High-tech LCD-innovatie verbetert kijkhoeken en kleurgetrouwheid

• Onderzoekers stellen multi-domein displays voor om kijkhoek en kleurweergave te verbeteren.
• Het werkt vloeistofkristalpolymeren, poly(di-n-alkylsiloxanen).
• Het kan de fabricageprocedure vergemakkelijken en nieuwe deuren openen op het gebied van geprinten en organische elektronica.

De liquid crystal display (LCD)-markt heeft de voordelen van de vloeistofkristaltofstand van materie volledig gewaardeerd, combinatie van mobiliteit en orde, wat toelaat voor hoge efficiëntie, laag stroomverbruik en apparaatcompactheid.

Echter, een van de grote beperkingen van LCD-technologie is de kijkhoek: Van een zijkantperspectief rendert het kleuren niet nauwkeurig. Dit gebeurt door de co-alignering van vloeistofkristallen.

Om dit probleem op te lossen, heeft een internationaal team onderzoekers uit Duitsland, Rusland en Frankrijk een nieuwe techniek voorgesteld voor het orienteren van vloeistofkristallen. Laten we ontdekken wat ze precies deden om deze decennialange probleem op te lossen.

Vloeistofkristallen

Meeste kristallen zijn vast: hun atomen of moleculen vormen een geordende 3D-structuur. Maar vloeistofkristallen missen deze configuratie, en ze kunnen vloeien. Moleculen in een vloeistofkristaltofstand hebben intermediaire eigenschappen tussen die van kristallen en vloeistoffen, wat hen de capaciteit geeft te vloeien.

De moleculen van een LC-materiaal moeten anisometrisch zijn: een schijf- of staafvormig. Hun eigenschappen hangen af van de richting, bijvoorbeeld, in een vloeistofkristal, propageert gepolariseerd licht met variërende snelheden langs verschillende richtingen. Hun oriëntatie kan snel gewijzigd worden door het veranderen van elektrisch of magnetisch veld, een fenomeen genaamd Fréedericksz-overgang.

De optische eigenschappen van vloeistofkristallen en hun heroriëntatievermogen maken ze wijdpopulair in elektronische displays, telefoons, computers, TV's en apparaten.

LCD

In LCD's wordt het beeld gevormd door de lichtintensiteit in elke pixel te veranderen via een elektrisch veld dat vloeistofkristalmaterialen heroriënteert. LCD's hebben meerdere configuraties, maar de meest populaire is gebaseerd op twisted nematic vloeistofkristallen: staafvormige thermotrope vloeistofkristallen. Ze kunnen eenvoudig gedraaid en ontworsteld worden door een elektrisch veld toe te passen.

Nematic vloeistofkristal display | Credit: MIPT press office

Je weet misschien dat elke pixel in kleur-LCD's 3 subpixels bevat: Rood, Groen en Blauw (RGB). Elke kleur kan op het scherm getoond worden door hun intensiteiten te fluctueren. Een subpixel in een twisted nematic LCD bevat een lichtbron, twee polarisatoren, een kleurfilter en een vloeistofkristal geplaatst tussen twee glasplaten met elektroden.

Lees ook: Nieuw papier-dun LCD-ontwerp kan geprinte media revolutioneren

De vloeistofkristal ontworstelt wanneer spanning toegepast wordt, wat de lichtpolarisatie tot een bepaalde graad verandert. Dus een deel van het licht wordt geblokkeerd. Uiteindelijk, voor een bepaalde spanning, kan geen licht het kleurfilter bereiken, en dit maakt subpixel(s) donker.

De kijkhoek van deze technologie is niet zo geweldig. Om dit probleem op te lossen, hebben onderzoekers multi-domein displays voorgesteld, waarin een set pixels geassocieerd is met een aantal domeinen wier vloeistofkristaloriëntaties verschillend zijn. Dit zorgt ervoor dat ten minste sommige domeinen altijd in de juiste richting georiënteerd zijn.

Hoe het werkt?

Deze benadering werkt met vloeistofkristalpolymeren. Een kleine variatie in polymere structuren kan hun oriëntatie op het substraat drastisch veranderen. De polymeren waar we het over hebben zijn PDAS of poly(di-n-alkylsiloxanen).

Chemische structuur van PDAS

In dit polymere is elk molecuul een ketting bestaande uit afwisselende zuurstof- en siliciumatomen. De siliciumatomen zijn verbonden met twee symmetrische koolwaterstof-ketenzijden. De "n" in de verbinding vertegenwoordigt de lengte van de zijketens, die varieert tussen 2 en 6.

De onderzoekers deponeerden dit polymere op een Teflon-gecoate aflijnobervlak met een regelmatig groefpatroon. Vervolgens analyseerden ze de polymere-kettingoriëntatie ten opzichte van de groefrichting op het aflijnobervlak.

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

Ze verhoogden de lengte (n) van de zijketting in stappen van één CH₂-groep (methylene) per keer. De naaldachtige polymere co-aligneerde met de Teflon-groeven, bij n=2. En ze toonden aan dat de polymere ketens loodrecht op de groeven op het substraat staan (getoond aan de linkerkant van de afbeelding).

Vloeistofkristaloriëntaties ten opzichte van het teflon-substraat | Credit: MIPT

Bij n=3 veranderde de polymere oriëntatie met 90 graden, wat betekent dat ze loodrecht op de groeven staan. Daarom zijn de vloeistofkristalpolymerkettens nu georiënteerd parallel aan de groeven (getoond aan de rechterkant van de afbeelding).

Geen verdere verandering werd gezien in oriëntatie toen de waarde van n verhoogd werd tot 4. Echter, bij n=5 en n=6 co-aligneerde de naaldachtige polymere weer met de Teflon-groeven.

Conclusie

De auteurs hebben ontdekt dat door de methylene-groep in een polymere zijketting te verhogen, de oriëntatie van vloeistofkristal kan worden geschakeld, wat vrij belangrijk is voor vloeistofkristal-displays en andere toepassingen.

De inductie van 2 wederzijds orthogonale vloeistofkristaloriëntaties wordt haalbaar op hetzelfde gewreven substraat. Dit kan de fabricageprocedure vergemakkelijken en nieuwe deuren openen op het gebied van geprinten en organische elektronica.

Deze multi-domein technologie kan de kijkhoeken in LCD's verbeteren. Aangezien pixels elkaar compenseren wanneer ze onder een hoek bekeken worden, verbetert het kleurrendering. Bovendien geloven de onderzoekers dat deze methode minder duur en eenvoudiger zou zijn dan andere bestaande multi-domein technieken.

Lees ook: Transparante materialen kunnen licht absorberen | Een ongewone optische effect