OPTIKAI ANYAGOK: ÜVEGEK, POLIMEREK ÉS FOLYADÉKRISTÁLYOK
ÜVEGEK: BEVEZETÉS Tradicionális technológia, klasszikus optikai elemek: lencsék, prizmák, és szűrők. Látható tartomány: belső T nagyobb mint 99 % (380-780 nm). Szilikát szerkezet: kb. 2,5 μm a határ. Kalkogenid üvegek (S, Se, Te-t, illetve ezek vegyületeit tartalmazó szilárd oldatok és többkomponensű anyagok), nehéz-fém-fluorid üvegek, és nehéz-fém-oxid üvegek: transzmisszió 8-12 μm-ig.
ÜVEGEK: BEVEZETÉS Üvegek optikai szálakhoz: (igen erős hajtóerő, illetve technológiai fejlesztés) igen kis elnyelési tényezőjű üvegek (kvarcüveg) a NIR tartományban, ablakok 850, 1310, 1550, és 1625 nm. Üvegek UV-hez: Fotolitográfia/IC/folyamatos méretcsökkentés, immár 40 éve, ld. Moore-szabály) kikényszerítette az üvegek UV transzmissziós tartományának kiterjesztését. Olvasztott kvarc (kvarcüveg): 180 nm-ig jól megfelel az UV fotolitográfiához. Még jobb: CaF 2 kristály, 140 nm, deep-uv plusz fluor excimer lézer. További mély ultraibolya alkalmazások (olvasztott kvarc): nagyenergiájú lézerek, űrhajók ablakai, optikai képalkotás, UV sugárzás orvosi alkalmazásai (pl. UV lézer által indukált fluoreszcencia, mint rák-detektálási módszer).
ÜVEGEK: PASSZÍV DIELEKTRIKUMOK Az üveg szervetlen anyagok olvadéka, amely a merev állapotba kristályosodás nélkül hűlt le Tulajdonképpen az üvegben befagy az atomok, molekulák a folyadékra jellemző, véletlenszerű elrendezése. Ezért az üvegek egészében izotrópok, bár a molekulák orientált kötései megmaradnak (közeli rend), és léteznek helyi sűrüség-eltérések, amelyek néha a mechanikai megmunkálás, nyújtás irányában orientálódnak
ÜVEGEK Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO 2, (Ge, B, P-oxidok) Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik. T g =transzformációs hőmérséklet (üvegesedési hőm.) T l =olvadási hőmérséklet
FIZIKAI ALAPOK Tg lágyulási hőmérséklet Az üvegek nem rendelkeznek pontos olvadási hőmérséklettel, hanem folyamatosan lágyulnak a hőmérséklet növekedésével, illetve keményednek a lehűléskor (növekszik a viszkozitásuk).
Viszkozitás Newton Sebesség gradiens ( 1/sec) Nyíró feszültség, F/A (N/m2 = Pascal) Dinamikai viszkozitás
Viszkozitás mérése - Stokes törvény μ - a dinamikai viszkozitás Kinematikai viszkozitás: ν = η/ρ
Kinematikai viszkozitás, 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm² s 1 = 0,0001 m² s 1 Olajok viszkozitása a hőmérséklet függvényében. 1 hengerolaj, 2 differenciálolaj, 3 nehéz motorolaj, 4 könnyű motorolaj, 5 könnyű téli motorolaj, 6 gépolaj, 7 turbinaolaj, 8 transzformátorolaj, 9 műszerolaj.
tgyi.fmk.nyme.hu/oktatas/ix._btoripari_anyagismeret_uveg.pdf
Az anyagok viszkozitása atmoszférikus nyomáson mérve anyag hőmérséklet ( C) viszkozitás (Pa s) bitumen 20 10 8 melasz 20 10 2 méz 20 10 1 ricinusolaj 20 0,985 olívaolaj 20 kávétejszin 20 10 10 3 [81 10 3 100 10 3 ]
Üveg típusok összetétele Fluor Foszfor Kovasav Timföld Mész Nátron Káli Ólom Bórsav Cink Vas Báriumpent oxid oxid oxid oxid F P2O5 SiO2 Al2O3 CaO Na2O K2O PbO B2O3 ZnO Fe2O3 BaO % % % % % % % % % % % % Táblaüveg 71 1 16 11 Tükörüveg 72 1 13 14 Öblösüveg 75 1 8 10 6 Sajtolt üveg 73 7 9 8 3 Csehkristályüveg 77 6 2 15 Ólomkristályüveg 53 1 10 36 Thüringiai csôüveg 70 3 7 14 6 Palacküveg, színes 64 7 14 12 1 2 Laboratóriumi üveg 75 6 1 6 1 7 4 Tûzálló üveg (Durán) 76 2 5 1 16 Sütôüveg (Pyrex) 81 2 1 4 12 Hômérôüveg 72 5 11 12 Ampullaüveg 68 9 5 7 2 8 Flintaüveg 61/37 46 2 8 44 Koronaüveg 50/61 73 2 3 5 17 Baritkoronaüveg 57/58 48 1 1 7 4 9 30 Baritflint üveg 62/38 44 8 38 3 7 Bórkoronaüveg 50/65 71 5 10 14 Foszfátüveg 52/70 71 10 4 12 3 Fluórkoronaüveg 47/67 6 53 9 16 16 http://www.kfki.hu/chemonet/hun/eloado/kemia/uveg.html
Üvegek áteresztő képessége http://www.edmundoptics.com/learning-and-support/technical/learningcenter/application-notes/optics/optical-glass/?&viewall
A diszperzió mértéke az Abbe szám n d, n F and n C are the refractive indices of the material at the wavelengths of the Fraunhofer d-, F- and C- spectral lines (587.6 nm, 486.1 nm and 656.3 nm respectively).
Törésmutató és diszperzió A közeg és így az üvegek törésmutatója függ a hullámhossztól, így a különböző hullámhosszú nyalábok különböző sebességgel terjednek. ibolya kék zöld sárga narancs vörös 410 nm 470 nm 550 nm 580 nm 610 nm 660 nm különbség Néhány átlátszó anyag törésmutatója koronaüveg 1,538 1,531 1,526 1,552 1,522 1,52 0,018 könnyű flintüveg 1,604 1,596 1,591 1,588 1,587 1,585 0,019 kvarc 1,557 1,551 1,547 1,544 1,543 1,542 0,015 gyémánt 2,458 2,444 2,426 2,417 2,415 2,41 0,048 jég 1,317 1,3136 1,311 1,3087 1,308 1,306 0,011
ÜVEGEK TECHNOLÓGIÁJA: KVARCÜVEG A kvarcüveget tiszta szilicíumdioxidból állítják elő 1700 C feletti hőmérsékleteknél. A képlékeny massza lehűtésekor figyelni kell a hőmérséklet pontos változására, mert különben könnyen elkezdődhet a kristályosodás, más-más fázisok alakulhatnak ki az anyagban. A kvarcüveg egy sor kiváló tulajdonsággal rendelkezik: alacsony a hőtágulási tényezője (10 20-szor kisebb mint az összes ismert anyagban)., igen magas a nyomószilárdsági ellenállása (nagyobb mint 2000 MPa). Kvarcüveg áteresztőképessége az UV tartományban: 180 nm-ig.
KVARCÜVEG ÁTERESZTŐKÉPESSÉGE
IR ELNYELÉS: MOLEKULAREZGÉSEK A molekulák vibrációs átmenetei okozta elnyelési sávok a színkép IR tartományába esnek. Ez intrinsic abszorpciót okoz az anyagokban, így az üvegekben is. A Si-O-Si rendszer különböző típusú rezgési módusaiból származó abszorpciós sávok a 3.8 m tartományba esnek. Amorf SiO 2 (kvarcüveg) infravörös abszorpciós éle.
KVARCÜVEG (OPTIKAI SZÁL) Átmentifém-ionok szelektív fényelnyelése optikai üvegben. Két típusú optikai átmenet: betöltetlen d-héjon belüli elektronátmenetek (E 4eV), és ionizáció (elektron leszakadás és a mátrixban kötésbe kerül (nagyobb energiáknál) Az 1 db/km csillapítás eléréséhez a szennyezőkoncentrációt 0,1 ppb szintig kell redukálni.
HIDROXIDIONOK ABSZORPCIÓJA Vízmolekula OH-gyök alaprezgése 2,72 m, felharmonikusok:1,38, 0,945, 0,72, 0,60 m, valamint kombinációs sávok (az oszcillátor nem tisztán harmonikus). A felharmonikusok és a kombinációs frekvenciák környezetében
OH- ABSZORPCIÓJA KVARCÜVEGBEN SiO 2 szál optikai elnyelési spektrumai a) 10-2 atom% OH, b) 10-5 % atom% OH
OPTIKAI SZÁLAK CSILLAPÍTÁSA Anyagfüggő (SiO 2, polimer alapú) Hozzákevert adalékanyagok Gyártás során szennyezőanyagok Molekulák saját rezgési hullámhosszán érkező fotont elnyelik Hullámhosszfüggő csillapítás Távközlési cél (850nm 2dB/km, 1300nm 0,4dB/km, 1550nm 0,2dB/km) ITU-T(CCITT) G.652 ajánlás 1295-1322nm
CSILLAPÍTÁS HULLÁMHOSSZFÜGGÉSE a (db/km) 10 UV abszorpció IR abszorpció 1 OH gyök 0.1 I. II. III. Rayleigh szórás 850 1300 1550 (nm) Fényvezető szál (olvasztott kvarc, SiO 2 ) csillapítási karakterisztikája. Átviteli ablakok : I. 850 nm, GaAs lézer, II. 1200-1300 nm, minimális diszperzió, InGaAsP/InP lézer, III. 1540-1450 nm, minimális csillapítás, InGaAsP/InP lézer.
OPTIKAI SZÁL VESZTESÉGEI
OPTIKAI SZÁL VESZTESÉGEI A csillapítás értéke igen erősen függ a hullámhossztól. A kvarcüveg szálakban a látható spektrális tartományban a veszteség meghaladja az 5 db/km-t, de a hullámhossz növelésével erősen csökken. A veszteségnek lokális minimuma van 1,3 m hullámhossznál (közeli infravörös tartomány), és itt kisebb mint 0,5 db/km. Mivel a törésmutató diszperziójának is minimuma van ezen hullámhossz környékén, ezt az alacsony veszteségű "ablakot" (ún. második optikai ablak) igen gyakran használják száloptikai távközlési rendszerekben. A veszteségi tényező abszolút minimuma 1,55 m hullámhossznál van. Még rövidebb hullámhosszaknál az apszorbció, és így a szálveszteség erősen megnövekszik.
OPTIKAI SZÁLAK VESZTESÉGEI Szórás (80-90%) Rayleigh d<<, Mie d>0.6 Abszorpciós csillapítás (10-20%) üvegben, fémben(cr 3+, Cu 2+ :NIR), OH -- :0,72, 0,95, 1,24, 1,38, 2,7, 4,2 m Sugárzási veszteség (nagy hullámhossznál és kis magátmérőnél), már nagy görbületi sugarú hajlítás esetén is jelentkezik Csillapítással határolt összeköttetés
Preform készítése CVD-vel Reaktorcsövön belüli reakció SiCl4, GeCl4-et hígitanak He gázban és hevített SiO 2 -ra viszik fel Üvegszemcsék rakódnak le a cső belső falára Csövet O 2 -H 2 lángban égetik 1500 C-on, ami oxidációhoz vezet Alacsony OH koncentráció Forgatják a hengert az egyenletes lerakódáshoz A cső összeomlik 1900 C-on, majd szálhúzás 2100 C-on 0.2 db/km csillapítás, nagy BW*hossz érték Összetétel változtatásával: GI szál, tiszta eljárás
ÜVEGSZÁL HÚZÁSA
SZERVES SZINTETIKUS POLIMEREK Előnyei (szervetlen anyagokkal szemben): Tervezhetők és szintetizálhatók olyan összetételekben és szerkezetekben, melyek nem realizálhatók kristályokkal, üvegekkel és műanyagokkal. Tartósak, jó optikai hatékonyság, megbízhatóság, olcsóság. Alkalmazások: Fényemittáló diódák (OLED), folyadékkristály-polimer fotodetektorok, polimer-folyadékkristály eszközök (pl. kivetített TV), fényvezetőszál erősítők szerves festék adalékolással (rodaminok), szerves vékonyréteg optikák, elektrooptikai modulátorok.
POLIMEREK: ALAPFOGALMAK Természetes polimerek: Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) Polipeptidek, fehérjék Kaucsuk, gumi Mesterséges polimerek: műanyagok Monomer: építőegység Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal Poli-etilén, PE Poli-propilén, PP Polimer: monomeregységből áll. Homopolimer: egyfajta monomeregységből felépülő makromolekulák Kopolimer: két- vagy többfajta monomeregységeket tartalmazó Poli-vinilklorid, PVC Poli-sztirol, PS A makromolekulák súlya nagy. Egzakt határ nincs, 5000-10000 mólsúly felett szokás makromolekulákról beszélni, mert ezen mólsúly érték körül jelennek meg a polimerekre jellemző, minőségileg új tulajdonságok (rugalmasság)
Jellemző polimerek A polimer szénhigrogének között a legismertebbek a polisztirol, polietilén és a poli(vinilklorid). A mindennapi életünkben talán a legtöbbet a polietilén szerepel. Két fő típusát magas- és alacsonynyomású polietilén az előállításuk technológiája szerint különböztetik meg. A magasnyomású polietilént magas (több mint 200 MPa) nyomás alatt és kb.200 C fokon polimerizálják, az alacsonynyomásút 0,3 0,6 MPa és 80 C körülmények között. Tulajdonságaik abban különböznek, hogy a magasnyomású polietilénben 55 70% a kristályos fázis aránya, míg az alacsonynyomású polietilénben 85 90%, ami meghatározza a mechanikai szilárdságukat is. A polisztirol nem poláris dielektrikum, jók a szigetelő tulajdonságai, termoplasztikus ( lágyulási hőmérséklete egyenlő 110 120 C). A polimetilmetakrilátot, PMMA (szerves üveg, plexi ) metakrilsav-észter polimerizációjával állítják elő. Jó optikai, elektromos és nem utolsó sorban mechanikai tulajdonságai miatt (100-150 C fokon már hajlik, de szobahőmérsékleten kemény) gyakran alkalmazzák különböző konstrukciós elemek, optikai alkatrészek, ablakok gyártásához
POLIMEREK: OPTIKAI ALKALMAZÁSOK Optikai elemek gyártására többnyire kész műanyagok (szemcsés anyag) kerülnek felhasználásra. Ezekből melegalakítással vagy monomer polimerizálásával (foto-vagy termo-polimerizáció által) készítik a lencséket, más optikai elemeket. Néhány átlátszó műanyag jellemzői: Megnevezés Jelölés Törésmutató polisztirol PS (hőre lágyuló) 1,592 poli(metil-metakrilát) PMMA - - 1,491 polivinilklorid PVC - - 1,52 1,55 epoxigyanta EP (ragasztók) 1,5 1,7 polietilén PE (UV-áttetsző)
POLIMER FÉNYVEZETŐ SZÁLAK PMMA-d8 (deuterizált polimetil-metaakrilát), min. 570 nm-nél PS (polisztirol), min. 670 nm-nél (GaP LED!)
POLIMER FÉNYVEZETŐ SZÁLAK Előnyök: Nagy magátmérő Szál-szál, száleszköz illesztés egyszerű Nagy numerikus apertura Hajlékony, jól vezethető, megtörhető Kis tömeg (súly) Egyszerű technológia, olcsó http://www.thorlabs.de/newgrouppage9_pf.cfm?guide=10& Category_ID=220&ObjectGroup_ID=2928
OLED Polymeric organic semiconductors include poly(3-hexylthiophene), poly(p-phenylene vinylene), as well as polyacetylene and its derivatives. Substrate (clear plastic, glass, foil) - The substrate supports the OLED. Anode (transparent) - The anode removes electrons (adds electron "holes") when a current flows through the device. Organic layers - These layers are made of organic molecules or polymers. Conducting layer - This layer is made of organic plastic molecules that transport "holes" from the anode. One conducting polymer used in OLEDs is polyaniline. Emissive layer - This layer is made of organic plastic molecules (different ones from the conducting layer) that transport electrons from the cathode; this is where light is made. One polymer used in the emissive layer is polyfluorene. Cathode (may or may not be transparent depending on the type of OLED) - The cathode injects electrons when a current flows through the device.
FOLYADÉKKRISTÁLYOK Folyadék-kristályok, hosszúkás szerves molekulákból épülnek fel, melyek dipólnyomatékkal rendelkeznek és ebből kifolyólag külső elektromos térrel irányíthatók. Molekulák térbelileg rendezetlenül helyezkednek el (folyadék-állapot), ellenben a molekulák maguk térbelileg orientáltak (mint a kristályos állapot). A molekulák külső erő (mechanikai vagy elektromos) hatására meg tudják változtatni az orientációjukat. Anizotrópiájuk miatt, mint polarizációmódosító eszközökként működnek. A folyadékkristályok csoportjának tipikus példája a p- metoxibenziliden-p -n-butilanilin (MBBA) : Alkalmazás: elektromos tér a molekulák orientációját módosítja, ezért, mint elektrooptikai elemek alkalmazhatók. Display, kijelző.
LCD KÉPERNYŐ A folydékkristályok legismertebb alkalmazási területe a kijelzők, az LCD képernyők (Liquid Crystal Device). A színes LCD panel kialakításához először biztosítani kellett a színes (piros, zöld és kék) cellák működését. Ehhez a cellába megfelelő áteresztési spektrummal rendelkező fényszűrő réteget építenek be, amely kiszűri a cellára beeső fehér fényből a kellő energiájú fotonokat, pontosabban csak azokat ereszti át. Ha ezeket az elemi cellákat hármas pixelekbe rendezzük úgy, hogy külön-külön vezérelhetők legyenek a megfelelő feszültség rákapcsolásával, akkor a pixelek mátrixából kialakul a képernyő.
KÉRDÉSEK Mit nevezünk üvegnek? Milyen az üvegek jellemző transzmissziója? Mi az Abbe szám és mit jellemez? Hogyan néz ki és mire használható az üvegek Abbe diagramja? Jellemezze a kvarcüveget! Hogyan függ a kvarcüveg elnyelési spektruma a benne lévő OHtartalomtól? Vázolja a spektrumokat! Mutassa be az üvegszálak gyártástechnológiáját! Definiálja a polimerek fogalmát, ismertesse jellegzetességeiket, és mondjon példát optikai polimerre! Vázolja az OLED szerkezetét! Definiálja a folyadékkristály fogalmát! Milyen jellemezői vannak a folyadékkristályoknak?