Fließende Kristalle –Vom Molekül zum Display
Prof. Christian von Borczyskowski
Professur Optische Spektroskopie und Molekülphysik
Kohlenstoff
Kohlenstoff - Nanoröhren
Benzol
DNA
Kristallstruktur NaCl
Kristallines SiliziumSchneiden aus Si-Einkristall (0.3 mm)
Polykristalines Silizium
Erstarren von Siliziumschmelze
Photonische Kristalle
Flüssigkeiten
Friedrich ReinitzerPrag
Otto LehmannKarlsruhe
Daniel VorländerHalle
1888 Friedrich Reinitzer beobachtet zwei „Schmelzpunkte“ beim Cholesterylbenzoat 1.
1889 Otto Lehmann, den Reinitzer im Hilfe bittet, postuliert die „Flüssigen Kristalle“.
1900 Daniel Vorländer untersucht systematisch stäbchenförmige Moleküle (z.B. Zimtsäure-derivate)
CH3 H
CH3
H H
O
O
1 Cr 145 °C (Schmelzpunkt) N* 179 °C (Klärtemperatur) I
(Cr Kristall; N* flüssigkristalline Phase; I isotrope Phase)
Entdeckung der „Flüssigen Kristalle“: Die Pioniere
Meilensteine in der Entwicklung von Flüssigkristallen und LCDs
1888 …..
Friedrich Reinitzer
Nnobelpreis1991 Pierre-Gilles de Gennes (Frankreich, *1932) Theoretische Beschreibung der Ordnungsprozesse von Flüssigkristallen, Polymeren, Magneten und Supraleitern
Helfrich fand 1970 das theoretische Konzept für das erste technisch und kommerziell revolutionäre Flüssigkristall Display.Das Patent wurde vom Münchener Patentamt nicht erteilt,weil die Entdeckung und Entwicklung keine Erfindungshöhe hätte.
Flüssigkristalline Anzeigen
Temperaturabhängigkeit
fest flüssig kristallin flüssig
Molekulare Struktur
Methyloxybenzylidenbutylanilin (MBBA)
Schmelzpunkt: 22 °CKlärpunkt: 47 °C
Pentylcyanobiphenyl (5CB)
Schmelzpunkt: 23 °CKlärpunkt: 35 °C -
+
Nematisch Temperatur
Kräfte zwischen Molekülen
snapshot from a molecular dynamicssimulation showing the liquid crystal moleculePCH5 in a nematic phase.
Nematische Flüssigkristalle
Direktor
„Nematische“ Moleküle
„Smektische“Moleküle
Smektische Flüssigkristalle
Kolumnare Flüssigkristalle
Kolumnar
Cholesterische Flüssigkristalle
Ordnungszustände
Ordnungsparameter
Was sind Flüssigkristalle?
Kühlen
Dire
ktorKühlen
Zwischenphasen (Mesophasen), zwischen Flüssigkeit und Kristall, kombinieren Ordnung und Mobilität: nematische Phase lamellare Phase
Kühlen Kühlen
isotropeFlüssigkeit Kristall
Wachsende OrdnungWachsende Ordnung
1 2
1 2
Flüssigkristalline Moleküle – Mesogene: Typischer Aufbau eines stäbchenförmigen (calamitischen) Mesogens
FormanisotroperBaustein
Flexible aliphatischeKetten
Die flexiblen Ketten dienen als „Schmierstoff“, der es ermöglicht höher geordnete Strukturen der Flüssigkristallphase (z.B. Lamellen in ) gegeneinander zu verschieben.
2
Flüssig-kristalle
Optische Eigenschaften
Moleküle sind Antennen !
Optische Polarisation
Nematische Schlierentextur eines Tropfens bei 178 °C zwischen ge-kreuzten Polarisatoren.M. Lehmann et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004, 411, 273.
Otto Lehmann‘sPolarisations-
mikroskopmit Heiztisch
Textur einer kolumnaren Mesophase bei 47 °C zwischen gekreuzten Polar-isatoren. M. Lehmann et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst. 2004, 411, 397.
Funktionsweise des Polarisationsmikroskops
Pol 1
Ein Polarisator (Pol 1) erzeugt linear polarisiertes Licht. Die Pola-risationsebene wird vom isotropenMedium nicht verändert, weshalb das Licht den um 90° gedrehten Pol 2 (Analysator) nicht passieren kann.
Ein anisotropes Medium dreht die Polarisationsebene des durch Pol 1linearen polarisierten Lichts (Dop-pelbrechung), weshalb es teilweise Pol 2 durchläuft. Je nach Phasen-struktur sind daher unterschiedliche Texturen sichtbar.
gekreuztePolarisatoren
Pol 2
isotropesMaterial
anisotropesMaterial
90°
Flüssigkristall-Texturen
Schlieren-Texturen
Defekte
Punkt DefektS= ½ Defekt
Übergang von isotroper in eine nematische Phase (Schlierentextur). HomeotropeOrientierung und anschliessende Bildung einer biaxialen LC Phase.
Lehmann, TU Chemnitz
a) Kolumnare Ordnung bei (X).b) Homeotrope Ordnung der Kolumnen bei (O). c) Planare Ordnung von Kolumnen.
: Pseudo-fokalkonische Textur.
Planare Orientierung
Pseudo-isotrope Ordnung
c)
b)
a) Pseudo-fokalkonische Textur
Polarisator-Stellung
OC12H25OC12H25
OC12H25
OC12H25H25C12O
H25C12O
OCH3CHO
Lehmann, TU Chemnitz
StrukturenStrukturen an an GrenzflGrenzfläächenchen• Bekannt: Flüssigkristalle in dünnen Filmen zeigen Strukturbildung:
• Dynamik in solchen Strukturen weitgehend unbekanntUntersuchung der molekularen Dynamik mit Hilfe von Fluoreszenz-Einzelmolekülexperimenten
Oberflächenabsenkungen[Designolle et al., Langmuir22, 363-368, 2006]
Koexistenz verschiedener Schichtdicken[R. Garcia et al., Phys. Rev. Lett. 100, 197801, 2008]
Benjamin Schulz
AnalyseAnalyse derder DiffusionDiffusion
Schwerpunkterkennung
“Tracking”(Zeichnen der
Molekültrajektorien)
Berechnung des Diffusionskoeffizienten D aus der mittleren quadratischenVerschiebung :
Dtr 42 =
2r
Bildausschnitt: (16x16) µm2
Optische Displays
• Kathodenstrahlröhre• Plasma- Displays• Flüssigkristall- Displays• LED - Displays
Elektronenstrahlröhre
25.000 bis 35.000 Volt
Plasma Display
Leuchtstoffe in Plasma Displays
• BaMgAl10O17:Eu2+ (blau), Zn2SiO4:Mn2+ (grün) und (Y,Gd)BO3:Eu3+ (rot)
• Y(V,P)O4:Eu3+; Y2O2S:Eu3+ (rot)
LCD: Permanentes elektrisches Dipolmoment
„Mechanische“ Orientierung an Oberflächen
Twisted Nematic Cell
durchlässigdrehend
U=Ein
• http://www.uni-bonn.de/iap/P2K/polarization/twisting_light.html
Twisted Nematic Cell (TN)
Aufbau und Funktionsweise einer „Twisted Nematic“ (TN) Zelle
Rechts (blauer Farbfilter): Flüssigkristalle ordnen sich im elektrischen Feld so, dass das linear polarisiertes Licht seine Polarisation unverändert beibe-hält. Der zweite gekreuzte Pola-risator (unten) blockt daher das ankommende Licht.
Links (roter Farbfilter): Flüssig-kristallmoleküle orientieren ohne elektrisches Feld, aufgrund der Orientierungsschichten, spiralar-tig zwischen den gekreuzten Polarisatoren. Sie wirken als „Lichtleiter“ und drehen die Pola-risation des zunächst vom ersten Polarisator linear polarisierten Lichtes derart, dass es den zwei-ten, um 90° gedrehten Polarisa-tor passieren kann.
Flüssigkristall Display
15 Zoll Flachbildschirm: 1024 × 768 = 786.432 Pixel x 3 Farben =2.359.296 Einzelpixel= 0,03 qmm ( 10% Transistor) ; < 5 ms; 5 Mikrometer;
Licht emittierende Dioden
OLED Screen
p-OLED – Ink Jet Printed/a-Si