25.3.2011 Bc. Richard Ragula

1

KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY V ŠPECIÁLNEJ TECHNIKE

Tekuté kryštály

TRENČIANSKA UNIVERZITA ALEXANDRA DUBČEKA

V TRENČÍNE

Fakulta špeciálnej techniky

TEKUTÉ KRYŠTÁLY

1. ÚVOD

Tekuté kryštály (anglicky liquid crystals), z toho skratka LC, predstavujú významný objav, ktorý je síce už takmer 150 rokov známy, avšak až v súčasnej dobe prichádza pravá éra jeho využitia. V dobe objavu tekutých kryštálov, boli tieto považované iba za ďalší, kvázi bezpredmetný chemický jav a nepripisoval sa mu skoro žiadny význam. Avšak až po experimentoch podmienených v oblasti elektroniky a elektrotechniky, došlo k spojeniu chemického javu s javom elektrickým. V histórii techniky (hlavne elektroniky) sú práve elektrochemické experimenty vo väčšine prípadov kľúčové a pozitívne, pretože elektrické javy sa vyskytujú paralelne s javmi magnetickými a s ich chemickými zmenami. Po vykonaní prvých elektrochemických experimentov sa ukázala skutočná podstata a význam tohto objavu, ktorý dnes môžeme bez pochýb označiť za budúcnosť vo všetkých oblastiach vizualizácií, čiže zobrazovania. Práve tak ako sa mu v minulosti pripisoval význam takmer nulový, v súčasnosti nastáva pravý opak, kedy práve vývoj zobrazovacej techniky sa dostáva na popredie elektrotechnického priemyslu.

2. HISTÓRIA

Približne v  polovici 19. storočia objavili nemeckí chemici Virchow, Mettenheimer a Valentin, že nervové vlákno, ktoré skúmali, vytvorilo pri vložení do roztoku – konkrétne vody tekutú substanciu, ktorá sa pri prehliadaní s použitím polarizovaného svetla chovala podivne (obr.č.1). V ich prípade sa však jednalo iba o pripustenie optických zmien. O možnosti existencie novej fázy (skupenstva) sa neuvažovalo. Títo vedci sú považovaní za prvých objaviteľov kvapalných kryštálov. Okrem tohto objavu boli samozrejme i ďalšie - bolo objavené množstvo materiálov, ktoré sa zaujímavo chovajú pri teplote okolo bodu tavenia takže ich optické vlastnosti sa menia v závislosti na teplote. / 1 /Neskôr, v roku 1877, nemecký fyzik Otto Lehmann použil polarizačný mikroskop s kontrolou teploty vzorku k preskúmaniu prechodov medzi fázami rôznych látok. Zistil, že jedna z látok pri prechode z tekutej do pevnej fáze vytvorí akúsi bližšie nešpecifikovanú medzifázu.

Obr.č.1 : Nervové vlákna pokryté myelínom

Kvapalné kryštály (tak ako ich poznáme dnes) boli objavené v roku 1888 na Nemeckej univerzite v Prahe rakúskym chemikom a botanikom  Friedrichom Reinitzerom .Ten si

2

všimol, že počas topenia má zvláštna zmes podobná cholesterolu (cholesterylbenzoát) podobu zakalenej tekutiny, ktorá sa však pri vzrastajúcej teplote prečišťuje. Ďalej zistil, že látka roztavená na 145,5°C tvorí medzifázu ale kvapalná je až pri teplote 178,5°C. Pri chladení následne tekutina nadobúda modrú farbu a nakoniec zkryštalizuje. V roku 1922 v Paríži Georges Freidel, francúzsky vedec, vykonal mnoho experimentov a bol prvý, kto zistil, že molekuly tekutých kryštálov sa orientujú v smere elektrického poľa. Navrhol známu klasifikačnú schému pre delenie tekutých kryštálov na tzv : nematic, smectic a cholesteric, která sa používá dodnes. / 1 / Neskôr Carl Oseen vo Švédsku pracoval na elastických vlastnostiach LC. Výsledky jeho výskumu boli využité v teórii kontinua Angličana F. C. Franka. Táto teória je dnes jedna zo základných teórií popisu LC. Trvalo však ešte dalších takmer 80 rokov, než roku 1963 Richard Williams, výzkumník laboratorií RCA, objavil, že svetlo prechádzajúce tenkou vrstvou tekutých kryštálov je ohýbané podľa kryštalickej štruktúry, a následne  roku 1968 vyrobil s kolegom Georgom Heilmaierom prvý experimentálny displej z tekutých kryštálov. Ukázalo sa, že kvapalné kryštály sú sľubnými materiálmi pre konštrukciu elektrooptických zobrazovačov (displejov). V dôsledku toho sa dostalo výskumu kvapalných kryštálov veľkej finančnej podpory, ktorá ďalej vzrastala potom, čo boli úspešne vyrobené prvé displeje a neskôr i kvapalné kryštalické obrazovky. Dnes, viac než 100 rokov po objave prvých kvapalných kryštálov, je štúdium kvapalných kryštálov širokým oborom, ktorý zahrňuje chémiu, fyziku, elektroinžinierstvo a v poslednej dobe aj biológiu. Na základe kvapalných kryštálov vznikol veľmi výnosný displejový priemysel. Nástup LCD displejov nebol rozhodne nijak radikálny. Napríklad Sharp uviedol svoju prvú kalkulačku s displejom z tekutých kryštálov už v roku 1973 a nasledoval ju roku 1975 priehľadnými stolnými LCD hodinami, ešte do roku 1977 úspešne víťazili displeje založené na segmentoch diód LED. Masívny záujem o technológiu LCD však prišiel až v polovici 80.rokov v súvislosti so zvyšujúcím sa obratom spotrebnej elektroniky, a na prelome 80. a 90. rokov bol potvrdený nástupom notebookov, plochých monitorov a projektorov. V súčasnej dobe nastáva skutočný obrat v oblastiach produkcie vizualizačnej techniky, kde dochádza k totálnímu zavádzaniu LCD technológií, naproti klasickým CRT (Catode Ray Tube) obrazovkám, ktorých éra sa pomaly ale iste stáva minulosťou. /1/

3. PRINCÍP TEKUTÝCH KRYŠTÁLOV

Je možné z hľadiska ich praktického využitia definovať takto: Tekuté kryštály sú materiály, ktoré pod vplyvom elektrického napätia menia svoju molekulárnu štruktúru a vďaka tomu určujú množstvo prechádzajúceho svetla. Iná definícia sa orientuje na premeny skupenstiev a ich fáz. Väčšina látok existuje v troch skupenstvách - pevnom, kvapalnom a plynnom. Rozdiely medzi týmito stavmi materiálu sú vo vnútornom usporiadaní, ktoré je závislé na teplote a tlaku. Pri nízkych teplotách, kedy je materiál v pevnom stave, sa atómy, ióny alebo molekuly nemôžu voľne pohybovať. Ich jediné pohyby sú teplotné vibrácie okolo rovnovážnej polohy. Keď sa teplota zvýši, dostane sa do systému viac energie, čo vedie k silnejším vibráciám. Nakoniec pri teplote medzi pevným a kvapalným skupenstvom sa väzby natoľko uvoľnia, že dôjde k voľnému pohybu molekúl, ktoré do seba narážajú a menia smer pohybu. Tepelná energia ale zatiaľ nie tak vysoká aby stačila k prekonaniu väzieb a preto ešte existuje polohové usporiadanie.Pri ďalšom zvýšení teploty sa väzby medzi molekulami prekonajú a látka prechádza do plynného skupenstva. /4/

3

Niektoré organické látky sa ale vyskytujú vo viacerých skupenstvách ako len v pevnom a kvapalnom. Tieto látky sa označujú ako kvapalné kryštály a jeho molekulám sa často hovorí mesogeny. Ich odlišná fáza medzi pevným a kvapalným stavom je kvapalná kryštalická fáza (liquid crystaline phases), alebo taktiež mesofáze (mesophases). Molekuly týchto látok sú väčšinou dlhé a úzke. Kvapalná kryštalická fáza má niektoré vlastnosti kvapalnej aj pevnej fázy. Je tekutá ako kvapalina, ale má optické a elektromagnetické vlastnosti ako pevná látka. Veľmi významnou vlastnosťou tekutých kryštálov je, že orientované usporiadanie ich molekúl spôsobuje mnoho zaujímavých optických javov. Dochádza k zmene polarizácie svetla, ktoré nimi prechádza, v závislosti na polohe molekúl materiálu. Ďalšia významná vlastnosť je chovanie v elektrickom poli. Molekuly sú neutrálne. Nič menej veľkosť el. náboja v jednotlivých častiach molekuly sa môže veľmi líšiť. Pokiaľ má jedna časť molekuly kladný náboj a druhá časť záporný ( čo je väčšinou), potom sa molekula stáva dipólom. V elektrickom poli má dipól snahu otočiť sa v jeho smere. Obidva z týchto javov sa využívajú práve v LCD. /4/

Všeobecný vzorec je: R1–A–X–B–R2kde A, B – kruhové reťazce (napr. benzénové jadro, difenyl, cyklohexanový kruh),R1, R2 – akrylové reťazce CnH2n+1, alkoxylové reťazce OCnH2n+1, kyanové skupiny CN, X – metylenaminová skupina (–CH=A–), oxikarbonyl (–COO–), thiokarbonyl (–COS–), alebo azoxi skupina (–N(O)=N–).

Dôležité vlastnosti: -teplota zmien jednotlivých fáz; -anizotropia permitivity; -optická anizotropia ; -vysoká rezistivita (107÷ 108 Ωm); -nízka viskozita; -chemická čistota; -odolnosť voči ultrafialovému žiareniu

Farba a svetlo - Fyzikálna podstata

Viditeľné svetlo je elektromagnetické vlnenie s vlnovou dĺžkou medzi 380 až 720 nanometrov. Zo svetelného zdroja po odraze svetla alebo po jeho rozptýlení v atmosfére či na čiastočkách prachu (aerosolí) v atmosfére dopadne do ľudského oka vždy určitá časť vlnenia, v ňom sú jednotlivé zložky spektra zastúpené s rôznou intenzitou. Rôzne intenzity spôsobujú to, čo človek vníma ako farbu. V dopadajúcom spektre obyčajne nad ostatnými prevláda nejaká, tzv. dominantná frekvencia. Táto frekvencia je rozhodujúca pre to, čo človek vníma ako farbu svetla. Čím viac tejto frekvencie prevláda nad ostatnými, tím väčšiu má intenzitu (jas, hue) a čím užšie je to frekvenčné pásmo, tím je farba čistejšia- hovoríme, že má väčšiu sýtosť (saturation).

Viditeľné spektrum svetla

Svetlo niekedy býva klasifikované do dvoch tried, na svetlo achromatické (nefarbené) a chromatické nesúce farebnú informáciu. V achromatickom svetle sú všetky intenzity zastúpené rovnomerne, výsledná farba je vnímaná ako rôzne jasný odtieň od červenej cez rôzne stupne šedej až po farbu bielu.

4

Medzinárodná komisia zaoberajúca sa problematikou svetla, jeho meranie, kalibráciu prístrojov a zariadení je "Commission Internationale de l'Éclairage", skrátene označovaná ako CIE. Táto komisia už v roku 1931 stanovila tri základné zložky (virtuálne farby) označované ako X,Y,Z. Kombinácia týchto zložiek ide vytvoriť ľubovoľnú farbu spektra. Zložky X,Y,Z, sú definované pomocou svojich troch spektrálnych charakteristík x,y,z (tabelovaných po 1 nm). Prostredníctvom zložiek x, y, z je taktiež vyjadrený tzv. "chromatický diagram" , ktorý je súčasťou medzinárodného štandardu farieb.

CIE - xy chromatický diagram

Zoberieme si ideálne biely povrch nejakého telesa a budeme naň svietiť farebnými svetlami, bude výsledná farba telesa vnímaná ako súčet týchto zložiek. Tomuto spôsobu kombinácie farieb hovoríme aditívne skladanie farieb. Na tomto princípe pracuje napríklad monitor. Druhý spôsob skladania farieb je charakteristický napríklad pre tlačiarne a hovorí sa mu skladanie subtraktívne alebo rozdielne. V tomto modely dôjde pridaním ďalšej farby k jej odčítaniu a tak, pokiaľ aplikujeme všetky farby celého spektra naraz, získame farbu červenú.

Farebné modely RGB

Je modelom určeným pre použitie v počítači. jeho princíp je založený na princípe katódovej trubice monitora alebo televízie. Jeho parametre sú tri základné farby aditívneho (súčtového) miešania farieb Red (červená), Green (zelená), Blue (modrá). Z týchto troch primárnych farieb sa vytvára väčšinou farba viditeľného spektra. Nesvieti žiadna primárna farba, je výsledná farba čierna. Svietia všetky maximálnou intenzitou je výsledná farba biela. Odtiene šedej vznikajú tak, že všetky primárne farby majú rovnaké hodnoty.

Geometrické zobrazenie RGB modelu

Farebný model RGB je v počítači reprezentovaný 3 Bytmi (24 bitov). Každá zložka predstavuje jeden Byte. Každá z troch zložiek môže nadobudnúť hodnotu od 0 (tma) do 255 (max. intenzita). Prostredníctvom modelu RGB možno zobraziť až 2563 farieb.

RGBA

V počítačovej grafike sa môžete stretnúť so skratkou RGBA. Táto skratka predstavuje Obraz zapísaný vo formáte RGB doplnený informáciou o priehľadnosti. Priehľadnosť sa označuje písmenom A (alebo tiež alfa-kanál) a môže nadobúdať hodnoty od 0 do 100 %.

CMY, CMYK

Predstavujú farebné modely používané predovšetkým pri tlači. Základným modelom je model CMY (Cayn (azúrová), Magenta(fialová), Yellow (žltá)) založený na substraktívnom (rozdielovom) miešaní farieb. Model CMYK (Black (čierna)) je model odvodený a bol vytvorený na základe potreby v praxi. V praxi je totiž zložité namiešať so skutočnými farbami

5

naozajstnú čiernu a keď sa to nejako podarí, tak len za cenu veľkej spotreby jednotlivých farieb. Preto sú predovšetkým atramentové tlačiarne doplnené ešte o farbu čiernu . Farebný model CMY je v počítači reprezentovaný prostredníctvom troch zložiek ktorých hodnoty sú najčastejšie udávané v percentách. Model CMYK má navyše ešte zložku štvrtú, ktorá má hodnoty taktiež v percentách. Medzi farebnými modelmi CMY a RGB existuje presný prevod, ktorý možno vyjadriť prostredníctvom vzorca. Veľkosť čiernej zložky K v modely CMYK získame ako minimálnu hodnotu zložiek C,M a Y, ktoré zúžime o K.

HSB, HLS

Predstavujú modely "ľudského vnímania". Fyzika popisuje farbu tromi vlastnosťami: vlnovou dĺžkou, jasom a intenzitou. Skratky týchto modelov znamenajú: Hue Saturation Brightness a Hue Lightness Saturation. A - sýtosť, B, D - odtieň, C - jas

Hue (odtieň) - predstavuje parameter odpovedajúci vlnovej dĺžke. Hodnota parametra Hue predstavuje odtieň farby zo škály viditeľného spektra farieb a preto sa neodkazuje ani na bielu ani na čiernu farbu. Zmena tohto parametra predstavuje pohyb okolo farebného kruhu. Parameter Hue je preto definovaný ako celočíselná hodnota od 0 do 360 a vyjadruje uhol na farebnom kruhu v stupňoch.

Lightness, Brightness (jas) - udáva žiarivosť (svietivosť) danej farby. Ako príkladom zmeny jasu si môžeme uviesť zelené sklíčko pred lampičkou s bielym svetlom. Zmenou intenzity bieleho svetla meníme i jas zelenej farby. Jas je udávaný ako celé číslo od 0 do 100 a vyjadruje percentá svetlosti.

Saturation (sýtosť) - udáva zastúpenie danej farby, alebo pomer jej zmiešania so šedou rovnakej intenzity. Málo nasýtená farba je vlastne šedá so slabým nádychom napríklad červenej. Sýtosť sa udáva ako celočíselná hodnota od 0 do 100 a vyjadruje percentá nasýtenia. Vzhľadom k farebnému kruhu sa jedná o pohyb do jeho stredu. Prevod farby medzi HSB a HSL do RGB nie je možné vyjadriť jednoduchým vzorcom, pretože má charakter algoritmu.

CIE L*a*b

Je farebný model vytvorený medzinárodnou komisiou pre svetlo "Commission Internationale de l'Éclairage (CIE)" v roku 1931 a opakovane revidovaný v roku 1976. Tento model je navrhnutý ako na nezávislý farebný model a je vhodný ako pre monitory, počítačové spracovanie tak i pre tlačiarne. A-D - jas, B - zeleno-červená zložka, C - modro-žltá zložka Model sa skladá z troch zložiek: Luminance (jasu) - nadobúdajúc celočíselnú hodnotu od 0 do 100, zeleno-červenej a zložky modro-žltej zložky, ktoré sú definované v rozsahu od + 127 do - 128. Väčšina látok existuje v troch skupenstvách - pevnom, kvapalnom a plynnom. Rozdiely medzi týmito stavmi materiálu sú vo vnútornom usporiadaní, ktoré je závislé na teplote a tlaku.

6

4. ŠTRUKTÚRY A FÁZY TEKUTÝCH KRYŠTÁLOV (obr.č.2)

Kvapalne kryštalické fázy možno rozdeliť do dvoch základných skupín: -termotropné kvapalne kryštalické fázy sa vyskytujú nad teplotou topenia u niektorých organických látok. V súčasnej dobe už je známych viac než 70 tisíc takých látok pripravených synteticky. - lyotropné kvapalné kryštály – v iných organických látkach vzniká kvapalne kryštalická fáza v roztoku - lyotropné kvapalné kryštály. Zahrievaním väčšiny pevných látok nad teplotu topenia vznikne  izotropná kvapalina . U niektorých organických zlúčenín sa medzi pevnou látkou a izotropnou kvapalinou objavuje jedna alebo viac kvapalne kryštalických fáz ( mezofáz ), ktoré sa líšia štruktúrou. Vo všetkých prípadoch ide o látky s  anizotropným tvarom molekúl (pripomínajúce tyčinky, misky, disky apod.). /4/Mezofázy majú niektoré vlastnosti kvapalín (tečenie s pomerne malou viskozitou, ťažiská molekúl nevykazujú 3-dimenzionálne usporiadanie na diaľku, charakteristické pre pevné kryštalické látky) a niektoré vlastnosti pripomínajúce pevné látky (orientačné usporiadanie, anizotropie makroskopických vlastností). Podľa spôsobu usporiadania molekúl možno rozdeliť kvapalne kryštalické fázy do troch hlavných skupín:  fázy nematické (nematiká), smektické (smektiká)  a  stĺpcové (diskotiká), z nich prvé dve skupiny sú tvorené pretiahnutými molekulami, zatiaľ čo poslednú skupinu tvoria molekuly v tvare diskov alebo misiek. /3/

Obr.č. 2 : Štruktúra fáz tekutých kryštálov

Nematiká (N)

U  nematík sú pretiahnuté molekuly orientované v priemere jedným smerom, ktorý sa nazýva direktor ( ) (obr.č.3). Ťažiská molekúl však nevykazujú usporiadanie v žiadnom smere. Ide teda o tzv. orientačné usporiadanie, ktoré je pre kvapalné kryštály typické. Molekuly naviac voľne rotujú kolo svojej dlhej i krátkej osi. Táto rotácia vykompenzuje molekulárne dipólové momenty. Nematiká tečú vo všetkých troch smeroch s viskozitou blízkou izotropnej kvapalnej fáze. Ak je látka tvorená chirálnymi molekulami, ktoré obsahujú uhlík s asymetrickou väzbou a nie sú teda zrkadlovo symetrické, neusporiadajú sa molekuly rovnobežne, ale vytvoria priestorovo nehomogénnu špirálovú štruktúru s osou kolmou na direktor. Krok špirálového

7

usporiadania je okolo 0,5μm a môže sa meniť s teplotou. Táto fáza sa nazýva  cholesterická  a označuje sa  Ch , alebo  N*. /3/

(a) (b)

Obr.č. 3 : Schematické znázornenie (a) nematickej, (b) cholesterickej fázy; označuje direktor, p je krok špirálového usporiadania.

Smektiká

V smektikách sú pretiahnuté molekuly usporiadané do vrstiev. Vrstvy sa po sebe ľahko pohybujú, dochádza k tečeniu v rovine. Viskozita je o niečo väčšia než v nematickej fáze. Smektiká ďalej rozdeľujeme podľa usporiadania vo vrstvách. V  SmA  a  SmC  ťažiská molekúl nie sú vo vrstvách usporiadané. V ortogonálnych  SmB  a  SmE  je vo vrstvách hexagonálne a štvorcové usporiadanie. V naklonených  SmI ,  SmF ,  SmJ ,  SmG ,  SmH , SmK  je usporiadanie hexagonálne alebo štvorcové s náklonom molekúl ku strane alebo k vrcholu šesťuholníka alebo štvorca. Vo fázach  SmJ ,  SmG ,  SmH ,  SmK  naviac už vrstvy nie sú celkom nezávislé, ale je medzi nimi korelácia na dlhú vzdialenosť. Nejde už o kvapalné kryštály v pravom slova zmysle, ale skôr o orientačne neusporiadané pevné látky. Najdôležitejšie sú smektická A (SmA) a smektická C (SmC) fáza (obr.č.4). Základným rozdielom je orientácia molekúl v smektickej rovine (obr.č.4). Zatiaľ čo v SmA fáze sú molekuly orientované svojou pozdĺžnou osou rovnobežne s normálou vrstvy, v SmC fáze sú odklonené o určitý uhol (tzv. tilt). Tento uhol sa môže meniť s teplotou a dosahuje hodnoty až 40° . V oboch základných typoch smektických fáz existujú varianty s väčším stupňom organizácie, ktoré vykazujú hexagonálne usporiadanie molekúl v rámci smektických vrstiev. /3/

Obr.č. 4: Orientácia molekúl v SmA a SmC fáze

8

Diskotiká

V diskotických fázach sa molekuly v tvare diskov alebo misiek usporiadávajú do relatívne tuhých stĺpcov, ktoré vytvárajú kubické (Colr) či hexagonálne (Colh) štruktúry. Väzba medzi stĺpcami je slabá, takže stĺpce po sebe voľne kĺžu. Tečenie je teda jednorozmerné. /3/

Sekvencie fáz

Medzi izotropnou kvapalinou a kryštálom sa môže vyskytnúť niekoľko kvapalne kryštalických fáz. Ich poradie, ako sa postupne objavujú pri chladení, je dané narastaním stupňa usporiadania a je platné pre všetky kvapalne kryštalické látky:izotropná fáza – N – SmA – SmC – SmI – SmF – SmB – SmJ – SmG – SmK – SmH – kryštál, pričom ktorákoľvek fáza môže chýbať. Fázové prechody medzi týmito fázami sú reverzibilné okrem výnimočných prípadov, keď sa niektorá fáza (monotropná) objaví len pri chladení. Taká fáza je metastabilná. U chirálnych látok sa vyskytuje rovnaká sekvencia fáz, ale  Ch  fáza nahrádza  N  fázu a všetky fázy s naklonenými molekulami sú označené (*). V kvapalných kryštáloch podobne ako v kvapalinách nie je možné vyvolať priestorovo homogénne deformácie. Typickými deformáciami kvapalných kryštálov sú  ohyb , roztvorenie  a  skrut . Tieto nehomogénne deformácie môžu byť držané povrchovým kotvením tak, ako je vidieť na obrázku č.5, alebo defektmi vnútri vzorku.

Ohyb (bend) roztvorenie (splay) skrut (twist)

Obr.č. 5 : Usporiadanie molekúl v základných deformáciách

4.1. OPTICKÉ VLASTNOSTI

Nematiká

Nematiká sú opticky jednoosé materiály s optickou osou rovnobežnou s direktorom. Unikátne optické vlastnosti má skrútená (twistovaná) vzorka. V nej dochádza k stáčaniu roviny polarizovaného svetla o  π/2  bez ohľadu na hrúbku vzorky. To znamená, že medzi skríženými polarizátormi prepúšťa svetlo (Obr. 6 a). Analogický jav je v pevných látkach neznámy. skrútená vzorka je základam displejov, ktoré sú v súčasnej dobe najbežnejšie. Elektrické pole priložené na skrútenú vzorku prostredníctvom priehľadnej elektródy reorientuje túto vzorku na vzorku homeotropnú (Obr. 6 b), ktorou medzi skríženými polarizátormi svetlo neprechádza. K reorientácii dochádza mechanizmom Frederiksovho prechodu, ktorý tu vhodne funguje len u materiálov s pozitívnou dielektrickou anizotropiou.

9

Po vypnutí poľa sa vzorka zase vráti do skrúteného usporiadania držaného povrchovým zakotvením molekúl. Na popísanom princípe pracujú tzv.  skrútené displeje , ktoré sú v súčasnej dobe najviac rozšírené. Ako je známe, tieto displeje zobrazujú tmavé znaky na svetlom pozadí, pretože svetlo neprechádza práve v častiach displeja pod elektrickým poľom.

(a) svetlo prechádza (b) svetlo neprechádza

Obr.č. 6 : Štruktúra (a) skrútenej vzorky a (b) vzorky v elektrickom poli; A, P sú skrížené polarizátory.

Cholesteriká

Cholesteriká  sú jednoosé, opticky negatívne materiály, os skrutu je optickou osou. Pozdĺž nej dochádza k rotácii roviny polarizovaného svetla, rotácia môže byť pravotočivá i ľavotočivá. Tento jav je analógiou optickej aktivity u pevných látok. U racemátov (zmes pravotočivej a ľavotočivej látky s rovnakou koncentráciou) je štruktúra neskrútená a taktiež nedochádza k stáčaniu roviny polarizovaného svetla. Teória priechodu svetla cholesterikom je veľmi zložitá. Vyplýva z nej, že pre vlnové dĺžky okolo  λ = pn  ( p  je krok špirálového usporiadania a  n  je index lomu) dochádza k totálnemu odrazu. Ide o podobný jav ako je  Braggova reflexia  u pevných látok v oblasti rontgenových vlnových dĺžok.V praxi to znamená, že pri osvetlení bielym svetlom vzorka sa javí jasne sfarbená podľa odrážanej vlnovej dĺžky  λ ~ p . Hodnota  p  sa výrazne mení s teplotou, preto aj vzorka mení farbu s teplotou. Tento jav sa využíva k mapovaniu teplotných polí v lekárstve alebo pre diagnostiku materiálov.

Smektiká

Ortogonálne smektické fázy sú opticky jednoosé, pozitívne, optická os je kolmá na vrstvy, tj. je rovnobežná s direktorom ako u nematík. Naklonené smektiká, napr.  SmC  sú opticky dvojosé. Jednou osou optickej indexovej plochy je direktor, ďalšia os leží v smektickej rovine. Naklonené chirálne smektiká napr.  SmC*  sú opticky jednoosé, os skrutu kolmá na smektické vrstvy je optickou osou. Pozdĺž nej dochádza k rotácii roviny polarizovaného svetla podobne ako u cholesterík. Na rozdiel od cholesterík však nedochádza k totálnej reflexii, pretože krok špirály u smektík je dlhší než vlnová dĺžka viditeľného svetla. Feroelektrické kvapalné kryštály

10

Význačnou vlastnosťou naklonených chirálnych smektík, ktorých hlavným reprezentantom je SmC* , je existencia spontánneho dipólového momentu (spontánna polarizácia), ktorého smer sa dá prevracať vonkajším elektrickým poľom. Preto sa im hovorí feroelektrické kvapalné kryštály. Ich chovanie v elektrickom poli je odlišné od chovania ostatných kvapalných

kryštálov. Vonkajšie elektrické pole interaguje s vektorom spontánnej polarizácie . Táto

interakcia je popísaná voľnou energiou ,ktorá je minimálna, ak je polarizácia rovnobežná s elektrickým poľom. Interakčná energia Ffer  je lineárnou funkciou elektrického poľa, preto opačným poľom zodpovedajú dve rôzne orientácie molekúl (Obr. 6). Tieto dva stavy sa líšia orientáciou optickej osi, ktorá je rovnobežná s direktorom. Medzi skríženými polarizátormi sa polohy oboch stavov líšia o uhol 2θ , kde  θ  je uhol náklonu molekúl vo vrstve. Po vypnutí poľa sa štruktúra opäť skrúti. Iná situácia nastáva u tenkých vzoriek, kde špirálová štruktúra je rozvinutá pôsobením povrchov. Elektrické pole tak prevracia štruktúru rovnako ako u hrubých vzoriek, ale po vypnutí poľa sa štruktúra neskrúti, ale zostává v poslednej dosiahnutej orientácii. Ide o vzorky s pamäťou, tzv. bistabilné. Tento elektrooptický jav vďaka jeho značnému optickému kontrastu, bistabilite a značnej rýchlosti odozvy (~μs) je z hľadiska aplikácií najnádejnejší jav v kvapalných kryštáloch. Pri orientácii polarizátora pozdĺž direktora jednej rozvinutej orientácie dosiahneme vysokého kontrastu v prípade, keď  θ  ~ 22,5° . Uhol medzi optickými osami oboch stavov je potom optimálny, tj. 45° (obr.č.7).

   

Obr.č. 7 : Štruktúra rozvinutých vzoriek feroelektrických kvapalných kryštálov pri opačne orientovaných elektrických poliach.

5. VYUŽITIE TEKUTÝCH KRYŠTÁLOV

11

Najrozšírenejším použitím kvapalných kryštálov je ich uplatnenie vo všetkých moderných typoch vizualizačnej techniky, čiže v elektrooptických zobrazovačoch ( displejoch ), ktoré sa používajú v hodinkách, kalkulačkách, najrôznejších elektronických prístrojoch, palubných doskách automobilov a lietadiel atd. Pri konštrukcii displejov sa využíva zmena optických vlastností kvapalných kryštálov pod vplyvom elektrického poľa. Okrem spomínaného sa tekuté kryštály používajú ako optika do zváracích kukiel, kde je využitý princíp stmavnutia a opätovného spriehľadnenia optiky pri zváraní, ďalej napríklad i v projektoch inteligentných budov a pod. Vhodnosť výberu kvapalného kryštálu (väčšinou ide o zmes kvapalných kryštálov), typu elektrooptického javu a aplikačného usporiadania sa posudzuje podľa nasledujúcich kritérií:

-optický kontrast -rýchlosť optickej odozvy na zmenu poľa -teplotný obor funkcie displeja -zorný uhol, pod ktorým kontrast zostáva na dobrej úrovni -optická homogenita displeja -chemická a fotochemická stabilita -spotreba elektrickej energie

Od 60tych rokov boli displeje vylepšované až do dnešnej verzie založenej na skrútenej nematickej štruktúre. Postupne bol dosiahnutý pokrok i v syntéze nových materiálov viac vyhovujúcich čo do stability, teplotného oboru nematickej fázy a poddajnosti usporiadávajúcim technikám. Do nematických materiálov môžu byť pridané  dichroické farbivá, ktorých pôsobením vznikne dvojfarebný displej (napr. žlto-modrý alebo červeno-zelený). Podstatnou úlohou bolo taktiež zvládnutie a optimalizácia povrchovej úpravy skiel zaisťujúca zakotvenie molekúl a homogenitu displeja bez defektov. V neposlednom rade bolo nutné dosiahnuť pokrok i v elektronickom riadení jednotlivých obrazových elementov (pixelov) displeja. Všetky tieto techniky museli byť prispôsobené masovej produkcii displejov. Na rovnakom princípe boli skonštruované i obrazovky monitorov pre osobné počítače. LCD displeje delíme na: -reflexné -transmisívne (priepustné) -transreflexné

K osvetleniu reflexného LCD displeja je použité okolité svetlo. Za zadným polarizérom je umiestnená reflexná vrstva, ktorá svetlo odráža. Bez prítomnosti vonkajšieho osvetlenia nie je viditeľný. Transmisívny displej má priehľadný zadný polarizér a neodráža okolité svetlo. Aby bol viditeľný, musí byť podsvietený. To znamená, že tieto displeje sú najlepšie čitateľné v tme, na rozdiel od predchádzajúceho typu. Transreflexný LCD je kombináciou oboch predchádzajúcich typov. Má čiastočne reflexný zadný polarizér a podsvietenie sa používa iba keď nie je dostatočné okolité svetlo. Pre tento účel už nestačí dvojstupňový kontrast, ale je nutné zaistiť škálu šedých farieb, ktorou je potom možno transformovať do farebnej škály pomocou farebných filtrov, podobne ako u klasickej farebnej obrazovky. Pre mnohostupňový kontrast je nutné mnohonásobne zvýšiť počet samostatne riadených elementov, pretože jeden šedý obrazový element sa skladá z niekoľko elementov čiernobielo riadených. Tieto požiadavky kladú veľké nároky na miniaturizáciu a na technológiu elektronického riadenia obrazovky. 6. PRINCÍP LCD DISPLEJA

12

Obr.č.8. LCD displej

Skratka LCD (Liquid Crystal Display, teda displej z tekutých kryštálov) (obr.č.8) sa vžila na označovanie displejov, ktoré na vytvorenie obrazu využívajú mikroskopické kryštály, schopné meniť svoju polohu v závislosti od toho, či na ne pôsobí elektrické napätie, alebo nie. Práve "natočenie" tekutých kryštálov určuje, či bude prvkom prechádzať svetlo, alebo nie. Aby byl obraz na displeji čitateľný, je nutné podsvietenie, teda zadný svetelný zdroj - najčastejšie elektroluminiscenčná výbojka. Polarizátor prepustí iba časť svetla na vstupe, resp. len svetlo polarizované v horizontálnej či vertikálnej rovine. Medzi dvoma orientačnými filtrami sa nachádza vrstva tekutého kryštálu. Molekuly tekutého kryštálu sú v kľudovom stave vzájomne pootočené, medzné stavy ich natočenia udáva práve orientačný filter. V kľudovom (štandardnom) stave je svetlo zo zadného svetelného zdroja prepustené - displej "svieti". Priechodom polarizátorom získame svetlo polarizované v horizontálnej rovine. To ďalej prechádza tekutým kryštálom. Pretože sú teda vo vrstve tekutého kryštálu jednotlivé molekuly pootočené, je priechodom svetla zmenená i jeho polarizácia z horizontálnej na vertikálnu. Svetlo s vertikálnou polarizáciou je prepustené polarizátorom, a preto displej "svieti". Ak pripojíme na elektródy tekutého kryštálu (v rámci zjednodušenia zhodné s orientačnými filtrami) zdroj striedavého napätia, zmení sa jeho vnútorná štruktúra. Molekuly kryštálu už nie sú vzájomne pootočené, ale vyrovnané. Svetlo prechádzajúce vrstvou tekutého kryštálu teda nemôže zmeniť svoju polarizáciu z horizontálnej na vertikálnu a je tak zablokované na polarizátore, ktorý prepúšťa iba svetlo s polarizáciou vertikálnou. Displej teda zostáva tmavý. Je zrejmé, že postavenie molekúl tekutého kryštálu ovláda priechod svetla. V praxi nestačí stavy svetlo prejde / neprejde - nutnosťou je tiež regulácia množstva prepusteného svetla, resp. zmena jasu. To možno docieliť zmenou veľkosti napätia

13

pripojeného k elektródam. /8/Konštrukcia farebných displejov je takmer rovnaká ako u jednofarebných. Každý bod displeja obsahuje červený, zelený a modrý filter, ktoré sú umiestnené na hornej sklenenej doštičke vedľa seba. Farebný displej je vždy podsvietený. Prepustením svetla do farebných filtrov a jeho zmiešaním dostaneme výslednú farbu.

Modernejší LCD displej

LCD pozostávajúci s tenkej vrstvy tekutých kryštálov. Táto vrstva je umiestnená medzi dvoma vrstvami polarizovaného skla (substrátu) (obr.č.9). LCD displeje vďaka princípu polarizácie zobrazujú obraz na základe blokovania prechodu svetla. Prvok emitujúci svetlo (špeciálna lampa) v pozadí všetkých vrstiev vytvorí svetelnú zložku, ktorá prechádza prvým substrátom. Následne svetlo prejde cez tenkú vrstvu tekutých kryštálov, ktoré podľa svojich "vlastností" zabránia, umožnia alebo len čiastočne umožnia prechod svetla v rôznej farebnej podobe. Následne obraz prejde cez druhý substrát - a to je obraz, ktorý používateľ vidí. Niektoré LCD displeje (napríklad v notebookoch) sa pýšia zvýšeným jasom a čistejším obrazom. Zvýšený jas má jednoduché vysvetlenie - výrobca jednoducho nepoužil jednu, ale hneď dve lampy, a tak vzrástla aj svietivosť displeja.

Obr.č. 9 : Rez LCD displejom

Prierez displejom TFT - keby ste zobrali do ruky "skalpel", naskytol by sa vám takýto pohľad na "vnútornosti" displeja TFT Možno sa vám vynorila otázka, ako môže tekutý kryštál vedieť, ako sa má "správať" (akú má mať "vlastnosť") - či má svetelnú zložku pohltiť, čiastočne alebo úplne prepustiť. Keďže kryštáliky ešte nepatria k výdobytkom umelej inteligencie, nachádza sa tu ešte jedna vrstva. Je to tenký film posiaty tranzistormi (tranzistory na tenkej podložke - Thin Film Tranzistor - alebo skratka TFT, ktorú možno nájsť na každom balení LCD displeja). Táto vrstva obsahuje tranzistory - drobné elektronické zariadenia usporiadané do matice, ktoré zodpovedajú x-ovým a y-ovým (horizontálnym a vertikálnym) súradniciam na obrazovke. Každým tranzistorom prechádza elektrický prúd, ktorý drobnú CE zobrazovaciu jednotku buď aktivuje, alebo deaktivuje. Tá má na starosti práve "vlastnosť" tekutého kryštálu, ktorý sa nachádza nad touto jednotkou CE. Prvky CE (obr.č.10) sú fixne umiestnené na tenkej podložke a ich počet tak vlastne hovorí o rozlíšení (natívnom, teda "hardvérovo" danom). Preto ak na LCD displeji zmeníte natívne rozlíšenie na iné, monitor vám to umožní, ale obraz nebude úplne presný. Poloha jednotlivých pixlov bude procesorom prepočítaná tak, aby

14

"sadla" na pôvodné prvky CE. Tu prichádza na rad interpolácia a rôzne iné metódy prepočítavania. /6/

Obr.č. 10 :Rozloženie CE prvkov na TFT vrstve

Prvok CE je základom vrstvy TFT - po aktivovaní sa rozsvieti tekutý kryštál, ktorý "pláva" práve nad povrchom vrstvy TFT Pre LCD displej je teda výhodnejšie, ak dostane obrazové dáta v digitálnej podobe - jednoducho povedané, monitor dostane iba informáciu, na ktorých súradniciach má jednotku CE aktivovať a kde nie. Takéto digitálne zobrazovanie má svoju výhodu - obraz sa zobrazí absolútne presne tak, ako je počítačom nadefinovaný. Táto výhoda je však paradoxne aj nevýhodou (či dobrou správou pre CRT monitory).

Obr.č.11 – CRT displej

Výhoda CRT monitora (obr.č.11) spočíva v tom, že prechod medzi jednotlivými farbami je spojitejší, pretože ak elektrón dopadne na luminofor, nevytvorí ideálny kruh, dôjde k rôznym odrazom elektrónu a okolité luminofory sa tiež čiastočne rozsvietia. Tým niektoré farebné

15

prechody splynú, čo je však pre ľudské oko oveľa prirodzenejšie ako "drsné" (hoci presne definované) prechody medzi farbami. Možno sa vám niekedy stáva, že nájdete na LCD monitore "vypálený" pixel - to iba prvok CE už nedokáže správne reagovať na elektrické impulzy v matici TFT. Môže tak byť stále aktívny alebo neaktívny. /6/Najčastejšími aplikáciami technológie LCD displejov sú tieto typy :

Reflexný LCD

K osvetleniu displeja je použité svetlo z okolia. Za zadným polarizérom je umiestnená reflexná vrstva, ktorá svetlo odráža. Bez prítomnosti vonkajšieho osvetlenia nie je viditeľný. (Pri odpojenom napätí svetlo prechádza, odráža sa od reflexnej vrstvy a miesto sa javí ako biele, prípadne podľa farby reflexnej vrstvy.)

Transmisivný (priepustný) LCD

Tento displej má priehľadný zadný polarizér a neodráža okolité svetlo. Aby bol viditeľný, musí byť podsvietený. To znamená, že tieto displeje sú najlepšie čitateľné za tmy.

Transreflexný LCD

Je kombináciou obidvoch predchádzajúcich typov, má čiastočne reflexný zadný polarizér. Podsvietenie sa používa len keď nie je dostatočné vonkajšie osvetlenie, aby sa ušetrila energia (obr.č.12, 13).

Obr.č 12 : Kľudový stav (priechodný) Obr.č. 13 : Stav pri napätí (nepriechodný)

7. PASÍVNE A AKTÍVNE MATICE

16

Technológie STN a DSTN (Super Twisted Nematic a Double Super Twisted Nematic) využívajú pre riadenie osvetlenia jednotlivých bodov tzv. pasívnou maticou (Passive Matrix), kedy je napätie privedené na celý stĺpec pixelov naraz. Obraz sa vytvára postupne po riadkoch a v dobe obnovenia riadku nie je natočenie kryštálov a teda ani osvetlenie daného bodu kontrolované. Tieto displeje majú oproti technológii TFT (Thin Film Transistor) nižší jas a ich odozva je pomalšia. To sa prejavuje predovšetkým pri rýchlych zmenách obrazu, kedy kryštály nestačia dostatočne rýchlo reagovať na zmeny napätia. Výroba týchto displejov je však oproti TFT podstatne jednoduchšia, a teda lacnejšia. /6/Aktívna matica (Active Matrix), založená na modernejšej technológii TFT, doplnila každú obrazovú bunku o tranzistor, ktorý udržuje napätie medzi oboma plochami a tým aktívne kontroluje natočenie kryštálov po celú dobu medzi obnoveniami riadkov. V TFT displejoch je teda možné použiť tekuté kryštály s podstatne kratšou odozvou a problémy s rýchlymi zmenami obrazu sú vyriešené. Vďaka aktívnej kontrole každého bodu je možné taktiež dosiahnuť vyšší jas. Problémom tejto technológie je však fakt, že tranzistory musia byť vyrobené z jedného kusu kremíku, čo pri miliónoch tranzistorov nie je možné bez určitého percenta chybovosti. Z toho dôvodu je každá bunka osadzovaná až piatimi tranzistormi, z ktorých sa vždy vyberá ten najlepší. Displej je zložený z jednotlivých buniek, ktoré pracujú presne podľa popísaného princípu. Počet buniek sa rovná rozlišovacej schopnosti displeja. Pre rozlíšenie 1024x768 je potrebných 786 432 buniek. Tento výpočet ale ešte nie je konečný, pretože by platil iba pre čiernobiele monitory. U farebných monitorov je každá farebná zložka riadená samostatne, resp. pre každú zložku RGB musí existovať samostatná bunka. Číslo 786 432 teda musíme ešte vynásobiť troma a dostávame sa k hodnote tesne pod 2,5 milióna. /6/Sériovo vyrábať 100% dokonalý aktívny LCD nie je jednoduché a v praxi sa s ním takmer nestretneme. Každý výrobca LCD má svoju normu, ktorá udáva, pri akom množstve chybných buniek sa displej prehlási za defektný. Rozumná hranica sa pohybuje okolo 6 chybných buniek na panel. Chybná bunka sa pozná tak, že buď trvale svieti, alebo je neustále tmavá.

V súčasnej dobe monitory na princípe skrúteného nematika už narazili na limity svojich možností a nedajú sa ďalej vylepšiť. Obmedzujúcimi faktormi sú hlavne ich pomerne malý zorný uhol a nedostatočná rýchlosť optickej odozvy nematík. Nedostatky displejov a obrazoviek vyššie popísané je možno prekonať použitím feroelektrických kvapalných kryštálov . Tieto látky zaisťujú v princípe  rýchlejšiu elektrooptickú odozvu  a  vysoký zorný uhol. Na rozdiel od nematického displeja, u displejov s feroelektrickými kvapalnými kryštálmi zorný uhol je vysoký, lebo optická os zostáva pri oboch stavoch v rovine displeja (viď obr. 5 a 6). Na druhej strane požiadavka malej hrúbky feroelektrického displeja ( ~1,5 μm), aby došlo k rozvinutiu skrútenej štruktúry vplyvom povrchového zakotvenia molekúl, spôsobuje technologické problémy. V  súčasnej dobe už sú problémy v zásade vyriešené a na trhu sú vysoko kvalitné farebné monitory (1280 x 1024 bodov) na báze feroelektrických kvapalných kryštálov ( FLCD ) s uhlopriečkou 38 cm a hrúbkou 8 cm. Ďalším riešením je technológia tekutých kryštálov na kremíkovom čipe (LCOS – Liquid Crystals On Silicon) vyvinutá spoločnosťou Philips. LCOS pozostáva z kremíkovej dosky, sklenej dosky a vrstvy z kvapalného kryštálu, ktorá sa nachádza medzi nimi. Kremíkový čip typu CMOS slúži ako aktívna matrica a zároveň ako vrstva odrážajúca svetlo. Medzi túto odrazovú vrstvu a sklenenú dosku je vložená extrémne tenká vrstva kvapalného kryštálu. Na rozdiel od predchádzajúcich priehľadných systémov, ktoré sa dnes používajú, má reflektívny LCOS systém výhodu v tom, že elektrické obvody sú umiestnené za obrazovou vrstvou. To

17

znamená lepší jas pri nezmenenej veľkosti pixelov a takmer neviditeľnú štruktúru mriežky obrazovky. Keďže výroba LCOS panelov je do veľkej miery založená na bežnej kremíkovej technológii, môžu sa vyrábať aj na štandardných výrobných linkách používaných na výrobu čipov. /6/

Okrem displejových aplikácií sa elektrooptické vlastnosti kvapalných kryštálov ešte používajú v obmedzenej miere pre konštrukciu rôznych špeciálnych elektrooptických zariadení, ako sú zátvorky, optické prvky s riaditeľným dvojlomom apod. Kvapky  nematík  s priemerom niekoľko μm rozptýlené v polyméri ( PDLC ) predstavujú nové kompozitné materiály pre rôzne elektrooptické aplikácie. Jednou z komerčne najúspešnejších aplikácií je tzv. stena zaisťujúca súkromie.Ide o tenkú vrstvu  PDLC  zalaminovanú medzi sklá, ktoré sú obsahujú priehľadné elektródy. Bez elektrického napätia je kvapalný kryštál neusporiadaný a svetlo sa na kvapkách rozptyľuje. Stena je priesvitná, ale nepriehľadná. Po pripojení napätia sa kvapalný kryštál usporiada a stena sa stane dokonale priehľadnou.  PDLC  sľubujú ďaľšie možnosti použitia pre svetelné filtre, displeje v holografii atď., ktoré sa v poslednej dobe intenzívne študujú.

Cholesterické kvapalné kryštály  nachádzajú uplatnenie ako indikátory teploty a pri mapovaní teplotných polí. Použitie je možné v medicíne pri odhaľovaní zapálených alebo nádorových ložísk, alebo pri vyhľadávaní porúch v materiáloch, z ktorých sa vyrábajú elektronické čipy, alebo porúch v elektronických obvodoch.

Ďaľším možným použitím, aj keď zatiaľ dosť futuristickým je použitie tekutých kryštálov v armádnych stealth technológiách. Americké letectvo sa nijako netají lietadlom FISTA II (Flying Infrared Signature Technology Aircraft), čo je prestavaný vzdušný tanker Boeing KC-135. Zatiaľ čo FISTA I bol (ako hovorí názov) prioritne zameraný na infračervenú oblasť spektra, druhý kus sa už preorientoval na vizuálny stealth. Trup a krídla nesú na povrchu pružné elektrofluorescenčné panely, ktoré na základe informácií z fotosenzorov zobrazujú "pozadie" lietadla. Pravda, zatiaľ zvládajú len čiernobielu oblasť (svetlo - tma), ale i tak sa jedná o veľký pokrok. Cieľom programu FISTA je vytvoriť systém, ktorý by umožnil uniknúť novým strelám vzduch - vzduch (napr. Python-4), ktoré nesledujú len infračervené žiarenie (tj. teplo z motorov), ale "vidia" i obrysy cieľa. Nevýhodou systémov blízkych LCD je fakt, že majú istú obnovovaciu frekvenciu. K „neviditeľnosti“ pre ľudské oko väčšinou stačí 16 hertzov, ale pre fotoaparáty to neplatí, pretože doba expozície sa bežne pohybuje v stotinách sekundy. Lietadlo využívajúce tieto panely by teda mohlo byť vyfotografované, aj keby ho človek nemohol vidieť. /6/

Treba dodať, že tieto elektrofluorescenčné panely budú mať pozitívny vplyv aj na radarovú neviditeľnosť objektu. Elektricky nabitý povrch, nutný pre ich fungovanie, totiž rozptyľuje radarové vlny.

Taktiež Kevlar používaný na výrobu nepriestrelných viest je vyrábaný z tekutých kryštálov, kde je využívaná jeho enormná odolnosť voči tlaku a treniu.

8. MONITORY Z TEKUTÝCH KRYŠTÁĽOV (LCD)

18

Pasívny STN displej (Super Twisted Nematic)

Uhol natáčania tyčiniek sa z pôvodných 90° zväčší na 240°. Značne sa zlepší kontrast, ale zväčší sa taktiež farebné skreslenie (dopadajúce svetlo sa láme viac alebo menej podľa rôznych vlnových dĺžok každej farby). /8/

DSTN displeje ( Double Super Twisted Nematic)

Dve vrstvy STN na sebe. Jedna vrstva (aktívna) je elektricky ovplyvnená tak, že sa tyčinky prestanú natáčať. V druhej vrstve (pasívna) sa tyčinky stále natáčajú o 240° proti smeru hodinových ručičiek. Dopadajúce svetlo sa v tejto vrstve láme rovnako ako u STN panelov, druhá vrstva túto chybu opäť koriguje. Výsledkom je lepší kontrast ako u predchádzajúceho typu./7/

TFT displej (Thin Film Tranzistor)

LC vrstvy sú osadené drobnými tranzistormi, pričom každý z týchto tranzistorov riadi jeden obrazový bod. Výhodou sú urýchlené reakčné doby (rýchlosť prekreslenia obrazu), pohyby na displeji sú bez tieňov, bez farebných chýb, má menšiu spotrebu prúdu, menšiu hrúbku skrine, veľký kompresný pomer. Nevýhodou sú komplikovaná výroba a vysoká cena. /5/

Fero LCD (Feroelektrický displej)

LCD bunky sú nahradené feroelektrickými, ktoré sú schopné zachovávať obraz až do nového impulzu bez prekresľovania a zároveň reagujú rýchlejšie ako LCD bunky. Táto technológia prináša lepší obraz ako STN, ale výroba je nákladná a naviac displeje sú ťažké, takže pre prenosné počítače sú nepoužiteľné. /8/

Plazmové displeje (PD)

Objavili sa v polovici osemdesiatych rokoch. V týchto obrazovkách je zmes plynov: neónu a argónu, ktorú elektrické pole prinúti k vyžarovaniu. Farba vzniká primiešaním svietiacich látok, ktoré sa aktivujú ultrafialovým žiarením plazmy. Nevýhodou je nedostatočná kvalita obrazu (reflexie poškodzujú kontrast a reprodukciu farieb). Výhodami sú nízke obstarávacie náklady a dlhá životnosť. Uplatnili sa skôr ako televízne obrazovky ako počítačové monitory. Plazmotronové displeje (PALC) (Plazma Adressed Liquid Crystal)Jedná sa o kombináciu techniky plazmy a LCD. Pomocou presne dávkovaného výboja plynu sa zapínajú a vypínajú tekuté kryštály. celkový obraz sa potom skladá z asi 450 horizontálnych plazmových kanálov. Výhodou je jednoduchá stavba pre veľké a ľahké obrazovky, cenovo výhodná výroba, dobrá obrazová kvalita. /8/

SED

19

(Surface-Conduction Electron Emitter Display) je zobrazovacia technológia vyvíjaná spoločne firmami Canon a Toshiba. Podobne ako CRT aj SED displej pracuje s vrstvou posiatou elektrónmi a s luminoformi na povrchu. Pri SED displejoch sa však nevyužíva katódová trubica emitujúca elektrónový lúč, ale sa používajú tenké elektrónové emitery priamo pod povrchom. SED displeje sú tiež úzkoprofilové.

Televízne projektory

Televízny projektor (ďalej len TP) je zariadenie zobrazujúce privedený video signál na určitú plochu často plátno, tienidlo ale napríklad i stena, časť budovy a podobne. TP sú troch druhov: 1, TP s obrazovkami 2, LCD TP (Liqid Crystal Device) 3, Plazmové a laserové TP

TP s obrazovkami

Pri týchto typoch TP sa využíva prevažne Schmidova optika skladajúca sa okrem obrazovky dutým zrkadlom a korekčnej šošovky prípadne i rovinným zrkadlom, ale to len na preneseniu obrazu požadovaným smerom. Pri farebnom TP s obrazovkou sa použijú tri takéto optiky súčasne pričom jedna obrazovka ma nanesený červený druhá zelený a tretia modrý luminofor. Prípadne sa nepoužije spomínaná Schmidova optika, ale aditívne miešanie obrazov R,G,B dichroickými zrkadlami ešte pred objektívom(V tejto variante s obrazovkami výkonu až 3x 100W je možné dosiahnuť obraz s uhlopriečkou až okolo 5m). Tieto TP sú pomerne zastaralé a kvôli malému dosiahnuteľnému jasu sa nepoužívajú.

LCD TP

Svetelný zdroj v tomto prípade tvorí Xenónová výbojka, čo umožňuje reprodukovať obraz väčších rozmerov ako TP s obrazovkami. Svetlo z výbojky sa dichroickými zrkadlami rozloží na 3 základne farby (R,G,B) a kondenzormi sa dosiahne rovnomerné rozloženie svetla na celej ploche. Tieto 3 svetlá sú modulované tromi LCD monochromatickými modulátormi a potom sa zmiešajú v optickom hranole a projekčným objektívom sa premieta celkový farebný obraz.

Plazmové a laserové TP

Tento spôsob TP je vďaka ďalej uvedeným výhodám v súčasnej dobe najpoužívanejší.Plazmový TP je vlastne plazmová obrazovka, ale do skupiny TP sa radí kvôli uplatneniu s rozmermi až nad 20 palcov teda približne 0,5m využitie teda nachádza napr. v domácich kinách alebo prezentačných obrazovkách.Laserová TP je založená na modulovaní amplitúdy laseru akusticko-optickým modulátorom a následne je horizontálne vychyľovaný mnohostranným zrkadlom a vertikálne nakláňaním ďalšieho zrkadla.. Laserový lúč ma malú divergenciu čo umožňuje premietať obraz i na nerovné plochy, časti budovy a pod pri zachovaní vysokej ostrosti obrazu. Má taktiež veľký jas.

20

8.1. TECHNOLÓGIA UHLU POHĽADU

Existujú tri základné technológie výroby (nepočítam už vyššie uvedenú a nepoužívanú twisted Nematic), ktoré majú rôzne vlastnosti ohľadom pozorovacích uhlov a zároveň ovplyvňujú i dobu odozvy displeja. Jedná sa o technológie TN+Film, ISP a MVA, ktoré si stručne predstavíme:

TN+Film - Táto najlacnejšia a najjednoduchšia technológia výroby je založená na technike Twisted Nematic (TN), ale naviac je na povrch displeja aplikovaná vrstva, ktorá zvyšuje pozorovacie uhly (horizontálne až 90o). Avšak prevažujú nevýhody - slabý kontrast a pomalá doba odozvy - výhodou môže byť snáď len lacná výroba.

In-Plane Switching (IPS) - taktiež nazývaná Super-TFT. Technológia IPS od spoločnosti Hitachi je založená na zarovnaniu tekutých kryštálov paralelne so substrátom. Najväčšou výhodou je uhol pohľadu až okolo 170o, ale na druhú stranu kvôli paralelnému usporiadaniu kryštálov je nutné umiestniť elektródy "hrebeňovite" na zadnú sklenenú plochu. Dôsledkom je nízky kontrast displeja a doba odozvy taktiež nie je najlepšia.

Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) - Pravdepodobne najlepšou technológiou výroby je tzv. Multi-Domain Vertical Alignment od Fujitsu. Široké pozorovacie uhly až okolo 160o sú zaistené použitím "výčnelku" (protrusions), taktiež čiastočne blokujú priechod svetla. Vďaka vertikálnemu usporiadaniu tekutých kryštálov sú pre zmenu zaistené skvelé doby odozvy, pretože natočenie netrvá tak dlho ako u TN alebo IPS. MVA je akýmsi kompromisom medzi technológiami výroby.

Zhrnutie : Technológie TN+Film je kvôli použitiu zastaralého spôsobu Twisted Nematic nedostatočná a jej jedinou výhodou je cena. Pravdepodobne najrozšírenejšia In-Plane Switching má širokú podporu a prináša veľké pozorovacie uhly, zatiaľ čo kontrast a doba odozvy zaostávajú. Asi najlepšia, ale paradoxne najmenej rozšírená technológia je MVA od Fujitsu, ktorá spája dobré uhly pohľadu s rýchlou odozvou. /7/

Podsvietenie LCD displeja

Používajú sa 3 druhy podsvietenia displejov: EL - Electroluminiscent. Je to veľmi tenká doštička vydávajúca svetlo. Je dostupná v rôznych farbách. Spotreba energie je nízka, ale vyžaduje striedavé napätie 80 - 100 V. Naviac jej životnosť je viac než 10x nižšia než LED. (3000 - 5000 hodín) LED - Light Emitting Diode. Ich výhody sú dlhá životnosť a nevyžadujú vysoké napätie. Nevýhodou je vysoká spotreba energie oproti EL. CFL - Cold Cathode Fluorescent Lamp (Fluorescenčná lampa so studenou katódou). Má nízku spotrebu energie a vydáva jasné biele svetlo. Napájacie napätie je 270 - 300 V striedavých. Používajú sa v grafických LCD a majú dlhšiu životnosť než EL - 10 000 - 15 000 hodín. Farebné displeje Ich konštrukcia je takmer taká istá ako u jednofarebných displejov. Každý bod displeja obsahuje červený, zelený a modrý filter, ktoré sú umiestnené na hornej sklenenej doštičke vedľa seba. Farebný displej VYŽADUJE podsvietenie. Prepúšťaním svetla do farebných filtrov a jeho zmiešaním dostaneme výslednú farbu. Toto je tzv. TFT LCD. Je riadený zapínaním prvku známeho pod názvom thin-film tranzistor, ktorý ja umiestnený v každom pixely. /4/

21

Papierový LCD nieje fikcia

Vývojári v Royal Philips Electronics vynašli spôsob, ako naniesť aktívny LCD displej na takmer akýkoľvek povrch. Výsledok je odolný a pružný, takže obrazovke treba na kuse látky, ktorú teoreticky "zmuchláte" do vrecka, (skoro) nič nebráni. Podstatou objavu je zmes tekutých krištáľov a polyméru. Potom je zmes ožiarená dávkami ultrafialového žiarenia, čím sa tekuté kryštáli vyrovnajú do vzoru včelieho plástu a polymér sa cez ne zleje do priehľadnej krycej vrstvy. tekuté krištáli sú potom aktivované rovnakým spôsobom ako u dnešných LCD displejov. Systém by mal podľa výskumníkov umožniť nielen výrobu displejov s cela novými vlastnosťami, ktoré by bolo možné nanášať na takmer akýkoľvek materiál - od tkaniny až po kameň. Uvažovanou variantou sú malé aplikačné prístroje, ktoré vám behom okamžiku umožnia vykúzliť obrazovku akejkoľvek veľkosti trebárs na stenu v dome. /5/

Holografický displej

Na väčšine displejových systémov ľudské oko vidí plochý priestor pozostávajúci z obrazových bodov, pixlov. Počítačová grafika je obmedzená hlavne na rovinné obrazy a premietanie aj kvázi trojrozmerných obrazov do priestorového sveta bežného displeja. Pod pojmom trojrozmerný displej (3D displej) budeme rozumieť zariadenie, pomocou ktorého možno vytvoriť obraz, ktorý človek vníma ako priestorový. Trojrozmerné displeje sú elektronické zariadenia, ktoré poskytujú simuláciu trojrozmernosti. Umožňujú pozorovateľovi účinnejší a presnejší vnem trojrozmerných tvarov pozorovaných objektov a ich vzájomných priestorových polôh. Pri sledovaní zložitých alebo neznámych objektov môže pozorovateľ rýchlejšie a presnejšie identifikovať tvar pozorovaného objektu. /5/

Podľa spôsobu zobrazenia trojrozmerných informácií môžeme 3D displeje rozdeliť na: stereoskopické - vytvárajú dva uhly pohľadu trojrozmernej scény: ľavý pohľad na zobrazenú scénu pre ľavé oko a pravý pre pravé oko; príkladom sú displeje vo forme polarizovaných okuliarov, napríklad v 3D kinách,

autostereoskopické - zobrazujú ľavé a pravé pohľady zobrazenej scény bez špeciálnych zobrazovacích prostriedkov; niektoré poskytujú pohybovú paralaxu ukázaním viacerých než dvoch náhľadov - holovideo - elektroholografický 3D displej v reálnom čase

Holografický trojrozmerný obraz

Holografia je optická zobrazovacia metóda, pomocou ktorej možno zaznamenať priestorové objekty trojrozmerne na rozdiel od fotografie alebo záznamu kamerou, kde sú priestorové objekty zaznamenávané len dvojrozmerne. Na holograme sa nezaznamenáva obraz predmetu, ale štruktúra svetelnej vlny, ktorá sa odrazila a rozptýlila na predmete. Na získanie hologramu je potrebné, aby na fotografickú emulziu dopadali súčasne dva zväzky svetelných lúčov: predmetový (objektový) zväzok, rozptýlený na predmete (alebo ktorý prešiel priehľadným predmetom), ktorý nesie informáciu o predmete, a druhý, referenčný

22

(porovnávací) zväzok vychádzajúci z toho istého zdroja, ktorému nestojí v ceste žiadna prekážka. Obidva zväzky musia interferovať. Tak sa vytvorí interferenčný obraz, ktorý sa vyznačuje striedajúcimi sa svetlými a tmavými prúžkami. Tento interferenčný obraz sa zaznamená na fotografickú dosku. Takto exponovaná a vyvolaná fotografická doska sa nazýva hologram. V rámci projektu Holovideo sa v laboratóriách Media Labs Massachusettského technického inštitútu vytvára systém spracovania obrazu v reálnom čase, ktorý je schopný počítačom vygenerovať hologram rýchlosťou približujúcou sa rýchlosti videa. /5/

9. NAJNOVŠIE VÍZIE DO BUDÚCNOSTI

Je isté, že LCD panely sú iba na počiatku svojej nesporne dlhej cesty. V súčasnej dobe sa používajú prakticky iba v multimediálnom priemysle. Je to samozrejme logické. Technológia výroby nie je ešte stopercentne zvládnutá. Pozorovacie uhly nie sú u väčšiny modelov úplne ideálne a v oblasti odozvy je to podobné. Práve z týchto dôvodov sa tieto panely nedajú používať napríklad ako virtuálne zrkadlo u automobilu. Pokiaľ si vravíme, prečo používať LCD, keď klasické optické zrkadlo má ďaleko lepšie rozlišovacie schopnosti, tak i na to existuje správny argument. Môže nastať situácia, kedy máme plný kufor a v takomto zrkadle nič nevidíme. Avšak u LCD zrkadla s využitím kamery budeme mať prehľad o okolí svojho auta prakticky neustále. Ďalšou výhodou takéhoto zrkadla je v nočnej prevádzke, kamera zaistí dobrý výhľad i pri úplnej tme a zároveň nedôjde k oslneniu autom idúcim za nami. U áut ešte chvíľku zostaneme. V dnešnej dobe sa u áut používajú tónované predné sklá, aby vodič nebol toľko oslňovaný slnkom. Keby sa použil priehľadný LCD panel cez celé predné sklo, ktorý by reagoval na zmenu svetla a zaisťoval by maximálny kontrast, tak by táto aplikácia docela určite viedla ku zníženiu počtu dopravných nehôd na dopravných komunikáciách. V nočnej prevádzke by "sklo" stmavilo tie miesta, kde práve prechádza protiidúce auto a tak by nedošlo k oslneniu. Takýto panel by samozrejme mohol zobraziť mapu (resp. GPS mapu) priamo pred spolujazdcom či do malého výrezu okna (obr.č.14). Išlo by teda o určitý typ interaktívneho okna. /2/

Obr.č. 14 : LCD displej ako obrazovka GPSExistujú však aj iné možnosti využitia LCD, niektoré by mohli vyznieť až príliš futuristicky, ale na základe dosiahnutých znalostí v oblasti tekutých kryštálov im nič nebráni. Vývoj LCD panelov isto zasiahne každodenný život napríklad : experimenty s tenkými zrolovacími

23

fóliami s tekutými kryštálmi majú veľký potenciál nahradiť papierové noviny a díky všadeprítomnému bezdrôtovému internetu nebude núdza o veľmi čerstvé informácie. Rovnako i projekty inteligentných budov sa čoraz častejšie začínajú implementovať do oblastí bežného využitia. /9/

Tekutý kryštál má ambície i v astronómii a medicíne. V astronómii sa využíva k simulovaniu veľkého tresku. Napriek tomu, že bádatelia iba pozorujú, ako sa chová kryštál pri ohreve a následnom ochladení, tak v ňom nachádzajú mnohé odpovede. V medicíne má tekutý kryštál ďaleko dôležitejšiu úlohu. Bádatelia sa domnievajú, že tento kryštál je kľúčový pri hľadaní lieku na rakovinu.

Displeje sa v budúcnosti budú uberať dvoma významnými smermi (ak neberieme do úvahy plazmu, ktorej cena je pre bežného spotrebiteľa neúmerne vysoká) - OLED a SED. OLED (Organic Light Emitting Diode) sú vlastne tenkofilmové displeje, posiate svetelnými LED diódami, ktoré nepotrebujú na svoju funkciu svetelný zdroj v pozadí. Materiál emituje svetelnú zložku v prípade, že je stimulovaný elektrickou energiou. Túto vlastnosť nazývame elektroluminiscencia. Displeje OLED (obr.č.15) sú tvorené červenými, zelenými a modrými LED diódami, ktoré vytvárajú výsledný obraz. Výhodou týchto displejov je veľmi nízka spotreba energie, dobrý kontrastný pomer a zobrazovaná farba. /7/

Obr.č.15 : Zobrazovacia jednotka displeja OLED.

10. ZÁVER

24

Napriek tomu, že tekutým kryštálom v minulosti nebola venovaná veľká pozornosť, sa dnes, po vyriešení technických problémov spojených s ich masovou výrobou dostávajú do centra pozornosti a nachádzajú si miesto v mnohých aplikáciách pre bežné využitie ako je spotrebná elektrotechnika, ale aj v medicíne, elektrotechnike, astronómii, vojenstve a v mnohých ďalších špeciálnych odvetviach. Tak ako bolo spomenuté na úvod, LCD kráča ruka v ruke s vizualizáciu a vizualizačnou technikou, v ktorej sa stal najväčším a zároveň i fatálnym konkurentom klasických CRT monitorov. Treba však zároveň uviesť, že i napriek tomu že spomínaný jav tekutých kryštálov je známy už okolo 150 rokov, stále sú nám niektoré otázky neznáme a stojíme pred prahom ich rozlúštenia. Je už len otázkou krátkeho času, kedy pri dnešnej úrovni technického rozvoja, dokážeme využiť úžasný potenciál, ktorý nám implementácia tekutých kryštálov ponúka.

Obsah :

25

1. Úvod......................................................................................................................................1

2. História..................................................................................................................................1

3. Princíp tekutých kryštálov.....................................................................................................2

4. Štruktúra a fázy tekutých kryštálov.......................................................................................6

4.1. Optické vlastnosti...........................................................................................................8

5. Využitie tekutých kryštálov..................................................................................................11

6. Princíp LCD displeja............................................................................................................12

7. Pasívne a aktívne matice......................................................................................................16

8. Monitory z tekutých kryštálov (LCD)..................................................................................18

8.1. Technológia uhlu pohľadu.............................................................................................20

9. Najnovšie vízie do budúcnosti..............................................................................................22

10. Záver...................................................................................................................................24

Slovník :

26

Myelín - se vyskytuje v lidském těle a pokrývá nervová vlákna.

Racemát – zmes pravotočivej a ľavotočivej látky s rovnakou koncentráciou

Mezogény – organické látky, ktorých molekuly sa vyskytujú vo viacerých skupenstvách

Mezofáza – druh skupenskej fázy, kedy látka vykazuje niektoré vlastnosti kvapaliny a niektoré vlastnosti pevných látok.

Chirálny – nemajúci súmernosť medzi ľavou a pravou stranou

Ortogonálny – pravouhlý

Ortonormálny – kolmý

Metastabilný – excitovaný stav atómu, z ktorého atóm v laboratórnych podmienkach nemôže prejsť do základného stavu

Reverzibilný – vratný, schopný spätného procesu

Luminofór – látka, v ktorej dochádza k luminiscencii, vydávaniu tzv. studeného svetla

Stealth technológie – vojenské – tajné, nepozorovateľné, maskované

Paralaxa (pohybová) - odchýlka, úchylka;uhol, ktorý zvierajú smery vedené z dvoch rôznych miest priestoru k pozorovanému

Zoznam obrázkov :

27

Obr.č.1 - Nervové vlákna pokryté myelínom – http://www.svethardware.cz

Obr.č.2 - Štruktúra fáz tekutých kryštálov – http://zadanie.sk/referat/NONE/835/Tekute-krystaly-%28referat%29

Obr.č.3 - Schematické znázornenie (a) nematickej, (b) cholesterickej fázy - http://images.google.sk/imgres?imgurl=http://www.fzu.cz

Obr.č.4 - Orientácia molekúl v SmA a SmC fáze – http://zadanie.sk/referat/NONE/835/Tekute-krystaly-%28referat%29

Obr.č.5 - Usporiadanie molekúl v základných deformáciách -http://images.google.sk/imgres?imgurl=http://www.fzu.cz

Obr.č.6 - Štruktúra (a) zkrútenej vzorky a (b) vzorky v elektrickom poli –http://images.google.sk/imgres?imgurl=http://www.fzu.cz

Obr.č.7 - Štruktúra rozvinutých vzoriek feroelektrických kvapalných kryštálov pri opačne orientovaných elektrických poliach – http://zadanie.sk/referat/NONE/835/Tekute-krystaly-%28referat%29

Obr.č.8 - LCD displej – http://katalogmonitoru.cz

Obr.č.9 – Rez LCD displejom – http://monitory.ic.cz

Obr.č.10 - Rozloženie CE prvkov na TFT vrstve – http://monitory.ic.cz

Obr.č.11 - CRT displej – http://www.zive.sk

Obr.č.12 - Kľudový stav – http://zadanie.sk/referat/NONE/835/Tekute-krystaly-%28referat%29

Obr.č.13 - Stav pri napätí – http://zadanie.sk/referat/NONE/835/Tekute-krystaly-%28referat%29

Obr.č.14 - LCD displej ako obrazovka GPS –http://www.svethardware.cz

Obr.č.15 - Zobrazovacia jednotka displeja OLED -http://www.ppelektronika.sk

28

Zoznam použitej literatúry :

/1/ - http://sk.wikipedia.org/wiki/Displej_s_kvapaln%C3%BDmi_kry%C5%A1t%C3%A1lmi

/2/ - http://www.svethardware.cz/art_doc-FDF21C4AC209B3EDC1257045002C86E3.html

/3/ - http://tekuty-krystal.navajo.cz/

/4/ - http://scienceworld.cz/technologie/jak-pracuji-tekute-krystaly-3737

/5/ - http://referaty-seminarky.cz/tekute-krystaly----lcd/

/6/ - http://www.sgproduction.sk/index_technika_lcd.htm

/7/ - http://www.zones.sk/studentske-prace/fyzika/3129-televizna-technika/

/8/ - http://www.gljs.sk/~sjiricek/inf/pcworld/tft_lcd.html

/9/ - http://www.inteco.sk/inteligentne-sklo_109.html

29