Wszystko, co powiniście wiedzieć o ciekłych kryształach, a baliście się zapytać

Skrót LCD, czyli Liquid Crystal Display, nawiązuje do stanu skupienia materii, bez której niemożliwe jest działanie wyświetlaczy LCD – chodzi oczywiście o ciekłe kryształy.

Artykuł jest subiektywnym kompendium, w którym zebraliśmy najważniejsze (z naszej perspektywy) informacje o ciekłych kryształach.

Ciekły kryształ to określenie fazy pośredniej pomiędzy dwoma stanami skupienia materii – ciekłym i stałym. Łączy w sobie cechy obu form – tworzą ją uporządkowane cząsteczki (jak w stanie stałym), które jednak mają swobodę ruchu (jak w stanie ciekłym). Nie wszystkie cząsteczki generują właściwą fazę ciekłokrystaliczną – dotyczy to tych, które cechują się anizotropią kształtu (są to cząsteczki przypominające pręty lub dyski).

Charakterystyka ciekłych kryształów

Fazy ciekłokrystaliczne mogą być generowane m.in. poprzez zmianę temperatury (określane mezofazami termotropowymi). Wśród nich można wyróżnić trzy główne klasy definiowane ze względu na sposób ułożenia cząsteczek:

• faza nematyczna (N), w której swobodnie przemieszczające się cząsteczki dążą do ustawienia w określonym kierunku (zwanym direktorem), przy czym ich środki ciężkości nie są uporządkowane (jej podtypem jest faza cholesterolowa (określana również fazą nematycznie skręconą (N*), w której cząsteczki ustawiają się zgodnie ze zmieniającym się kierunkiem tworzącym w przestrzeni helisę);
• faza smektyczna (S), w której cząsteczki układają się w warstwach, osiami równolegle do siebie,
• faza kolumnowa (D), w której cząsteczki układają się w kolumnach, osiami równolegle do siebie.

Historia badań – najważniejsze daty

Wszystko zaczęło się pod koniec XIX w., gdy Friedrich Reintzer badając właściwości pochodnych cholesterolu odkrył trzy ważne cechy ciekłych kryształów tego typu: występowanie dwóch temperatur topnienia, możliwość odbijania światła spolaryzowanego kołowo oraz możliwość zmiany kierunku polaryzacji światła.

Nie od razu dostrzeżono potencjał tkwiący w ciekłych kryształach. Dopiero w 1964 r. skonstruowano pierwszy wyświetlacz ciekłokrystaliczny, który jednak nie miał praktycznego zastosowania (do sprawnego działania wymagał podgrzania ciekłych kryształów do ponad 100°C). Przełom nastąpił już w 1966 r., gdy Joel E. Goldmacher i Joseph A. Castellano pracowali nad mieszaninami ze związków nematycznych, które generowały fazę nematyczną w zakresie temperatur wynoszącym co najwyżej od 22 do 105°C. Wówczas możliwe stało się wykorzystanie wyświetlacza ciekłokrystalicznego w elektronice konsumenckiej.

Zastosowanie ciekłych kryształów w wyświetlaczach

Bez wątpienia ciekłe kryształy najpowszechniej kojarzone są z wyświetlaczami LCD. Wykorzystuje się w nich zjawisko dwójłomności optycznej – ciekłe kryształy zatapia się w komórkach połączonych z elektrodami, a odpowiednie sterowanie napięciem pozwala na porządkowanie cząsteczek w celu uzyskania efektu załamywania światła.

Na poniższej infografice prezentujemy uproszczony mechanizm działania wyświetlacza LCD w trybie transmisyjnym na przykładzie jednego piksela:

W wyświetlaczach LCD nie wykorzystuje się wszystkich faz ciekłokrystalicznych. Kluczowe są tutaj właściwości fazy nematycznej (N i N*) i smektycznej (SmC*). Warto dodać, że zmiany faz są odwracalne.

Ciekłe kryształy mają również inne zastosowania. Własności termooptyczne wykorzystuje się m.in. w termometrach bezrtęciowych – zawarte w nich substancje zmieniają barwę wraz ze zmianami temperatury.

W ofercie Unisystemu jest ponad 800 wyświetlaczy LCD. Sprawdź, który będzie najlepiej pasował do projektowanego urządzenia.