Flüssigkristall Display Chemistry Department University of Cologne SS 2017 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) Einelnes Molekül = Mesogen 2 Formanisotropie Eine Moleküldimension unterscheidet sich grundlegend von den anderen beiden. X,Y << Z u Stäbchen-förmige Köln Moleküle (Nematen) (-Achse ist Molekül-Längsachse) X,Y u >> Köln Z Scheiben-förmige Moleküle (Diskoten) (-Achse steht senkrecht auf Molekül- Fläche ) Molekulare Wechselwirkung ist Ursache der supramolekularen rdnung Formanisotropie (Stäbchen, Scheiben) Elektrostatische Wechselwirkung führt u Nano-Phasenseparation, Trennung der verschiedenen Bereiche im Mesogen: aromatische (-Wechselwirkung) aliphatische, perfluorierte, polare/unpolare etc. 3 4 Je nach Mesogen könne sich unterschiedliche Phasentypen ausbilden = -C n H 2n+1 oder -C n H 2n+1 Thermotrope (reine LC-Phase) Nematisch Smektisch Cholesterisch Diskotisch CN N Lyotrope (aus Mesophasen) Nematisch Hexagonal nematisch smektisch cholesterisch 5 6 1
Flüssigkristallaneigen Liquid Crystal Display (LCD) Transmission: Lichtquelle hinter Aneige (Matrixaneigen: TV- & Computer-Bildschirme) eflexion: eflektorfolie hinter Aneige (einfache Aneigen: Taschenrechner, Uhren, etc.) diskotisch Berühmtestes Beispiel: TN-Zelle (twisted nematic) 7 8 (Dicken nicht maßstabsgetreu)! Polarisator (0 Grad) Substrat Transparente Elektrode Aligment-Schicht (0 Grad) Aligment-Schicht (90 Grad) Transparente Elektrode Substrat Polarisator (90 Grad) 9 10 eflexion Transmission 11 12 2
Flüssigkristallaneigen Brechungsindex Kriterien u LCD Köln Keine Absorption Hohe Doppelbrechung Temperaturbereich (-45C bis +80C) Hoher Kontrast (komplette eorientierung) Geringe Winkelabhängigkeit des Kontrastes Hohe Schaltgeschwindigkeit (Frequen) Geringe Spannungen Kein Stromfluß (Elektrolyse) einheit der Substanen, Lebensdauer (Elektrolyse) eproduierbarkeit (System-) Kosten Es muss ein Kompromiss gefunden werden. lowest unoccupied molecular orbital LUM HM highest occupied molecular orbital PLAIZATIN } unoccupied orbitals occupied orbitals } Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit den p-elektronen. 13 14 Doppelbrechung Brechungsindex ist KEINE Konstante (wellenlängenabhängig; Dispersion) Möglichst steil! 15 16 Flüssigkristallaneigen Applied / Fundamental Science Woran kann man drehen?? Einige Beispiele. Längere Moleküle größere Anisotropie Größeres Dipolmoment größeres Drehmoment Stärkere intermolekulare Wechselwirkungen größere kooperative Effekte Es ist sehr schwierig, u von Köln den molekularen Eigenschaften auf die makroskopischen Eigenschaften in der LC-Zelle u schließen. MLECULES structure/property relations MATEIALS formulation APPLICATIN DEVICES fabrication performance 17 18 3
TN-Flüssigkristall-Display Transmissionsgeometrie u Köln Farb-Display Farbkonverter (W GB) Merck KGaA 19 20 Quanten- & Leistungs-Effiien Farb-Eindruck & 3D Farb-Koordinaten (x,y,) 21 22 Farb-Eindruck & 3D Farb-Koordinaten (x,y,) 2D Farb-Koordinaten, (x,y)-"schuhsohle" gewünschtes Ergebnis: für jedes Emissionsspektrum I() lässt sich genau ein (x,y,) errechnen identische (x,y,) bedeuten identischer Farbeindruck x+y+ = 1 dann = 1-(x+y) überflüssig (x,y) - Ebene jede Farbe bei beliebiger Helligkeit.B.: (1/3; 1/3) = weiß = grau = schwar (1/2; 1/2) = gelb = braun echenvorschrift: x 700nm I 400nm X y... Y...... Z... d 23 24 4
GB-Monitor: Farb-Gamut Farb-Gamut weniger brillanter Farben alle Farben: Schuhsohle darstellbare Farben eines GB-Monitors: Dreieck GB-Monitor hat dreieck-förmigen Gamut.B. Spektralfarben 450...550 nm nicht darstellbar, vgl. Experiment! 25 26 Kurven in der Schuhsohle: Beispiele Kurven - Interpretation: Farb-Abstand Mischung weier Farben: Gerade ( s. Gamut-and ) Spektrale Farben / Laser: and Schieben wischen wei Farben lineare Mathematik additive Helligkeit, Gewichtung beim Mischen weier Farben nichtlineare Wahrnehmung Dynamik über Größenordnungen, blau-anteil unbedeutender als rot und grün Der Farb-Abstand ist ein Zahlenwert, der die Unterscheidbarkeit bw. u die Köln Verschiedenartigkeit weier Farben bemisst. In der (x;y)-ebene erhält man Ellipsen gleichen Farbabstandes u deren Mittelpunkt 27 28 Planck-Kurve 29 5