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Chemie GFS

GFS für Chemie | Flüssigkristalle
by

Max H

on 17 June 2010

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Transcript of Chemie GFS

Flüssigkristalle
2.Was sind Flüssigkristalle?
1.Geschichte der Flüssigkristalle
3. Vorkommen in der Natur
2. Was sind Flüssigkristalle?
eine Substanz, die einerseits flüssig ist wie eine Flüssigkeit (Fluid/Fluidität),
andererseits aber auch richtungsabhängige physikalische Eigenschaften
(anisotrope Eigenschaft) besitzt, wie ein Kristall
Widerspruch?
Flüssigkeit - Moleküle schwappen zufällig rum, ohne feste Position.
Festkörper - Moleküle sind fest miteinander verbunden (regelmäßige Struktur)
In Flüssigkristallen
Positionen der Moleküle (lang und dünn) sind zufällig angeordnet
aber sie können sich in einem regelmäßigen Muster ausrichten
das produziert dann die geordnete Struktur eines Flüssigkristalls
4. industrielle Verwendung & Herstellung
Arten von Flüssigkristallen:
a) thermotrope Flüssigkristalle
b) lyotrope Flüssigkristalle
thermotrope Flüssigkristalle:
treten beim Erwärmen von bestimmten Substanzen beim Schmelzen als Mesophase auf.
außerdem beobachtet man die Ausbildung ihrer Mesophasen in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck in der reinen Substanz
lyotrope Flüssigkristalle:
bilden sich, wenn amphiphile Substanzen (wie Tenside) in einem Lösungsmittel gelöst werden.
bei geeigneter Konzentration des Amphiphils kommt es zur Ausbildung von submikroskopischen Strukturen
die sich im Lösungsmittel symmetrisch anordnen
1. Geschichte der Flüssigkristalle
Erstbeschreibung durch Friedrich Reinitzer 1888
entdeckte ein farbenprächtiges Erscheinungsbild beim Schmelzen und Erstarren von Cholesterylbenzoat

Phasen von Flüssigkristallen
Flüssigkristalline Phase,
auch Mesophasen genannt
bilden eigenen Aggregatszustand: mesomorphen Zustand
konformationsungeordneten Kristalle
Aggregatszustand zwischen fest und flüssig
bei thermotropen Flüssigkristallen beobachtet man die Ausbildung ihrer Mesophasen in
Abhängigkeit von Temperatur oder Druck in der reinen Substanz.

Ausbildung von lyotropen Mesophasen erfordert ein Lösungsmittel und ist zusätzlich abhängig
von dessen Konzentration.

→Die Anreihung der verschiedenen auftretenden Phasen eines Flüssigkristalls in Abhängigkeit von
der Temperatur nennt man Polymorphie.
___________
Thermotrope flüssigkristalline Phasen
z.B.

* nematische Phasen,
* smektische Phasen,
* kolumnare Phasen.
unterscheiden sich durch ihre mikroskopische Struktur und ihr makroskopisches Erscheinen
nematische Phase:

einfachste Typ flüssigkristalliner Phasen
Moleküle weisen eine Orientierungsordnung bezüglich des
Einheitsvektors der Richtung auf
→Faden- oder Schlierentexturen


lassen sich einfach durch ein elektrisches Feld reorientieren → LCDs

uniaxiale und biaxiale nematische Phasen.
uniaxial:
im Material gibt es nur eine optische Achse, entlang der polarisiertes Licht die Probe
durchdringen kann, ohne seinen Polarisationszustand zu ändern.

biaxial:
nematischen Phasen mit zwei optische Achsen
smektische Phase:
(kurz SmA, SmB,...)

es gibt nur 5 "wahre" smektische Phasen (SmA, SmC, SmB, SmF und SmI)

in smektischen Phasen sind die Moleküle in Schichten so angeordnet, dass sie eine ein- oder zweidimensional periodische Struktur ausbilden
smektische Phasen aus ungeordneten Schichten (SmA und SmC) und hexatische Phasen (SmB, SmF und SmI).
Die cholesterische Phase:
nematische Ordnung mit kontinuierlich drehender Vorzugsorientierung

→helikale Überstruktur mit einem Abstand von ca. 100 Nanometern.

→wirkt als eindimensionaler photonischer Kristall für zirkular polarisiertes Licht mit der gleichen Drehwinkel wie die helikale Ordnung.
3. Vorkommen in der Natur
Die wichtigste Rolle:
die Bildung und Steuerung der Biomembranen.
seit Millionen von Jahren sind zentrale Bausteine von biologischen Systemen.

Darunter gehören die DNS, viele Proteine und die Membran, die lebende Zellen umschließt.
4. industrielle Verwendung
Flüssigkrisalle der thermotropen nematischen Phase in LCDs
mesophasiger Teer als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kohlenstofffasern (Teerfasern)
cholesterischen Phasen in Abhängigkeit von der Temperatur für medizinische oder technische Zwecke
LCDs
Liquid Christal Display
Otto Lehmann untersuchte diese und sprach erstmals von „fließenden Kristallen“.
ca 1920 ~ 1925:
grundlegende Untersuchungen an Flüssigkristallen durch George Friedel und Daniel Vorländer.
1968: die Entdeckung elektrooptischer Schaltbarkeit durch George H. Heilmeier
Funktioniert so:
__________________
Flüssigkristalle beeinflussen die Polarisationsrichtung von Licht , wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird
Mainzer Rad
LCD
LCDs bestehen aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Helligkeit ändern können.



mit elektrischer Spannung wird in jedem Segment die Ausrichtung der Flüssigkristalle gesteuert.
3 Arten von Displays:
1. beliebige Inhalte darstellen können → die Segmente sind in einem gleichmäßigen Raster angeordnet (Pixel)
2. nur bestimmte Zeichen → die Segmente haben eine speziell darauf abgestimmte Form
z.B. Sieben-Segment-Anzeige zur Darstellung von Zahlen (Matrixanzeige)
3. Aktiv-Matrix-Display, das zur Ansteuerung eine Matrix von Dünnschichttransistoren (engl. thin film transistor, TFT) enthält.
Geschichte des LCD
1968: erster funktionierender LCD
basierte auf dem dynamische Streumodus (DSM)
von Radio Corporation of America (RCA)
4. Dez 1970: Martin Schadt und Wolfgang Helfrich( Central Research Laboratory von Hoffmann-LaRoche)
erstes Patent über die „nematische Drehzelle“ (TN-Zelle, Schadt-Helfrich-Zelle, twisted nematic field effect)
22. April 1971: James Fergason von der Kent State Universität
Patentanmeldung für twisted nematic field effect in Flüssigkristallen
1971: mit Firma ILIXCO stellte er die ersten LCDs mit dieser Technologie her (die heute LXD Incorporated)
Flüssigkristalle in LCDs sind organische Verbindungen
→ sowohl Eigenschaften von Flüssigkeiten als auch Eigenschaften von Festkörpern, aber auch Eigenschaften wie Doppelbrechung
a)
Die Innenseiten zweier Glasplatten (Substrate) sind mit einer transparenten Elektrodenschicht (Indium-Zinn-Oxidschicht, ITO) überzogen, dazwischen befindet sich der Flüssigkristall.

Die Flüssigkristallmoleküle ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, nämlich parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche.

Die Vorzugsrichtungen der beiden Substratplatten sind um 90° zueinander verdreht.

Zusätzlich sind die beiden Substratplatten mit um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet.


→ bei einer um 90° gedrehten Schraube spricht man von TN (twisted nematic).
→einfallendes Licht wird also vor dem Eintritt in die Flüssigkristallschicht linear polarisiert.

Durch die Verdrillung der Moleküle folgt eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes, das Licht kann den zweiten Polarisator passieren und die Zelle ist lichtdurchlässig (transparent)

das Display ist im Ruhezustand durchsichtig(Normally-White-Mode)
Ein Bildschirm kann aus beliebig vielen solcher Zellen bestehen.

Beispiel Taschenrechner:
Beim Taschenrechner stellt z. B. eine einfache 7-Segment-Anzeige jeweils eine Ziffer dar.
→ Schadt-Helfrich-Zelle ist also ein spannungsgesteuertes Lichtventil.
fabfähiger Bildschrim (TFT etc.):
bei einem farbfähigen Bildschirm werden pro Bildelement (Pixel) drei Teilbildelemente (Subpixel) für die Grundfarben Rot, Grün und Blau verwendet.
Einfache Flüssigkristall-Zellen (TN)
STN-Displays
DSTN
TSTN
Ferroelektrische Bildschirme
PVA und MVA
IPS
andere
Aktiv-Matrix-Displays
bei Adressierung und Ansteuerung über eine Matrix mit aktiven Bauelementen wird zum Zeitpunkt der Adressierung eine Ladung auf das Bildelement aufgebracht (durch zusätzlichen Kondensator parallelgeschaltet; Speicherkondesator)

nach dem Aufbringen der Ladung, deren Höhe der Dateninformation entspricht, wird das aktive Bauelement (Dünnschichttransistor, TFT) wieder in den hochohmigen Zustand geschaltet (viel Widerstand)

→ die Ladung und somit die Ansteuerung während einer Bildperiode bleibt erhalten.


→höhere effektive Spannung über dem Bildelement, damit eine höhere Aussteuerung des Flüssigkristalls
→verbesserter Kontrast und eine reduzierte Abhängigkeit des Kontrastes von der Betrachtungsrichtung
* Geringere Leistungsaufnahme bei nicht hinterleuchteten Displays (konstant beleuchtet).

* Strahlungsarmut: LCDs strahlen keine Röntgenstrahlung und wenig Magnetfelder ab.
nur elektromagnetische Felder werden abgestrahlt, die die Bildinformation enthalten

* ein flimmerfreies, verzerrungsfreies, bei Idealauflösung scharfes Bild

* geringeres Gewicht

* geringe Einbautiefe
plastischen Kristalle
Bei thermodynamisch stabilen Mesophasen spricht man von enantiotropen Mesophasen.
Dagegen bei metastabilen Mesophasen von monotropen Mesophasen.
Metastabilität ist eine schwache Form der Stabilität
]
→Amphitrope Flüssigkristalle zeigen sowohl lyotrope als auch thermotrope Mesophasen.
Lyotrope flüssigkristalline Phasen
z.B.

* diskontinuierliche kubische Phase (mizellar),
* nematische Phasen,
* hexagonale Phasen,
* bikontinuierliche kubische Phasen,
* lamellare Phasen,
* inverse kubische Phase.
nematische Phase:
Strukturell ähnelt sich die lyotrope nematische Phase der thermotropen Phase

die Aggregate sind Scheibchen- oder Stäbchenmizellen.
Hexagonale lyotrope Phase

Der Existenzbereich erstreckt sich in vielen Fällen über weite Temperatur- und Konzentrationsbereiche.

Bei den hexagonalen Aggregaten handelt es sich um kreis- oder ovalzylindrische Stäbchen.

Die Positionsordnung besteht in einer Anordnung der Aggregate in einem hexagonalen Gitter
Marktführer: Merck KGaA

Pionier im Bereich der LCD-Technik.

Merck ist der weltgrößte Hersteller von Flüssigkristallen, die für die Herstellung von LC/TFT-Displays benötigt werden.

Der Weltmarktanteil liegt bei über 60 %; das Unternehmen gilt damit als ein sog. "Hidden Champion".
b)
elektrische Spannung an die Elektroden
Flüssigkristallmoleküle drehen sich unter Einfluss des elektrischen Feldes,
ordenen sich parallel zum elektrischen Feld an

Moleküle auf den Substratplatten hingegen behalten ihre Ausrichtung auch bei hohen anliegenden Spannungen bei.
Mit zunehmender Ausrichtung parallel zum elektrischen Feld nimmt die Rotation der Polarisationsrichtung ab und es erfolgt eine zunehmende Absorption des Lichts im zweiten (senkrecht zum ersten ausgerichteten) Polarisator.

"Darstellung der Daten auf dem zweiten Polarisator"
______________________________________________________________________________________________________________________________

Sind die Polarisationsfilter parallel zueinander angeordnet, dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und wird erst mit zunehmender Spannung transparent. (Normally-Black-Mode).
Schon 1904 veröffentlichte er sein Hauptwerk "Flüssige Kristalle".
Pionierarbeiten über Flüssigkristalle in den späten 1960er Jahren vom britischen Radar Research Establishment.
Vorteile
Quellen:

http://www.lumrix.de/icd/med/smektit.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Schadt-Helfrich-Zelle
und noch mehr von Wikipedia
http://liqcryst.chemie.uni-hamburg.de/de/program.php
http://adsabs.harvard.edu/abs/2003PhuZ...34..134M
http://fluessigkristalle.com/index.htm
http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/laptops/index.html

Duden: Chemie
Uni Hamburg

Selbstbau von Flüssigkristallanzeigen:
http://fluessigkristalle.com/selbstbau.htm
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