„Folyadékkristályok vizsgálata” változatai közötti eltérés
| 38. sor: | 38. sor: | ||
===Folyadékkristály=== | ===Folyadékkristály=== | ||
| − | A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű | + | A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű molekulákból állnak. A molekulák orientációja (irányítottsága) könnyen egy irányba rendezhető és szabályozható elektromos erőtér segítségével. Az LC eszközökhöz azonos vagy jól meghatározott orientációjú LC molekulákra van szükség. A méréshez használt LC cella felépítése az ''1. ábrán'' látható. Az üveg hordozólemezeket először egy vékony, elektromosan vezető, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxide) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI) rendező réteget alakítanak ki. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják, és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerűen két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erők hatására az egész LC-hasáb azonos orientációjú lesz. Egy adott helyen a molekula-orientációt az LC adott helyen lévő direktorának nevezik. |
| + | |||
| + | Az LC cellában megfigyelhető az ún. kettőstörés jelensége, amikor az anyagnak kétféle fő törésmutatója van. Ha a fény a direktor irányában terjed, akkor az összes polarizációs összetevő ugyanakkora $\v_o=\frac{c}{n_o}$ sebességgel terjed, ahol $n_o$ az ordinárius (rendes) törésmutató. Ezt a terjedési irányt (a direktor irányát) nevezik a cella optikai tengelyének. Ha a fény az optikai tengelyre merőleges irányba terjed, akkor két terjedési sebesség van. A fény elektromos mezejének az optikai tengelyre merőlegesen polarizált része ekkor is $v_o$ sebességgel halad, az optikai tengellyel párhuzamosan polarizált rész sebessége viszont $v_e=\frac{c}{n_e}$, ahol $n_e$ az extraordinárius (különleges) törésmutató. Az optikai anizotrópia (pontosabban annak mértéke) az extraordinárius és az ordinárius törésmutató különbsége: $\Delta n= n_e – n_o$. | ||
| + | |||
| + | Az LC cella optikai viselkedése a cella elé helyezett polarizátor és a cella mögé helyezett analizátor polárszűrők segítségével vizsgálható. | ||
| + | |||
| + | ====90°-kal elcsavart nematikus LC cella==== | ||
| + | |||
| + | A $90^\circ$-kal elcsavart nematikus cellában (''2. ábra'') (TN = Twisted Nematic) a hátsó felület LC direktora $90^\circ$-kal el van forgatva az első felülethez képest. Elől a helyi direktor párhuzamos a polarizátor (első polárszűrő) polarizációs irányával. A belépő polarizálatlan fény az első polárszűrőben lineárisan polarizált fénnyé változik. | ||
| + | |||
| + | Ha egy lineárisan polarizált fény halad át egy $90^\circ$ TN cellán, akkor polarizációs iránya követi az LC direktorának csavarodását (a polarizált fény csak $n_e$-t érzékeli), így a kilépő fénysugár is lineárisan polarizált marad, csak polarizációs iránya $90^\circ$-kal elfordul. (Ezt $n_e$ által okozott polarizációs forgató hatásnak nevezzük, ehhez hasonlóan van $n_o$ által okozott forgató hatás is.) Eszerint a $90^\circ$ TN cella normál fekete (NB = Normal Black) üzemmódjához az analizátor (a második polárszűrő) polarizációs irányát párhuzamosra kell állítani a polarizátor (az első polárszűrő) polarizációs irányával. | ||
| + | |||
| + | Azonban ha az LC cellára kapcsolt $U$ feszültség értéke elér egy kritikus $U_c$ értéket, az LC molekulák igyekeznek beállni az alkalmazott külső elektromos tér irányába, ami itt megegyezik a fény terjedési irányával. Ennél fogva az LC cella polarizációs irányt elforgató hatása folyamatosan csökken, és a fény átjuthat az analizátoron (a második polárszűrőn). A cella elektro-optikai kapcsolási meredekségét a $\gamma = (U_{90}–U_{10})/U_{10}$ képlet definiálja, ahol $U_{10}$ és $U_{90}$ azok a feszültségek, ahol a cellán áthaladó fény intenzitása eléri a maximális fényintenzitás 10 %-át illetve 90 %-át. | ||
| + | |||
| + | Megjegyzendő, hogy egyenfeszültség alkalmazása esetén elektrolízis indulna be a cellában, mely a cella károsodásához vezetne. Emiatt '''a cella kapcsolásához váltófeszültséget használunk'''. | ||
| + | |||
| + | ====Homogén, párhuzamosan rendezett LC cella==== | ||
| + | |||
| + | A párhuzamosan rendezett LC cella esetében az elülső és a hátsó hordozón lévő direktorok párhuzamosak egymással. Ha egy polarizált fénysugár úgy esik a párhuzamosan rendezett cellára, hogy polarizációs iránya pár-huzamos az LC cella direktorával (a csiszolt vájatok irá-nyával), akkor semmi lényeges változás nem történik, mivel a fény tisztán extraordinárius sugárként viselkedik. | ||
| + | Másrészt, ha egy lineárisan polarizált fénysugár merő-legesen esik a párhuzamosan rendezett cellára, de polari-zációs iránya = 45 szöget zár be a cella direktorának irányával (3. ábra), akkor fáziskülönbség (δ) lép fel az extraordinárius és az ordinárius sugarak különböző terje-dési sebessége miatt. Ebben a = 45-os elrendezésben, ha a két polárszűrő egymással párhuzamos ill. merőleges, akkor a rendszer fényáteresztő képességét a következő összefüggések írják le: | ||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
| + | |||
</wlatex> | </wlatex> | ||
A lap 2012. október 4., 13:32-kori változata
Szerkesztés alatt!
A mérés célja
- megismerkedni a folyadékkristályok tulajdonságaival és egyszerű elektrooptikai mérésekkel.
Ennek érdekében
- röviden bemutatjuk a nematikus folyadékkristály tulajdonságait,
- optikai és elektrooptikai méréseket végzünk különböző folyadékkristály cellákkal,
- kiértékeljük a mérési eredményeket.
Tartalomjegyzék |
Elméleti összefoglaló
Folyadékkristály
A folyadékkristály (LC = Liquid Crystal) olyan állapota az anyagnak, ami a kristályos szilárd állapot és az amorf folyadék állapot között van. A nematikus LC-k szerves vegyületek, melyek hosszúkás, tűszerű molekulákból állnak. A molekulák orientációja (irányítottsága) könnyen egy irányba rendezhető és szabályozható elektromos erőtér segítségével. Az LC eszközökhöz azonos vagy jól meghatározott orientációjú LC molekulákra van szükség. A méréshez használt LC cella felépítése az 1. ábrán látható. Az üveg hordozólemezeket először egy vékony, elektromosan vezető, de optikailag átlátszó indium-ón-oxid (ITO = Indium-Tin-Oxide) réteggel vonják be, majd egy vékony polyimid (PI) rendező réteget alakítanak ki. Ezután a PI réteg felszínét megcsiszolják, és ezzel mikroszkopikus árkokat alakítanak ki rajta. Ezek az árkok rendezik egy irányba az LC molekulákat, melyeket szendvicsszerűen két hordozó közé helyeznek. Ezzel a csiszolásos módszerrel a kívánt irányba orientált, jól rendezett LC-molekulák kerülnek a hordozók felszínére, és a molekulák közt ható erők hatására az egész LC-hasáb azonos orientációjú lesz. Egy adott helyen a molekula-orientációt az LC adott helyen lévő direktorának nevezik.
Az LC cellában megfigyelhető az ún. kettőstörés jelensége, amikor az anyagnak kétféle fő törésmutatója van. Ha a fény a direktor irányában terjed, akkor az összes polarizációs összetevő ugyanakkora LaTex syntax error\setbox0\hbox{$\v_o=\frac{c}{n_o}$}%
\message{//depth:\the\dp0//}%
\box0%
sebességgel terjed, ahol 
az ordinárius (rendes) törésmutató. Ezt a terjedési irányt (a direktor irányát) nevezik a cella optikai tengelyének. Ha a fény az optikai tengelyre merőleges irányba terjed, akkor két terjedési sebesség van. A fény elektromos mezejének az optikai tengelyre merőlegesen polarizált része ekkor is 
sebességgel halad, az optikai tengellyel párhuzamosan polarizált rész sebessége viszont 
, ahol 
az extraordinárius (különleges) törésmutató. Az optikai anizotrópia (pontosabban annak mértéke) az extraordinárius és az ordinárius törésmutató különbsége: 
.
Az LC cella optikai viselkedése a cella elé helyezett polarizátor és a cella mögé helyezett analizátor polárszűrők segítségével vizsgálható.
90°-kal elcsavart nematikus LC cella
A 
-kal elcsavart nematikus cellában (2. ábra) (TN = Twisted Nematic) a hátsó felület LC direktora -kal el van forgatva az első felülethez képest. Elől a helyi direktor párhuzamos a polarizátor (első polárszűrő) polarizációs irányával. A belépő polarizálatlan fény az első polárszűrőben lineárisan polarizált fénnyé változik.
Ha egy lineárisan polarizált fény halad át egy TN cellán, akkor polarizációs iránya követi az LC direktorának csavarodását (a polarizált fény csak -t érzékeli), így a kilépő fénysugár is lineárisan polarizált marad, csak polarizációs iránya -kal elfordul. (Ezt által okozott polarizációs forgató hatásnak nevezzük, ehhez hasonlóan van által okozott forgató hatás is.) Eszerint a TN cella normál fekete (NB = Normal Black) üzemmódjához az analizátor (a második polárszűrő) polarizációs irányát párhuzamosra kell állítani a polarizátor (az első polárszűrő) polarizációs irányával.
Azonban ha az LC cellára kapcsolt 
feszültség értéke elér egy kritikus 
értéket, az LC molekulák igyekeznek beállni az alkalmazott külső elektromos tér irányába, ami itt megegyezik a fény terjedési irányával. Ennél fogva az LC cella polarizációs irányt elforgató hatása folyamatosan csökken, és a fény átjuthat az analizátoron (a második polárszűrőn). A cella elektro-optikai kapcsolási meredekségét a 
képlet definiálja, ahol 
és 
azok a feszültségek, ahol a cellán áthaladó fény intenzitása eléri a maximális fényintenzitás 10 %-át illetve 90 %-át.
Megjegyzendő, hogy egyenfeszültség alkalmazása esetén elektrolízis indulna be a cellában, mely a cella károsodásához vezetne. Emiatt a cella kapcsolásához váltófeszültséget használunk.
Homogén, párhuzamosan rendezett LC cella
A párhuzamosan rendezett LC cella esetében az elülső és a hátsó hordozón lévő direktorok párhuzamosak egymással. Ha egy polarizált fénysugár úgy esik a párhuzamosan rendezett cellára, hogy polarizációs iránya pár-huzamos az LC cella direktorával (a csiszolt vájatok irá-nyával), akkor semmi lényeges változás nem történik, mivel a fény tisztán extraordinárius sugárként viselkedik. Másrészt, ha egy lineárisan polarizált fénysugár merő-legesen esik a párhuzamosan rendezett cellára, de polari-zációs iránya = 45 szöget zár be a cella direktorának irányával (3. ábra), akkor fáziskülönbség (δ) lép fel az extraordinárius és az ordinárius sugarak különböző terje-dési sebessége miatt. Ebben a = 45-os elrendezésben, ha a két polárszűrő egymással párhuzamos ill. merőleges, akkor a rendszer fényáteresztő képességét a következő összefüggések írják le:
