Передовая LCD-инновация расширяет углы обзора и цветопередачу

• Исследователи предлагают многодоменные дисплеи для улучшения угла обзора и цветового воспроизведения.
• Она работает с жидкокристаллическими полимерами, поли(ди-n-алкилсилоксанами).
• Она может облегчить процедуру фабрикации и открыть новые двери в области печатной и органической электроники.

Рынок жидкокристаллических дисплеев (LCD) полностью оценил преимущества жидкокристаллического состояния вещества, сочетающего подвижность и порядок, что позволяет высокую эффективность, низкое потребление энергии и компактность устройств.

Однако одно из главных ограничений LCD-технологии — её угол обзора: с боковой перспективы она не воспроизводит цвета точно. Это происходит из-за ко-выравнивания жидких кристаллов.

Чтобы решить эту проблему, международная команда исследователей из Германии, России и Франции предложила новую технику ориентации жидких кристаллов. Давайте узнаем, что именно они сделали, чтобы преодолеть эту десятилетиями старую проблему.

Жидкие кристаллы

Большинство кристаллов твердые: их атомы или молекулы формируют упорядоченную 3D структуру. Но жидкие кристаллы лишены этой конфигурации, и они могут течь. Молекулы в жидкокристаллическом состоянии имеют промежуточные свойства между кристаллами и жидкостями, что дает им способность течь.

Молекулы материала LC должны быть анизометрическими: дисковидными или стержневидными. Их свойства зависят от направления, например, в жидком кристалле поляризованный свет распространяется с разной скоростью по разным направлениям. Их ориентация может быть быстро изменена изменением электрического или магнитного поля, феномен, называемый переходом Фредерикс.

Оптические свойства жидких кристаллов и их способность к переориентации делают их широко популярными в электронных дисплеях, телефонах, компьютерах, ТВ и устройствах.

LCD

В LCD изображение формируется изменением интенсивности света в каждом пикселе через электрическое поле, которое переориентирует материалы жидких кристаллов. LCD имеют множественные конфигурации, но самая популярная основана на скрученных нематических жидких кристаллах: стержневидных термотропных жидких кристаллах. Их можно легко скручивать и распрямлять при приложении электрического поля.

Нематический жидкокристаллический дисплей | Credit: MIPT press office

Вы можете знать, что каждый пиксель в цветных LCD содержит 3 субпикселя: Красный, Зеленый и Синий (RGB). Любой цвет может быть отображен на экране путем флуктуации их интенсивностей. Субпиксель в скрученном нематическом LCD содержит источник света, два поляризатора, цветовой фильтр и жидкий кристалл, помещенный между двумя стеклянными пластинами с электродами.

Читайте также: Новый бумажно-тонкий LCD-дизайн может революционизировать печатные медиа

Жидкий кристалл распрямляется при приложении напряжения, что изменяет поляризацию света до определенной степени. Таким образом, часть света блокируется. В конечном счете, для конкретного напряжения никакой свет не может достичь цветового фильтра, и это заставляет субпиксель(и) гаснуть.

Угол обзора этой технологии не так велик. Чтобы решить эту проблему, исследователи предложили многодоменные дисплеи, в которых набор пикселей ассоциируется с числом доменов, чьи ориентации жидких кристаллов различны. Это делает так, что по крайней мере некоторые домены всегда ориентированы в правильном направлении.

Как это работает?

Этот подход работает с жидкокристаллическими полимерами. Небольшое изменение в полимерных структурах может резко изменить их ориентацию на подложке. Полимеры, о которых идет речь — PDAS или поли(ди-n-алкилсилоксаны).

Химическая структура PDAS

В этом полимере каждая молекула — это цепочка, состоящая из чередующихся атомов кислорода и кремния. Атомы кремния связаны с двумя симметричными углеводородными боковыми цепочками. «n» в соединении представляет длину боковых цепочек, которая варьируется между 2 и 6.

Исследователи оселили этот полимер на тефлон-покрытой выравнивающей поверхности с регулярным рисунком желобов. Затем они проанализировали ориентацию полимерных цепочек относительно направления желобов на выравнивающей поверхности.

Ссылка: ACS Macro Letters | doi:10.1021/acsmacrolett.8b00044 | MIPT

Они увеличивали длину (n) боковой цепочки шагами в одну CH₂ группу (метилен) за раз. Иголообразный полимер ко-выравнивался с тефлоновыми желобами при n=2. И они показали, что полимерные цепочки перпендикулярны желобам на подложке (показано на левой стороне изображения).

Ориентации жидких кристаллов относительно тефлоновой подложки | Credit: MIPT

При n=3 ориентация полимера изменилась на 90 градусов, означая, что они выровнены перпендикулярно желобам. Следовательно, полимерные цепочки жидких кристаллов теперь ориентированы параллельно желобам (показано на правой стороне изображения).

Дальнейших изменений в ориентации не наблюдалось при увеличении значения n до 4. Однако при n=5 и n=6 иголообразный полимер снова ко-выравнивался с тефлоновыми желобами.

Заключение

Авторы обнаружили, что увеличением метиленовой группы в боковой цепочке полимера ориентация жидкого кристалла может быть переключена, что весьма важно для жидкокристаллических дисплеев и других применений.

Индукция двух взаимно ортогональных ориентаций жидких кристаллов становится возможной на одной и той же натертой подложке. Это может облегчить процедуру фабрикации и открыть новые двери в области печатной и органической электроники.

Эта многодоменная технология может улучшить углы обзора в LCD. Поскольку пиксели компенсируют друг друга при просмотре под углом, это улучшает цветовую передачу. Более того, исследователи верят, что этот метод будет менее дорогим и проще, чем другие существующие многодоменные техники.

Читайте также: Прозрачные материалы могут поглощать свет | Необычный оптический эффект