V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Жидкие кристаллы и их технические применения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последние десятилетия бытовая техника все активнее стала использовать жидкокристаллические дисплеи (от экранов компьютеров и телевизоров до информационных блоков микрокалькуляторов, мультиметров). Современной вычислительной технике, радиоэлектронике, автоматике требуются высокоэкономичные, безопасные, быстродействующие устройства отображения информации (дисплеи). Вместе с газоразрядными (плазменными), катодолюминесцентными, полупроводниковыми и электролюминесцентными дисплеями ее обеспечивает относительно новый класс индикаторов, известных под названием жидкокристаллических (ЖКД), т.е.- устройств отображения информации работающих на основе жидких кристаллов. Меня заинтересовало устройство жидкокристаллических дисплеев и принцип их действия, а так как в школьном курсе физики данный материал не изучается, я решила сама изучить свойства и действие жидких кристаллов. Тема является актуальной, т.к. жидкие кристаллы все шире входят в нашу жизнь. Цель работы: изучить свойства жидких кристаллов и жидкокристаллической ячейки, исследовать принципы работы и возможности технического применения ЖК-ячейки. Задачи:
- Изучить теорию жидких кристаллов и историюих создания и изучения;
- Исследовать плоскость поляризации ЖК-ячейки;
- Исследовать пропускание света жидкокристаллической ячейкой в зависимости от приложенного напряжения;
- Изучить применение жидких кристаллов в технике.
Гипотеза: жидкий кристалл изменяет направление поляризации света, ЖК-ячейка изменяет оптические свойства в зависимости от приложенного напряжения. Методы исследования: Анализ и отбор теоретической информации; выдвижение гипотезы исследования; эксперимент; проверка гипотезы.
II. – Теоретическая часть.
История открытия жидких кристаллов.
Со времени открытия жидких кристаллов прошло более 100 лет. Впервые их обнаружил австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер, наблюдая две точки плавления сложного эфира холестерина - холестерилбензоата.
При температуре плавления (Tпл), 145°С, кристаллическое вещество превращалось в мутную, сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется (точка просветления (Tпр)), т.е. начинает вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаружились в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т.е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.
Двойно́елучепреломле́ние — эффект расщепления в анизотропных средах луча света на две составляющие. Если луч света падает перпендикулярно к поверхности кристалла, то на этой поверхности он расщепляется на два луча. Первый луч продолжает распространяться прямо, и называется обыкновенным (o — ordinary), второй же отклоняется в сторону, и называется необыкновенным (e — extraordinary).
Явление двупреломления - это типично кристаллический эффект, состоящий в том, что скорость света в кристалле зависит от ориентации плоскости поляризации света. Существенно, что она достигает экстремального максимального и минимального значений для двух взаимно перпендикулярных ориентаций плоскости поляризации. Разумеется, ориентации поляризации, соответствующие экстремальным значениям скорости свете в кристалле, определяются анизотропией свойств кристалла и однозначно задаются ориентацией кристаллических осей относительно направления распространения света.
Существование двупреломления в жидкости, которая должна быть изотропной, т.е. что ее свойства должны быть независящими от направления, представлялось парадоксальным. Наиболее правдоподобным могло казаться наличие в мутной фазе нерасплавившихся малых частичек кристалла, кристаллитов, которые и являлись источником двупреломления. Однако более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика Отто Лемана, показали, что мутная фаза не является двухфазной системой, а является анизотропной. Поскольку свойства анизотропии присуще твердому кристаллу, а вещество в мутной фазе было жидким, Леман назвал его жидким кристаллом.
С тех пор вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропии), стали называться жидкими кристаллами или жидкокристаллическими. ЖК - вещества часто называют мезоморфными, а образуемую ими ЖК - фазу - мезофазой. Такое состояние является термодинамически стабильным фазовым состоянием и вместе с твердым, жидким и газообразным может рассматриваться как четвертое состояние вещества.
Однако понимание природы ЖК - состояния веществ установление и исследование их структурной организации пришло значительно позднее. Серьезное недоверие к самому факту существования таких необычных соединений в 20-30-х годах XX века сменилось их активным исследованием. Работы Д. Форлендера в Германии во многом способствовали синтезу новых ЖК - соединений. В двадцатые годы Фридель предложил разделить все жидкие кристаллы на три большие группы. Группы жидких кристаллов Фридель назвал:
1. Нематическими - В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении молекул, у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя подобно обычным жидкостям.
2. Смектическими – Эти кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться относительно друг друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул, однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков.
3.Холестерическими – Эти кристаллы образуются соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры.
Фридель предложил общий термин для жидких кристаллов - «мезоморфная фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), что подчеркивает промежуточное положение жидких кристаллов между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам.
Русские ученые В.К. Фредерикс и В.Н. Цветков в СССР в 30-х годах XX века впервые исследовали поведение жидких кристаллов в электрических и магнитных полях. Однако до 60-х годов изучение жидких кристаллов не представляло существенного практического интереса, и все научные исследования имели достаточно ограниченный, чисто академический интерес.
Ситуация резко изменилась в середине 60-х годов, когда в связи с бурным развитием микроэлектроники и микроминиатюризации приборов потребовались вещества, способные отражать и передавать информацию, потребляя при этом минимум энергии. И вот здесь на помощь пришли жидкие кристаллы, двойственный характер которых (анизотропия свойств и высокая молекулярная подвижность) позволили создать управляемые внешним электрическим полем быстродействующие и экономичные ЖК - индикаторы.
III. – Практическая часть.
Жидкокристаллическая ячейка является структурой из нескольких прозрачных слоев. Между парами поляризаторов с проводящими поверхностями находится слой жидкого кристалла. Исследуем плоскость поляризации ячейки.
Определение разрешённых направлений поляризаторов ЖК-ячейки.
После прохождения через подключённую ячейку свет поляризован в направлении поляризации второго поляризатора. Если на пути естественного света поставить поляризатор и анализатор(внешний поляризатор), то интенсивность поляризованного света, прошедшего через анализатор, будет зависеть от взаимного расположения плоскостей пропускания поляризатора и анализатора. Будем смотреть на свет сквозь анализатор и ЖК-ячейку. Вращая анализатор с указанным направлением поляризации перед ячейкой, добьёмся минимального пропускания света. В данном случае направление поляризации анализатора и ближнего поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярны.
Установка для исследования приведена на рис.1.
На рис.2 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна. На рис.3 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.
Затем ЖК-ячейку перевернули и продолжили исследование.На рис.4 плоскость поляризатора ЖК-ячейки перпендикулярна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света минимальна.На рис.5 плоскость поляризатора ЖК-ячейки параллельна плоскости анализатора, поэтому интенсивность проходящего света максимальна.
Можно сделать вывод, что направления поляризации слоёв ячейки перпендикулярны. Таким образом, поскольку жидкий кристалл поворачивает на 90◦направление поляризации света прошедшего через первый поляризатор, то в результате направление поляризации света на выходе из ЖК-ячейки совпадает с разрешённым направлением второго поляризатора, а интенсивность проходящего света максимальна.
Снятие зависимости интенсивности прошедшего света Iпр от напряжения Uя на ЖК-ячейке.
Проводящие поверхности и слой жидкого кристалла представляют собой конденсатор. При приложении напряжения к ячейке длинные молекулы жидкого кристалла оказываются в электрическом поле и поворачиваются, тем самым меняются оптические свойства жидкого кристалла. Если на ячейку подать напряжение 3 В, то ячейка становится полностью непрозрачной. Исследуем зависимость пропускающей способности ячейки от приложенного напряжения. В качестве источника света используем светодиод (Рис. 6), в качестве индикатора люксметр, основной частью которого является фотодиод (рис.7).
Для измерения коэффициента пропускания в держателе закрепим светодиод, фотодиод и жидкокристаллическую ячейку между ними. Соберем схему измерения (рис.8), фотография собранной цепи представлена на рис.9, 10. Вращая ручку потенциометра, будем изменять напряжение Uя на ячейке, и снимать показания люксметра (значение обратного тока через фотодиод найдем из закона Ома для участка цепи, разделив напряжение на фотодиоде на внутреннее сопротивление вольтметра, Iф = Uв∕Rв). Построим график зависимости силы фототока от напряжения на ЖК-ячейке Iф(Uя).
Из графика (Рис.11) видно, что при большом напряжении, свет не проходит сквозь ячейку и фотодиодом не регистрируется. При уменьшении напряжения сила фототока увеличивается линейно, при значении напряжения 724 мВ угол наклона графика увеличивается. Из этого следует, что при уменьшении напряжения ЖК-ячейка лучше пропускает свет. Это позволяет использовать ЖК-ячейку в индикаторах приборов. Дисплеи приборов состоят из большого количества ЖК-ячеек, те ячейки, на которые подано напряжение в данный момент имеют вид темных областей, а ячейки без напряжения имеют вид светлых областей.
IV. – Технические применения жидких кристаллов.
Электрооптические свойства жидких кристаллов широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенно-цифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т. п.), оптических затворах и других светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов - низкая потребляемая мощность (порядка 0,1 мВт/см2), низкое напряжение питания (несколько В), что позволяет, например, сочетать жидкокристаллические дисплеи с интегральными схемами и тем самым обеспечивать миниатюризацию индикаторных приборов (плоские телевизионные экраны).
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные (т.е. неработающие) — сразу заметны по ярким цветовым пятнам.
Новые возможности получили врачи: нанося на тело пациента жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Таким образом, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.
V. – Заключение.
В своей работе я познакомилась с историей открытия и изучения жидких кристаллов, с развитием их технических применений. Исследовала поляризационные свойства жидкокристаллической ячейки и пропускную способность света в зависимости от приложенного напряжения. В дальнейшем я хотела бы провести термографические исследования используя жидкие кристаллы.
VI. – Библиографический список
1. Жданов С.И. Жидкие кристаллы. «Химия», 1979. 192с.
2. Роджерс Д. Адамс Дж. Математические основы машинной графики. «Мир», 2001. 55с.
3. Калашников А. Ю. Электрооптические свойства жидкокристаллических ячеек с повышенной крутизной вольт-контрастной характеристики. 1999. 4с.
4. Коншина Е. А. Оптика жидкокристаллических сред. 2012. 15-18с.
5. Зубков Б.В. Чумаков С.В. Энциклопедический словарь юного техника. «Педагогика», 1987. 119 - 120с.
6. Студенческая библиотека онлайн. Studbooks.net. Жидкокристаллические соединения. http://studbooks.net/2288377/matematika_himiya_fizika/istoriya_otkrytiya_zhidkih_kristallov7. Википедия. Двойное лучепреломление. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
Приложение
|
Рис.1 |
||
|
Рис. 2 |
Рис.3 |
|
|
Рис.4 |
Рис. 5 |
|
|
Рис. 6 |
Рис. 7 |
|
|
Рис.8 |
||
|
Рис.9 |
Рис. 10 |
|
|
Рис. 11 |
||
|
Напряжение на ячейке, Uя, мВ |
Сила обратного тока, Iя, А |
|
|
704 |
0,547 |
|
|
724 |
0,263 |
|
|
729 |
0,206 |
|
|
734 |
0,147 |
|
|
740 |
0,105 |
|
|
741 |
0,068 |
|
|
752 |
0,002 |
|
|
760 |
0,002 |
|
|
769 |
0,002 |
|
|
773 |
0,002 |
|
|
775 |
0,002 |
|