MATERIALE DIELECTRICE

MATERIALE DIELECTRICE

Materialele dielectrice sunt materiale care se caracterizeaza prin stari de polarizatie electrica, adica acea stare in care apar momente electrice ale unitatii de volum diferite de zero. Starea de polarizatie electrica inseamna concentrarea de sarcini electrice opuse in zone invecinate. Starea de polarizatie poate fi:

permanenta daca nu depinde de intensitatea locala a campului electric;

temporara daca este produsa si depinde de un camp electric local aplicat din exterior (indusa de un camp exterior);

cvasipermanenta intalnita la electreti. Acestia sunt creati prin tratament termic in prezenta unui camp electric (termoelectreti) sau prin iluminare in prezenta campului electric (fotoelectreti).

Polarizarea permanenta poate fi:

spontana (piroelectrica) atunci cand apare in lipsa campului electric, in anumite zone de temperatura, in cristale necentrosimetrice, cum ar cristalele feroelectrice;

piezoelectrica produsa in cristale necentrosimetrice in prezenta unei tensiuni mecanice aplicata din exterior.

La rindul ei, polarizarea temporara poate fi:

polarizare de deplasare (ionica sau electronica);

polarizare de orientare dipolara.

La majoritatea dielectricilor se manifesta mai multe macanisme de polarizare, cu ponderi diferite, conducand la polarizarea totala a materialului.

Dielectricii solizi pot fi cristalini, partial cristalini sau necristalini. Unele proprietati nu apar decat in starea cristalina, de exemplu piroelectricitatea, piezoelectricitatea, fenomenele electrooptice.

Dielectricii au caracteristica rezistivitatea foarte mare () si se pot gasi in stare solida, lichida, gazoasa sau mezomorfa (cristale lichide).

1 Functiile dielectricilor

1). Functia de izolatie electrica necesita rezistivitate foarte mare si rigiditate dielectrica (rezistenta la strapungere) foarte mare. Se foloseste pentru impregnarea, umplerea sau protectia componentelor electronice discrete sau integrate si ca piese electroizolante discrete.

2) Functia de dielectric pentru condensatoare necesita materiale cu capacitate de polarizare foarte mare pentru a acumula sarcini electrice mari pe unitatea de volum.

3) Functia de traductor electrooptic foloseste diverse efecte electrooptice pentru realizarea de dispozitive de afisare, memorii optice, deflectoare spatiale pentru fascicole laser, modulatoare optice.

4) Functia de traductor piroelectric care necesita materiale cu polarizare dependenta de temperatura pentru construirea de detectoare piroelectrice, detectoare de microunde, detectoare optice.

5) Functia de electret care permite construirea de generatoare de camp electrostatic.

2 Mecanismul de polarizare

Starea de polarizare presupune existenta unui camp electric local, E_L, care exercita actiuni directe asupra unei unitati polarizabile (atom, ion, molecula) si nu coincide cu campul macroscopic E. Pe un model simplificat se poate scrie ca:

(1)

unde este o marime de material care depinde de structura sa.

De exemplu, pentru materiale cu simetrie sferica sau cristalizate in sistemul cubic.

Polarizabilitatea, , a unei unitati de material se defineste in functie de campul local:

(2)

si este o proprietate a unitatii de polarizare (u.p.). La nivel macroscopic, poprietatile dielectricului depind de modul de ordonare al u.p.

Polarizarea unui cristal este definita de ecuatia:

(3)

insumarea facandu-se pe unitatea de volum V a polarizabilitatilor elementare .

Pentru un dielectric omogen si izotrop la care rezulta:

(4)

unde N este concentratia de u.p. in dielectricul dat.

Pe de alta parte, relatiile dintre intensitatea campului electric , inductia electrica si polarizatia sunt:

si (5)

Din ultimele doua ecuatii rezulta:

si (6)

expresie cunoscuta ca relatia Clausius-Mosotti. Ea ofera o legatura intre polarizabilitatea a ca marime microscopica si permitivitatea reativa ca marime macroscopica.

In mediile anizptrope si devin marimi tensoriale de ordinul 2 cu 9 componente.

si i,j (7)

Daca , atunci numarul de componente independente nenule ale tensorului se reduce la 6.

Polarizabilitatea totala a u.p. a unui dielectric monocristalin, a, este formata din 3 componente iar cea a unui material policristalin din 4 componente:

(8)

unde:

este polarizabilitatea electrica data de deplasarea relativa a centrului sarcinilor pozitive in raport cu cele negative ale unui atom;

este polarizabilitatea ionica data de deplasarea ionilor in jurul pozitiei de echilibru;

este polarizabilitatea de orientare care apare in moleculele bipolare;

este polarizabilitatea interfaciala care apare in zonele neomogene sau structurate caracteristice materialelor policristaline (ceramice, ferite).

3 Pierderi in dielectrici

Fenomenele de polarizare indusa, fie cele de deplasare, fie cele de orientare, nu apar instantaneu la aplicarea campului electric extern. Defazajul dintre cauza (camp electric) si efect (inductia electrica) conduce la aparitia unui ciclu de histerezis parcurs de material atunci cand variatia campului este periodica. Cu cat suprafata acestei curbe inchise este mai mare, cu atat energia preluata de dielectric pentru polarizare este mai mare. In acelasi timp, in orice dielectric chiar cu rezistivitate foarte mare, exista totusi un numar de sarcini electrice libere care determina un slab curent de conductie.

3.1 Modelul dielectricului ideal fara pierderi prin conductie

Pentru explicarea pierderilor prin dielectricul ideal trebuie pornit de la modelul microscopic al polarizarii conform caruia sarcinile electrice (electroni sau ioni din reteaua cristalina) sunt legati elastic intre ele. La aplicarea campului electric exterior aceste sarcini se deplaseaza din pozitiile lor de echilibru si revin in aceste pozitii prin miscari oscilatorii amortizate, atunci cand cauza inceteaza.

Pozitia sarcinii este data de solutia ecuatiei de miscare, z(t) de forma:

(9)

unde:  este amplitudinea oscilatiei

este timpul de relaxare, adica durata de timp dupa care amplitudinea oscilatiei scade de e 2.71 ori ( reprezinta factorul de amortizare)

este faza initiala a oscilatiei

Momentul electric elementar este proportional cu deplasarea fata de pozitia de echilibru, deci va avea o expresie similara:

(10)

Cunoscand dependenta de timp a polarizabilitatii se poate determina dependenta de frecventa a permitivitatii relative complexe:

(11)

Inlocuind relatia lui si efectuand integrarea, se obtine expresia permitivitatii complexe:

(12)

Fig. 1 Dependenta permitivitatii relative complexe de frecventa la dielectrici ideali

Deoarece partea imaginara a permitivitatii complexe, este legata de pierderile prin deplasare de sarcina, rezulta ca atenuarea campului electric E va fi mare in jurul frecventei de rezonanta. Valoarea lui depinde de tipul de sarcina care duce la polarizarea prin deplasare:

pentru electroni atomici

pentru ioni

Prima valoare (rezonanta electronica) se plaseaza in domeniul ultraviolet si in vizibil, iar a doua (rezonanta atomica) in infrarosu. In afara acestor domenii de rezonanta pierderile in dielectricul ideal sunt neglijabile.

3.2 Pierderile prin conductie

Dielectricii reali poseda o concentratie, in mod uzual foarte mica, de sarcini electrice libere care se pot deplasa sub actiunea campului electric, generand un curent de conductie. Densitatea acestor sarcini este mai mare la suprafata materialului (sarcini de suprafata). Prin urmare, se pot evidentia o conductivitate electrica de volum () si una de suprafata () sau rezistivitatile corespunzatoare.

Conductivitatea electrica depinde de mobilitatea purtatorilor si de temperatura. Dependenta de temperatura este de forma:

(13)

unde a si A sunt constante de material.

Dependenta curentului de conductie de campul electric exterior care il produce este functie de tipul de dielectric, starea sa de agregare si de alte proprietati ale sale. Doua caracteristici tipice pentru dielectrici gazosi si solizi sunt prezentate in figura 2.

Forma caracteristicilor difera destul de mult. In ambele cazuri ele incep cu o zona liniara si se termina cu o zona de strapungere. Strapungerea este neta in cazul gazelor si treptata in cazul solidelor. Existenta curentului de conductie in zona dinaintea strapungerii determina pierderi suplimentare in dielectric. Densitatea de curent de conductie este:

Notand cu I intensitatea curentului de conductie pe o suprafata inchisa care intersecteaza totalitatea liniilor de camp electric si cu Q sarcina electrica acumulata pe suprafata , se poate scrie raportul:

(14)

Acest raport se mai poate scrie si sub forma:

(15)

unde este capacitatea condensatorului cu suprafata armaturilor si dielectric intre ele, iar este rezistenta de pierderi prin conductie.

Admitanta echivalenta a condensatorului cu pierderi este:

(16)

Prin identificare cu relatia generala a admitantei complexe:

(17)

se obtin partile reala si imaginara ale permitivitatii relative complexe:

(18)

Cu ajutorul lor se defineste tangenta unghiului de pierderi:

(19)

Marimea are semnificatia unei constante de timp si reprezinta frecventa de taiere a circuitului de tip filtru trece jos a schemei echivalente din fig.

Este de retinut ca tangenta unghiului de pierderi scade cu cresterea frecventei intrucat partea imaginara scade cu frecventa , iar partea reala este aproximativ constanta.

4 Dielectrici cu polarizare de orientare

Dielectricii cu polarizare de orientare poseda, in absenta campului electric extern, momente electrice elementare distribuite aleator datorita agitatiei termice, astfel incat, la nivel macroscopic nu se manifesta polarizarea. In prezenta unui camp electric extern momentele elementare se orienteaza pe directia campului rezultand o polarizare temporara nenula.

In se demonstreaza ca partea reala si imaginara ale permitivitatii relative complexe si tangenta unghiului de pierderi sunt:

(20)

unde iar este timpul de relaxare reprezentand intervalul de timp dupa care polarizabilitatea scade de e ori fata de valoarea maxima existenta in momentul incetarii aplicarii campului extern.

5 Rigiditatea dielectrica

Curtentul de conductie, in mod normal neglijabil in dielecrtrici, poate creste foarte mult in anumite situatii, ajungandu-se la strapungerea acestuia si pierderea proprietatilor sale izolatoare. Mecanismele de strapungere sunt diferite, au cauze diverse si depind de tipul de dielectric.

Rigiditatea dielectricilor gazosi

In cazul dielectricilor gazosi strapungerea dielectrica are loc in majoritatea cazurilor prin ionizari cauzate de ciocnirile dintre atomii sau ionii puternic accelerati de campul electric cu moleculele gazului. Drumul liber mijlociu al purtatorilor de sarcina favorizeaza acumularea de energii cinetice mari, suficiente sa produca noi ionizari si procesul se multiplica in avalansa. In conditii normale de presiune rigiditatea aerului este foarte mare, cca. 3 10⁶ V/m. Cresterea presiunii duce la cresterea rigiditatii prin reducerea parcursului mediu.

Rigiditatea dielectrica in camp omogen este dependenta si de frecventa deoarece campul electric alternativ schimba directia de deplasare a ionilor. Pe la frecvente de ordinul 10⁸Hz, rigiditatea este maxima deoarece perioada campului electric devine comparabila cu durata procesului de ionizare (campul electric isi schimba sensul inainte de accelerarea necesara producerii unei noi ionizari). In campuri electrice neunuiforme strapungerea are loc mai ales prin efect Corona, efect specific liniilor de transport electric de inalta tensiune.

Rigiditatea dielectricilor solizi

Dielectricii solizi au o rigiditate mai mare decat cei gazosi deoarece distanta interatomica este mica, purtatorii de sarcina nu pot ajunge usor la energia cinetica suficienta producerii de noi ionizari. Prin cresterea temperaturii rigiditatea dielectrica scade pe seama cresterii agitatiei termice si eliberare de electroni. Strapungerea dielectricilor solizi este o strapungere distructiva, de scurta durata si se intalneste rar in forma pura si numai la materiale omogene. In cazul dielectricilor neomogeni strapungerea este initiata de incluziunile de gaze sau de alte impuritati unde distantele interatomice sunt mai mari.

In cazul dielectricilor organici fenomenele care declanseaza strapungerea sunt:

bombardamentul cu ioni si electroni din interiorul dielectricului sau la contactul metal-izolator;

actiunea temperaturilor ridicate dezvoltate in zonele de strapungere locala;

actiunea chimica asupra dielectricului a produselor agresive rezultate din ionizarea gazului, fenomen denumit strapungere electrochimica;

actiunea campului electric foarte puternic asupra dielectricului poate determina aparitia de sarcini electrice libere (smulgerea electronilor din legaturile atomice), fenomen numit strapungere Zener (efect Zener). Ea apare la campuri electrice care depasesc o valoare critica, specifica fiecarui dielectric.

6 Exemple de dielectrici si caracteristicile lor

Mica si materialele pe baza de mica

Mica este un silicat de aluminiu, continand in principal SiO₂ si Al₂O₃, oxizi de metale grele si grupe OH^- (hidroxid). Cele mai cunoscute sunt mica muscovit si mica flogopit . Mica prezinta structura cristalina stratificata, straturile elementare avand grosimi de aproximativ 1nm. Legatura dintre straturile elementare este destul de slaba, asigurata prin ioni de K si OH^- si ca urmare, se poate desface usor in planuri paralele prin clivaj.

Pentru un camp perpendicular pe planurile de clivaj, mica prezinta polarizare de deplasare electronica si ionica si o rigiditate dielectrica foarte buna, de ordunul 7 10⁸ V/m. De-a lungul planurilor de clivaj proprietatile dielectrice scad mult datorita mobilitatii pe aceasta directie a ionilor de K⁺ si OH^-, rezistivitatea volumica scade la 10⁸ Wcm si pierderile in dielectric cresc, tgd 10^-3. Mica muscovit este foarte buna pentru condensatoare, singurul dezavantaj mai mare fiind faptul ca este higroscopica, necesitand o buna etansare a componentelor. Mica flogopit este un foarte bun izolator electric.

Tabelul1 Caracteristicile catorva tipuri de mica

Sticlele silicat fac parte din categoria compusilor oxidici avand la baza SiO₂ in amestec cu:

oxizi ai metalelor alcaline Na₂O, K₂O;

oxizi ai metalelor alcalino-pamantoase CaO, BaO;

alti oxizi Al₂O₃, PbO, ZnO etc.

Bioxidul de siliciu pur este un dielectric remarcabil prezentand polarizare de deplasare electronica si ionica. Are cel mai mic coeficient de dilatare termica cunoscut. Prezenta oxizilor de Na si K imbunatateste proprietatile de dielectric (creste e_r) dar scade rezistivitatea. Prezenta oxizilor metalelor alcalino-pamantoase determina o crestere a prmitivitatii relative dar si a pierderilor in dielectric. Pentru toate tipurile de sticla tehnica permitivitatea relativa creste cu temperatura, cu un coeficient . Pierderile (tgd) cresc substantial cu frecventa, cu exceptia sticlei de cuart, iar rigiditatea electrica este in gama 10 20 MV/m.

Principalele utilizari ale sticlelor sunt de izolatori electrici.

Tabelul2 Caracteristicile catorva tipuri de sticle

Dielectrici ceramici

Dielectricii ceramici constituie o familie diversa de compusi oxidici avand in comun procesul tehnologic de obtinere de tip ceramic. Din punct de vedere structural, dielectricii ceramici prezinta un ansamblu de 3 faze: faza cristalina, faza amorfa si faza gazoasa. Faza cristalina este predominanta, ea determinand principalele proprietati dielectrice. Faza amorfa si cea gazoasa apar sub forma unor incluziuni locale intre structuri cristaline, influentand negativ proprietatile dielectrice, in special rigiditatea.

Dielectricii de tipul BaO-Al₂O₃-SiO₂ sunt utilizati in special ca materiale sau piese electroizolante (au pierderi mici si sunt nehigroscopice). Proportiile celor 3 oxizi modifica caracteristicile dielectrice in moduri variate. Dielectricii din oxizi de Ti si Zr sunt utilizati pentru condensatoare de inalta frecventa si au permitivitatea relativa mare.

Hartia pentru condensator este un polimer natural liniar cu proprietati dielectrice modeste. Pentru imbunatatirea proprietatilor ei se impregneaza cu dielectrici nepolari (ulei, parafina).

Materialele sintetice termoplastice fac parte din categoria dielectricilor cu polarizare de orientare. Sunt polimeri cu molecula liniara, ceea ce le confera flexibilitate, elasticitate, solubilitate in solventi organici. Principalele utilizari sunt:

izolatie pentru cabluri (policlorura de vinil);

dielectric pentru condensatoare;

piese electroizolante;

lacuri si rasini electroizolante.

Materialele sintetice termorigide sunt polimeri cu molecula spatiala, cu consistenta dura, care se inmoaie greu si la temperaturi inalte. Cei mai multi se ard (carbonizeaza) inainte de inmuiere.

Materiale dielectrice neliniare

Materialele feroelectrice sunt materiale cu polarizare spontana organizata pe domenii. In fiecare domeniu polarizarea este unica, dar aceasta directie variaza de la un domeniu la altul. Ca urmare, la nivel macroscopic, in absenta unui camp exterior, materialul apare ca nepolarizat. In prezenta unui camp electric exterior, domeniile se orienteaza dupa acest camp si apare polarizarea macroscopica. Dupa disparitia campului materialul nu revine in totalitate la starea initiala, ci pastreaza o remanenta.

Structura materialelor feroelectrice este ionica sau partial ionica. Polarizarea spontana variaza cu temperatura. Cresterea temperaturii favorizeaza procesul de dezorganizare a domeniilor de polarizare pana cand, la o anumita temperatura, materialul isi perde polarizarea spontana, devenind paraelectric. Toate materialele feroelectrice se caracterizeaza prin una sau mai multe temperaturi de tranzitie. Cea mai inalta la care ordinea dispare complet se numeste temperatura Curie. Disparitia polarizarii spontane este insotita de o schimbare a structurii cristaline, numita tranzitie de faza. In zonele tranzitiei de faza toate proprietatile (optice, mecanice, electrice) ale corpului se modifica brusc. Toate materialele feroelectrice sunt si piezoelectrice dar nu si reciproc.

Materialele feroelectrice cunoscute (sunt peste 100) se pot clasifica in grupe pe baza structurii lor chimice si proprietatilor fizice.

a)     Materiale uniaxa Din aceasta categorie fac parte:

Sarea Rochelle (sau sarea Seignette dupa numele celui care a preparat-o in 1921) este un tartrat dublu de K si Na (NaKC₄H₄O₆4H₂O), cristalizata monoclinic intre +18 si +23 ⁰C. In afara acestui interval este paraelectric cristalizata ortorombic. Polarizarea spontana apare de-a lungul axei ortorombice si are doua directii posibile, paralela si antiparalela cu axa polara. Permitivitarea dielectrica relativa depinde puternic de temperatura si de campul electric.

Monofosfatul de potasiu si hidrogen (KDP) are temperatura Curie T_C=123 ⁰C si structura romboedrica in domeniul feroelectric.

b)     Materiale multiaxa Perovschit este format din grupul BaTiO₃ si saruri izomorfe (Ba_1-xSn_x)TiO₃, Ba(Ti_1-xSn_x)O₃, PbTiO₃ etc. Sunt avantajoase prin domeniul larg de temperatura in care sunt feroelectrice, rezistente mecanic, rezistente la umiditate. Materialele feroelectrice sunt utilizate in principal pentru prepararea ceramicii de condensatoare, dispozitive optoelectronice de tipul modulatoare, traductoare, deflectoare spatiale etc.

Materiale piezoelectrice

Piezoelectricitatea este proprietatea de modificare a starii de polarizare sub actiunea unor tensiuni mecanice (efect piezoelectric direct EPD). Ca urmare a polarizarii apar tensiuni electrice pe suprafetele laterale ale materialului. Exista si fenomenul invers, de deformare a retelei cristaline sub actiunea unui camp electric (EPI). Cristalele piezoelectrice se deosebesc de cele electrostrictive care isi modifica dimensiunile dar nu si polarizarea sub actiunea campului electric.

Cel mai cunoscut material piezoelectric este cuartul (SiO₂). La temperatura normala (cuart a) cristalizeaza in sistemul trigonal-trapezoidic (clasa de suimetrie 32) cu urmatoarele elemente de simetrie:

o axa de ordinul 3 numita axa optica;

trei axe de ordinul 2 perpendiculare pe prima, formand intre ele 120⁰, numite axe electrice.

Structura sa este o retea de tetraedrii SiO₄ cu Si distribuit in interstitiul format din anionii de oxigen, retea aranjata elicoidal in jurul axei optice. O lumina polarizata liniar care strabate cristalul de-a lungul axei optice poate fi rotita ca plan de polarizare:

spre stanga (cristal levogir);

spre dreapta (cristal dextrogir).

Proprietatile electrice, mecanice si optice depind de directiile din cristal pe care se analizeaza (cuartul este puternic anizotrop). Axele de coordonate se aleg in mod uzual:

Oz pe directia axei optice;

Ox pe una din axele electrice;

Oy perpendicular pe planul celorlalte doua.

Evident ca datorita simetriei, exista 3 sisteme de coordonate perfect echivalente, functie de alegerea axei Ox pe una dintre cele trei axe electrice. Pentru aplicatiile practice, cristalul de cuart este taiat cu precizie dupa directii bine definite in raport cu axele cristalografice. Sectiunile uzuale sunt:

X in planul yox

Y in planul xoy

-5X in planul yox rotit cu -5⁰ fata de axa Oz.

In afara de piezoelectricitate si anizotropie, cuartul se mai caracterizeaza si prin:

pierderi interne reduse, factor de calitate ridicat;

stabilitate termica ridicata a parametrilor elastici (frecventa de rezonanta aproape ca nu depinde de temparatura);

disponibilitate naturala a unor cristale de dimensiuni mari, prelucrabile relativ usor;

posibilitatea cresterii de cristale sintetice;

posibilitatea de a functiona pe frecventa fundamentala sau pe armonica 3 sau 5;

frecvanta fundamentala data de dimensiunile si de orientarile placutelor fata de axele cristalografice.

Aplicatia cea mai cunoscuta a cuartului este oscilatorul electric. Un cristal de cuart prins in schema unui oscilator electronic duce la generarea unei frecvente electrice foarte precise, cu o stabilitate relativa de ordinul 10^-5. Daca circuitul electric este, in plus, termostabilizat si termocompensat, stabilitatea sa relativa poate atinge 10^-6

Cristalele de cuart folosite in construirea oscilatoarelor electrice au o schema echivalenta de tipul R,C,L (rezistor, capacitor, inductanta) de tipul celele din fig. 9 cu doua frecvente de rezonanta foarte apropiate:

frecventa serie si frecventa paralel (21)

In functie de modul de conectare in circuit, cristalul poate functiona pe oricare din cele doua frecvente.

Factorul de calitate definit ca inversul tangentei unghiului de pierderi in dielectric este de ordinul 10⁵ 10⁶, ceea ce nu se poate obtine cu componente R, L, C obisnuite.

7 Cristale lichide

7.1 Tipuri, clasificari

Cristalele lichide (CL) sunt o categorie de materiale dielectrice avand o stare intermediara (mezomorfa) intre starea solida cristalina si starea lichida. Aplicatiile lor principale sunt in sistemele de afisare a caracterelor a-numerice si a imaginilor alb-negru sau color, ca urmare a consumului redus de energie, a dimensiunilor si greutatii reduse. Starea de CL este prezenta la putine substante organice si se manifesta intre doua temperaturi T₁ si T₂. Prima este temperatura de topire a solidului si de trecere spre starea mezomorfa, cand materialul devine vascos si tulbure, iar T₂ este temperatura de limpezire a CL.

Pentru ca un CL sa poata fi aplicat in electronica se impun cateva cerinte:

-interval larg de stare metafaza in gama temperatturilor uzuale;

-stabilitate electrochimica si fotochimica foarte bune;

-vascozitate redusa si timp de raspuns mic;

-incolor si transparent in straturi subtiri;

-rezistivitate ridicata, ;

-anizotropie electrica ridicata;

-ordine cristalina si elasticitate.

Un asemenea material aflat in stare cristalina are moleculele orientate pe o directie precisa, in stare mezomorfa (CL) partial orientate dar orientabile in camp electric si neorientate in starea lichida.

Starea de orientare a moleculelor se poate aprecia printr-un parametru de ordine definit in starea mezomorfa:

(22)

unde θ este unghiul dintre directia preferentiala a moleculelor si axa lunga a lor, notatia semnificand medierea pe esantionul studiat. Valori uzuale ale lui S sunt 0.3 0.9 si depinde de temperatura.

Clasificarea cristalelor lichide

Dupa modul de obtinere:

termotrope prin racire sub T₁ sau incalzire peste T₂;

liotrope din solutiile lichide prin marirea concentratiei sai ,'u evaporarea solventului.

Dupa ordine:

nematice (CLN) caracterizate prin orientarea aproximativ paralela a moleculelor pe o singura directie in tot volumul, fara stratificare;

smectice (CLS) in care moleculele sunt orientate pe o directie si stratificate (depuse in straturi). Distanta dintre doua straturi (plane) este mai mare decat lungimea moleculei. Ordinea in aceste cristale este mai mare decat in cazul cristalelor nematice, avand doua elemente de ordine.

Colesterice (CLC) care au ordinea cea mai ridicata, pe trei directii. Structura este stratificata in planuri, iar moleculele dipolare orientate elicoidal. Distanta dintre 2 plane cu acceasi orientare a momentelor dipolare reprezinta pasul structurii.

Pasul structurii CLC depinde de mai multi factori: compozitie, camp electric, temperatura etc. Acestea au o proprietate foarte importanta, accea de a reflecta selectiv lumina incidenta daca lungimea de unda este egala cu pasul p al structurii.

Dupa modul de lucru si aranjarea electrozilor:

CL care functioneaza prin transparenta; in acest caz cei doi electrozi trebuie sa fie transparenti;

CL care lucreaza prin reflexie, caz in care un electrod este transparent si celalalt opac (reflector).

Electrozii sunt realizati prin depunere de oxizi conductori transparenti (SnO₂) impreuna cu un stabilizator (In₂O₂) si un element de aderenta (SbCl₃) pe sticle optice. Electrodul opac se face din aluminiu.

Dupa modul de orientare a moleculelor intre eelctrozi, cristalul nematic sau smectic poate fi:

homotrop, moleculele sunt paralele cu electrozii;

homeotrop, moleculele sunt pependiculare pe electrozi;

rotit cu 90^o si se numeste nematic rasucit (TN - twiseed nematic) sau cu 270^o si se numeste superrotit nematic (STN C).

7.2 Efecte electrooptice in CLN

1) Efecte de camp

Sub actiunea campului electric in CLN se pot produce diverse efecte utile in aplicatiile de afisare a informatiei:

de rotire nematica (TN STN LCD- twiseed nematic/super twiseed nematic Liquid Cristal Display)

efect de culoare gazda-oaspete (GH)

efect de culoare prin birefringenta controlata electric (ECB- electricaly controlled birefringence)

efectul schimbarii de faza (PC- phase change)

Efectele mentionate mai sus se produc prin aplicarea unui camp electric exterior, constant sau variabil, si care schimba orientarea moleculelor bipolare. Daca CL are aizotropie dielectrica negativa (ADN) atunci moleculele se orienteaza cu axa lunga pe directia campului. La cele cu anizotropie dielectrica pozitiva (ADP), orientarea in camp se face perpendicular pe acesta.

Timpul de rasruns al unui CL este un parametru important de care depind frecventa maxima de lucru. Ca in orice sistem fizic intre cauza si efect (aplicarea campului si orientarea moleculelor) apare o intarziere.

Functionarea CL implica in majoritatea cazurilor lumina polarizata. Un CL este transparent daca planul de polarizare este paralel cu orientarea moleculelor si este opac daca planul de polarizare este perpenicular pe axa mare a moleculelor.

2)Efectul de culoare gazda - oaspete (GH)

Moleculele oaspete sunt moplecule dicroice dizolvate intr-un cristal lichid (gazda). Un mediu dicroic este un mediu capabil sa absoarba o componenta spectrala a luminii polarizate. Moleculele dicroice oaspete se orienteaza paralel cu cele gazda si urmaresc orientatea acestora functie de campul electric.

Efectul GH consta in absorbtia sau transmiterea selectiva a unei lungimi de unda (culoare) de catre oaspete (lichidul dizolvat in CL gazda). Daca anizotropia este pozitiva, atunci in stare neactivata este absorbita o anumita culoare si se transmite spectrul complementar; in stare activa se transmite tot spectrul. Daca anizotropia este negativa in stare activata se transmite o singura culoare iar in stare neactivata se transmite tot spectrul. In felul acesta se pot obtine culori pure, in particular RGB (rosu, verde, albastru) din care, prin combinare adecvata se poate abtine orice culoare a spectrului vizibil.

3)Birefringenta controlata electric (ECB)

Acest efect electro-optic este foarte important pentru obtinerea culorilor cu ajutorul CLN. Spre deosebire de efectul G-H care permite obtinerea unui numar finit de culori prin folosirea mai multor straturi de cristal comandate separat in care erau dizolvate substante dicroice, in cazul ECB se poate obtine un spectru mult mai larg. Exista mai multe variante de ECB functie de modul de orientare a moleculelor de CL in camp: DPA(dielectric cu anizotropie pozitiva), omogen, HNA( hybrid aligned nematic). Varianta cea mai folosita este DPA si este ilustrata in fig. 14 pentru un cristal nematic.

In stare neactivata CL este opac deoarece axele polarizorului (P) si cele ale analizorului (A) sunt reciproc perpendiculare. In stare acrtivata apare fenomenul de birefringenta indusa de tensiunea U, cand raza de lumina se desparte in doua raze, ordinara si extraordinara, parcurg drumuri diferite si la iesirea din CL vor avea un defazaj:

unde d este grosimea CL iar este diferenta indicilor de refractie dintre raza ordinara si cea extraordinara. In functie de valoarea acestui defazaj, compunerea undelor la intrarea in analizor se poate face in faza, in antifaza sau intermediar. Undele in antifaza se anuleaza. Practic, diferitele componente spectrale vor fi atenuate in mod diferit, rezultand o lumina colorata, contorlata prin camp electric.

7.3 Matrice de afisaj

Pentru afisarea unei imagini 2D este nevoie de o matrice de puncte (elemente punctuale de afisaj numite pixeli) si care pot fi activati individual. O asemenea matrice contine n linii si m coloane, la intersectia fiecaruia gasindu-se un pixel. Adresarea unui pixel i,j se face prin activarea

liniei i si a coloanej j cu tensiuni electrice.

Activarea pixelilor se face prin scanare in timp linie cu linie si coloana cu coloana. Pentru a activa pixelii de prima linie se aplica un potential (de exemplu V ) pe linia 1 si apoi o tensiune V^- pe rand, pe fiecare coloana. Activarea pixelilor pentru o matrice cu multe puncte, sa zicem 200 200 este o problema dificila. Fiecare pixel se comporta ca o rezistenta electrica. Activarea unei linii si a unei coloane determina aplicarea unor potentiale parazite diferite pe toti pixelii matricei, nu numai pe cel dorit. Acest lucru se poate vedea pe fig.16 unde pe o matrice 2 2 pixelul adresat are tensiunea U iar ceilalti pixeli au tensiunile parazite U/3.

Pentru a nu activa pixelii neadresati, tensiunile parazite trebuie sa fie mai mici decat o valoare de prag U_p.

Se defineste rezolutia in tensiune a materialului:

(23)

unde este tensiunea de comanda a unui pixel oarecare.

Se poate demonstra ca alegand pe linie tensiunea V₀ si pe coloana , unde a este un parametru, atunci:

si (24)

iar n este numarul de linii. Valoarea constantei a se poate determina maximizand raportul S si se obtine . Aceasta inseamna ca daca tensiunea pe linie este V₀, atunci tensiunea de scanare pe coloana va fi , iar si . (25)

Ultimele relatii arata ca daca n (numarul de linii) creste, este necesar un material care poate produce un contrast suficient la o diferenta de tensiune mica, adica sa aiba un raspuns optic abrupt in jurul tesiunii de prag, U_p. Tabelul urmator arata raportul dintre tensiunea de comanda si cea parazita pentru diferite valori ale lui n. Se observa ca pentru n=200 acest raport este doar 7 , ceea ce impune alegerea atenta a materialului optic.

Tabelul 3