- VLCĐ dạng giấy và các chế phẩm từ giấy
3. 2 Chất xec-nhet điện
3.3.6 Tinh thể lỏng
Tinh thể lỏng vừa cĩ tính chất của một vật liệu thể lỏng (như là: độ nhớt thấp, cĩ hình dáng theo hình của bình đựng nĩ), vừa cĩ tính chất của vật liệu thể rắn. Nĩ cĩ khả năng điều biến ánh sáng khi đặt nĩ dưới tín hiệu điện.
Tinh thể lỏng cĩ tính chất khơng đẳng hướng. Nĩ cĩ độ nhớt thấp và cĩ thể chảy. Tinh thể lỏng được hình thành từ những phân tử hữu cơ, cĩ hình dáng que dài từ 20Ao đến 100Ao. Trên hình 3.22 cĩ thể thấy sơ đồ cấu trúc phân tử hình que của tinh thể lỏng của một chất hữu cơ gọi là p-azoxyanioul (viết tắt là PAA)
h1 h2
Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc phân tử hình que của tinh thể lỏng
Phân tử hình que cĩ chiều dài khoảng 20Ao và chiều rộng khoảng 5Ao cĩ ba loại cấu trúc tinh thể lỏng mà trên hình 3.23a cĩ thể thấy sơ đồ cấu trúc đĩ là cấu trúc Smetic, cấu trúc Nematic và cấu trúc Cholesteric.
Đặc trưng của mổi cấu trúc như sau:
a/ cấu trúc smetic (Hình 3.23a): các phân tử hình que sắp xếp thành từng lớp trong đĩ chúng cĩ hướng đồng nhất, và hướng sắp xếp giữa các hướng cũng giống nhau. b/ cấu trúc nematic (Hình 3.23b): các phân tử hình que khơng sắp xếp thành lớp, nhưng sắp xếp của các phân tử giống nhau.
c/ cấu trúc choleteric (Hình 3.23c): các phân tử hình que sắp xếp theo một hướng chung trong mỗi lớp, nhưng gĩc các hướng sắp xếp khác nhau giữa các lớp.
Hình 3.23 Sơ đồ cấu trúc sắp xếp của các phân tử.
a/ cấu trúc Smetic; b/ cấu trúc Nematic; c/ cấu trúc Cholesteric.
Tế bào tinh thể lỏng
Dùng một tấm kính, mài tấm kính đĩ theo một hướng nhất định, cho tinh thể lỏng tiếp xúc với mặt kính, thì các phân tử lỏng sẽ sắp xếp theo hướng mài của tấm kính. Dùng một tấm kính khác, cũng được mài theo một hướng nhất định, đặt tấm kính thứ hai này song song tấm kính trên, nhưng hướng mài của hai tấm kính thẳng gĩc nhau sẽ cĩ những phân tử lỏng sắp xếp theo hai hướng thẳng gĩc nhau, hìng thành một tinh thể lỏng xoắn, như mơ tả trên Hình 3.24, tinh thể lỏng cĩ cấu trúc Nematic. Khoảng cách giữa hai tấm kính từ 5μm đến 20μm
Chương 3: VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI
Hình 3.24 Sơ đồ cấu tạo của tế bào tinh thể lỏng xoắn Nematic.
Tinh thể lỏng được chứa trong hai tấm kính được mài theo hai hướng thẳng gĩc nhau.
Hằng số điện mơi của tinh thể lỏng cĩ giá trị khác nhau khi phân tử lỏng song song với phương của điện trường khi thẳng gĩc với điện trường. Ký hiệu hằng số điện mơi ε . Khi phân tử lỏng nằm song song với điện trường kí hiệu ε// và khi thẳng gĩc cĩ kí hiệu là ε⊥.Thơng thường ε//#ε⊥. Hiệu của chúng kí hiệu là
⊥
− = Δ
Δε, ε ε// ε .
Tinh thể lỏng được gọi là cĩ dương tính, tức là khi đĩ thế năng của phân tử cĩ giá trị nhỏ nhất.
Điện trường khi tác dụng lên tinh thể lỏng là thay đổi hướng sắp xếp cuả các phân tử lỏng. Hình 3.25 mơ tả hướng sắp xếp của các phân tử tinh thể lỏng khơng cĩ điện trường và khi cĩ điện trường. Dưới tác dụng cuả điện trường các phân tử tinh thể lỏng xoay một gĩc 90o và trở thàng song song vơí điện trường (Hình 3.25b).
Hình 3.25 Hướng sắp xếp cuả các phân tử tinh thể lỏng thay đổi dưới tác dụng của điện trường
a/ tinh thể lỏng ở giữa hai kính, các phân tử tinh thể lỏng nằm song song với rãnh mài trên hai kính, điện trường bằng khơng.
b/ dưới tác dụng cuả điện trường, các phân tử lỏng xoay và trở thành song song với điện trường .
Linh kiện hiển thị dùng tế bào tinh thể lõng
Hình 3.26 cho thấy sơ đồ cấu tạo cuả một loại linh kiện hiển thị dùng tế bào tinh thể lỏng Nematic xoắn.
Hình 3.26 sơ đồ cấu tạo cuả linh kiên hiển thị dùng tế bào tinh thể lỏng Nematic xoắn.
Tinh thể lỏng được chứa giữa hai tấm kính A và B đã được mài cĩ rãnh, khoảng cách giữa hai tấm rãnh là 10μm rãnh mài trên hai tấm kính phẳng thẳng gĩc với nhau, làm cho các phân tử của tinh thể lỏng bị xoắn linh kiện hiển thị cịn gồm các tấm phân cực số 1 đặt ở trên tinh thể lỏng và tấm phân cực số 2 đặt ở dưới, và dưới tấm kính này cịn là một tấm gương.
Anh sáng đến tấm phân cực số1, mặt phẳng phân cực của tấm kính này song song với rãnh mài của tấm kính A. Anh sáng đi qua tấm điện cực trên trong suốt _ điện cực thường là bằng chất oxyt indi-thiếc. Anh sáng đi qua tế bào tinh thể lỏng mặt phẳng phân cực cuả ánh sáng xoay một gĩc 90o như vậy khi ánh sáng đi đến tấm kính B, thì mặt phẳng phân cực cuả ánh sáng song song vơí rãnh mài cuả tấm kính. Anh sáng đi qua tấm phân cực số 2 và đến tấm gương, phản chiếu trở lại, đi trở về qua tấm phân cực số 2, đến tế bào tinh thể lỏng mặt phẳng phân cực của ánh sáng xoay một gĩc 90o và cuối cùng trở về tấm kính phân cực 1. Do đĩ khi nhìn từ trên xuống, chúng ta cĩ một mặt phản chiếu sáng.
Đặt điện áp lên trên hai điện cực ở tấm kính a và b điện áp xoay chiều, từ 5v đến 10v, đủ để tạo ra cường độ điện trường lớn, là cho các phân tử cuả tinh thể lỏng nằm theo phương của điện trường, và như vậy tế bào tinh thể lỏng khơng cịn khả năng điều khiển ánh sáng. Mặt phẳng phân cực cuả ánh sáng đến sẽ khơng bị xoay
Chương 3: VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI
90o khi đi qua tế bào tinh thể lỏng, nhưng ánh sáng bị phân tán do đĩ khơng cĩ khả năng đi qua tấm kính phân cực số 2, cĩ rất ít phần ánh sáng được phản chiếu trở laị, khi nhìn từ trên xuống bề mặt của điện cực trên bị tối. Sở dĩ dùng điện áp xoay chiều, vì điện áp này khơng tạo ra sự ăn mịn điện hĩa, trong khi đĩ điện áp xoay chiều thì tạo ra sự ăn mịn điện hĩa làm cho tuổi thọ của tinh thể lỏng bị giảm. Các phân tử của tinh thể lõng sắp xếp theo phương của điện trường, nhưng khơng cĩ dịng điện chảy nhờ đĩ cơng suất tiêu thụ của linh kiện rất nhỏ.
Để hiển thị số hoặc chữ, cĩ thể sắp xếp các linh kiện hiển thị theo hai cách mơ tả trên Hình 3.27
Hình 3.27 Hai cách sắp xếp tế bào tinh thể lỏng để hiển thị số a/ với 7 phân tử ; b/ với 35 phân tử.
Cơ sở để lựa chọn cách sắp xếp là kích thước của con số được hiển thị nội dung và độ phức tạp của mạch. Cách sắp xếp với 7 phân tử thơng thường để hiển thị số ví dụ trên mặt đồng hồ, cịn cách sắp xếp 35 phân tử dùng để hiển thị các chữ cái lẫn số. Mỗi phân tử tế bào tinh thể lỏng được đĩng mở theo tín hiệu logic.
Ví dụ trên hình 3.27a, tín hiệu logic điều khiển đĩng các phân tử 1, 2, 4, 5 và 6, và điều khiển mở các phân tử 3, 7. Cách này địi hỏi tín hiệu logic với đến đúng từng địa chỉ của mỗi phân tử, và như vậy mạch sẽ trở nên vơ cùng phức tạp ở màn hiển thị lớn. Trong trường hợp cĩ số phần tử lớn, phải giảm số dây nối. Ví dụ như cách sắp xếp như trên hình 3.28a
Mỗi phân tử được nối với dây dẫn riêng đến tiếp điểm ở mặt trên; cĩ một dây nối chung của tất cả các phần tử, đến tiếp điểm chung ở mặt đáy. Như vậy cĩ tất cả n+1 dây nối cho n phần tử. Cĩ thể cải tiến rất nhiều cách nối trên bằng cách nối song song các ma trận hiển thị. Như trình bày trên hình 3.28b
Tất cả các tiếp điển trên mặt trên được nĩi với các phần tử được sắp xếp theo cột dọc, và tất cả các tiếp điểm trên mặt đáy thì được nối với tất cả các phần tử theo hàng ngang. Địa chỉ của các phần tử được nối đến bằng cách đặt điện áp lên cột dọc và hàng ngang nào cĩ chứa phần tử đĩ.
Hình 3.28 Các cách sắp xếp địa chỉ hiển thị a/ địa chỉ đơn giản ; b/ địa chỉ theo ma trận
c/địa chỉ ma trận với MOST
Ví dụ đặt điện áp +2V lên cột dọc số 4, và -2V lên hàng ngang d, sẽ làm cho phần tử được đĩng và được hiển thị, (ơ vuơng tơ đen trên hình 3.28b) cĩ thể thấy rằng số lượng dây dẫn được giảm rất nhiều, ví dụ cần số phần tử hiện thị là n x n, thì số lượng dây dẫn chỉ cần 2n. Tuy nhiên cách sắp xếp này địi hỏi phải quét liên tục áp xung lên các cột dọc và hàng ngang, qui trình nối mạch cĩ thể thực hiện như sau: đặt điện áp +u lên cột 1 và đồng thời đặt điện áp –u lên một phần tử nào đĩ cần đĩng nằm trong các hàng ngang a – g mà thuộc cột 1. Sau một thời gian địa chỉ ta, điện áp xung +u được đặt lên cột 2 và một điện dãy điện áp xung –u được đặt lên các hàng ngang và như thế tiếp tục đến cột 3. Tổng thời gian quét bằng tích của ta và số cột dọc, và tổng thời gian này được giới hạn dưới, ví dụ 40μs.
Một khả năng cĩ thể kéo dài thời gian đĩng của mỗi phần tử hiện thị lớn hơn thời gian địa chỉ ta bằng cách đặt mỗi MOST vào mỗi hàng, tức là mỗi MOST cho một phần tử, như thấy trên hình 3.28c địa chỉ được gởi đến phần tử (nét vẽ liền) bằng cách nối cổng g vào cột dọc 3, điện áp từ nguồn S lấy từ hàng d được chuyển đến kênh d, và phần tử được đĩng. Điện tích của điện dung trong MOST cần cĩ một thời gian để thốt qua phần tử tinh thể lỏng, cường độ dịng tiêu thụ rất nhỏ, nhờ đĩ thời gian đĩng cịn kéo dài sau khi đã cắt điện áp. Linh kiện cĩ phức tạp hơn nhưng
Chương 3: VẬT LIỆU ĐIỆN MƠI
đạt được yêu cầu là kéo dài thời gian hiển thị ,cơng nghệ chế tạo màng mỏng bằng silic vơ định hình sẽ làm giảm khĩ khăn về sự phức tạp của cấu tạo của linh kiện.