TINH THỂ LỎNG ( Liquid crystals )

Tinh thể lỏng (Liquid crystals) là một loại vật liệu quan trọng được ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực hiển thị hình ảnh, thiết bị quang điện tử, sensors,... Bài thuyết trình hôm nay nhóm sẽ tập trung vào cấu tạo, tính chất tinh thể lỏng và ứng dụng trong công nghệ hiện thị hình ảnh (màn hình tinh thể lỏng).

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÝ KĨ THUẬT QUANG HỌC KĨ THUẬT CHỦ ĐỀ: TINH THỂ LỎNG Năm học: 2018-2019 MỤC LỤC Giới thiệu tinh thể lỏng Tính chất tinh thể lỏng 2.1 Pha tinh thể lỏng 2.2 Ảnh hưởng điện trường đến định hướng 2.3 Bước xoắn tinh thể lỏng 2.4 Tính lưỡng chiết tinh thể lỏng Ứng dụng hình tinh thể lỏng 3.1 Phân cực ánh sáng 3.2 Cấu tạo hình tinh thể lỏng 10 3.3 Nguyên lý hoạt động 11 Các ứng dụng khác 13 Tinh thể lỏng (Liquid crystals) loại vật liệu quan trọng ứng dụng lớn lĩnh vực hiển thị hình ảnh, thiết bị quang điện tử, sensors, Bài thuyết trình hơm nhóm tập trung vào cấu tạo, tính chất tinh thể lỏng ứng dụng công nghệ thị hình ảnh (màn hình tinh thể lỏng) Giới thiệu tinh thể lỏng Như ta biết có bốn trạng thái vật chất rắn, lỏng, khí plasma Hầu hết vật liệu có điểm nóng chảy mà trạng thái rắn với phân tử có cấu trúc trật tự định chuyển thành thành trạng thái lỏng với phân tử chuyển động tự Tuy nhiên, có số vật liệu điểm nóng chảy chuyển từ thể rắn thành đám mây lỏng (cloudy liquid) mà giữ cấu trúc trật tự phân tử, trạng thái gọi tinh thể lỏng Điểm đặc biệt tinh thể lỏng chảy dịng chất lỏng, lại có phân tử xếp định hướng tinh thể Trạng thái chuyển thành thể lỏng hoàn toàn tiếp tục tăng nhiệt độ Vật liệu tinh thể lỏng chủ yếu hợp chất hữu có cấu trúc phân tử hình que (rod-shaped) hình đĩa (disk-shaped) Trong ứng dụng hiển thị hình ảnh vật liệu tinh thể lỏng dạng que sử dụng nhiều Để định lượng mức độ trật tự có mặt chất, người ta định nghĩa thông số trật tự (S) Thông số trật tự cho sau Với góc góc đường chuẩn trục dài phân tử Kí hiệu dấu ngoặc lấy trung bình tất phân tử vật Trong chất lỏng đẳng hướng thông số trật tự Đối với tinh thể hồn hảo, thơng số trật tự gán Giá trị tiêu biểu cho thông số trật tự tinh thể lỏng biến thiên khoảng 0,3 đến 0,9 với giá trị xác hàm nhiệt độ, kết chuyển động động học phân tử Biểu đồ phụ thuộc thông số trật tự với nhiệt độ Para-Azoxyanisole (PAA) Tính chất 2.1 Pha tinh thể lỏng Vật liệu tinh thể lỏng có trạng thái smectic, nematic cholesteric, pha phân biệt dựa trật tự đặt chúng Ở trạng thái smectic liquid crystal, phân tử hình que xếp thành lớp song song với Có nhiêu loại pha smectic pha smectic A C phổ biến (Hình 92.2a,b) Trong pha nematic, phân tử hình que xếp gần song song với phân tử riêng lẻ di chuyển dễ dàng theo hướng dọc trục chúng mà khơng có cấu trúc lớp pha smectic (Hình 92.2c) Còn với pha cholesteric, phân tử xếp thành lớp pha smectic trục phân tử nằm mặt phẳng lớp hướng chúng thay đổi theo lớp tạo thành cấu trúc xoắn (Hình 92.2d) Trong pha pha nematic pha quan trọng với ứng dụng thị hình ảnh Một loại vật liệu tinh thể lỏng có nhiều pha khác phụ thuộc vào nhiệt độ chúng Ví dụ vật liệu tinh thể lỏng có pha Smectic C nhiệt độ thấp chuyển thành pha smectic A nhiệt độ cao tiếp tục chuyển thành pha nematic tiếp tục tăng nhiệt độ Ngoài tinh thể lỏng thay đổi pha theo nhiệt độ (thermotropic) ta cịn có tinh thể lỏng thay đổi pha theo nồng độ (lyotropic) Đây hỗn hợp phân tử dạng que môi trường dung môi đẳng hướng nồng độ dung dịch nguyên nhân cho xuất pha Tinh thể lỏng lyotropic chủ yếu ứng dụng sinh học biểu số lượng lớn pha khác 2.2 Ảnh hưởng điện trường đến định hướng Khả định hướng theo trường gây chất điện phân tử Các lưỡng cực điện sinh một đầu phân tử có điện tích dương tổng hợp đầu có điện tích âm tổng hợp Khi đặt điện trường lên tinh thể lỏng, phân tử lưỡng cực có xu hướng tự định hướng theo hướng trường Trong biểu đồ hình sau, mũi tên đen biểu diễn cho vector điện trường mũi tên xanh lực điện tác dụng lên phân tử 2.3 Bước xoắn tinh thể lỏng Một đặc điểm quan trọng pha cholesteric bước xoắn Bước xoắn (p) định nghĩa khoảng cách cần thiết cho đường chuẩn quay trọn vịng theo hình xoắn ốc Ý nghĩa quan trọng bước xoắn tinh thể lỏng nhờ khả phản xạ có chọn lọc ánh sáng có bước sóng với bước xoắn Bằng việc cung cấp thêm lượng nhiệt ta làm bước xoắn giảm đi, ngược lại giảm nhiệt độ làm cho bước xoắn tăng lên Kết giúp cho ta chế tạo nhiệt kế tinh thể lỏng dựa phụ thuộc bước sóng ánh sáng phản xạ với nhiệt độ mơi trường 2.4 Tính lưỡng chiết tinh thể lỏng Tinh thể lỏng tính lưỡng chiết chất dị hướng chúng Nghĩa là, chúng biểu khúc xạ kép (có hai chiết suất) Ánh sáng phân cực song song với đường chuẩn có chiết suất khác (truyền tốc độ khác) với ánh sáng phân cực vng góc với đường chuẩn Như vậy, ánh sáng vào chất lưỡng chiết mẫu tinh thể lỏng nematic, ánh sáng bị tách thành thành phần nhanh (gọi tia thường) chậm (gọi tia dị thường) Do hai thành phần truyền vận tốc khác nhau, nên hai sóng lệch pha Khi tia kết hợp trở lại lúc chúng khỏi tinh thể lỏng, trạng thái phân cực thay đổi độ lệch pha Sự lưỡng chiết chất đặc trưng độ chênh lệch chiết suất () tia thường (ne) tia dị thường (no) Chúng ta định nghĩa quang lộ cho sóng di chuyển khoảng cách L tinh thể nL, nên hiệu quang lộ hai thành phần sóng đề cập là: Độ lệch pha thu hai thành phần bằng: Trong λ bước sóng chân khơng Ứng dụng hình tinh thể lỏng 3.1 Phân cực ánh sáng  Ánh sáng tự nhiên Ánh sáng từ nguồn phát (mặt trời ,dây tóc nung đỏ…) có phương vng góc tia sáng → ánh sáng tự nhiên dao động theo  Ánh sáng phân cực Nếu ta chiếu tia sáng qua mơi trường bất đẳng hướng ví dụ : tinh thể dao động theo phương định Vậy ánh sáng có vector dao động theo phương xác định gọi ánh sáng phân cực thẳng hay ánh sáng phân cực toàn phần Xét ánh sáng truyền qua hai phân cực định luật Malus phát biểu rằng: khí ánh sáng truyền qua phân cực hoàn toàn ,cường độ ánh sáng truyền qua phân cực tỉ lệ thuận với bình phương cosin góc trục truyền hai phân cực: I=I0Cos2ꝋ 3.2 Cấu tạo hình tinh thể lỏng (LCD) - Lớp đèn nền: Có tác dụng cung cấp ánh sáng (ánh sáng trắng) Đèn dùng hình thơng thường, có độ sáng 1000cd/m2 thường đèn huỳnh quang - Lớp kính lọc phân cực thứ nhất: Là lớp kính lọc phân cực có quang trục phân cực dọc - Lớp tinh thể lỏng: Đây phân tử có cấu trúc nematic, xoay,định hướng tiếp xúc với bề mặt khe rãnh Nếu ta đặt chúng hai điện cực suỗt có sẻ rãnh vng góc với ánh sáng truyền qua dọc theo chiều xoắn phân tử nematic, ánh sáng phân cực ,thì phân cực theo chiều xoắn tinh thể lỏng - Lớp kính lọc phân cực thứ hai : Nếu ta đặt điện trường lớn làm cho tinh thể xếp dọc theo chiều điện trường (khơng xoắn), ánh sáng có phương phân cực dọc truyền tới lớp kính lọc thứ hai có quang trục phân cực ngang bị chặn lại hoàn toàn Lúc này, điểm ảnh trạng thái tắt Nếu điều chỉnh điện áp hai đầu lớp tinh thể lỏng nhỏ dần, phân tử liên kết xoắn lại với tùy giá trị điện áp Ánh sáng truyền qua lớp tinh thể lỏng theo hướng xoắn tinh thể nên thay đổi phương phân cực Vậy ánh sáng sau bị thay đổi phương phân cực 10 lớp tinh thể lỏng truyền đến kính lọc phân cực thứ hai truyền qua phần Lúc này, điểm ảnh bật sáng 3.3 Nguyên lý hoạt động Hiển thị màu sắc chuyển động : Hình ảnh kính trước cảm nhận tổng thể tất điểm ảnh, điểm ảnh mang màu sắc độ sáng định, qui định, theo quy tắc phối màu phát xạ, mức độ sánh ba điểm ảnh (tỉ lệ ba màu đỏ, lục lam), tức qui định việc bật/tắt điểm ảnh Hình 4: Sơ đồ cấu trúc hình LCD Cụ thể sau: Khi hình bật nguồn, đèn LED phát ánh sáng trắng Ánh sáng vào dẫn hướng ánh sáng (LGP), phản xạ bên phân bố đồng bề mặt phía bảng điều khiển 11 Tấm khuếch tán tiếp tục phân tán ánh sáng, khơng có điểm nóng quan sát bên LGP DBEF tái chế ánh sáng tán xạ lăng kính đảm bảo ánh sáng lấy nét hướng phía người xem Bộ phân cực cho phép ánh sáng bước sóng thẳng đứng qua chặn hướng khác Ánh sáng phân cực theo chiều dọc sau qua lớp tinh thể lỏng Các tinh thể lỏng sau xử lý cách áp dụng điện áp thích hợp thơng qua hình TFT điện cực chung Tinh thể lỏng chặn ánh sáng trắng mức độ biến đổi Bộ lọc phía trước cho phép thơng qua loạt bước sóng thích hợp với màu Ánh sáng truyền qua tinh thể lỏng lọc màu để tạo màu đỏ, xanh xanh dương Ánh sáng phân cực sau lọc phân cực - có ánh sáng phân cực ngang truyền 10 Cuối cùng, người xem thưởng thức màu sắc sống động, độ tương phản cao hình ảnh sắc nét hình kỹ thuật số 12 Các ứng dụng khác Chụp ảnh quang học Một ứng dụng tinh thể lỏng khảo sát chụp ảnh ghi ảnh quang học Trong công nghệ này, tế bào tinh thể lỏng đặt hai lớp chất dẫn quang Ánh sáng đưa vào chất dẫn quang, làm tăng độ dẫn chất Việc gây điện trường phát triển tinh thể lỏng tương ứng với cường độ ánh sáng Kiểu hình điện truyền điện cực, cho phép người ta ghi ảnh Công nghệ ttrong giai đoạn phát triển lĩnh vực triển vọng nghiên cứu tinh thể lỏng Nhiệt kế tinh thể lỏng Như trình bày trước, tinh thể lỏng nematic (cholesteric) thuận bên làm phản xạ ánh sáng có bước sóng với bước xoắn Do bước xoắn phụ thuộc vào nhiệt độ,cho nên màu sắc phản xạ phụ thuộc vào nhiệt độ Tinh thể lỏng cho phép người ta đo xác nhiệt độ việc nhìn vào màu sắc nhiệt kế Bằng cách pha trộn hợp chất khác nhau, người ta chế tạo thiết bị thực tiến cho ngưỡng nhiệt độ 13 Liquid Crystal Optical Beam Shutter Tinh thể lỏng cịn có vơ số cơng dụng khác Chúng sử dụng cho việc kiểm tra học không phá hủy chất chịu lực căng Kĩ thuật sử dụng cho hình dung sóng vơ tuyến (RF) dẫn sóng Chúng sử dụng ứng dụng khoa, ví dụ đo áp suất tức thời truyền chân đất Các ứng dụng thực tế phát triển lĩnh vực đa dạng y khoa điện tử học Các thiết bị tinh thể lỏng đặc biệt gắn vào da để thể “bản đồ” nhiệt độ Việc có ích với triệu trứng ung bướu có nhiệt độ khác với mơ xung quanh Các cảm biến tinh thểlỏng cịn sử dụng để tìm mối nối xấu mạch điện cách dị tìm điểm nhiệt độ cao 14 ... thiệu tinh thể lỏng Tính chất tinh thể lỏng 2.1 Pha tinh thể lỏng 2.2 Ảnh hưởng điện trường đến định hướng 2.3 Bước xoắn tinh thể lỏng 2.4 Tính lưỡng chiết tinh thể lỏng Ứng dụng hình tinh thể lỏng. .. trung vào cấu tạo, tính chất tinh thể lỏng ứng dụng cơng nghệ thị hình ảnh (màn hình tinh thể lỏng) Giới thiệu tinh thể lỏng Như ta biết có bốn trạng thái vật chất rắn, lỏng, khí plasma Hầu hết vật... lỏng Điểm đặc biệt tinh thể lỏng chảy dịng chất lỏng, lại có phân tử xếp định hướng tinh thể Trạng thái chuyển thành thể lỏng hoàn toàn tiếp tục tăng nhiệt độ Vật liệu tinh thể lỏng chủ yếu hợp