Werkstoffe in der Elektrotechnik

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1 Werkstoffe in der Elektrotechnik Grundlagen - Aufbau - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung - Technologie von Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler überarbeitet Werkstoffe in der Elektrotechnik Fischer / Hofmann / Spindler schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Hanser München 2007 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: Werkstoffe in der Elektrotechnik Fischer / Hofmann / Spindler

2 Hans Fischer, Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler Werkstoffe in der Elektrotechnik Grundlagen - Aufbau - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung - Technologie ISBN-10: ISBN-13: Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel

3 50 1 Grundlagen 1.3 Bildung von Ordungszuständen in flüssigen Werkstoffen Kompetenzen Der Lernende kann unterscheiden zwischen Flüssigkristallen (LC) und Flüssigkristallinen Polymeren (LCP). die Bedeutung von LC und LCP für die Herstellung von Bauelementen erläutern. die Begriffe mesomorph und mesogen erklären. die Ordnungszustände nematisch, smektisch, cholesterisch und kolumnar darstellen und erläutern. die besonderen Eigenschaften von LC am Beispiel von Displays verdeutlichen. Nach der Definition des Begriffes Kristall (1.2) erscheinen die Werkstoffbezeichnungen Flüssigkristall (LC) und Flüssigkristalline Polymere (LCP) verwirrend, um nicht zu sagen paradox. In einer flüssigen Phase besitzen die Bausteine, wie Ionen und Moleküle, keine Fernordnung und können sich durch Translation bewegen, wobei noch zwischenmolekulare Wechselwirkungen bestehen. Bereits 1888 entdeckte der Botaniker Reinitzer am Cholesterinbenzoat (siehe Bild 1.3-1) Eigenschaften, die man bisher nur bei Kristallen kannte, wie: Polarisation des Lichtes (Schwingung in einer Ebene), richtungsabhängige elektrische Leitfähigkeit (Anisotropie), richtungsabhängige Viskosität (reziprokes Fließvermögen), Streuung des Lichtes in polykristallinen Systemen. Bei Erreichen der Schmelztemperatur von Cholesterinbenzoat (145,5 C) entsteht keine klare, sondern eine milchig trübe Schmelze. Erst bei einer Temperatur von 178,5 C wird sie klar. Beim Abkühlen wiederholt sich dieser Vorgang in umgekehrter Weise. Im genannten Temperaturintervall beobachtet man neben dem typischen Verhalten einer Flüssigkeit, dem Fließen, die den Kristallen innewohnende Eigenschaft, der Lichtstreuung. Solche Phasen bezeichnet man deshalb als flüssigkristallin und ihre Struktur ist mesomorph. Man beschreibt vier Mesophasen, die sich durch die Anordnung der Moleküle unterscheiden: Bild Strukturformel von Cholesterinbenzoat

4 1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flüssigen Werkstoffen Nematische Phasen* Nematische Flüssigkristalle bestehen aus stäbchenförmigen Molekülen, die eine gewisse Vorzugsorientierung aufweisen, ohne das sie eine Fernordnung besitzen (Bild 1.3-2) und sich leicht in dieser Orientierungsrichtung verschieben lassen. Sie sind auf Grund der Orientierung der Moleküle (uniaxiale Symmetrie) anisotrop. Insbesondere zeigen nematische Flüssigkristalle die Eigenschaft der Doppelbrechung; sie weisen also einen polarisations- und richtungsabhängigen Brechungsindex auf. Die Moleküle lassen sich durch ein elektrisches Feld reorientieren, dies wird für LCD ausgenutzt. Eine Flüssigkristallzelle (TN-Zelle, von engl.: Twistet Nematic, deutsch: Drehzelle) besteht aus zwei begrenzenden Glasplatten, deren Innenseiten mit transparenten Indiumzinnoxid- Elektroden beschichtet sind. Dazwischen befinden sich die nematische Flüssigkristallschicht und wenige Mikrometer dicke Abstandshalter. Die Moleküle der nematischen Flüssigkristallschicht ordnen sich in eine vorgegebene Richtung, parallel zu der beispielsweise mit einem Polyimid beschichteten und in einer Vorzugsrichtung gebürsteten Oberfläche. Daraus resultiert, dass sich die Flüssigkristallmoleküle in ihren Längsachsen in die Bürstrichtung orientieren. Die Glasplatten sind so angeordnet, dass ihre Vorzugsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Die Polarisatoren sind mit ihrer Durchlassrichtung parallel zur jeweiligen Bürstrichtung angeordnet, also ebenfalls senkrecht. Ohne äußeres elektrisches Feld wird beim Durchgang des polarisierten Lichtes durch die nematische Schicht auf Grund der verdrillten Anordnung der Moleküle in der Zelle seine Ebene um 90 gedreht, so dass das Licht den zweiten Polarisator passieren kann. In diesem Zustand ist die Zelle transparent. Legt man eine Spannung an die Zelle, orientieren sich die Moleküle parallel zum elektrischen Feld E und die Fähigkeit der Zelle, die Polarisationsebene zu drehen, geht verloren, die Zelle ist nun dunkel. Wird die Spannung abgeschaltet, ist die Zelle wieder transparent. Auf der Rückseite der Zelle befindet sich ein Spiegel (besser Reflektor oder Transflektor), Bild Nematischer Ordnungszustand * griechisch: fadenförmig

5 52 1 Grundlagen hell dunkel Polarisationsfolie ohne Spannung 90 Verdrillung 10µm U 0 elektrisches Feld transparente Elektrode Flüssigkristall-Molekül transparente Elektrode U 1 Polarisationsfolie Bild Funktion einer Flüssigkristallanzeige der das einfallende Licht zurückwirft. Je nach Einsatzgebiet kann das Display anstelle des Spiegels auch eine weiße Hintergrundbeleuchtung haben. Das Funktionsprinzip einer TN- Zelle zeigt Bild Cholesterische Phasen Sie weist eine nematische Ordnung mit sich kontinuierlich drehender Vorzugsorientierung auf. Die Phase ist in fiktive Schichten zerlegbar. Es entstehen, ähnlich Netzebenen, übereinander gelagerte Schichten. Beim Übergang von einer Schicht zur nächsten dreht sich diese Vorzugsrichtung um eine Achse senkrecht zur Schicht, wodurch eine helikale* Überstruktur mit einer Periodizität von einigen hundert Nanometern aufgebaut wird (Bild 1.3-4). Der Drehsinn des kontinuierlich helikal verdrillten Materials kann im oder entgegen dem Uhrzeigersinn sein, so dass man eine Links- oder eine Rechtsspirale, d. h. eine Links- oder Rechtshelix, erhält. Cholesterische Mesophasen zeigen deshalb außergewöhnliche optische Eigenschaften, wie z.b. die Drehung der Ebene von polarisiertem Licht. Eingestrahltes Licht einer bestimmten Wellenlänge wird in zwei zirkular polarisierte Komponenten aufgespalten (Zirkularpolarisation). Licht der einen Polarisationsebene wird dabei transmittiert, während die Bild Cholesterischer Ordnungszustand * griechisch: spiralige Molekülstruktur

6 1.3 Bildung von Ordnungszuständen in flüssigen Werkstoffen 53 andere Komponente selektiv reflektiert wird. Die Wellenlänge des reflektierten Lichts ist dabei direkt proportional zur Ganghöhe p der cholesterischen Helix. Außerdem hängt die Reflexionswellenlänge, und damit auch der Farbeindruck, empfindlich sowohl vom Beobachtungswinkel als auch von der Temperatur ab. Die Temperaturabhängigkeit wird schon seit längerer Zeit in der medizinischen Diagnostik und in Thermometern technisch genutzt. Die Winkelabhängigkeit der Reflexionsfarbe (Farbflop) macht man sich in jüngster Zeit bei der Herstellung von cholesterischen Effektpigmenten zu Nutze. 3. Smektische* Phasen Sie bilden, ähnlich der cholesterischen Phasen, eine Schichtstruktur aus, mit dem Unterschied, dass sich die Fadenmoleküle innerhalb einer Schicht gegeneinander bewegen können und dass sie mehr oder weniger senkrecht zur Schichtebene orientiert sind. Weicht die Orientierung von 90 zur Schichtebene ab, spricht man von einer getilteten Phase (Bild 1.3-5). Getiltete smektische Phasen können ferroelektrisch sein und zeigen spontane Polarisation entlang einer Achse (siehe Abschn ). Sie ist stark temperaturabhängig. Die Wechselwirkung zwischen elektrischem Feld und spontaner Polarisation der Moleküle hängt linear von der elektrischen Feldstärke ab, was bedeutet, dass ferroelektrische Flüssigkristalle (FLC) schnell, innerhalb weniger Mikrosekunden zwischen zwei Schaltzuständen hin- und hergeschaltet werden können. Bild n Smektischer Ordnungszustand 4. Kolumnare Phasen In ihnen sind scheibchenförmige (diskotische) Moleküle gestapelt. (siehe Bild 1.3-6). Die nematischen, cholesterischen und smektischen Phasen sind im Gegensatz dazu aus stäbchenförmigen (kalamitischen) Molekülen aufgebaut. Kolumnare Phasen zeichnen sich durch spezifische optoelektronische Eigenschaften aus. Änderungen der in der Scheibenebene liegenden Substituenten haben einen großen Einfluss auf die Ordnung der kolumnaren Phasen. Durch die höhere Ordnung wird die Ladungs- Bild Kolumnarer Ordnungszustand * griechisch: seifig

7 54 1 Grundlagen trägerbeweglichkeit um mehrere Größenordnungen erhöht und die Beweglichkeit wird zudem unabhängig von der Temperatur und dem elektrischen Feld (siehe Abschn. 5.1). Der geringe Energieaufwand von wenigen µw cm 2 Anzeigenfläche ist das entscheidende Kriterium für die breite Anwendung von Flüssigkristallen in Displays (siehe Bild 1.3-7), z. B. in Uhren, Rechnern, Tachos, Foto- und Filmgeräten, Geräten der Telekommunikation, u.a.m. Neben den niedermolekularen Flüssigkristallsystemen finden auch makromolekulare flüssigkristalline Werkstoffe (LCP für Liquid Cristal Polymer) Anwendung. Es existieren auch hier, in Analogie zu den niedermolekularen Systemen, die Ordnungszustände nematisch, cholesterisch und smektisch. In der Kunststofftechnik benutzt man auch den Begriff SRP (engl. Self Reinforcing Polymers = selbstverstärkende Polymere) für diese flüssigkristallinen Polymeren. In diesem Begriff kommen ihre typischen Eigenschaften, die Kunststofffaserverbunden entsprechen, zum Ausdruck. Die hohe thermische und mechanische Belastbarkeit und günstige Verarbeitungseigenschaften ermöglichen den Einsatz von Kunststoffen in Bauelementen, die bisher anorganischen Materialien vorbehalten waren. Bild Flüssigkristallanzeige in einem ph-messgerät Übung Mit Hilfe welcher physikalischen Eigenschaften können Sie den flüssig-kristallinen Zustand charakterisieren? Übung Welche spezifischen Eigenschaften zeigen kolumnare und cholesterische Ordnungszustände und wodurch werden sie verursacht? Übung Aus welchem Grund sind LCPs anisotrope Werkstoffe? Übung Erklären Sie die Möglichkeit der Darstellung von Ziffern und Symbolen durch Flüssigkristallanzeigen!