Modern Fizika Labor A mérés dátuma: 2005.11.16. A mérés száma és címe: 17. Folyadékkristályok vizsgálata Értékelés: A beadás dátuma: 2005.11.30. A mérést végezte: Orosz Katalin Tóth Bence 1
A mérés során megismerkedtünk a folyadékkristályos anyagok néhány alapvető tulajdonságával. Mivel a folyadékkristályok szerves molekulákból álló kristályok megolvadásakor jönnek létre, a folyadékkristályos anyagok viselkedésében fontos szerepe van a hőmérsékletnek. Ezt az első mérési feladat során vizsgáltuk, amikor is a hőmérsékletet változtatva gyakorlatban is találkoztunk a kettőstörés jelenségével, valamint nyomon követhettük a hőmérséklet függvényében bekövetkező törésmutató-változást. A tömegközéppontok rendezettsége alapján megkülönböztethető csoportok közül először a csavart nematikus változatot vizsgáltuk. Itt egy LCD kijelző egyenszint nélküli szinusz, háromszög és négyszög bemenő jelre adott válaszát detektáltuk fotodetektor segítségével. Meghatároztuk a maximális kontraszt mértékét, a szinuszos jelre felvettük a feszültségfeszültség karakterisztikát, majd a maximumnál a frekvencia függvényében bekövetkező maximális kimenő jelamplitúdót vizsgáltuk. A négyszög bemenő jel esetében az exponenciális válasz időállandóját határoztuk meg. A második LCD ferroelektromos, csavart szmektikus folyadékkristályt tartalmazott. Ez esetben szintén szinusz, háromszög és négyszög bemenő jeleket vizsgáltunk, s kimeneti jelek karakterisztikáján kívül a négyszögjelre adott exponenciális időállandóját mértük meg. 1. A mérés első részében a csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó prizmán átengedtünk lézerfényt, majd egy tükörről visszaverve kb. 5 méter út megtétele után az ajtóra ragasztott milliméterpapírra rárajzoltuk a két különbözően eltérített komponens (eléggé diffúz) fényfoltjának fényes középpontjának helyét. A hőmérséklet növelésével az alsó folt elindult fölfele, a felső sokkal lassabban lefele. Kb. fokonként rajzoltuk a pozíciókat. A mérési összeállítás: lézer folyadékkristály polárszűrő tükör ernyő (milliméterpapír az ajtón) A kapott pontok egy bifurkációs görbét rajzolnak ki. A jelenség tulajdonképpen egy fázisátalakulás. Miután a folyadékkristály átalakult folyadékká egy kritikus hőmérsékleten, csak egy ágat detektálunk. A kritikus pont előtt 35 C-tól fokonként vettük fel a pontokat, majd a kritikus pontot követően, ez nálunk t c =41,3 C-nál volt, 45 C-ig csak pár pontot vettünk fel, itt szinte tényleg nem is változott a nyaláb helyzete, ezért a 43 C fölött nem is ábrázoltuk már az onnantól vízszintes egyenest, hogy jobban látható legyen a bifurkáció. A milliméterpapír folyadékkristálytól mért távolságát összehangolt együttműködéssel l=(440±2)cm-nek mértük. 2
Az alábbi táblázatban a prizma nélküli fénypont helyétől mért távolság van megadva milliméterben a hőmérséklet függvényében: C 38,0 39,0 40,0 41,0 41,2 42,0 43,0 45,0 extraordinárius 87,3 86,8 86,0 84,2 82,1 72,7 72,7 72,2 ordinárius 68,0 68,5 69,0 70,8 71,3 72,7 72,7 72,2 Az adatok ábrázolva: 88 d (cm) 86 84 82 80 78 76 74 72 70 68 38 39 40 41 42 T ( C) 43 sin( α + ϕ) n= sin( α) tgφ=d/l α + ϕ α d2(mm) 87,3 86,8 86,0 84,2 82,1 72,7 72,7 d1(mm) 68,0 68,5 69,0 70,8 71,3 72,7 72,7 ±0,5 tgφ=φ 0,0198 0,0197 0,0195 0,0191 0,0187 0,0165 0,0165 (fok) 0,0155 0,0156 0,0157 0,0161 0,0162 0,0165 0,0165 n 1,54 1,54 1,53 1,52 1,51 1,45 1,45 n 1,42 1,42 1,43 1,44 1,44 1,45 1,45 ±0,02 A sorpárok közül a felső mindig az extraordinárius, az alsó pedig az ordinárius komponens; a hibák az utolsó oszlopba kerültek, mivel ezek az értékek minden adatra azonosak lettek. 3
2. A mérés második részében csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó cellára 100Hz-es szinuszos feszültséget adtunk, majd a bemenő jel amplitúdóját állítva felvettük a bemenő jel - kimenő jel karakterisztikát és megnéztük, hol lesz a legnagyobb a (p-p) kimenő jel, és ezután mindig ennél az értéknél mértünk. Mivel a csavart nematikus folyadékkristályt tartalmazó LCD esetében a direktor iránya kezdetben a függőlegesen álló polárszűrőével megegyező, majd a második vízszintes irányú polárszűrőig 90 -ot fordul el, ezért ha nem kapcsolunk az elektródákra feszültséget, akkor a fotodetektorral detektált fényintenzitás maximális lesz, míg ha feszültséget kapcsolunk rá, akkor az optikai tengelyek irányába befordult direktorokkal megegyező irányban polarizált fény a második polárszűrőn nem tud átmenni. A mért adatok az alábbi táblázatban láthatók (hiba: ±0,2V ill. ±2mV): U be (V) U ki (mv) 6,0 78 6,4 86 6,8 100 7,2 104 7,6 104 8,0 100 8,4 96 8,8 88 9,2 84 9,6 78 10,0 72 Ábrázolva: 110.00 100.00 Uki (mv) 90.00 80.00 70.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 Ube (mv) U be (V) 4
A görbe maximumánál maximális lesz a kontarszt. Ez fontos jellemzője egy folyadékkristályos kijelzőnek. Azt a bemenő szinusz amplitúdót keressük tehát, amelynél a detektált fényintenzitás maximális, hiszen ekkor lesz a sötét és a fényes pontok aránya a legnagyobb. A fenti görbe (3,7±0,1)V amplitúdójú bemenő jel esetén lesz maximális. Természetesen ez az érték hibával terhelt, tehát azt mondhatjuk, hogy U = (3,7±0,1)V körüli értéken érdemes az LCD-t működtetni. Egy fotó az oszcilloszkópról a maximális kimenő amplitúdónál (ν bemenő =100Hz, A bemenő = 3,7V, oszcilloszkóp kimenő jelre: 20mV/div, 2ms/div): Az ábrán jól látható, hogy a kimenő jel már nem vált polaritást, valamint a maximumai közel a bemenő szinusz nullátmeneteihez, a minimumai pedig közel a bemenő jel maximumaihoz jelennek meg. A kapott jelünkön azért az is látszik, hogy kicsit aszimmetrikus, de nagyjából megfelel a várakozásoknak. Maximum esetén megnéztük a kimenő jel amplitúdójának a bemenő jel frekvenciától való függését 10 Hz-től 1000Hz-ig. A csúcstól csúcsig értékek: ν be (Hz) U ki (V)(p-p) 10 0,6 20 0,44 40 0,24 80 0,132 160 0,061 300 0,005 600 0,007 1000 0,025 5
A kimenő jel amplitúdója a bemenő jel frekvenciájának függvényében ábrázolva: 0.6 U (V, p-p) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 ν (Hz) Ezután háromszögjelet adtunk be (20mV, 2ms): Majd négyszögjelet (5mV, 2ms): 6
Ugyanez a négyszögjel más felbontásban (10mV, 5ms): A négyszög jel időállandója azt fejezi ki, hogy a kijelző milyen gyorsan reagál a rákapcsolt feszültségre. Bemenő négyszögjel esetén az időállandót az elektronikából megismert módszer szerint számoltuk: az exponenciális felfutásához 5τ idő kell, az 1τ-hoz tartozó feszültségérték pedig a jel maximális értékének 2/3-ánál van. Ha mindkettőt megmérjük, még jobb értéket kapunk az időállandóra: τ = (2,6±0,1)ms 7
3. Ezek után kicseréltük a cellát egy ferroelektromosra. Ráadtunk szinuszos bemenő jelet (5V, 2ms): Majd háromszögjelet (5V, 2ms): Majd négyszögjelet (0,5V, 0,5ms): Bemenő négyszögjel esetén az időállandó az előbb leírt módszer szerint: τ = (0,30±0,02)ms 8
A jegyzetben megadott elrendezés szerint összeállítottuk a rendszerünket. Kipróbáltuk a könyv szerinti A elrendezést, amikor az első polarizátor és a direktor iránya megegyezett, a második polarizátor pedig merőleges volt az elsőre. Ekkor tényleg nem volt kimenő jelünk. A másik esetben ( B összeállítás) a kijövő jel elliptikusan polarizált, amit egy polárszűrővel lineárisan polarizálttá alakítottunk; a fotodetektoron pedig szépen megjelentek a kimenő jeleink a különféle bemenő jelekre. Ezen bemenő jel kimenő jel kvalitatív karakterisztikák a fenti képeken láthatók, melyeken jól látszik, hogy a rendszer bistabil, azaz például egy négyszög jel esetén mind a fenti félperiódusra, mind a lenti félperiódusra kapott válaszfeszültség stabil egész addig, amíg a bemenő jelünk előjelet nem vált. Ez persze a háromszög- és a szinuszjelre is igaz. Azt is látni lehet, hogy a kimenő jel lebillenése körülbelül a bemenő jel nullátmeneténél van. Az időállandóra itt kisebb értéket kaptunk, azaz a ferroelektromos LCD gyorsabban reagál a vezérlő feszültségre, mint a csavart nematikus. 9