Toepassingen van vloeibare kristal polymeren

Toepassingen van vloeibare kristal polymeren
Vloeibare kristallen worden voor het grootste deel gebruikt in Liquid Crystal Displays (LCD).
Deze maken gebruik van de optische eigenschappen van bepaalde vloeibare kristallen in de
omgeving van een elektrische veld. Ze worden gebruikt in allerhande toepassingen zoals
uurwerken, rekenmachines, draagbare kleuren televisies, laptops, computerschermen, auto,
boten en vliegtuig instrumenten. Men mag natuurlijk niet vergeten te vermelden dat veel
alledaagse producten bestaan uit vloeibare kristallen, een voor de hand liggend voorbeeld
daarvan is zeep die afhankelijk van zijn concentratie in water verschillende van de vloeibare
kristal fases vormt. Vloeibare kristallen zullen zeker belangrijker worden zolang er verder
onderzoek gedaan wordt naar toepassingen.
(4)
LCD
Bij de vloeibare kristalijne fase werd reeds gesteld dat vloeibare kristallen niet echt in staat
waren om macroscopische orde te vertonen.maar dat ze echter uitgespreid liggen tot op een
zeker microscopisch niveau. Hierdoor zijn zogenoemde switching mechanismen mogelijk
waardoor moleculen door externe invloeden kunnen worden geörienteerd. In
beeldschermtechnologie wordt hier goed van gebruik gemaakt door interactie van deze
materie met gepolariseerd licht. Net zoals microgolven dipoolmoleculen kunnen oplijnen zien
we dat elektrische krachten bij LCP’s oplijneffecten mogelijk maken. Door via een elektrisch
veld een macroscopische ordening op te leggen en het gehele materiaal in het veld om te
vormen tot een enkel domein, is het mogelijk dat de ordening in het LC-materiaal zich maar
in één richting uitstrekt, terwijl het materiaal in de andere twee richtingen vrijwel wanordelijk
is. Dit is duidelijk een anisotrope eigenschap. Dit effect doet sterk denken aan het huidige
gebruik van harde schuiven waarin ferro-magnetische eigenschappen gebruikt worden om
bepaalde gebieden die data moeten bevatten op te lijnen. Deze gebieden zijn gekend als
Weiss-gebieden.
Thermometers
Thermochromische
vloeibare
kristallen
(TLC
=
thermochromix liquid crystal) worden voor toepassingen in
verband met temperatuur gebruikt. Ze veranderen van kleur
afhankelijk van de temperatuur. TLCs worden op een
kleine, beweegbare strip aangebracht. Wanneer men deze
strip bij een bepaalde temperatuur bekijkt zal de exacte
temperatuur groen kleuren en omringende temperaturen
zullen een andere kleur krijgen. De resolutie van deze strips
bedraagt 0,1°C. De strips geven nauwkeuriger de
temperatuur als hun kwik tegenstanders. Hierdoor worden
ze in de geneeskunde gebruikt, ze vinden de
lichaamstemperatuur van een persoon door een strip tegen
het voorhoofd te drukken. Een modernere toepassinge van
deze strips is een grote strip die van elke plaats een lokale
temperatuur aanduid. Dit is handig want ziektes, zoals
bevoorbeeld tumoren hebben een andere temperatuur als het
omgevend weefsel. Om foute elektrische verbindingen te
zoeken op een circuit kunnen deze strips ook gebruikt
Bouwkunige en medische toepassingen: sensors
worden.
aquariums,
en in privé
komen deze
(2,5,6)
Ook
in
zwembaden
brouwerijen
strips terug.
(tekening afkomstig uit
bron 6)
Met vloeibare kristallen kan men nauwkeurig het spanningsverloop, warmte stroming,… in
materialen meten zonder deze te beschadiggen. Deze zogenaamde sensoren geven weer of het
materiaal uitgerekt of ingedrukt is. In de industrie worden ze ook gebruikt om nauwkeurig
Ook in de medische sector worden deze stoffen gebruikt om bevoorbeeld de druk die een voet
op de grond maakt te meten. In vloeibare vorm worden de vloeibare kristallen gebruikt om
elektrische hotspots te vinden in de fouten analyse in de halfgeleider industrie. Het doel is dat
ze precies de plaatsen vinden waar abnormale hoeveelheden hitte ontsnappen want dat is waar
meestal de fouten zitten en dus verliezen geleden worden. Vloeibare kristal hot spot analyse
kan gemakkelijk een punt bron van 1 milliwatt localiseren. In optimale conditie gaat dit zelfs
tot 10 microwatt.
(1,3,6)
Industrie
Voor de industrie zijn er natuurlijk ook vloeibare kristal toepassingen uitgevonden. Één
daarvanzijn de hoge kracht draden. Kevlar, wat al gebruikt wordt in helmen en kogelvrije
vesten, is maar één van de sterke, lichte materialen.
(9)
Normale polymeren hebben nooit de gewenste stijfheid om met staal te concureren. Maar de
rechte lange kettingen in vloeibare kristallen zorgen voor een grote orde in een gewenste
vloeibare kristal fase zodat een sterke en stijve vaste stof gecreerd kan worden. Deze
technologie wordt nog altijd verbeterd en zo worden nieuwe sterke en lichte stoffen
ontwikkeld. Een voorbeeld hiervan is Vectran.
(9)
Opsplitsen lichtsignalen
(afkomstig uit bron 7)
Het onderzoeksteam van David Weitz kan een vloeibaar
kristal rooster maken waar alle cellen dezelfde grootte
hebben. Dit brengt met zich mee dat ze zich rangschikken
als raten van een bijenkorf. Die regelmatige structuur
betekent dat de cellen licht kunnen breken als ieder ander
rooster, maar dit is een rooster dat aan en uit kan geschakeld
worden.
Het
vindt
zijn
toepassingen
in
de
glasvezelnetwerken die normaal eerst het licht moesten
omzetten in elektriciteit en dan weer in licht. Met de
vloeibare kristallen gebeurt dit helemaal niet wat de
netwerken enorm versnelt. Ook in telescopen worden deze
roosters gebruikt. De trillingen in de atmosfeer verstoren het
beeld van de sterren. Door een vervormbare spiegel in de
telescoop wordt dit effect tegengegaan. Deze spiegel bestaat
uit zorgvuldig gepolijste minispiegels die afzonderlijk
bewegen. Het rooster zou dezelfde functie kunnen
verrichten maar reageert op kleine spanningsveranderingen.
(7)
Visualiseren en opnemen van beelden
Met visuele kristallen kunnen ook beelden opgenomen worden. Wanneer men vloeibare
kristallen tussen twee lagen van fotogeleidend materiaal legt en licht op het fotogeleidend
materiaal laat stralen, wordt een proces in gang gezet. Het fotogeleidend materiaal wordt meer
geleidend en er ontstaat een elektrisch veld in het vloeibaar kristal evenredig met de intensiteit
van het licht. Het elektrische patroon kan via een elektrode vervoerd worden zodat het beeld
opgeslagen kan worden.
(6)
Een ander gebruik van deze fasen is bijvoorbeeld een nieuwe methode ontdekt door
Kozlovsky e.a. dat de fasetransitie van een isotrope smectische fase naar een normale
smectische fase gehinderd kan worden door blootstelling aan ongepolariseerd wit licht. Het
‘schaduw’-beeld kan dan worden opgeslagen op een film
Ultra violet beelden zichtbaar maken
Bij de meeste vloeibare kristallen blijft de cisisomeer niet lang bestaan onder zichtbaar licht.
In luttele seconden worden alle cisisomeren naar transisomeren omgezet. Een uitzondering is
echter het vloeibaar kristal polymeer CP-40. Dit polymeer bezit azobenzeen groepen aan zijn
basis structuur. Deze zorgen ervoor dat de cisisomeren van dit polymeer, als ze bestraald
worden met UV, uren en zelfs dagen na elkaar blijven bestaan.
(a)
Dit fenomeen wordt gebruikt om UV beelden te ontwikkelen. Men stelt de folie bestaande uit
CP-40 bloot aan de UV straling. Deze straling zet bepaalde delen van de folie om in het
cisisomeer. Deze verbuigen het zichtbaar licht anders en zo kan een UV-beeld voor het blote
oog zichtbaar worden gemaakt. De folie kan hergebruikt worden door ze te wissen met een
tweede uniforme behandeling met UV.
(a)
Data opslag
Huidig onderzoek toont echter dat ook een andere type van dataopslag mogelijk is door
gebruik van vloeibare kristalfasen. Hvilsted onder andere beschreef als eerste een azobenzene
zjiketen vloeibare kristalpolyester die mogelijk maakte om op holografische wijze data op te
slaan. Deze complexe maar zeer vernuftige techniek werd toegepast door bepaalde gebieden
die bestonden uit LCP’s holografisch te polariseren door gebruik te maken van computer
gegenereerde patronen. Dit geeft een diffractie-efficientie die groter is dan 50 % en een
opslagdichtheid die groter is dan 5000 lijnen per mm. Deze wetenschappers ondervonden
geen vorm van slijtage na 5 jaar. Lezen van de holografische data gebeurt via rood licht
(golflengte tussen 600 en 750 nm) en wissen door opwarming tot 80 °C of bestraling met
Uvlicht.
(6)
Bronnen
Websites:
1. Toepassingen: http://www.iitk.ac.in/infocell/Archive/dirmar2/techno_crystals.html
2. Toepassingen: http://www.colorchange.com/Liquid%20Crystal-APP.htm
3. Toepassing:
http://www.acceleratedanalysis.com/LC_hotspotdetection_procedure.html
4. LCD: http://www.hull.ac.uk/chemistry/research/LChistory.html#applications
5. Vloeibaar kristal thermometers: http://www.americanthermal.com/liquid-crystalthermometer.html
6. Toepassingen: http://plc.cwru.edu/tutorial/enhanced/files/lc/apps/apps.htm
7. Toepassing: http://www.kennislink.nl/web/show?id=98734
8. Productie: http://forum.loveno.be/showthread.php?t=12360
9. Vectran: http://www.swicofil.com/vectran.html
Boeken:
a. Paper: Lev M. Blinov, Gabriella Cipparone, Mikhail V. Kozlovsky, Vladimir V.
Lazarev en Nicola Scaramuzza (1999); Holographic ‘development’ of hidden UV
image recorded on a liquid crystalline polymer
Productie
LCD
De productietechniek voor LCD schermen is ontwikkeld anno 2004, het stelt ze in staat om
hoge resolutie videobeelden op grote oppervlakte te tonen. Voor kleuren worden er drie filters
gebruikt: een rode, groene en een blauwe. Het licht gaat door die filters voor het naar de
vloeibare kristallen gaat. Met deze drie kleuren kunnen alle kleuren geproduceerd worden. Er
zijn twee belangrijke productietechnieken: DSTN en TFT.
(8)
DSTN
STN staat voor “Super Twisted Nematic” en is één van de eerste en goedkoopste technieken
om lcd schermen te produceren. Deze stelt de vloeibare kristallen in staat om niet 90 graden
maar 270 graden te roteren. Hierdoor is het contrast veel groter. Men voerde deze techniek
twee maal uit voor de grotere schermen. Dit noemt men DSTN (Double Super Twisted
Nematic).
(8)
Passive Matrix versus Active Matrix
Een “passive matrix” deelt het scherm in kleine puntjes die allemaal apart en per beeldlijn
worden aangestuurd. Men noemt die passive omdat het scherm de informatie die getoond
moet worden niet lang kan vasthouden. Er wordt een elektrisch veld gecreëerd waarmee het
beeld lijn voor lijn wordt opgebouwd. Ieder punt dooft daarna langzaam uit en dus is het beeld
nog even zichtbaar (soms wel een seconde). Deze techniek wordt niet meer gebruikt omdat
het scherm trilt, niet scherp genoeg is en slecht voor bewegende beelden.
Dus werd Dual Scan ontwikkeld waarbij de beelden twee maal zo vaak en snel ververst
werden. Echter lcd schermen werden pas echt bruikbaar wanneer men de “active matrix”
techniek werd ontwikkeld in TFT-beeldschermen. Hierdoor was de kwaliteit, helderheid,
resolutie en kijkhoek van de schermen vele maten beter. De schermen werden wel veel
duurder om te produceren.
De reactie tijd van een active matrix scherm varieert van 16 tot 50ms. Passive matrix
schermen daarentegen hebben een reactie tijd die kan oplopen tot 300ms (DSTN: 150ms).
Active matrix schermen kunnen ook beeldinformatie van een pixel onthouden doordat iedere
electrode verbonden is met een geheugentransistor.
(8)
TFT
Dankzij een extra laag transistoren worden alle pixels apart aangestuurd en worden veel van
de nadelen van de (D)STN-modellen verholpen. Voor deze techniek worden ‘Thin Film
Transistors” (TFT) gebruikt dit is een dun laagje plastic film van 0,1 tot 0,001 micron dun. Zo
behaalt men een reactie tijd van 25ms, contrastratio van maximaal 500:1 en
helderheidswaarden van 250 candela per vierkante meter. TFT schermen zijn dunner dan
STN schermen en hun verversingsnelheid is hoger. In een TFT scherm met resolutie
1024x768 gebruikt men maar liefst 2.359.296 transistoren.
Elk van deze transistoren moet perfect werken, anders krijgt men de befaamde ‘dode pixels’.
Zo’n pixel ziet er uit als een klein zwart, rood, groen of blauw puntje in een helder beeld. (8)