Modernste LCD-Innovation erweitert Betrachtungswinkel und Farbtreue

• Forscher schlagen Multidomänen-Anzeigen vor, um den Betrachtungswinkel und die Farbwiedergabe zu verbessern. 
• Es funktioniert mit Flüssigkristallpolymeren, Poly(di-n-alkylsiloxanen). 
• Es kann den Herstellungsprozess erleichtern und neue Türen im Bereich der gedruckten und organischen Elektronik öffnen. 

Der Markt für Flüssigkristallanzeigen (LCD) hat die Vorteile des Flüssigkristallzustands der Materie voll und ganz erkannt, da er Mobilität und Ordnung kombiniert, was eine hohe Effizienz, einen geringen Stromverbrauch und eine kompakte Gerätegröße ermöglicht.

Eine der größten Einschränkungen der LCD-Technologie ist jedoch ihr Betrachtungswinkel:Aus der seitlichen Perspektive werden Farben nicht genau wiedergegeben. Dies geschieht aufgrund der gemeinsamen Ausrichtung von Flüssigkristallen.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein internationales Forscherteam aus Deutschland, Russland und Frankreich eine neue Technik zur Ausrichtung von Flüssigkristallen vorgeschlagen. Lassen Sie uns herausfinden, was genau sie getan haben, um dieses jahrzehntealte Problem zu lösen.

Flüssigkristalle

Die meisten Kristalle sind fest:Ihre Atome oder Moleküle bilden eine geordnete dreidimensionale Struktur. Aber Flüssigkristallen fehlt diese Konfiguration und sie können fließen. Moleküle im Flüssigkristallzustand haben Eigenschaften, die zwischen denen von Kristallen und Flüssigkeiten liegen, was ihnen die Fähigkeit zum Fließen verleiht.

Die Moleküle eines LC-Materials haben eine anisometrische Form:eine Scheiben- oder Stabform. Ihre Eigenschaften hängen von der Richtung ab. In einem Flüssigkristall breitet sich beispielsweise polarisiertes Licht mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen aus. Ihre Ausrichtung kann durch eine Änderung des elektrischen oder magnetischen Feldes schnell geändert werden, ein Phänomen, das als „Fréedericksz-Übergang“ bezeichnet wird.

Die optischen Eigenschaften von Flüssigkristallen und ihre Neuausrichtungsfähigkeit machen sie in elektronischen Displays, Telefonen, Computern, Fernsehern und Geräten weit verbreitet.

LCD

Bei LCDs wird das Bild dadurch erzeugt, dass die Lichtintensität in jedem Pixel durch ein elektrisches Feld verändert wird, das Flüssigkristallmaterialien neu ausrichtet. LCDs haben mehrere Konfigurationen, die beliebteste basiert jedoch auf verdrillten nematischen Flüssigkristallen:stabförmigen thermotropen Flüssigkristallen. Sie können durch Anlegen eines elektrischen Feldes leicht verdreht und entdreht werden.

Nematische Flüssigkristallanzeige | Bildnachweis:MIPT-Pressebüro

Sie wissen vielleicht, dass jedes Pixel in Farb-LCDs drei Subpixel enthält:Rot, Grün und Blau (RGB). Durch Variation ihrer Intensität kann jede beliebige Farbe auf dem Bildschirm dargestellt werden. Ein Subpixel in einem Twisted-Nematic-LCD enthält eine Lichtquelle, zwei Polarisatoren, einen Farbfilter und einen Flüssigkristall, der zwischen zwei Glasplatten mit Elektroden platziert ist.

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Beim Anlegen einer Spannung entdrillen sich die Flüssigkristalle, wodurch sich die Lichtpolarisation bis zu einem gewissen Grad verändert. Dadurch wird ein Teil des Lichts blockiert. Letztendlich kann bei einer bestimmten Spannung kein Licht den Farbfilter erreichen, was dazu führt, dass Subpixel dunkel werden.

Der Betrachtungswinkel dieser Technologie ist nicht so groß. Um dieses Problem zu lösen, schlugen Forscher Multidomänenanzeigen vor, bei denen ein Satz Pixel einer Reihe von Domänen zugeordnet ist, deren Flüssigkristallausrichtungen unterschiedlich sind. Dadurch sind zumindest einige Domänen immer in die richtige Richtung ausgerichtet.

Wie funktioniert es?

Dieser Ansatz funktioniert mit Flüssigkristallpolymeren. Eine kleine Variation der Polymerstrukturen kann ihre Ausrichtung auf dem Substrat drastisch verändern. Die Polymere, über die wir sprechen, sind PDAS oder Poly(di-n-alkylsiloxane).

Chemische Struktur von PDAS

In diesem Polymer ist jedes Molekül eine Kette, die aus abwechselnden Sauerstoff- und Siliziumatomen besteht. Die Siliziumatome sind mit zwei symmetrischen Kohlenwasserstoffseitenketten verknüpft. Das „n“ in der Verbindung stellt die Länge der Seitenketten dar, die zwischen 2 und 6 variiert.

Die Forscher lagerten dieses Polymer auf einer mit Teflon beschichteten Ausrichtungsoberfläche mit einem regelmäßigen Rillenmuster ab. Anschließend analysierten sie die Ausrichtung der Polymerkette in Bezug auf die Rillenrichtung auf der Ausrichtungsoberfläche.

Referenz:ACS-Makrobuchstaben | doi:10.1021/acsmacrolett.8b00044 | MIPT

Sie erhöhten die Länge (n) der Seitenkette in Schritten von jeweils einer CH₂-Gruppe (Methylen). Das nadelförmige Polymer richtete sich bei n=2 mit den Teflon-Rillen aus. Und sie zeigten, dass die Polymerketten senkrecht zu den Rillen auf dem Substrat stehen (siehe linke Seite des Bildes).

Flüssigkristallorientierungen in Bezug auf das Teflonsubstrat | Bildnachweis: MIPT

Bei n=3 änderte sich die Polymerorientierung um 90 Grad, d. h. sie sind senkrecht zu den Rillen ausgerichtet. Daher sind die Flüssigkristall-Polymerketten nun parallel zu den Rillen ausgerichtet (siehe rechte Seite des Bildes).

Bei einer Erhöhung des n-Werts auf 4 wurde keine weitere Orientierungsänderung beobachtet. Bei n=5 und n=6 richtete sich das nadelförmige Polymer jedoch erneut mit den Teflon-Rillen aus.

Schlussfolgerung

Die Autoren haben herausgefunden, dass durch die Erhöhung der Methylengruppe in einer Polymerseitenkette die Ausrichtung des Flüssigkristalls geändert werden kann, was für Flüssigkristallanzeigen und andere Anwendungen sehr wichtig ist.

Die Induktion von zwei zueinander orthogonalen Flüssigkristallorientierungen wird auf demselben geriebenen Substrat möglich. Dies kann den Herstellungsprozess ermöglichen und neue Türen im Bereich der gedruckten und organischen Elektronik öffnen.

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Diese Multidomänen-Technologie könnte die Betrachtungswinkel in LCDs verbessern. Da sich die Pixel bei schräger Betrachtung gegenseitig kompensieren, wird die Farbwiedergabe verbessert. Darüber hinaus glauben die Forscher, dass diese Methode kostengünstiger und einfacher wäre als andere bestehende Multidomänentechniken.