BPSC 71वीं CCE प्रारंभिक सामान्य अध्ययन · प्रश्न 133 / 150

सही — A, इंडियम टिन ऑक्साइड। स्मार्ट फिल्म — वह स्विच-योग्य शीट जो काँच के विभाजन को एक बटन दबाते ही दूधिया सफ़ेद से पारदर्शी बना देती है — लगभग हमेशा पॉलिमर-परिक्षिप्त द्रव क्रिस्टल (PDLC) लैमिनेट होती है, और उसे स्विच कराने वाला पारदर्शी इलेक्ट्रोड इंडियम टिन ऑक्साइड, ITO, है। बनावट एक सैंडविच जैसी है : द्रव क्रिस्टल की बूँदें किसी ठोस पॉलिमर में जमा दी जाती हैं, और यह परत काँच या प्लास्टिक की दो शीटों के बीच रहती है, जिनमें से हर एक पर एक पतली चालक परत चढ़ी होती है। विद्युत् की दृष्टि से पूरा जमाव एक संधारित्र है। बिना वोल्टता के द्रव-क्रिस्टल बूँदें बेतरतीब दिशाओं में मुड़ी रहती हैं, गुज़रते प्रकाश को प्रकीर्ण कर देती हैं और पैनल पारभासी तथा दूधिया रह जाता है; दोनों परतों के आर-पार वोल्टता लगाइए और विद्युत् क्षेत्र क्रिस्टलों को एक क़तार में खड़ा कर देता है, प्रकाश लगभग बिना प्रकीर्णन के निकल जाता है और पैनल पारदर्शी हो जाता है। बीच की वोल्टताएँ बीच का धुँधलापन देती हैं। ध्यान दीजिए कि यह डिज़ाइन इलेक्ट्रोड-पदार्थ से क्या माँगता है : उसे बिजली का चालक होना चाहिए, क्योंकि वही स्विच करने वाला क्षेत्र ढोता है, और उसे पारदर्शी होना चाहिए, क्योंकि आप उसी के आर-पार देख रहे हैं। साधारण धातुएँ चालक तो हैं पर अपारदर्शी; साधारण काँच पारदर्शी है पर विद्युत्-रोधी। ITO इस टकराव को सुलझा देता है। यह इंडियम, टिन और ऑक्सीजन का त्रिअंगी संघटन है — भार के हिसाब से आमतौर पर लगभग 74% इंडियम, 8% टिन और 18% ऑक्सीजन — एक n-प्रकार का अर्धचालक जिसका बैंड-गैप लगभग 4 eV है, विद्युत् प्रतिरोधकता लगभग 10⁻⁴ Ω·cm, और पतली फ़िल्म के रूप में प्रकाशिक पारगमन 80% से ऊपर; पतली परतों में रंगहीन, हालाँकि थोक में पीलापन लिए धूसर। इसे सामान्यतः भौतिक वाष्प निक्षेपण, स्पटरिंग या इलेक्ट्रॉन-बीम वाष्पन से जमाया जाता है। यही परत टचस्क्रीन, LCD और प्लाज़्मा पैनलों, OLED के एनोड, पतली-फ़िल्म सौर सेलों, EMI परिरक्षण और उन गर्म होने वाली विंडस्क्रीनों के पीछे भी बैठी है जो विमानों की बर्फ़ हटाती हैं।

• (b)कैल्शियम कार्बोनेट — CaCO₃ चूना-पत्थर, संगमरमर, खड़िया और अंडे का छिलका है — सीमेंट तथा चूने का कच्चा माल, काग़ज़, रंग और प्लास्टिक में थोक भराव, और आम अम्लनाशक (antacid) दवाओं का सक्रिय घटक। चूर्ण के रूप में यह अपारदर्शी सफ़ेद है और विद्युत्-रोधी है, इसलिए स्मार्ट फिल्म अपने इलेक्ट्रोड से जो दो शर्तें माँगती है, यह दोनों एक साथ चूक जाता है : यह स्विच करने वाली वोल्टता ढो नहीं सकता, और ढो भी लेता तो आप इसके आर-पार देख नहीं पाते।
• (c)जिंक क्लोराइड — एक प्रस्वेदी (deliquescent) सफ़ेद लवण, जो सोल्डरिंग गालक, लकड़ी परिरक्षक, वस्त्रों का रंगबंधक और साधारण ज़िंक-कार्बन शुष्क सेल का विद्युत्-अपघट्य है। लालच का स्रोत यही अंतिम उपयोग है — यह चालन तो करता है। पर यह आयनिक चालन करता है, और तभी जब पिघला हो या जल में घुला हो; स्मार्ट फिल्म को आधार से जुड़ी हुई ठोस, स्थायी, इलेक्ट्रॉनिक रूप से चालक परत चाहिए। हवा से नमी खींचने वाला आर्द्रताग्राही लवण टिकाऊ पतली-फ़िल्म इलेक्ट्रोड का ठीक उल्टा है।
• (d)सिलिका — बुद्धिमान ग़लत उत्तर। SiO₂ क्वार्ट्ज़ है और साधारण काँच का आधार, इसलिए पारदर्शिता की कसौटी पर यह शानदार ढंग से खरा उतरता है — और ‘स्मार्ट फिल्म’ तथा ‘स्मार्ट ग्लास’ शब्द मन को सीधे इसी ओर खींचते हैं। दूसरी कसौटी पर यह पूरी तरह विफल है : सिलिका ज्ञात सर्वश्रेष्ठ विद्युत्-रोधियों में है, और ठीक इसीलिए वह ट्रांज़िस्टरों में गेट परावैद्युत का काम करती है — वही परत जिसका काम धारा रोकना है। सिलिका पर स्मार्ट पैनल बनाया जाता है, वह उसे स्विच करने वाली परत कभी नहीं होती।

पारदर्शिता और विद्युत् चालकता सामान्यतः एक-दूसरे को बाहर कर देती हैं, और यह क्यों होता है — पूरा प्रश्न यही है। धातु इसलिए चालन करती है कि उसमें ढीले बँधे इलेक्ट्रॉनों का समुद्र होता है, और वही मुक्त इलेक्ट्रॉन दृश्य प्रकाश को सोख और परावर्तित कर देते हैं — इसीलिए आप जिस भी अच्छे चालक का नाम ले सकते हैं वह अपारदर्शी और चमकीला है। सिलिका जैसा विद्युत्-रोधी इसलिए पारदर्शी है कि उसका बैंड-गैप दृश्य फ़ोटॉन की ऊर्जा (लगभग 1.8 से 3.1 eV) से कहीं बड़ा है, इसलिए कोई इलेक्ट्रॉन उसे सोखकर ऊपर नहीं चढ़ सकता; प्रकाश बस निकल जाता है। पारदर्शी चालक ऑक्साइड दोनों क्रियाविधियों को जोड़कर इस फंदे से बच निकलता है। चौड़े बैंड-गैप वाला ऑक्साइड अर्धचालक लीजिए — इंडियम ऑक्साइड का गैप लगभग 4 eV है, जो दृश्य फ़ोटॉन ऊर्जाओं से आराम से ऊपर है, इसलिए दृश्य प्रकाश सीधे निकल जाता है — और फिर उसे टिन से भारी मात्रा में डोप कीजिए, जिसका अतिरिक्त संयोजी इलेक्ट्रॉन चालन बैंड को दान हो जाता है। परिणाम गैप के कारण पारदर्शी और डोपिंग के कारण चालक होता है। समझौता कभी पूरी तरह ख़त्म नहीं होता : फ़िल्म मोटी करने या वाहक-सांद्रता बढ़ाने से चालन सुधरता है और पारगमन घटता है, इसलिए हर उपकरण किसी एक कार्यबिंदु पर आकर ठहरता है। स्मार्ट फिल्म ख़ुद कई कुलों में आती है, और उन्हें अलग-अलग रखना उपयोगी है। PDLC प्रकीर्णन से स्विच होती है; निलंबित-कण उपकरण छड़ाकार नैनोकणों को क़तार में लाते हैं; इलेक्ट्रोक्रोमिक शीशा टंगस्टन-ऑक्साइड परत में आयन आते-जाते रहने से रंग बदलता है और फिर उस अवस्था को लगभग बिना और बिजली ख़र्च किए थामे रखता है; तापक्रोमिक पॉलिमर केवल तापमान पर प्रतिक्रिया करते हैं और बिजली इस्तेमाल करते ही नहीं। इनमें से हर विद्युत्-चालित क़िस्म को पारदर्शी इलेक्ट्रोड चाहिए, इसीलिए ITO उन सबमें दिखाई देता है।

उत्तर याद करने की कोशिश मत कीजिए — उसे काम के विवरण से निकालिए। स्मार्ट फिल्म तब अवस्था बदलती है जब उसके आर-पार वोल्टता लगाई जाती है, इसलिए उसके दोनों फलकों पर इलेक्ट्रोड होना ही चाहिए, इसलिए प्रश्न वाला पदार्थ बिजली का चालक होना चाहिए। आप फ़िल्म के आर-पार देख भी रहे हैं, इसलिए उसे पारदर्शी होना चाहिए। ये दोनों माँगें एक साथ लगाइए और वे स्वयं प्रश्न तय कर देती हैं। हर विकल्प को दोनों पर कसिए। कैल्शियम कार्बोनेट अपारदर्शी सफ़ेद विद्युत्-रोधी है और दोनों गिनतियों पर विफल है। जिंक क्लोराइड चालन करता है, पर केवल विलयन में या पिघली अवस्था में आयनों के रूप में, और वह प्रस्वेदी है — हवा से पानी खींच लेता है — जो उसे टिकाऊ ठोस फ़िल्म के रूप में अयोग्य कर देता है। सिलिका पारदर्शिता की कसौटी पास करती है और चालकता की कसौटी पर उतनी ही पूरी तरह विफल होती है जितना कोई पदार्थ हो सकता है; वह तो इलेक्ट्रॉनिकी उद्योग का मानक विद्युत्-रोधी है। दोनों शर्तें अकेला इंडियम टिन ऑक्साइड पूरी करता है, और निर्णायक तथ्य ठीक यही है : वह मानक पारदर्शी चालक ऑक्साइड है, एक चौड़े बैंड-गैप वाला ऑक्साइड जिसे चालक बनने तक डोप कर दिया गया है। जाल (d) है, और अच्छा बिछा है, क्योंकि ‘फ़िल्म’ और ‘ग्लास’ तत्काल सिलिका को बुला लाते हैं और सिलिका सचमुच स्मार्ट-ग्लास पैनल में मौजूद होती भी है — पर आधार के रूप में, स्विच के रूप में नहीं। परीक्षा-कक्ष में एक ही वाक्य ले जाइए और वह यह हो : प्रकाश सिलिका से होकर गुज़रता है, बिजली इंडियम टिन ऑक्साइड से होकर।

• इंडियम टिन ऑक्साइड इंडियम, टिन और ऑक्सीजन का त्रिअंगी संघटन है — भार के हिसाब से आमतौर पर लगभग 74% In, 8% Sn और 18% O। यह n-प्रकार का अर्धचालक है जिसका बैंड-गैप लगभग 4 eV, प्रतिरोधकता लगभग 10⁻⁴ Ω·cm, और पतली-फ़िल्म प्रकाशिक पारगमन 80% से ऊपर है।
• स्मार्ट फिल्म आमतौर पर पॉलिमर-परिक्षिप्त द्रव क्रिस्टल लैमिनेट होती है : चालक-लेपित दो शीटों के बीच पॉलिमर में जमाई गई द्रव-क्रिस्टल बूँदें। बिना बिजली के बूँदें बेतरतीब दिशाओं में रहती हैं और प्रकाश प्रकीर्ण कर देती हैं, इसलिए पैनल दूधिया सफ़ेद दिखता है; वोल्टता उन्हें क़तार में लाकर उसे पारदर्शी कर देती है, और बीच की वोल्टताएँ बीच का धुँधलापन देती हैं।
• हर पारदर्शी चालक चालकता और पारदर्शिता के बीच सौदा करता है — मोटी फ़िल्म या अधिक वाहक-घनत्व बेहतर चालन और कम पारगमन देते हैं। ITO सामान्यतः भौतिक वाष्प निक्षेपण से जमाया जाता है, या तो स्पटरिंग से या इलेक्ट्रॉन-बीम वाष्पन से, और दोनों के लिए निर्वात चाहिए।
• यही परत टचस्क्रीन, LCD और प्लाज़्मा पैनल, OLED का एनोड या होल-अंतःक्षेपण परत, पतली-फ़िल्म तथा पेरोवस्काइट सौर सेल, प्रतिस्थैतिक और EMI-परिरक्षण परतें, सुपरमार्केट के फ़्रीज़र दरवाज़े, और वे विमान विंडशील्ड ढोती है जिनकी बर्फ़ फ़िल्म में धारा प्रवाहित करके हटाई जाती है।
• इंडियम की दुर्लभता और लागत, ITO का भंगुर होना और उसे जमाने के लिए ज़रूरी निर्वात — इन सबने विकल्पों की खोज को धक्का दिया है : एल्युमिनियम-डोपित ज़िंक ऑक्साइड (AZO), गैलियम- और इंडियम-डोपित ज़िंक ऑक्साइड, कार्बन नैनोट्यूब, चाँदी-नैनोतार की जालियाँ, PEDOT:PSS जैसे चालक पॉलिमर, और ग्राफ़ीन फ़िल्में जो मानक ITO से कम प्रतिरोध पर लगभग 90% पारदर्शिता तक पहुँचती हैं।

• सिलिका इसलिए चुन लेना कि ‘फ़िल्म’ और ‘ग्लास’ SiO₂ का संकेत देते हैं — सिलिका पारदर्शी आधार है, पर वह विद्युत्-रोधी है और स्विच करने वाला इलेक्ट्रोड कभी नहीं हो सकती
• स्मार्ट फिल्म को एक ही प्रौद्योगिकी मान लेना; PDLC, निलंबित-कण, इलेक्ट्रोक्रोमिक और तापक्रोमिक फ़िल्में अलग-अलग भौतिकी से स्विच होती हैं, और इनमें से केवल तापक्रोमिक क़िस्म को बिजली की ज़रूरत ही नहीं पड़ती
• दूधिया अवस्था को ख़राबी समझ लेना — PDLC पैनल बिना बिजली के अपारदर्शी और बिजली मिलने पर पारदर्शी होता है, इसलिए बिजली जाने पर निजता हटती नहीं, लौट आती है

BPSC इसे पदार्थ-पहचान के स्तर पर ही रखता है — किसी उपभोक्ता प्रौद्योगिकी के पीछे का पदार्थ बताइए, चार सूखे विकल्प, तौलने को कुछ नहीं — और इसी प्रश्नपत्र में उसने Q132 के चमकीले वर्णक तथा Q137 के अपस्फोटरोधी पेट्रोल-योजक के साथ भी यही किया है। UPSC पारदर्शी इलेक्ट्रोड के इसी विचार को अनुप्रयोग के प्रश्न की तरह लेता है : उसका 2012 वाला ग्राफ़ीन प्रश्न आपसे इस कथन पर निर्णय कराता है कि ग्राफ़ीन टचस्क्रीन, LCD और ऑर्गेनिक LED के लिए चालक इलेक्ट्रोड का काम कर सकता है, और उसका 2017 वाला प्रश्न पूछता है कि लचीले तथा पारदर्शी OLED डिस्प्ले क्या संभव बनाते हैं। BPSC पदार्थ का नाम पूछता है; UPSC पूछता है कि वह क्या कर दिखाता है।

• अभ्यास प्रश्न — वास्तविक PYQ नहीं

  पॉलिमर-परिक्षिप्त द्रव क्रिस्टल (PDLC) स्मार्ट फिल्म कब पारभासी और दूधिया सफ़ेद दिखाई देती है ?

  • (a)जब उसके आर-पार वोल्टता लगाई जाती है
  • (b)जब उसके आर-पार कोई वोल्टता नहीं लगाई जाती
  • (c)जब उसे कमरे के ताप से ऊपर गरम किया जाता है
  • (d)जब उसे पराबैंगनी विकिरण के सामने रखा जाता है

  उत्तर(b) जब उसके आर-पार कोई वोल्टता नहीं लगाई जाती — बिना बिजली के द्रव-क्रिस्टल बूँदें बेतरतीब दिशाओं में रहती हैं और प्रकाश प्रकीर्ण कर देती हैं, इसलिए पैनल दूधिया दिखता है। वोल्टता लगाने पर वे क़तार में आ जाती हैं और पैनल पारदर्शी हो जाता है — इसीलिए बिजली जाने पर ऐसा विभाजन अपारदर्शी ही रह जाता है।

• अभ्यास प्रश्न — वास्तविक PYQ नहीं

  पारदर्शी इलेक्ट्रोडों में इंडियम टिन ऑक्साइड के विकल्प के रूप में निम्नलिखित में से किस पदार्थ को सक्रिय रूप से विकसित किया जा रहा है ?

  • (a)ग्राफ़ीन
  • (b)बेकेलाइट
  • (c)पोर्टलैंड सीमेंट
  • (d)कैल्शियम सल्फेट

  उत्तर(a) ग्राफ़ीन — ग्राफ़ीन फ़िल्में लगभग 90% प्रकाशिक पारदर्शिता को मानक ITO से कम शीट-प्रतिरोध के साथ जोड़ देती हैं और, ITO के विपरीत, लचीली होती हैं। बेकेलाइट एक तापदृढ़ विद्युत्-रोधी प्लास्टिक है, जबकि पोर्टलैंड सीमेंट और कैल्शियम सल्फेट अपारदर्शी निर्माण-सामग्री हैं।