Son yıllarda özellikle dijital saat ve cep hesaplayıcılarında yaygın olarak kullanılan LCD’lerin en önemli özelliği, bataryaların düşük güç kapasitesine sahip olması sebebiyle oldukça düşük güç tüketimine sahip olmalarıdır. LCD’ler, ışık üretimi gerektirmemesi sebebiyle en düşük güç harcayan göstericidir. Bu, LED’de de daha çok verimsiz bir işlemdir; maksimum verim sadece %10 civarındadır. Genelde iki tip LCD vardır. Bunlar ön aydınlatma isteyen yansıtıcı ve arka aydınlatma isteyen geçiricilerdir. Yansıtıcı tiplerin çoğu, ortamın ışık seviyesi çok düşükse, küçük bir filaman lamba veya LED yoluyla ikincil aydınlatma için kaynak teşkiliyle aydınlatma için ortamın ışığını kullanırlar. Bütün LCD aygıtlarının özünde, her birinde bir iletken kaplama bulunan iki cam plaka arasında bir hücre bulunur. Bu hücre 10 mikrometre veya daha düşük kalınlıktadır ve sıvı kristal maddeyle doldurulmuştur.
Sıvı kristal hâli, maddenin sınırlı bir sıcaklık aralığında, çok sayıda organik madde tarafından gösterilen bir fazdır. Sıcaklık aralığının düşük kenarında madde bir kristal katı haline gelir. Üst ucunda ise açık bir sıvıya dönüşür. Bu aralık içinde, açık sarımtırak bir görünüştedir ve sıvıların akışkanlığı içinde, katıların optik özelliklerinin bazılarını bir araya getirir. Bütün sıvı kristal bileşiklerin bir temel karakteristiği moleküllerin çubuk gibi şekle sahip olmasıdır. Sıvı kristal fazında olduklarında bu moleküller her biri diğerine ve sıvı kristal yüzeyine göre belli yönlenmelere sahip olurlar. Bu yönlenmeyi bir ‘yönlendirici’nin terimleriyle, yani herhangi bir küçük hacimdeki moleküllerin zaman ortalamalı tercihli yönlenme boyunca yönlenen birim vektörü tanımlamak genelde yapılır.
Sıvı kristallerde sıralanmanın nematik, kolesterik ve simektik olarak adlandırılan üç temel tipi vardır. Bunların sadece ikisi gösterim cihazlarında kullanılmaktadır. Nematik sıralanmada, moleküller bir diğerine paralel ayarlanmışlardır, fakat paralel kalma dışında moleküller biri diğerine nispi harekette serbesttirler ve böylece faz sıvı özelliklere sahip olur. Bir nematik sıvı kristal molekülü genelde bir merkezi grupla bağlantılı iki benzen halka içerir.
Tipik bir örnek, kimyasal formülü CH3-O-benzen-CH=N-benzen-C6Hg olan 4-metoksibenziliden-4 butilanin’dir (MBBA). MBBA 20° ve 47° sıcaklık aralığında sıvı kristal davranışı gösterir.
Kolesterik fazda maddeyi her biri nematrik benzeri yapıya sahip düzlemlerin belli bir sayısından oluşuyor olarak gözönüne alabiliriz. Böylece yönlendirici yönleri madde boyunca bir helissel burulma gösterir. Aynı yönlendirici yönüne sahip düzlemler arasındaki mesafe p mesafesi olarak adlandırılır. Kolesterik sıvı kristaller bazı ilginç renk etkileri sergilerler. Eğer λ dalga boylu ışık, yönlendirici düzlemler üzerine normal olarak gelirse, bu durumda Bragg yansıması p=nλ olduğunda oluşur; fakat aksi halde olmaz. Böylece eğer beyaz ışık kolesterik sıvı kristal üzerine düşürülürse oldukça parlak renkte gözükür. Bundan başka p mesafesi genelde sıcaklığa bağlıdır ve böylece yansıyan ışıkta sıcaklığa bağımlı olur. Açıkça bu bir termometrenin temelini oluşturur. Bununla birlikte bir çok sıvı göstericiler bükülmüş nematik tiptedirler.
Şekil 1 (a) Nematik sıralanma ve (b) kolesterik sıralanma. (a)’da yönlendiricilerin hepsi bir diğerine paralel yöndedir. (b)’de nematik sırlamalı düzlemlerin bir büyük sayısı, düzlemlere dik bir yön boyunca hareket ettiğimizde yönlerin döndüğü noktada oluşurlar.
Bir nematik sıvı kristal maddesi bir katı yüzeyle bir araya getirildiğinde yönlendirici genelde yüzeye dik veya yüzeye paralel şekilde düzenlenir. Bu iki şekil, yüzeyin uygun bir ele alınmasıyla elde edilebilir. Homojen sıralama durumunda bu yüzey, sıvı kristal maddeyle bir araya gelmeden önce yumuşak bir maddeyle özel bir yön boyunca bir veya iki kez yüzeyin sürtülmesi ile başarılabilir. Böylece sıvı kristal molekkülleri sürtme yönünde paralel bir yönlenmeye sahip olurlar.
Sıvı kristal maddelerin çok önemli elektriksel karakteristiklerinden birisi, molekül eksenine dik ve paralel bir dış alan uygulanmasına bağlı olarak Eװ ve E┴ farklı dielektrik sabitlerini göstermeleridir. Eğer Eװ>E┴ ise maddeye pozitif madde denilir. Bir pozitif maddeye bir dış elektrik alanın uygulanması, enerjilerini minimumlaştırma eğiliminde olması sebebiyle moleküllerin elektrik alan yönünden yönelmelerini sağlayacaktır. Böylece yüzeye dik bir alanın uygulanmasıyla homojen tipi, homeotropik tipe çevirme şansına sahip olduğumuz söylenebilir. Bu geçişin bir Ec kritik alanın üzerinde bir alan uygulanmasıyla oluşacağı bulunmuştur ve şekil 6’da gösterilmektedir.
Şekil 2 (a) Bir E büyüklüğünde artan elektrik alan sıvı kristal/katı ara yüzeyine dik bir yönde uygulandıkça başlangıçta homojen olarak düzenlenmiş sıvı kristal maddede moleküllerin davranışı. Eğer E, Ec kritik değerinden düşükse sıralanma etkilenmez. (b) Eğer E büyük eşittir Ec ise ara yüzeyden ötede alan yönü boyunca düzenlenmeye başlar. (c) Eğer E, Ec’den çok çok büyükse bu durumda moleküllerin bir çoğu alan yönünde düzenlenir.
En çok kullanılan sıvı kristal göstericisi ‘bükülmüş nematik’ hücre bulundurur. Bunda, hücrenin karşılıklı duvarları, duvarlardaki yönlenme doğrultuları herbiri diğeriyle doğru açıda olacak şekilde bir homojen şekillenim üretiyor olarak ele alınır. Böylece molekül şekil 3(a)’da gösterildiği gibi hücre boyunca 90°’lik bir dönme yapar. Kutuplanmış bir ışık demeti hücre üzerine gelirse sıvının kuvvetli optik anizotropisi kutuplanmanın 90°’lik bir dönmesini sağlar. Hücre boyunca yeterince kuvvetli bir elektrik alanla molekül düzenlenmesi şekil 3(b)’de gösterildiği hale gelir ve bu halde molekül şekillenimleri gelen bir kutuplanmış ışık demeti üzerinde hiçbir etkiye sahip olmayacaktır.
Şekil 3 a) Uygulanan gerilim yokken ve (b) E çok çok büyük Ec iken D kalınlığında bir sıvı kristal hücresindeki moleküllerin davranışı. İlk durumda moleküller hücre boyunca 90°’lik bir dönme yaparlar. İkincisinde eksenleri uygulanan alana paralel olacak şekilde düzenlenirler.
Uygulamada, hücre, komşu oldukları özel hücrenin molekül sıralanma yönüne karşılık gelen kutuplayıcı yönlü polaroidin iki parçası arasına sıkıştırılır. Yansıtıcı modda, bir yansıtıcı polaroidin arka plakasının gerisine yerleştirilir. Şekil düzeneği ve sistemde ilerledikçe kutuplanmış demetin davranış şeklini göstermektedir. Uygulanan gerilim olmadığında, gelen ışık ilk olarak kutuplanır, daha sonra hücreyi geçerken kutuplanma yönünü 90° çevirir; ikinci kutuplayıcıdan geçer ve bundan sonra da aynı işlemi tekrarlayarak geri yansır.
Şekil 4 LCD gösterim cihazının çalışmasının şematik gösterimi.
Geçirici LCD göstericilerin yansıtıcıya sahip olmamaları ve arka aydınlatmaya ihtiyaç duymamaları haricindeki tüm özellikleri yansıtma göstericileriyle aynıdır.
Kaynaklar :
1.Optoelektronik, J. Wilson, J.F.B. Hawkes, Çeviri: Dr. İbrahim Okur, Değişim Yayınları, 2000
