Baanbrekende LCD-innovatie vergroot de kijkhoeken en kleurgetrouwheid

• Onderzoekers stellen multidomein-beeldschermen voor om de kijkhoek en kleurweergave te verbeteren. 
• Het werkt met vloeibare kristalpolymeren, poly(di-n-alkylsiloxanen). 
• Het kan de fabricageprocedure vergemakkelijken en nieuwe deuren openen op het gebied van gedrukte en organische elektronica. 

De markt voor liquid crystal display (LCD) heeft de voordelen van de vloeibare kristaltoestand van de materie ten volle gewaardeerd, waarbij mobiliteit en orde worden gecombineerd, wat een hoge efficiëntie, een laag energieverbruik en de compactheid van het apparaat mogelijk maakt.

Een van de grootste beperkingen van de LCD-technologie is echter de kijkhoek:vanuit een zijwaarts perspectief worden kleuren niet nauwkeurig weergegeven. Dit gebeurt door de gelijktijdige uitlijning van vloeibare kristallen.

Om dit probleem op te lossen heeft een internationaal team van onderzoekers uit Duitsland, Rusland en Frankrijk een nieuwe techniek voorgesteld voor het oriënteren van vloeibare kristallen. Laten we eens kijken wat ze precies hebben gedaan om dit decennia-oude probleem op te lossen.

Vloeibare kristallen

De meeste kristallen zijn vast:hun atomen of moleculen vormen een geordende 3D-structuur. Maar vloeibare kristallen missen deze configuratie en kunnen stromen. Moleculen in vloeibare kristalvorm hebben intermediaire eigenschappen tussen die van kristallen en vloeistoffen, waardoor ze kunnen stromen.

De moleculen van een LC-materiaal moeten anisometrisch zijn:schijf- of staafvormig. Hun eigenschappen zijn afhankelijk van de richting. In een vloeibaar kristal plant gepolariseerd licht zich bijvoorbeeld met verschillende snelheden langs verschillende richtingen voort. Hun oriëntatie kan snel worden gewijzigd door een veranderend elektrisch of magnetisch veld, een fenomeen dat de Fréedericksz-overgang wordt genoemd.

De optische eigenschappen van vloeibare kristallen en hun heruitlijningsvermogen maken ze zeer populair in elektronische beeldschermen, telefoons, computers, tv's en apparaten.

LCD

Bij LCD's wordt het beeld gevormd door de lichtintensiteit in elke pixel te veranderen via een elektrisch veld dat vloeibare kristalmaterialen opnieuw uitlijnt. LCD's hebben meerdere configuraties, maar de meest populaire is gebaseerd op gedraaide nematische vloeibare kristallen:staafvormige thermotrope vloeibare kristallen. Ze kunnen gemakkelijk worden gedraaid en losgemaakt door een elektrisch veld aan te leggen.

Nematisch LCD-scherm | Credit:MIPT-persdienst

U weet misschien dat elke pixel in kleuren-LCD's 3 subpixels bevat:rood, groen en blauw (RGB). Elke kleur kan op het scherm worden weergegeven door de intensiteit ervan te variëren. Een subpixel in een gedraaid nematisch LCD-scherm bevat een lichtbron, twee polarisatoren, een kleurenfilter en een vloeibaar kristal geplaatst tussen twee glasplaten met elektroden.

Lees:Nieuw flinterdun LCD-ontwerp kan gedrukte media radicaal veranderen

Het vloeibare kristal draait los wanneer er spanning op wordt gezet, waardoor de lichtpolarisatie tot op zekere hoogte verandert. Zo wordt een deel van het licht geblokkeerd. Uiteindelijk kan bij een bepaalde spanning geen licht het kleurenfilter bereiken, waardoor de subpixel(s) donker worden.

De kijkhoek van deze technologie is niet zo groot. Om dit probleem op te lossen, hebben onderzoekers multidomein-displays voorgesteld, waarbij een reeks pixels wordt geassocieerd met een aantal domeinen waarvan de oriëntaties van de vloeibare kristallen verschillend zijn. Dit zorgt ervoor dat in ieder geval sommige domeinen altijd in de goede richting georiënteerd zijn.

Hoe het werkt?

Deze aanpak werkt met vloeibare kristalpolymeren. Een kleine variatie in polymeerstructuren 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 polymeer is elk molecuul een keten die bestaat uit afwisselende zuurstof- en siliciumatomen. De siliciumatomen zijn verbonden met twee symmetrische koolwaterstofzijketens. De “n” in de verbinding vertegenwoordigt de lengte van de zijketens, die varieert tussen 2 en 6.

De onderzoekers hebben dit polymeer afgezet op een met teflon gecoat uitlijningsoppervlak met een regelmatig groefpatroon. Vervolgens analyseerden ze de oriëntatie van de polymeerketen ten opzichte van de richting van de groeven op het uitlijningsoppervlak.

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

Ze vergrootten de lengte (n) van de zijketen in stappen van één CH₂-groep (methyleen) tegelijk. Het naaldachtige polymeer was uitgelijnd met de Teflon-groeven, bij n =2. En ze toonden aan dat de polymeerketens loodrecht op de groeven op het substraat staan (aan de linkerkant van de afbeelding).

Oriëntaties van vloeibare kristallen ten opzichte van het teflonsubstraat | Krediet:MIPT

Bij n=3 veranderde de polymeeroriëntatie met 90 graden, wat betekent dat ze loodrecht op de groeven zijn uitgelijnd. Daarom zijn de vloeibaar-kristalpolymeerketens nu parallel aan de groeven georiënteerd (weergegeven aan de rechterkant van de afbeelding).

Er werd geen verdere verandering in de oriëntatie waargenomen toen de waarde van n werd verhoogd naar 4. Bij n=5 en n=6 kwam het naaldachtige polymeer echter opnieuw uitgelijnd met de teflongroeven.

Conclusie

De auteurs hebben ontdekt dat door het vergroten van de methyleengroep in de zijketen van een polymeer de oriëntatie van vloeibare kristallen kan worden gewijzigd, wat vrij belangrijk is voor LCD-schermen en andere toepassingen.

De inductie van twee onderling orthogonale oriëntaties van vloeibare kristallen wordt mogelijk op hetzelfde gewreven substraat. Dit kan het fabricageproces mogelijk maken en nieuwe deuren openen op het gebied van gedrukte en organische elektronica.

Lees:Transparante materialen kunnen licht absorberen | Een ongebruikelijk optisch effect

Deze multidomeintechnologie zou de kijkhoeken in LCD's kunnen verbeteren. Omdat pixels elkaar compenseren wanneer ze vanuit een hoek worden bekeken, wordt de kleurweergave verbeterd. Bovendien zijn de onderzoekers van mening dat deze methode goedkoper en eenvoudiger zou zijn dan andere bestaande multidomeintechnieken.