Eyüp YAYLACI

Sıvı Kristaller

Son yıllarda özellikle Avrupa ve Amerika’da ısı transferi uygulamalarında, sıcaklık ölçümleri için görsel sıvı kristal tekniği geliştirilmiştir [not: bundan sonra zaman zaman kısaltma amacıyla LC (liquid crystal) veya TLC (thermocromic liquid crystal) denilecektir].  LC maddesi kimyasal sıvı bir karışımdır ve yüzeye ince bir film şeklinde püskürtülür. Yüzeyde kuruduktan sonra akım yönünde herhangi bir bozucu ve direnç etkisi meydana getirmeksizin sıcaklık ölçümlerine olanak sağlar. LC, yüzeyin sıcaklığına göre renk verebilmektedir, böylece elde edilen renklere göre yerel sıcaklıklar ölçülmüş olur. Sıcaklık-renk tepkimesi bir kamera ya da fotoğraf makinasıyla görsel olarak kayıt edilebilir.

Çeşitli araştırmacılar; sıcaklık görüntülemede LC ısıl grafik tekniğinin uygulanışını, LC malzemelerinin yapısını, özelliklerini, sınıflandırılmasını, kalibrasyonunu, nitel ve nicel ölçüm sonuçlarının elde edilmesini, türlerini, avantajlarını ve kullanım sınırlarını anlatan raporlar hazırlamışlardır [1, 2, 6]. LC sıcaklık tespitinde kullanılmış, bunun yanında LC kullanarak akışın görüntülenmesi yapılmıştır [3]. Bazı çalışmalarda LC ‘in özellikle elektrik alanında kullanılması incelenmiştir. Bazı mikro devrelerde, multi tabaka devre kartlarında, yarı iletken cihazlarda ve diğer elektronik bileşenlerde özellikle soğuma karakteristiklerinin tespitinde bir sıcaklık ölçme tekniği olarak LC bileşenlerinin kullanılışı araştırılmıştır [4],[5].

LC yöntemi  yüzeyden ısı akışını kontrol etmenin bir yolu olarak da kullanılmıştır [7]. Elektriksel alandan dolayı konvektif hareket oluşması durumunda ortaya çıkan fiziksel olay tartışılmıştır. Bir başka çalışmada ise [8]; taşınımla ısı transferine LC tekniğinin  uygulanması incelenmiştir. LC kullanılarak, zorlanmış taşınımlı bir ortama yerleştirilmiş olan ısıtılmış nesnelerden elde edilen ısı transferinin ve akışkan akışının nitel ve nicel görüntü tespitleri yapılmıştır.

LC ‘in diğer bir geniş kullanım alanı ise yüzeye çarpan jetler olmuştur. Richards & Richards  [9], buharlaşmakta olan su damlacıklarının kuru hava jetine maruz kalması esnasındaki anlık soğumayı inceledikleri çalışmalarında LC kullanmışlardır.  Goldstein ve Timmers [10], tarafından yapılan deneysel çalışmada tek veya çok sıralı jetlerin düz bir levha üzerine normal yönde çarpması halinde yerel ısı transfer katsayılarını bulmak için bir görüntü tekniği kullanılmıştır. Bilen ve arkadaşları [11], uzun bir borudan çıkan türbülanslı dönel hava jeti ile yaptıkları  deneylerde; çeşitli jet açısı ve Re değerlerinde LC’in yüzey sıcaklığına göre renk değiştirme özelliğinden faydalanarak yerel sıcaklıkları ölçmüşlerdir.

SIVI KRİSTALİN YAPISI

Doğada  bazı organik maddeler, katı sıvı ve gaz fazının dışında dördüncü bir faz özelliği gösterirler. Bu faz durumunda; bu tip maddeler katı ve sıvı özelliklerinin bir karışımına sahiptir.  İlk olarak 1988 yılında Avusturyalı Botanist F.R. Reinitzer, cholesteryl benzoate adlı organik maddenin, atmosferik basınçta ve 145°C  sıcaklıkta aniden katı fazdan bulanık bir sıvıya dönüştüğünü ve sıcaklığın artması ile bu bulanık sıvının 178°C sıcaklıkta aniden berrak bir sıvıya dönüştüğünü gözlemiştir. İki yıl sonra Gatterman p-azoxyanisole ve p-azoxyphenetole adlı maddelerin de aynı davranışı gösterdiğini açıklamıştır. Bir  süre sonra Alman fizikçi O. Lehmann,  bulanık görünümlü ara fazın, cholestryl benzoate kristale benzer molekülsel yapıya sahip alanlar içerdiğini göstermiştir. Bu bulanık sıvılarda dikkati çeken bazı özellikler vardır. Bunlar diğer sıvılar gibi akıcı olup bulundukları kabın şeklini almalarına karşılık, katı kristaller gibi polarize ışıkta çift kırılma özelliğine sahiptir ve girişim renkleri verebilmektedir. Hem katı hem de sıvı özellikleri aynı anda taşıdıklarından bunlara termokromik sıvı kristal (TLC) adı verilmiştir.

TLC ’in ara fazına mezomorphic faz veya sadece mezophaze denir. Bu ara faz belli organik bileşikler için karakterize edilir. Bu ara fazda moleküller dizili olmalarına rağmen hareketlidir.  Ara fazın üç farklı çeşidi vardır. Bunlar: scmectic, nematic ve cholesteric. TLC,   üzerine gelen ışığa karşılık spektrumdaki renkleri sırayla gösterir. Çoğu karışımlar, sıcaklık arttığı zaman renksizlikten, kırmızı renge dönüşür ve yüksek bir sıcaklıkta tekrar renksizliğe dönmeden evvel spektrumundaki renkleri peş peşe gösterir. Renk değişikliği tersinirdir, yani soğuma sırasında ısıtmada olduğu gibi TLC renklerini bu sefer de tersten başlayarak gösterebilir. Sıcaklığa göre sadece tek bir renk gösteren karışımlar da yapılabilir. TLC ’in -30°C’ ile 100°C arasındaki sıcaklık aralığını kapsadığı belirtilmiştir [13].

Esas olarak  bir TLC; saf katı ve saf sıvı fazları arasındaki bir maddenin termodinamik fazıdır ve belirli şartlar altında bazı organik bileşenlerden ortaya çıkar. TLC ‘in görünür ışığı yansıtmaya başladığı sıcaklık (kısaca olay sıcaklığı denilebilir) altındaki tüm  sıcaklıklarda TLC katı halde olacaktır ve saydam olarak görünecektir. TLC olay sıcaklığında iken beyaz ışıkla aydınlanan ve sabit optik şartlar altında görüntülenen TLC malzemesi görülebilir ışığın (yani rengin) eşdeğer olmayan dalga boylarını yansıtacaktır. TLC ‘in şerit genişliği boyunca sıcaklık arttığı zaman TLC ‘in yansıyan rengi de değişecektir. Son olarak, sıcaklık TLC ‘in  netlik-noktası sıcaklığını (TLC’nin görünür ışığı yansıtmayı durdurduğu noktadaki sıcaklık) aşarsa, malzeme saf sıvı haline geçer ve tekrar saydam hale geri döner. Bu özellik seçici yansıma özelliğidir (TLC  sıcaklığının bir fonksiyonu olarak  ışığın özel bir dalga boyunun kırılması)  ve çoğu TLC ‘lerde hem ısıtmada hem de soğutmada çok az hatayla ortaya çıkar.

Sıvı Kristallerin Sınıflandırılması


TLC ’ler ticari olarak piyasada iki türlü bulunur. Bunlardan ilki çeşitli firmalar tarafından geliştirilmiş kendinden yapışkanlı, sayısal göstergeli şeritlerdir. İkincisi ise özel kaplarda saklanan sıvı kristal malzemedir.

Özellikle şerit şeklindeki bir TLC ‘in kimyasal yapısı yani  renk-sıcaklık tepkimesi TLC  üretimi esnasında düzenleyici tarafından verilen basit TLC formulasyonu ile açıklanabilir. Nicel  uygulamalar için, seçilen bu formulasyonlar faydalı olabilir. Örneğin “R35C5W” sık kullanılan bir TLC formulasyonudur. “R35C” nin anlamı kırmızı renk (R=red) olay sıcaklığında yani 35°C ’de başlıyor demektir. “5W” mavinin başlama sıcaklığının, kırmızıdan 5°C yukarıda olduğunu gösterir bu da  kullanıcıya şerit aralığını formulasyonlardan kolayca belirlemeyi sağlar. Dar-şeritli TLC formulasyonları 1 ya da 2 °C ’nin altında şerit genişliğine sahip iken, geniş-şerit formulasyonları 5°C ila 25°C arasında şerit genişliğine sahiptir [1].

TLC ’den yararlanmada bazı sınırlamalar vardır. Bunlardan birincisi; eğer TLC, çevre havası etkisinden korunmamış ise kirlenmesi sonucunda yapısı değişebilir. İkincisi TLC ara fazda, yani mezophaze ‘da ise sıvı haldedir ve sıvı olan bu maddeye toz zerrecikleri kolayca yapışabilir, bu da TLC ‘in bazı özelliklerini etkileyebilir. Bu iki nedenle TLC ‘in her iki etkiye karşı çok iyi korunması gerekir. Bu etkilerle mücadele etmek için iki üretim tekniği geliştirilmiştir. Bunlar mikro kapsüller ve polimer  dağılımdır.

Mikrokapsüller (ME) : “National Cash Register” şirketi araştırmacıları 1970’li yılların başlarında mikro kapsüllü TLC tekniğinin gelişmesine öncülük etmişlerdir. Mikro kapsül, ham TLC malzemesini 5-10 mikron çaplarında kapsüller içerisinde sararak koruma yöntemidir. Su esaslı tutkal malzemenin içinde asılı duran mikro kapsüllü TLC formulasyonları hemen hemen  tüm uygulamalarda kullanılabilir. Mikro kapsül yöntemi kimyasal kirlenmeye karşılık muhteşem bir direnç sağlar. Ayrıca iyi bir radyasyondan korunma yöntemidir.  Ancak yine de,  ME-TLC ‘leri hazırlarken ve uygularken özel bir dikkat gerekir. Özellikle TLC ‘den gelen yansıyan ışığın aşırı inceltilmesi ve tutkal ile mikro kapsüllerin birbirinden ayrılması gibi problemler bertaraf edilmelidir.

Polimer Dağılım (PD): Polimer dağılım TLC malzemesinin sürekli dökümü veya tabakalaşma üretimini kolaylaştırmak  için araştırmacıların orijinal olarak geliştirdikleri bir yöntemdir. Yöntem kimyasal olarak saf manomer esaslı TLC malzemesini katı polimer esaslı matrikse dağıtır. Bu yöntemin bir faydası TLC ’den yansıyan ışığın gerçekte şeffaf olan polimer malzemesinden dolayı daha az incelmesidir. Bu özellik; ham TLC malzemesinin daha parlak renk tepkisi karakteristiklerini korur. Ancak PD-TLC ’lerin kullanımı şu nedenlerden dolayı sınırlıdır:

1-) Püskürtmeli ortamlarda kullanılışı uygun değildir, yalnızca düzlem yüzeylerde kullanılabilirler.

2-) İmal edilen levhanın kesilmiş bir kısmı kullanıldığı zaman kimyasal kirlenme PD- TLC yüzeyini bozacağından dolayı oluşan köşe etkileri PD-TLC ’lerin kullanım  alanını sınırlar.

Kaynak:

1.    Farina, D.J., “Making Surface Temperature Measurements Using Liquid Crystal Thermography”, Electronics Cooling, vol.1, no.2, pp.10-15, 1995.

2.    Ashforth-Frost S., “The Use of Liquid Crystals in Temperature Visualization”, Proc. Biomechanics’94, Technical University of Wroclaw, Poland, 20-23 October, pp.342-351, 1994.

3.    Ashforth-Frost, S. and Jambunathan, K. “Flow Visualization Using Liquid Crystals”, Proc. ’93 SPIE Int. Conf. Optical Diagnostics in Fluid and Thermal Flow, San Diego, USA, 14-16 July, pp.237-245, 1993.

4.    Kelker, H.  and  Hatz, R. “Technical  Applications  of   Liquid   Crystals”,   Chem-Ing.  Tech.,Germany, vol.45, no.16, pp.1005-1013, 1973.

5.    Mizell, L., “Liquid Crystals A New Technique for Thermal Mapping of Electronic Components”, Microelectronics 44th Int. Congr., Munich, Germany, 9-11 November, pp. 450-475, 1970.

6.    Brown, G.H., “Structure Properties and Some Applications of Liquid Crystals”, J. Opt. Soc. Amer., vol.63, no.12, pp.1505-1514, 1973.

7.    Hwalek, J. and Carr, E.F., “A Liquid Crystal, Heat Switch ”, Heat Transfer Eng., vol. 8,no.1,pp. 36-39, 1987.

8.    Cooper, T.E., Field, R.J., and Meyer, J.F., “Liquid Crystal Thermography and its Application to the Study of Convective Heat Transfer”, J. Heat Transfer, Trans. ASME, vol.97, no.3, pp.442-450, 1975.

9.    Richards C.D. and Richards R.F., “Transient Temperature Measurements in a Convectively Cooled Droplet”, Experiments in Fluids, vol.25, no. 5/6, pp.392-400, 1998.

10.    Goldstein R,J. and Timmers J.F., “Visualization of Heat Transfer from Arrays of Impinging Jets”, Int. J. Heat Mass Transfer, vol.25, no.2, pp.1857-1868, 1982.

11.    Bilen, K., Bakırcı K. and Yavuz T., “Dönerek Çarpan Jetin Isı Transfer Karakteristiklerinin Deneysel İncelenmesi”, 12. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Sakarya, pp.538-543, 2000

Eyüp YAYLACI