularni potencijal (teorija Majer-Zaupea, 1958 god.). 

Teorija se zasniva na usrednjenom polju i dosta uspešno predvi

đ

a eksperimentalne 

termotropne fazne prelaze.  

Hajlmajer (G.Heilmeier) i saradnici su demonstrirali prvi displej na bazi te

č

nih kristala 1968 

god. (laboratorije kompanije RCA). Displej je radio koriste

ć

i dinami

č

ko rasejanje na te

č

nim 

kristalima (“dynamic-scattering-mode“ – DSM) [2]. Taj režim je Hajlmajer uveo u svom radu 
godinu dana ranije (1967), mada je on otkriven u te

č

nim kristalima još 1963 god. od strane 

Vilijamsa (R.Williams). U prvom displeju Hajlmajera koriš

ć

eni materijal je zahtevao radnu 

temperaturu od 80

o

C.  

A. Zaupe je otkrio smekti

č

ku C fazu 1969 god. 

H. Keler (H.Keler) je sintetizovao prvo nematsko jedinjenje na sobnoj temperaturi (MBBA) 
1969 god.  

TN (twisted-nematic) tip 

ć

elije za displeje sa te

č

nim kristalima je razvijen od strane Šada i 

Helfriha (M.Schadt i W.Helfrich) 1971 god. u Švajcarskoj i od strane Fergasona (J.Fergason) 
u USA. TN 

ć

elija je intenzivno komercijalizovana i sve do nedavno je bila jedina 

ć

elija u 

masovnoj upotrebi

2

.  

Šefer i Nering (T.Scheffer i J.Nehring) i saradnici su razvili STN (jako uvrnuti nematik) 

ć

eliju 

1981 god.  

2

 Zapravo, dve 

ć

elije su se masovno koristile: TN i STN (“super-twisted-nematic”). Od nedavno se za velike 

aktivno-matri

č

ne displeje koriste VA (“vertical alignment”) i IPS (“in-plane-switching”) 

ć

elije.