Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

OPTIKAI ANYAGOK: ÜVEGEK, POLIMEREK ÉS FOLYADÉKRISTÁLYOK.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "OPTIKAI ANYAGOK: ÜVEGEK, POLIMEREK ÉS FOLYADÉKRISTÁLYOK."— Előadás másolata:

1 OPTIKAI ANYAGOK: ÜVEGEK, POLIMEREK ÉS FOLYADÉKRISTÁLYOK

2 ÜVEGEK: BEVEZETÉS Tradicionális technológia, klasszikus optikai elemek: lencsék, prizmák, és szűrők. Látható tartomány: belső T nagyobb mint 99 % ( nm). Szilikát szerkezet: kb. 2,5 μm a határ. Kalkogenid üvegek (S, Se, Te-t, illetve ezek vegyületeit tartalmazó szilárd oldatok és többkomponensű anyagok), nehéz-fém-fluorid üvegek, és nehéz-fém-oxid üvegek: transzmisszió 8-12 μm-ig.

3 A szilikátok az ásványrendszertan IV. számú osztálya. Mivel a földkéreg anyagának mintegy 75%-át szilikátásványok alkotják (a SiO 2 változatokkal – amik azonban az oxidok és hidroxidok ásványosztályba tartoznak – együtt kb. 90–95%-át), a kőzetalkotó ásványok legfontosabb csoportja. Az ismert ásványfajok számának mintegy harmada szilikát, közös jellemzőjük a szilícium-oxid jelenléte.ásványrendszertanföldkéregoxidok és hidroxidokásványokásványfajok Vázuk SiO 4 -tetraéderek hálózatából áll. A tetraéderek súlypontjában elhelyezkedő Si 4+ kation felerészben kovalens, felerészben ionos kötéssel köti magához a tetraéder csúcsain elhelyezkedő oxigénatomokat ([SiO 4 ] 4- ). Ezek a tetraéderek a kristályrács felépítésében elszigetelt formában is résztvehetnek, de többnyire csúcsaikon (az oxigénatomokon) keresztül kapcsolódnak egymáshoz. A szilikátásványok osztályát utóbbi jellemvonás (polimerizációs fok) alapján osztják fel alosztályokra. A szilikátok másik alapvető sajátossága, hogy az SiO 4 -tetraéderben lévő Si 4+ kationt Al 3+ helyettesítheti. Az Al 3+ ionrádiusza (0,52 Å) azonban nagyobb, mint a Si 4+ ioné (0,42 Å), ezért az Al 3+ ionok tetraéderes pozíciókba való beépülése csak korlátozott mértékben lehetséges.

4 ÜVEGEK: BEVEZETÉS Üvegek optikai szálakhoz: (igen erős hajtóerő, illetve technológiai fejlesztés) igen kis elnyelési tényezőjű üvegek (kvarcüveg) a NIR tartományban, ablakok 850, 1310, 1550, és 1625 nm. Üvegek UV-hez: Fotolitográfia/IC/folyamatos méretcsökkentés, immár 40 éve, ld. Moore-szabály) kikényszerítette az üvegek UV transzmissziós tartományának kiterjesztését. Olvasztott kvarc (kvarcüveg): 180 nm-ig jól megfelel az UV fotolitográfiához. Még jobb: CaF 2 kristály, 140 nm, deep-UV plusz fluor excimer lézer. További mély ultraibolya alkalmazások (olvasztott kvarc): nagyenergiájú lézerek, űrhajók ablakai, optikai képalkotás, UV sugárzás orvosi alkalmazásai (pl. UV lézer által indukált fluoreszcencia, mint rák-detektálási módszer).

5 Az üveg szervetlen anyagok olvadéka, amely a merev állapotba kristályosodás nélkül hűlt le Tulajdonképpen az üvegben “befagy” az atomok, molekulák a folyadékra jellemző, véletlenszerű elrendezése. Ezért az üvegek egészében izotrópok, bár a molekulák orientált kötései megmaradnak (közeli rend), és léteznek helyi sűrüség-eltérések, amelyek néha a mechanikai megmunkálás, nyújtás irányában orientálódnak ÜVEGEK: PASSZÍV DIELEKTRIKUMOK

6 ÜVEGEK Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO 2, (Ge, B, P-oxidok) Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik. T g =transzformációs hőmérséklet (üvegesedési hőm.) T l =olvadási hőmérséklet

7 FIZIKAI ALAPOK Tg lágyulási hőmérséklet Az üvegek nem rendelkeznek pontos olvadási hőmérséklettel, hanem folyamatosan lágyulnak a hőmérséklet növekedésével, illetve keményednek a lehűléskor (növekszik a viszkozitásuk).

8 Viszkozitás Newton Sebesség gradiens ( 1/sec)Nyíró feszültség, F/A (N/m2 = Pascal) Dinamikai viszkozitás

9 Viszkozitás mérése - Stokes törvény μ - a dinamikai viszkozitás (lsd. előző oldal is) Kinematikai viszkozitás: ν = η/ρ

10 Olajok viszkozitása a hőmérséklet függvényében. 1 – hengerolaj, 2 – differenciálolaj, 3 – nehéz motorolaj, 4 – könnyű motorolaj, 5 – könnyű téli motorolaj, 6 – gépolaj, 7 – turbinaolaj, 8 – transzformátorolaj, 9 – műszerolaj. Kinematikai viszkozitás, 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²·s −1 = 0,0001 m²·s −1

11 tgyi.fmk.nyme.hu/oktatas/ix._btoripari_anyagismeret_uveg.pdf

12 bitumen melasz méz ricinusolaj200,985 olívaolaj20 [81 × 10 −3 … 100 × 10 −3 ] kávétejszin2010 × 10 −3 Az anyagok viszkozitása atmoszférikus nyomáson mérve anyaghőmérséklet (°C)viszkozitás (Pa·s)

13 Üveg típusok összetétele FluorFoszfor-KovasavTimföldMészNátronKáliÓlom-BórsavCink-Vas-Bárium- pent-oxid FP2O5P2O5 SiO 2 Al 2 O 3 CaONa 2 OK2OK2OPbOB2O3B2O3 ZnOFe 2 O 3 BaO %%%%%% Táblaüveg Tükörüveg Öblösüveg Sajtolt üveg Csehkristályüveg Ólomkristályüveg Thüringiai csôüveg Palacküveg, színes Laboratóriumi üveg Tûzálló üveg (Durán) Sütôüveg (Pyrex) Hômérôüveg Ampullaüveg Flintaüveg 61/ Koronaüveg 50/ Baritkoronaüveg 57/ Baritflint üveg 62/ Bórkoronaüveg 50/ Foszfátüveg 52/ Fluórkoronaüveg 47/

14 Üvegek áteresztő képessége center/application-notes/optics/optical-glass/?&viewall

15 A diszperzió mértéke – az Abbe szám n d, n F and n C are the refractive indices of the material at the wavelengths of the Fraunhofer d-, F- and C- spectral lines (587.6 nm, nm and nm respectively).Fraunhofer spectral linesnm

16

17 Törésmutató és diszperzió A közeg és így az üvegek törésmutatója függ a hullámhossztól, így a különböző hullámhosszú nyalábok különböző sebességgel terjednek. Néhány átlátszó anyag törésmutatója ibolyakékzöldsárganarancsvörös 410 nm470 nm550 nm580 nm610 nm660 nmkülönbség koronaüveg1,5381,5311,5261,5521,5221,520,018 könnyű flintüveg1,6041,5961,5911,5881,5871,5850,019 kvarc1,5571,5511,5471,5441,5431,5420,015 gyémánt2,4582,4442,4262,4172,4152,410,048 jég1,3171,31361,3111,30871,3081,3060,011 Továbbá -

18 ÜVEGEK TECHNOLÓGIÁJA: KVARCÜVEG A kvarcüveget tiszta szilicíumdioxidból állítják elő 1700  C feletti hőmérsékleteknél. A képlékeny massza lehűtésekor figyelni kell a hőmérséklet pontos változására, mert különben könnyen elkezdődhet a kristályosodás, más-más fázisok alakulhatnak ki az anyagban. A kvarcüveg egy sor kiváló tulajdonsággal rendelkezik: alacsony a hőtágulási tényezője (10 – 20-szor kisebb mint az összes ismert anyagban)., igen magas a nyomószilárdsági ellenállása (nagyobb mint 2000 MPa). Kvarcüveg áteresztőképessége az UV tartományban: 180 nm-ig.

19 KVARCÜVEG ÁTERESZTŐKÉPESSÉGE

20 IR ELNYELÉS: MOLEKULAREZGÉSEK A molekulák vibrációs átmenetei okozta elnyelési sávok a színkép IR tartományába esnek. Ez intrinsic abszorpciót okoz az anyagokban, így az üvegekben is. A Si-O-Si rendszer különböző típusú rezgési módusaiból származó abszorpciós sávok a 3….8  m tartományba esnek. Amorf SiO 2 (kvarcüveg) infravörös abszorpciós éle.

21 KVARCÜVEG (OPTIKAI SZÁL) Átmentifém-ionok szelektív fényelnyelése optikai üvegben. Két típusú optikai átmenet: betöltetlen d-héjon belüli elektronátmenetek (E  4eV), és ionizáció (elektron leszakadás és a mátrixban kötésbe kerül (nagyobb energiáknál) Az 1 db/km csillapítás eléréséhez a szennyezőkoncentrációt 0,1 ppb szintig kell redukálni.

22 HIDROXIDIONOK ABSZORPCIÓJA Vízmolekula OH-gyök alaprezgése 2,72  m, felharmonikusok:1,38, 0,945, 0,72, 0,60  m, valamint kombinációs sávok (az oszcillátor nem tisztán harmonikus). A felharmonikusok és a kombinációs frekvenciák környezetében

23 OH- ABSZORPCIÓJA KVARCÜVEGBEN SiO 2 szál optikai elnyelési spektrumai a) atom% OH, b) % atom% OH

24 OPTIKAI SZÁLAK CSILLAPÍTÁSA Anyagfüggő (SiO 2, polimer alapú) Hozzákevert adalékanyagok Gyártás során szennyezőanyagok Molekulák saját rezgési hullámhosszán érkező fotont elnyelik Hullámhosszfüggő csillapítás Távközlési cél (850nm 2dB/km, 1300nm 0,4dB/km, 1550nm 0,2dB/km) ITU-T(CCITT) G.652 ajánlás nm

25 CSILLAPÍTÁS HULLÁMHOSSZFÜGGÉSE Fényvezető szál (olvasztott kvarc, SiO 2 ) csillapítási karakterisztikája. Átviteli “ablakok”: I. – 850 nm, GaAs lézer, II. – nm, minimális diszperzió, InGaAsP/InP lézer, III nm, minimális csillapítás, InGaAsP/InP lézer.

26 OPTIKAI SZÁL VESZTESÉGEI

27 A csillapítás értéke igen erősen függ a hullámhossztól. A kvarcüveg szálakban a látható spektrális tartományban a veszteség meghaladja az 5 dB/km-t, de a hullámhossz növelésével erősen csökken. A veszteségnek lokális minimuma van  1,3  m hullámhossznál (közeli infravörös tartomány), és itt kisebb mint 0,5 dB/km. Mivel a törésmutató diszperziójának is minimuma van ezen hullámhossz környékén, ezt az alacsony veszteségű "ablakot" (ún. második optikai ablak) igen gyakran használják száloptikai távközlési rendszerekben. A veszteségi tényező abszolút minimuma  1,55  m hullámhossznál van. Még rövidebb hullámhosszaknál az apszorbció, és így a szálveszteség erősen megnövekszik.

28 OPTIKAI SZÁLAK VESZTESÉGEI Szórás (80-90%) Rayleigh d 0.6 Abszorpciós csillapítás (10-20%) üvegben, fémben(Cr 3+, Cu 2+ :NIR), OH -- :0,72, 0,95, 1,24, 1,38, 2,7, 4,2  m Sugárzási veszteség (nagy hullámhossznál és kis magátmérőnél), már nagy görbületi sugarú hajlítás esetén is jelentkezik Csillapítással határolt összeköttetés

29 Preform készítése CVD-vel Reaktorcsövön belüli reakció SiCl4, GeCl4-et hígitanak He gázban és hevített SiO 2 -ra viszik fel Üvegszemcsék rakódnak le a cső belső falára Csövet O 2 -H 2 lángban égetik 1500 °C-on, ami oxidációhoz vezet Alacsony OH – koncentráció Forgatják a hengert az egyenletes lerakódáshoz A cső összeomlik 1900 °C-on, majd szálhúzás 2100 °C-on 0.2 dB/km csillapítás, nagy BW*hossz érték Összetétel változtatásával: GI szál, tiszta eljárás

30 ÜVEGSZÁL HÚZÁSA

31 SZERVES SZINTETIKUS POLIMEREK Előnyei (szervetlen anyagokkal szemben): Tervezhetők és szintetizálhatók olyan összetételekben és szerkezetekben, melyek nem realizálhatók kristályokkal, üvegekkel és műanyagokkal. Tartósak, jó optikai hatékonyság, megbízhatóság, olcsóság. Alkalmazások: Fényemittáló diódák (OLED), folyadékkristály-polimer fotodetektorok, polimer-folyadékkristály eszközök (pl. kivetített TV), fényvezetőszál erősítők szerves festék adalékolással (rodaminok), szerves vékonyréteg optikák, elektrooptikai modulátorok.

32 POLIMEREK: ALAPFOGALMAK Természetes polimerek: Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) Polipeptidek, fehérjék Kaucsuk, gumi Mesterséges polimerek: műanyagok Monomer: építőegység Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal Polimer: monomeregységből áll. Homopolimer: egyfajta monomeregységből felépülő makromolekulák Kopolimer: két- vagy többfajta monomeregységeket tartalmazó Poli-etilén, PEPoli-propilén, PP Poli-vinilklorid, PVC Poli-sztirol, PS A makromolekulák súlya nagy. Egzakt határ nincs, mólsúly felett szokás makromolekulákról beszélni, mert ezen mólsúly érték körül jelennek meg a polimerekre jellemző, minőségileg új tulajdonságok (rugalmasság)

33 Jellemző polimerek A polimer szénhigrogének között a legismertebbek a polisztirol, polietilén és a poli(vinil- klorid). A mindennapi életünkben talán a legtöbbet a polietilén szerepel. Két fő típusát – magas- és alacsonynyomású polietilén – az előállításuk technológiája szerint különböztetik meg. A magasnyomású polietilént magas (több mint 200 MPa) nyomás alatt és kb.200  C fokon polimerizálják, az alacsonynyomásút – 0,3 –0,6 MPa és 80  C körülmények között. Tulajdonságaik abban különböznek, hogy a magasnyomású polietilénben 55 – 70% a kristályos fázis aránya, míg az alacsonynyomású polietilénben 85 – 90%, ami meghatározza a mechanikai szilárdságukat is. A polisztirol nem poláris dielektrikum, jók a szigetelő tulajdonságai, termoplasztikus ( lágyulási hőmérséklete egyenlő 110 – 120  C). A polimetilmetakrilátot, PMMA (szerves üveg, „plexi”) metakrilsav-észter polimerizációjával állítják elő. Jó optikai, elektromos és nem utolsó sorban mechanikai tulajdonságai miatt (  C –fokon már hajlik, de szobahőmérsékleten kemény) gyakran alkalmazzák különböző konstrukciós elemek, optikai alkatrészek, ablakok gyártásához

34 POLIMEREK: OPTIKAI ALKALMAZÁSOK MegnevezésJelölésTörésmutató polisztirolPS (hőre lágyuló)1,592 poli(metil-metakrilát)PMMA -”-1,491 polivinilkloridPVC -”-1,52 – 1,55 epoxigyantaEP (ragasztók)1,5 – 1,7 polietilénPE (UV-áttetsző) Optikai elemek gyártására többnyire kész műanyagok (szemcsés anyag) kerülnek felhasználásra. Ezekből melegalakítással vagy monomer polimerizálásával (foto-vagy termo-polimerizáció által) készítik a lencséket, más optikai elemeket. Néhány átlátszó műanyag jellemzői:

35 POLIMER FÉNYVEZETŐ SZÁLAK PMMA-d8 (deuterizált poli- metil-meta- akrilát), min. 570 nm-nél PS (polisztirol), min. 670 nm-nél (GaP LED!)

36 POLIMER FÉNYVEZETŐ SZÁLAK Előnyök: Nagy magátmérő Szál-szál, szál- eszköz illesztés egyszerű Nagy numerikus apertura Hajlékony, jól vezethető, megtörhető Kis tömeg (súly) Egyszerű technológia, olcsó Category_ID=220&ObjectGroup_ID=2928

37 OLED Polymeric organic semiconductors include poly(3-hexylthiophene), poly(p-phenylene vinylene), as well as polyacetylene and its derivatives.poly(3-hexylthiophene) poly(p-phenylene vinylene)polyacetylene Substrate (clear plastic, glass, foil) - The substrate supports the OLED. Anode (transparent) - The anode removes electrons (adds electron "holes") when a current flows through the device. Organic layers - These layers are made of organic molecules or polymers. Conducting layer - This layer is made of organic plastic molecules that transport "holes" from the anode. One conducting polymer used in OLEDs is polyaniline. Emissive layer - This layer is made of organic plastic molecules (different ones from the conducting layer) that transport electrons from the cathode; this is where light is made. One polymer used in the emissive layer is polyfluorene. Cathode (may or may not be transparent depending on the type of OLED) - The cathode injects electrons when a current flows through the device.

38 FOLYADÉKKRISTÁLYOK Folyadék-kristályok, hosszúkás szerves molekulákból épülnek fel, melyek dipólnyomatékkal rendelkeznek és ebből kifolyólag külső elektromos térrel irányíthatók. Molekulák térbelileg rendezetlenül helyezkednek el (folyadék-állapot), ellenben a molekulák maguk térbelileg orientáltak (mint a kristályos állapot). A molekulák külső erő (mechanikai vagy elektromos) hatására meg tudják változtatni az orientációjukat. Anizotrópiájuk miatt, mint polarizációmódosító eszközökként működnek. A folyadékkristályok csoportjának tipikus példája a p- metoxibenziliden-p’-n-butilanilin (MBBA) : Alkalmazás: elektromos tér a molekulák orientációját módosítja, ezért, mint elektrooptikai elemek alkalmazhatók. Display, kijelző.

39 LCD KÉPERNYŐ A folydékkristályok legismertebb alkalmazási területe a kijelzők, az LCD képernyők (Liquid Crystal Device). A színes LCD panel kialakításához először biztosítani kellett a színes (piros, zöld és kék) cellák működését. Ehhez a cellába megfelelő áteresztési spektrummal rendelkező fényszűrő réteget építenek be, amely kiszűri a cellára beeső „fehér” fényből a kellő energiájú fotonokat, pontosabban csak azokat ereszti át. Ha ezeket az elemi cellákat hármas pixelekbe rendezzük úgy, hogy külön-külön vezérelhetők legyenek a megfelelő feszültség rákapcsolásával, akkor a pixelek mátrixából kialakul a képernyő.

40 KÉRDÉSEK Mit nevezünk üvegnek? Milyen az üvegek jellemző transzmissziója? Mi az Abbe szám és mit jellemez? Hogyan néz ki és mire használható az üvegek Abbe diagramja? Jellemezze a kvarcüveget! Hogyan függ a kvarcüveg elnyelési spektruma a benne lévő OH- tartalomtól? Vázolja a spektrumokat! Mutassa be az üvegszálak gyártástechnológiáját! Definiálja a polimerek fogalmát, ismertesse jellegzetességeiket, és mondjon példát optikai polimerre! Vázolja az OLED szerkezetét! Definiálja a folyadékkristály fogalmát! Milyen jellemezői vannak a folyadékkristályoknak?


Letölteni ppt "OPTIKAI ANYAGOK: ÜVEGEK, POLIMEREK ÉS FOLYADÉKRISTÁLYOK."

Hasonló előadás


Google Hirdetések