Physik wie Forschung Spass macht Flüssigkristalle · Friedrich Reinitzer Prag Otto Lehmann...

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