ESTUDO DAS PROPRIEDADES ELETRO-ÓPTICAS DOS CRISTAIS LÍQUIDOS

ESTUDO DAS PROPRIEDADES

ELETRO-ÓPTICAS DOS CRISTAIS LÍQUIDOS

Luciana Menezes Xavier de Souza [Voluntário / PIBIC]¹, Sandra Mara Domiciano [Orientadora]²

1Programa de Iniciação Científica

2Coordenação do Curso Técnico em Eletrotécnica

Câmpus Cornélio Procópio

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR

Avenida Alberto Carazzai, 1640 – Cornélio Procópio/PR, Brasil - CEP 86300-000 [email protected], [email protected]

Resumo - Neste artigo apresentaremos o resultado do estudo realizado a respeito das propriedades eletro-ópticas dos cristais líquidos, com o propósito de compreendermos o funcionamento de um display. Para tanto, foi estudado a fase líquida cristalina, as propriedades eletro-ópticas e os efeitos de superfície sobre uma amostra de cristal líquido. A anisotropia presente na fase líquida cristalina permite que as propriedades ópticas mudem quando campos elétricos ou magnéticos são aplicados. A mudança nas propriedades ópticas pode ser usada para modular a luz e, portanto, mostrar informação. Este efeito explica muitas aplicações tecnológicas dos cristais líquidos como, por exemplo, o display de cristal líquido.

Palavras-chave: Cristais líquidos; Propriedade óptica; Propriedade Elétrica; Display.

Abstract – In this paper we will present the result of the study about the electro-optical properties of liquid crystals, for the purpose of understanding the functioning of a display. To that end, we studied the liquid crystalline phase, the electro-optical properties and effects on the surface of a sample of liquid crystal. The anisotropy present in the liquid crystalline phase allows the optical properties change when electric or magnetic fields are applied. The change in optical properties can be used to modulate light and therefore show information. This effect explains many technological applications of liquid crystals, for example, the liquid crystal display.

Key-words: Liquid crystals; Optical property; Electric property; Display.

INTRODUÇÃO

O cristal líquido é um estado da matéria intermediário a fase cristalina e a fase líquida, caracterizado pela perda parcial ou completa da ordenação posicional presente nos sólidos cristalinos, mas, mantendo a ordem orientacional das moléculas constituintes. A ordem orientacional garante ao cristal líquido estabilidade mecânica semelhante aos sólidos ao mesmo tempo em que permite característica de fluir como líquidos. Além disso, o cristal líquido apresenta anisotropia¹ em suas propriedades.

1 Anisotropia: característica da substância onde as suas propriedades variam com a direção.

A descoberta do cristal líquido foi feita pelo botânico austríaco Friedrich Reinitzer, em 1888 [1]. Reinitzer, ao estudar o efeito do colesterol nas plantas, observou que a substância conhecida como benzoato de colesterila apresentava dois pontos de fusão, ou seja, aumentando a temperatura, a substância que antes era sólida se transformava em um líquido turvo e que aumentando ainda mais a temperatura a substância mudava novamente, agora se transformando em um líquido transparente. Em 1890, o físico alemão Otto Lehmann constatou que esta substância, embora líquida, apresentava características ópticas de um sólido [2].

Os cristais líquidos possuem importantes aplicações tecnológicas porque são anisotrópicos. A sua anisotropia permite a mudança de suas propriedades ópticas pela aplicação de campos elétricos ou magnéticos. A mudança nas propriedades ópticas pode ser usada para modular a luz e, portanto, mostrar informação. Esse efeito explica muitas aplicações tecnológicas dos cristais líquidos, em especial o display² de cristal líquido que será discutido neste artigo.

METODOLOGIA

O Estado líquido cristalino

É comum ouvirmos que a matéria se apresenta em três estados físicos, ou fases – sólido, líquido e gasoso. No entanto, sabemos que isso não está rigorosamente correto. Algumas substâncias orgânicas não apresentam, por exemplo, uma única transição da fase sólida para a líquida, mas uma série de transições envolvendo novas fases. Estas fases são chamadas de fases mesomórficas³. Nosso interesse está em uma dessas mesofases – os cristais líquidos – que, essencialmente, possuem esse nome por apresentarem propriedades intermediárias ao estado sólido e o líquido. Um líquido é isotrópico: qualquer propriedade física medida independe da direção. Um sólido, por outro lado, possui planos de simetria, é anisotrópico. O cristal líquido, portanto, pode ser definido como sendo um líquido orientacionalmente ordenado ou um sólido posicionalmente desordenado, combinando a anisotropia do estado sólido com a fluidez e mobilidade molecular do estado líquido.

As transições entre estes estados da matéria ocorrem por meio de processos termodinâmicos ou pela influência de solventes. No primeiro caso, o cristal líquido é dito termotrópico e no segundo, liotrópico [3].

Classificação do cristal líquido

Os cristais líquidos são classificados de acordo com suas propriedades estruturais e ordem molecular: esméticos, nemáticos e colestéricos [4]. Assim, quando o líquido isotrópico é resfriado, as moléculas podem adquirir uma tendência ao alinhamento enquanto permanecem difundindo-se através da amostra. Contudo, os seus centros de massa continuam distribuídos aleatoriamente como em um líquido isotrópico. Em outras palavras, há quebra da isotropia rotacional, mas não da invariância translacional. Esta é a primeira fase líquida cristalina que se condensa e recebe o nome de fase nemática [3-6]. Em um cristal líquido nemático, as moléculas estão, em média, alinhadas com seus eixos longos paralelos conforme representa a figura 1(a).

Uma classe especial do cristal líquido nemático é formada por moléculas quirais⁴ [3-6].

Elas formam um cristal líquido nemático quiral que é frequentemente chamado de estado

2Display: dispositivo para apresentação de informação, de modo visual, conhecido como painel eletrônico ou mostrador.

3 Mesomórficas: do grego Mesos Morphe que significa entre dois estados.

4Moléculas quirais: moléculas não simétricas por reflexão.

colestérico ou estado nemático torcido. Nesse estado, o diretor gira ao redor de um eixo perpendicular a ele descrevendo uma estrutura helicoidal conforme mostra a figura 1(b). A estrutura do colestérico é caracterizada pela distância medida ao longo do eixo de torção quando o diretor gira completando uma volta. Essa distância é chamada de passo do colestérico. Devido à estrutura helicoidal esta fase possui propriedades ópticas que tornam o material muito útil em aplicações práticas, como a fabricação de displays. Um cristal líquido nemático também é visto como um colestérico de passo infinito.

Figura 1: A fase nemática, colestérica e esmética A e C, respectivamente.

Fonte: Domiciano (2003) [7].

Quando a temperatura é ainda mais reduzida, as moléculas podem começar a se separar em planos, dando origem às fases termotrópicas conhecidas como esméticas [3-6]. Os cristais líquidos esméticos apresentam estruturas de camada que são diferenciadas por apresentarem um grau de ordem translacional não presente nos nemáticos. Nesta fase, as moléculas mantêm a ordem orientacional dos nemáticos, mas também tendem a permanecer em camadas ou planos. O movimento das moléculas é restrito nestes planos e o aumento na ordem significa que este estado é mais sólido do que o estado nemático, figura 1(c).

As moléculas que formam o cristal líquido são anisotrópicas. O cristal líquido formado por moléculas alongadas, conhecidas como moléculas prolatas, formam os chamados cristais líquidos calamíticos. Contudo, existem as formas achatadas, conhecidas como moléculas oblatas que formam o cristal líquido discótico. Alguns polímeros também apresentam a fase líquida cristalina [3].

Parâmetro de ordem

É conveniente descrever a direção local do alinhamento da molécula por um vetor unitário ̂, o diretor, dando em cada ponto a direção preferencial de alinhamento. Em nemáticos ̂ e ̂ são equivalentes. Microscopicamente, isto significa que um número igual de moléculas aponta numa direção e na direção inversa.

O grau de alinhamento presente em um cristal líquido nemático é quantificado por um parâmetro definido como parâmetro de ordem. É comum, o parâmetro de ordem ser definido como sendo a média do segundo Polinômio de Legendre [3], ou seja:

(1)

onde é o ângulo que o eixo de simetria da molécula faz com o diretor conforme figura 2.

Os valores típicos do parâmetro de ordem em função da temperatura para os cristais líquidos nemáticos estão entre 0,3 e 0,9 [3].

Em um nemático ideal, as moléculas estão alinhadas ao longo de uma direção preferencial

⃗⃗⃗ . Porém, na realidade, a conformação observada não é uniforme, devido a efeitos de campos externos e de condições de contorno nas superfícies, ocorrem então deformações ou distorções no alinhamento das moléculas.

Figura 2: Ordem molecular em um cristal líquido nemático.

Fonte: Domiciano (2003) [8].

O sistema distorcido representa um estado de energia mais alto que o estado inicial. A deformação splay é o resultado de um ancoramento planar com duas superfícies que formam um ângulo ϕ entre elas; a deformação twist resulta de um ancoramento planar entre duas superfícies paralelas, mas que formam um ângulo θ entre seus eixos, a deformação bend é o resultado de um ancoramento homeotrópico com duas superfícies que também formam um certo ângulo ϕ, como podemos ver na figura 3.

Figura 3: Tipos de deformação em cristal líquido; (a) Splay; (b) Twist; (c) Bend;

Fonte: Lenart (2010) [9].

Cristal líquido em campos elétricos e magnéticos

As ligações moleculares existentes nos cristais líquidos são fracas e, por isso, são facilmente afetadas por campos elétricos e magnéticos [6].

A aplicação de um campo elétrico ⃗ em um cristal líquido produz uma polarização ⃗ . Para campos elétricos suficientemente pequenos, ⃗ é proporcional ao ⃗ . A constante de proporcionalidade é chamada de susceptibilidade elétrica do material . A polarização é anisotrópica, portanto, existem dois valores para a susceptibilidade elétrica, para um campo elétrico aplicado paralelo ao diretor e a para um campo elétrico aplicado perpendicular ao diretor.

O campo elétrico e a polarização definem o deslocamento elétrico ⃗⃗ . A relação linear entre ⃗⃗ e ⃗ resulta em uma constante chamada permissividade do material cuja razão entre ela e seu valor no vácuo é conhecido como permissividade relativa ou constante dielétrica, . Como no caso da susceptibilidade elétrica, um cristal líquido nemático tem um componente

da permissividade ao longo do diretor, , e outro componente perpendicular ao diretor, . A anisotropia na permissividade, , pode ser positiva ou negativa dependendo do momento de dipolo permanente e polarização das moléculas. Podemos destacar duas contribuições em relação à polarização e a permissividade nos cristais líquidos. Primeiro, o campo elétrico induz momento de dipolo nas moléculas que contribui para a polarização e, segundo, o campo elétrico tende a orientar os momentos de dipolo.

Os cristais líquidos são de interesse em aplicações tecnológicas, como displays, devido à resposta extremamente rápida na presença de campo elétrico.

Analogamente ao campo elétrico, o campo magnético ⃗⃗ produz uma magnetização ⃗⃗ . A magnetização é devido ao momento de dipolo magnético fraco induzido na molécula pelo campo magnético. Como esperado, a magnetização depende da direção do eixo da molécula em relação à direção do campo magnético resultando em dois valores de susceptibilidade magnética: para um campo magnético elétrico aplicado paralelo ao diretor e a para um campo magnético aplicado perpendicular ao diretor. A combinação de ⃗⃗ e ⃗⃗ permite definir a permissividade magnética e a permissividade relativa que é análoga à constante dielétrica.

Para compreendermos como um cristal líquido responde à campos externos, é preciso compreender a interação entre o cristal líquido e sua vizinhança. O efeito das vizinhanças sólidas dos cristais líquidos é muito importante e é, frequentemente, utilizado em aplicações, como o vidro no caso de displays [6].

As propriedades de ancoramento em cristais líquidos

Os cristais líquidos, quando usados na fabricação de displays, são geralmente confinados entre placas planas de vidro. A superfície de contorno gerada introduz uma quebra na simetria translacional das moléculas, alterando a configuração do diretor próximo à superfície. Com a variação da intensidade da interação, a ordem orientacional imposta pela superfície pode propagar-se para o volume proporcionando a orientação da amostra como um todo.

A interação do cristal líquido com a superfície de contorno é responsável pela boa qualidade dos dispositivos eletro-ópticos de cristal líquido. A orientação molecular do cristal líquido pode depender das interações físico-químicas e das interações elásticas. A interação do cristal líquido com a superfície é chamada de energia de ancoramento.

Alguns métodos de tratamentos de superfície são usados para obter o alinhamento da amostra de cristal líquido, como por exemplo: esfregamento de superfícies poliméricas, deposição oblíqua de surfactantes como o monóxido de Silício [10], dentre outros. O bom desempenho dos dispositivos eletro-ópticos de cristal líquido depende essencialmente da interação do cristal líquido com a superfície de contorno [11].

Outros métodos de alinhamento de cristais líquidos termotrópicos estão sendo investigados [12]. Entre os métodos alternativos, a utilização de polímeros fotossensíveis com azo-corantes é interessante porque é um processo sem interação mecânica com o substrato e reversível, onde parâmetros importantes como a energia de ancoramento podem ser facilmente controlados. As propriedades de ancoramento em cristais líquidos termotrópicos e liotrópicos são bastante diferentes.

BIRREFRINGÊNCIA

Aqui discutiremos a propagação da luz (onda eletromagnética) em uma amostra de cristal líquido. Um material isotrópico apresenta um único índice de refração porque a luz polarizada se propaga com a mesma velocidade em qualquer direção da amostra.

Diferentemente, como a permissividade relativa de um material anisotrópico é diferente para

campos elétricos em direções diferentes, então, o índice de refração para luz polarizada com seu campo elétrico em direções diferente será também diferente. Em um cristal líquido, isto significa que a luz polarizada paralelamente ao diretor se propaga com um índice de refração igual a , e a luz polarizada perpendicular ao diretor apresenta outro índice de refração, . O processo é entendido em termos da divisão dos componentes da luz. Uma vez que os dois componentes viajam com velocidades diferentes, as ondas ficam fora de fase. Quando os raios são recombinados à medida que saem do material, o estado de polarização mudou devido a esta diferença de fase. A diferença entre os dois índices de refração, , é chamada de anisotropia óptica ou birrefringência [6-7].

As propriedades ópticas dos cristais líquidos são, talvez, as mais interessantes. A combinação da anisotropia óptica e as configurações do diretor, que variam em escala de comprimento igual ao comprimento de onda da luz, produzem efeitos ópticos importantes.

Portanto, não é surpreendente que estas propriedades são usadas nas aplicações tecnológicas.

O DISPLAY DECRISTAL LÍQUIDO

Do ponto de vista tecnológico os cristais líquidos são considerados importantes pelas aplicações que estes materiais têm em dispositivos, em especial em dispositivos eletrônicos para exibição de informação analógica e digital, os displays. Um display monocromático de cristal líquido é constituído basicamente de uma célula de vidro preenchida com cristal líquido colestérico, dois polarizadores e um espelho, figura 4. O polarizador na vertical (1) permite que ocorra a passagem de luz apenas na direção de polarização vertical, bloqueando todas as demais direções. O feixe de luz que emerge deste polarizador atravessa a primeira tela de vidro (2) onde estão gravados os segmentos que formam os números digitais ou letras.

Esses segmentos são transparentes e formados por óxido metálicos condutores de eletricidade.

Depois, o feixe de luz se propaga pelo cristal líquido colestérico (3) que tem a capacidade de mudar o plano de polarização da luz de 90 graus, figura 5(a), ou seja, o feixe de luz passa a apresentar uma polarização horizontal. Em seguida, o feixe de luz atravessa a segunda tela de vidro (4) e o segundo polarizador (5), ambos com polarização horizontal. Então, o feixe de luz atinge o espelho (6) e é refletido atravessando novamente a polarizador horizontal e o vidro.

O feixe de luz ao atravessar novamente o cristal líquido colestérico sofre mudança na direção da polarização e emerge com polarização vertical. Finalmente, o feixe de luz retorna ao polarizador vertical e chega aos olhos do observador que verá o segmento de onde o feixe emergiu iluminado.

Figura 4: Componentes de um display de cristal líquido: (1) Polarizador na vertical, (2) Tela de vidro, (3) Cristal líquido, (4) Tela de vidro, (5) Polarizador na horizontal e (6) Espelho.

Fonte: Como funciona a TV de LCD? [13]

Se uma tensão for aplicada entre as duas placas de vidro, surgirá um campo elétrico entre elas capaz de induzir uma direção de orientação preferencial nas moléculas do cristal líquido colestérico, figura 5(b), não permitindo mudança na direção de polarização da luz e não podendo, portanto, atravessar o segundo polarizador. Com isso o feixe de luz é bloqueado, o que impede que ele seja refletido pelo espelho e volte para o primeiro polarizador. Então, este segmento é visto escuro pelo observador. Com vários destes segmentos escuros unidos, formam-se os números e as letras nos displays.

Figura 5: (a) Célula de cristal líquido transmitindo luz; (b) bloqueando a luz.

Fonte. CL Comercial e importadora LTDA (2006) [14].

As imagens formadas nos displays de cristal líquido são constituídos por pixels⁵, estes pontos estão dispostos em colunas e linhas, cada pixel corresponde a um endereço na memória de vídeo nas quais ficam armazenados dados e programas. Enquanto os dados são transferidos, os pontos na tela do displays de cristal líquido também são alterados, passando dos estados de iluminado e não iluminado para gerar as imagens, cada caractere gerado usa um padrão de pontos. Desta forma, o número de pixels utilizados varia conforme o estilo da imagem gerada.

Já um display em cores funciona sob o mesmo princípio. A diferença é que cada ponto da tela é formado na verdade por três minúsculos pontos agrupados, cada um deles dotado de um filtro colorido, vermelho, verde e azul. É iluminando cada um deles com a intensidade adequada (que é obtida variando a tensão aplicada sobre o cristal líquido, o que faz variar o grau de torção e, portanto, a intensidade da luz daquela cor emitida pelo ponto) que as cores são geradas.

Medimos a resolução de um display de cristal líquido pela quantidade de pontos distribuídos na tela no sentido vertical e horizontal, quanto mais pontos tiverem na tela, maior será sua resolução. Assim podemos concluir, que quanto menor o pixel maior a definição de imagem.

Características construtivas do display de cristal líquido

Classificamos os displays de cristal líquido de duas formas: matriz passiva e matriz ativa. Na matriz passiva o display precisa de luz externa para apresentar imagem. A luz externa incide sobre a tela de cristal líquido e reflete na retina do observador. Podemos dividi- los em: TN (twisted nematic), STN (super twisted nematic), DSTN (double super twisted nematic). Já na matriz ativa o display não necessita de luz externa para apresentar imagem, pois seus pixels possuem luz própria. Podemos salientar que os pixels de matriz ativa são diodos emissores de luz, também conhecido como LEDs. A matriz ativa é dividida em: a-Si

5Pixel: célula de imagem, aglutinação de Picture Element.

back-to-back diodes, a-Si back-to-back ring diodes, MIM (metal insulator metal), DR (2 three terminal diodes) [13].

DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

Neste artigo nós apresentamos a fase líquida cristalina, classificamos suas mesofases, discutimos as propriedades eletro-ópticas dos cristais líquidos e os efeitos de superfície em uma amostra de cristal líquido. Como resultado, verificamos que a anisotropia da fase líquida cristalina é responsável por várias características peculiares. Além disso, verificamos a importância da interação da amostra de cristal líquido com o campo elétrico e com a vizinhança na fabricação de display. No primeiro caso, as moléculas de cristal líquido quando alinhadas com o campo elétrico não altera a direção de propagação da luz introduzida pelo primeiro polarizador e, se este polarizador estiver cruzado em relação ao segundo, a luz será impedida de passar, não gerando informação. No segundo caso, a importância é devido à boa qualidade dos dispositivos eletro-ópticos de cristal líquido que depende da interação do cristal líquido com a superfície de contorno, no caso o vidro. Por fim, apresentamos o princípio de funcionamento de um display de cristal líquido.

AGRADECIMENTOS

Agradeço o apoio da Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da UTFPR (FUNTEF) e a professora Sandra Mara Domiciano pelo incentivo e oportunidade.

REFERÊNCIAS

[1] REINITZER F., Zur Kenntnis des cholesterinus, Monatsch Chem. 9, 421 (1888).

[2] LEHMANN O., Z. Physik Chem. 4, 462 (1889).

[3] GENNES, P.G. e J. Prost. The Physics of Liquid Crystals, Clarendon Press. Oxford University Press, 2^nd edition (1993).

[4] FRIEDEL. G. Tribology and the liquid-crystalline state. Ann Phys. V. 9, p. 206 a 356, 1922.

[5] CHANDRASEKHAR, S. Liquid Crystals, Cambridge University Press,2^nd edition (1977, 1992).

[6] COLLINGS, P. J. e HIRD, M., Introduction to Liquid Crystals. Princeton University Press, USA (1990).

[7] JEU, W. H., Physical properties of liquid crystalline materials. Editora Gordon and Breach Science Publishers.

[8] DOMICIANO, S. M., Relações Universais entre os Coeficientes de Miesowicz e Estudo Comparativo entre Dados Experimentais e Previsões Teóricas. UEL, (2003).

[9] LENART, Vinícius M., Estudo das propriedades ópticas não lineares de cristais líquidos luminescentes através da técnica de Z-scan, Universidade Estadual de Ponta Grossa, p.

10, (2010).

[10] JANNING J.L., Appl. Phys. Lett. 21, 173 (1972).

[11] COGNARD J., Mol. Cryst. Liq. Cryst. 78 (Suppl. 1), 1 (1982).

[12] BECHTOLD I.H., SANTO M.P., BONVENT J.J., OLIVEIRA E.A., BARBERI R. and RASING Th., Liq. Cryst. 30, 591 (2003).

[13] Como funciona a TV de LCD?. Disponível em:

http://www.ced.ufsc.br/men5185/trabalhos/59_TV/funcionamento.html. 20 set. 2012.

[14] CL Comercial e importadora LTDA, (2006).