Ciekłe kryształy

"Ekran komputerowy jest jak dziurka od klucza, przez którą możesz podglądać to, co robi Twój PC" Winn L. Rosch, Biblia hardware'u, 1992

''Ekran komputerowy jest jak dziurka od klucza, przez którą możesz podglądać to, co robi Twój PC'' - Winn L. Rosch, Biblia hardware'u, 1992

Przemysł ekranów LCD o dużej powierzchni i rozdzielczości jest pod stałą presją niemal nienasyconych odbiorców, przede wszystkim wytwórców laptopów i notebooków, a także producentów specjalistycznego sprzętu medycznego oraz elektronicznego oprzyrządowania samolotów. Wszystkie te dziedziny potrzebują ekranów mogących przekazać właściwą ilość informacji. Typowy użytkownik ekranu komputerowego zadowala się rozdzielczością oferowaną w standardzie VGA (640x480 pikseli). W medycynie i lotnictwie wymagana jest rozdzielczość podawana w dziesiątkach tysięcy pikseli.

Pierwsze odkrycia, fizyka zjawiska

Dwaj uczeni niemieccy: fizyk O. Lehmann i botanik F. Reinitzer odkryli w latach 80. ub. wieku, że występują w przyrodzie substancje w tzw. fazie mezomorficznej (przejściowej). Substancje te łączą cechy cieczy (np. lepkość) i ciała stałego (np. własności optyczne charakterystyczne dla kryształów). Lehmann nadał im nazwę ciekłych kryształów. Obecnie znane jest ok. 10 tys. substancji zaliczanych do grupy tzw. ciekłych kryształow termotropowych, tj. powstających w wyniku topnienia lub ochładzania pewnych substancji organicznych lub cieczy izotropowych. Również oddziaływanie określonych rozpuszczalników i substancji rozpuszczanych prowadzi do powstawania ciekłych kryształów.

Ciekłe kryształy otaczają nas już od dzieciństwa. Dwie warstwy ciekłego kryształu o strukturze smektyka przedzielone cieniutką błonką wody to powłoka bańki mydlanej.

Ciekłe kryształy mają bardzo ciekawe właściwości optyczne, które, po dokładniejszym ich poznaniu, uznano za kluczowe w budowie ekranów. Otóż, jeżeli przepuścimy przez molekułę ciekłego kryształu spolaryzowany promień światła, możemy zaobserwować jeden z dwu możliwych efektów: promień nie zmieniony biegnie dalej lub zachodzi zjawisko dwojłomności. Nie zmieniony bieg promienia świetlnego po przejściu przez ciekły kryształ ma miejsce tylko wtedy, gdy kierunek rozchodzenia się światła pokrywa się z osią optyczną kryształu (w nematyku - równoznaczne z długą osią molekuły). Gdy promień świetlny nie jest równoległy w stosunku do długiej osi kryształu, następuje rozbicie promienia (dwójłomność) na dwie składowe. Prędkości światła obu promieni są różne*, a ich płaszczyzny polaryzacji są do siebie prostopadłe. Jedna z fal świetlnych biegnąca w kierunku wyznaczonym przez długą oś kryształu nosi nazwę promienia nadzwyczajnego, druga - promienia zwyczajnego. Ten ostatni podlega wszystkim prawom optyki, w tym i prawom załamania światła. W przeciwieństwie do niego prędkość rozchodzenia się i współczynnik załamania promienia nadzwyczajnego, do którego nie stosuje się prawo załamania, zależy od kierunku rozchodzenia się światła. W przypadku, gdy światło pada na kryształ pod kątem prostym - nie następuje przestrzenne rozdzielenie obu promieni. Obydwie fale poruszają się w tym samym kierunku, ale z różnymi prędkościami. Ponieważ pochłonięte zostają niektóre długości fal tworzących białe światło wchodzące - po przejściu przez ciekły kryształ światło staje się zabarwione (tzw. dichroizm).

Kolejny, istotny krok w badaniach nad ciekłymi kryształami uczynili w latach 60. pracownicy firmy RCA (przejętej nieco później przez General Electric). Odkryli oni mianowicie, że można kontrolować uporządkowanie molekuł ciekłego kryształu za pomocą pola elektrycznego. Jest to związane z kształtem molekuł (wydłużonym) i nierównomiernym rozłożeniem ładunków elektrycznych wewnątrz. Ukuto wtedy dwa terminy: pozytywna i negatywna anizotropia dielektryczna (PAD i NAD). Ciekły kryształ wykazujący pozytywną anizotropię dielektryczną układa swoje molekuły wzdłuż linii pola elektrycznego, natomiast ułożenie prostopadłe do linii pola charakteryzuje kryształ o anizotropii negatywnej.

Odkrycie metody elektrycznego sterowania dwójłomnością (ECB - electrically controlled birefringence) było wielkim krokiem naprzód w dążeniu do budowy ekranu mogącego konkurować z technologią CRT (cathode ray tube).

Jeżeli ciecz nematyczną umieścimy między płytkami kondensatora, np. tak aby jej molekuły były równoległe do płytek ograniczających i przyłożymy napięcie na tyle wysokie, aby pokonać siły lepkości w cieczy, nematyk o właściwościach PAD ustawi swe cząsteczki prostopadle do płytek kondensatora. Co w opisanej sytuacji działoby się ze spolaryzowanym liniowo promieniem światła padającym prostopadle na kondensator zawierający nematyk między okładkami? Przy braku napięcia pojawia się efekt dwójłomności, przez co światło po przejściu przez warstwę nematyka zmienia polaryzację (np. na kołową). Natomiast po przyłożeniu pola elektrycznego światło płynie bez zmiany polaryzacji, bo promień świetlny jest równoległy do osi optycznej kryształu. W praktyce cząsteczki nematyka między płytkami kondensatora w polu elektrycznym zachowają się nieco inaczej. Molekuły leżące najbliżej skrajów nie zmieniają położenia, a pozostałe stopniowo przeorientowują się, aż do położenia równoległego z liniami pola elektrostatycznego. Po naniesieniu na zewnętrzne strony kondensatora folii polaryzującej, tak aby kierunek polaryzacji górnej jej warstwy (tam, gdzie światło "wychodzi") był prostopadły do kierunku polaryzacji w warstwie dolnej, można uzyskać dwie sytuacje. (1) Gdy przyłożono napięcie, przez górny polaryzator nie przedostaje się światło, (2) gdy nie ma napięcia - widoczne jest światło barwne (barwa zależy od kąta między długą osią nematyka a górną i dolną płaszczyzną polaryzacji.


TOP 200