Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw vloeibaar kristal in blauwe fase ontwikkeld waarmee televisies, computerschermen en andere beeldschermen die meer pixels in dezelfde ruimte plaatsen en tegelijkertijd het vermogen verminderen dat nodig is om het apparaat te laten werken. Het nieuwe vloeibare kristal is geoptimaliseerd voor veld-sequentiële kleuren-liquid crystal displays (LCD's), een veelbelovende technologie voor displays van de volgende generatie.

"De huidige Apple Retina-displays hebben een resolutiedichtheid van ongeveer 500 pixels per inch, " zei Shin-Tson Wu, die het onderzoeksteam leidde van het College of Optics and Photonics (CREOL) van de University of Central Florida. "Met onze nieuwe technologie, een resolutiedichtheid van 1500 pixels per inch zou kunnen worden bereikt op hetzelfde scherm. Dit is vooral aantrekkelijk voor virtual reality-headsets of augmented reality-technologie, die een hoge resolutie moet bereiken op een klein scherm om er scherp uit te zien wanneer het dicht bij onze ogen wordt geplaatst."

Hoewel Samsung in 2008 het eerste prototype met blauwe fase LCD demonstreerde, de technologie is nog steeds niet in productie genomen vanwege problemen met een hoge bedrijfsspanning en een langzame oplaadtijd van de condensator. Om deze problemen aan te pakken, Het onderzoeksteam van Wu werkte samen met medewerkers van vloeibaar-kristalfabrikant JNC Petrochemical Corporation in Japan en beeldschermfabrikant AU Optronics Corporation in Taiwan.

In het journaal Optische materialen Express , van The Optical Society (OSA), de onderzoekers rapporteren hoe het combineren van het nieuwe vloeibare kristal met een speciale prestatieverhogende elektrodestructuur een lichttransmissie van 74 procent kan bereiken met een bedrijfsspanning van 15 volt per pixel - operationele niveaus die veldsequentiële kleurenschermen eindelijk praktisch zouden kunnen maken voor productontwikkeling.

"Veldsequentiële kleurenschermen kunnen worden gebruikt om de kleinere pixels te bereiken die nodig zijn om de resolutiedichtheid te verhogen, " zei Yuge Huang, eerste auteur van het artikel. "Dit is belangrijk omdat de resolutiedichtheid van de huidige technologie bijna op zijn limiet zit."

Hoe het werkt

De huidige LCD-schermen bevatten een dunne laag nematisch vloeibaar kristal waardoor de inkomende witte LED-achtergrondverlichting wordt gemoduleerd. Dunne-filmtransistors leveren de vereiste spanning die de lichttransmissie in elke pixel regelt. De LCD-subpixels bevatten rode, groene en blauwe filters die in combinatie worden gebruikt om verschillende kleuren voor het menselijk oog te produceren. De kleur wit ontstaat door alle drie de kleuren te combineren.

Blue-phase vloeibaar kristal kan worden geschakeld, of gecontroleerd, ongeveer 10 keer sneller dan het nematische type. Deze responstijd van minder dan een milliseconde maakt het mogelijk dat elke LED-kleur (rood, groen en blauw) om op verschillende tijdstippen door het vloeibare kristal te worden gestuurd en elimineert de noodzaak voor kleurenfilters. De LED-kleuren worden zo snel geschakeld dat onze ogen rood kunnen integreren, groen en blauw om wit te vormen.

"Met kleurenfilters, het Rode, groen en blauw licht worden allemaal tegelijkertijd gegenereerd, "zei Wu. "Echter, met vloeibaar kristal in blauwe fase kunnen we één subpixel gebruiken om alle drie de kleuren te maken, maar op verschillende tijdstippen. Dit zet ruimte om in tijd, een ruimtebesparende configuratie van tweederde, wat de resolutiedichtheid verdrievoudigt."

Het vloeibare kristal in de blauwe fase verdrievoudigt ook de optische efficiëntie omdat het licht niet door kleurenfilters hoeft te gaan. die de transmissie beperken tot ongeveer 30 procent. Een ander groot voordeel is dat de weergegeven kleur levendiger is omdat deze rechtstreeks uit rood komt, groene en blauwe LED's, waardoor de kleuroverspraak die optreedt bij conventionele kleurfilters wordt geëlimineerd.

Het team van Wu werkte samen met JNC om de diëlektrische constante van de blauwe fase vloeibaar kristal te verminderen tot een minimaal acceptabel bereik om de oplaadtijd van de transistor te verkorten en een optische responstijd van minder dan een milliseconde te krijgen. Echter, elke pixel had nog steeds een iets hogere spanning nodig dan een enkele transistor zou kunnen leveren. Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers implementeerden een uitstekende elektrodestructuur waardoor het elektrische veld dieper in het vloeibare kristal kan doordringen. Dit verlaagde de spanning die nodig was om elke pixel aan te sturen, terwijl een hoge lichttransmissie behouden bleef.

"We hebben een operationele spanning bereikt die laag genoeg is om elke pixel te laten aansturen door een enkele transistor, terwijl we ook een responstijd van minder dan 1 milliseconde bereikten, " zei Haiwei Chen, een promovendus in het laboratorium van Wu. "Deze delicate balans tussen bedrijfsspanning en responstijd is essentieel voor het mogelijk maken van veldsequentiële kleurendisplays."

Een prototype maken

"Nu we hebben aangetoond dat het combineren van het vloeibare kristal in de blauwe fase met de uitstekende elektronenstructuur haalbaar is, de volgende stap is dat de industrie ze combineert tot een werkend prototype, " zei Wu. "Onze partner AU Optronics heeft uitgebreide ervaring in het vervaardigen van de uitstekende elektrodestructuur en bevindt zich in een goede positie om dit prototype te produceren."

Wu voorspelt dat er volgend jaar een werkend prototype beschikbaar kan zijn. Aangezien AU Optronics al een prototype heeft dat de uitstekende elektroden gebruikt, het is alleen een kwestie van samenwerken met JNC om het nieuwe materiaal in dat prototype te krijgen.