Folyadékkristályok vizsgálata

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.

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

\setbox0\hbox{$\v_o=\frac{c}{n_o}$}%
\message{//depth:\the\dp0//}%
\box0%

sebességgel terjed, ahol $\setbox0\hbox{$n_o$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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 $\setbox0\hbox{$v_o$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ sebességgel halad, az optikai tengellyel párhuzamosan polarizált rész sebessége viszont $\setbox0\hbox{$v_e=\frac{c}{n_e}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, ahol $\setbox0\hbox{$n_e$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ az extraordinárius (különleges) törésmutató. Az optikai anizotrópia (pontosabban annak mértéke) az extraordinárius és az ordinárius törésmutató különbsége: $\setbox0\hbox{$\Delta n= n_e – n_o$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$.

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 $\setbox0\hbox{$90^\circ$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-kal elcsavart nematikus cellában (2. ábra) (TN = Twisted Nematic) a hátsó felület LC direktora $\setbox0\hbox{$90^\circ$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-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 $\setbox0\hbox{$90^\circ$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ TN cellán, akkor polarizációs iránya követi az LC direktorának csavarodását (a polarizált fény csak $\setbox0\hbox{$n_e$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-t érzékeli), így a kilépő fénysugár is lineárisan polarizált marad, csak polarizációs iránya $\setbox0\hbox{$90^\circ$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-kal elfordul. (Ezt $\setbox0\hbox{$n_e$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ által okozott polarizációs forgató hatásnak nevezzük, ehhez hasonlóan van $\setbox0\hbox{$n_o$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ által okozott forgató hatás is.) Eszerint a $\setbox0\hbox{$90^\circ$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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 $\setbox0\hbox{$U$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ feszültség értéke elér egy kritikus $\setbox0\hbox{$U_c$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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 $\setbox0\hbox{$\gamma = (U_{90}–U_{10})/U_{10}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ képlet definiálja, ahol $\setbox0\hbox{$U_{10}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és $\setbox0\hbox{$U_{90}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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: