Flüssigkristall Display

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1 Flüssigkristall Display Chemistry Department University of Cologne SS 2016 Flüssigkristalle Gas: individuelle Moleküle, keine rdnung Flüssigkeit: kleine Aggregate (wenige Moleküle), keine rdnung Kristalle : sehr große Aggregate, (perfekte) rdnung Flüssigkristall: Domainenbildung = große Aggregate, rientierungsfernordnung (wg. Form-Anisotropie) Einzelnes Molekül = Mesogen 2 1

2 Flüssigkristalle Formanisotropie Eine Moleküldimension unterscheidet sich grundlegend von den anderen beiden. z X,Y Universität << Z zu Stäbchen-förmige Köln Moleküle (Nematen) (z-achse ist Molekül-Längsachse) Universität X,Y zu >> Köln Z Scheiben-förmige Moleküle (Diskoten) (z-achse steht senkrecht auf Molekül- Fläche ) z 3 Flüssigkristalle Molekulare Wechselwirkung ist Ursache der supramolekularen rdnung Formanisotropie (Stäbchen, Scheiben) Elektrostatische Wechselwirkung führt zu Nano-Phasenseparation, Trennung der verschiedenen Bereiche im Mesogen: aromatische ( -Wechselwirkung) Universität aliphatische, zu Köln perfluorierte, polare/unpolare etc. 4 2

3 Flüssigkristalle Je nach Mesogen könne sich unterschiedliche Phasentypen ausbilden Thermotrope Flüssigkristalle (reine LC-Phase) Universität Nematisch zu Köln Smektisch Cholesterisch Diskotisch Lyotrope Flüssigkristalle (aus Mesophasen) Nematisch Hexagonal 5 Flüssigkristalle CN N Universität zu Köln = -C n H 2n+1 oder -C n H 2n+1 Universität nematisch zu Köln smektisch cholesterisch 6 3

4 Flüssigkristalle z diskotisch 7 Flüssigkristallanzeigen Liquid Crystal Display (LCD) Transmission: Universität Lichtquelle zu Köln hinter Anzeige (Matrixanzeigen: TV- & Computer-Bildschirme) eflexion: Universität eflektorfolie zu Köln hinter Anzeige (einfache Anzeigen: Taschenrechner, Uhren, etc.) Berühmtestes Beispiel: TN-Zelle (twisted nematic) 8 4

5 TN-Flüssigkristallzelle Polarisator (0 Grad) Substrat Transparente Elektrode Aligment-Schicht (0 Grad) (Dicken nicht maßstabsgetreu)! Aligment-Schicht (90 Grad) Transparente Elektrode Substrat Polarisator (90 Grad) 9 TN-Flüssigkristallzelle Wikipedia 10 5

6 TN-Flüssigkristallzelle Wikipedia 11 TN-Flüssigkristallzelle eflexion Transmission Wikipedia 12 6

7 Flüssigkristallanzeigen Universität Kriterien zu LCD Köln Keine Universität Absorption zu Köln Hohe Doppelbrechung Temperaturbereich Universität (-45C zu Köln bis +80C) Hoher Kontrast (komplette eorientierung) Geringe Universität Winkelabhängigkeit zu Köln des Kontrastes Hohe Schaltgeschwindigkeit (Frequenz) Geringe Spannungen Universität Kein Stromfluß zu Köln (Elektrolyse) einheit Universität der Substanzen, zu Köln Lebensdauer (Elektrolyse) eproduzierbarkeit Universität (System-) zu Köln Kosten Es muss ein Kompromiss gefunden werden. 13 Brechungsindex lowest unoccupied molecular orbital LUM } unoccupied orbitals HM highest occupied molecular orbital PLAIZATIN } occupied orbitals Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit den p-elektronen. 14 7

8 Doppelbrechung Brechungsindex ist KEINE Konstante (wellenlängenabhängig; Dispersion) Wikipedia 15 TN-Flüssigkristallzelle Möglichst steil! Wikipedia 16 8

9 Flüssigkristallanzeigen Woran kann man drehen?? Einige Beispiele Universität. zu Köln Längere Moleküle größere Anisotropie Größeres Dipolmoment größeres Drehmoment Universität Stärkere zu Köln intermolekulare Wechselwirkungen größere kooperative Effekte Es ist sehr schwierig, Universität zu von Köln den molekularen Eigenschaften auf die makroskopischen Eigenschaften in der LC-Zelle zu Universität schließen. zu Köln 17 Applied / Fundamental Science MLECULES Universität structure/property zu Köln relations MATEIALS Universität formulation zu Köln APPLICATIN DEVICES fabrication performance 18 9

10 Farb-Display 19 TN-Flüssigkristall-Display Transmissionsgeometrie zu Köln Universität Universität Farbkonverter zu Köln (W GB) Merck KGaA 20 10

11 Quanten- & Leistungs-Effizienz 21 Farb-Eindruck & 3D Farb-Koordinaten (x,y,z) 22 11

12 Farb-Eindruck & 3D Farb-Koordinaten (x,y,z) gewünschtes Ergebnis: für jedes Emissionsspektrum I( ) lässt sich genau ein (x,y,z) errechnen identische (x,y,z) bedeuten identischer Farbeindruck Universität echenvorschrift: zu Köln x 700nm I 400nm X y... Y... z... Z... d 23 2D Farb-Koordinaten, (x,y)-"schuhsohle" x+y+z = 1 dann z = 1-(x+y) überflüssig (x,y) - Ebene jede Farbe bei beliebiger Helligkeit z.b.: (1/3; 1/3) = weiß = grau = schwarz (1/2; 1/2) = gelb = braun 24 12

13 GB-Monitor: Farb-Gamut alle Farben: Schuhsohle darstellbare Farben eines GB-Monitors: Dreieck GB-Monitor hat dreieck-förmigen Gamut z.b. Spektralfarben nm nicht darstellbar, vgl. Experiment! 25 Farb-Gamut weniger brillanter Farben 26 13

14 Kurven in der Schuhsohle: Beispiele Mischung Universität zweier zu KölnFarben: Gerade ( s. Gamut-and ) Spektrale Universität Farben / Laser: zu Kölnand Schieben zwischen zwei Farben 27 Kurven - Interpretation: Farb-Abstand lineare Universität Mathematik zu Köln additive Helligkeit, Gewichtung beim Mischen zweier Farben nichtlineare Wahrnehmung Dynamik über Größenordnungen, blau-anteil unbedeutender als rot und grün Der Farb-Abstand Universität ist ein zu Köln Zahlenwert, der die Unterscheidbarkeit Universität bzw. zu die Köln Verschiedenartigkeit zweier Farben bemisst. In der (x;y)-ebene erhält man Ellipsen gleichen Farbabstandes zu Universität deren Mittelpunkt zu Köln 28 14

15 Planck-Kurve 29 15