Een internationaal onderzoeksteam uit Rusland, Frankrijk en Duitsland hebben een nieuwe methode voorgesteld voor het oriënteren van vloeibare kristallen. Het kan worden gebruikt om de kijkhoek van LCD-schermen te vergroten. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift ACS-macrobrieven .

"Dit is in de eerste plaats een fundamentele studie die de mechanismen van de oriëntatie van vloeibare kristallen onderzoekt, " zegt Dimitri Ivanov, het hoofd van het Laboratorium voor Functionele Organische en Hybride Materialen bij MIPT. "Dat gezegd hebbende, we verwachten dat deze mechanismen toepassingen kunnen hebben in nieuwe LCD-technologie."

De meeste vaste stoffen zijn kristallen. In een kristal, moleculen of atomen vormen een geordende driedimensionale structuur. In tegenstelling tot vaste stoffen, vloeistoffen missen deze interne lange-afstandsvolgorde, maar ze kunnen stromen. Materie in vloeibare kristaltoestand heeft eigenschappen die tussen die van vloeistoffen en kristallen liggen:het bezit zowel de moleculaire orde als het vermogen om te stromen. Een vloeibaar kristal kan dus gezien worden als een "geordende" vloeistof.

Niet alle materialen kunnen een vloeibaar kristallijne toestand vertonen, en de faseovergangsmechanismen kunnen variëren. Onder andere, de moleculen van een LC-materiaal moeten anisometrisch zijn, dat wil zeggen, staaf- of schijfvormig. Sommige verbindingen worden LC's in een bepaald temperatuurbereik. Deze worden thermotroop genoemd. Daarentegen, lyotrope LC's nemen de vloeibaar-kristallijne toestand aan wanneer een oplosmiddel wordt toegevoegd.

De eigenschappen van een LC-materiaal variëren afhankelijk van de richting. Bijvoorbeeld, gepolariseerd licht plant zich met verschillende snelheden in verschillende richtingen voort in een vloeibaar kristal. Ook, in een elektrisch of magnetisch veld, de oriëntatie van LC's kan snel veranderen. Dit fenomeen staat bekend als de Fréedericksz-transitie. Dankzij de optische eigenschappen van LC's en hun vermogen om gemakkelijk opnieuw uit te lijnen, ze worden veel gebruikt in de elektronische displays van tv's, computers, telefoons, en andere apparaten.

Op een LCD-scherm, het beeld wordt gegenereerd door de intensiteit van het licht in elke pixel te veranderen via een elektrisch veld, die vloeibare kristallen opnieuw uitlijnt. Er zijn verschillende LCD-configuraties, maar de meest gebruikte is gebaseerd op gedraaide nematische LC's. Dit zijn staafvormige thermotrope vloeibare kristallen die een gedraaide configuratie kunnen aannemen door speciale uitlijnsubstraten te gebruiken. Door een elektrisch veld op deze LC's aan te brengen, kunnen ze worden losgedraaid. Deze reproduceerbare en voorspelbare respons kan worden gebruikt om de lichtintensiteit te regelen.

Elke pixel in een kleuren-LCD bestaat uit drie subpixels:rood, groente, en blauw. Door hun intensiteit te variëren, elke kleur kan worden weergegeven. Een subpixel in een getwiste nematic-gebaseerde LCD (figuur 1) bestaat uit een lichtbron, een kleurenfilter, twee polarisatoren, en een LC-cel tussen twee glasplaten met elektroden. Als de vloeibare kristallen er niet waren, er zou geen licht door de cel gaan, omdat het licht dat door de verticale polarisator wordt doorgelaten, door de horizontale polarisator wordt geblokkeerd voordat het het kleurenfilter bereikt. Echter, speciale substraten met groovy oppervlakken kunnen worden gebruikt om LC's in een spiraal tussen twee polarisatoren te draaien om het licht precies te draaien met de hoeveelheid die nodig is om door de tweede polarisator te gaan. De volledig verlichte staat van de subpixel is eigenlijk de "uit"-status. Wanneer er spanning wordt aangelegd, de vloeibare kristallen ontwarren, het veranderen van de lichtpolarisatie in mindere mate. Als resultaat, een deel van het licht wordt geblokkeerd. Eventueel, omdat een bepaalde spanning het kleurenfilter niet kan bereiken, en de subpixel wordt donker.

Een van de beperkingen van deze technologie is de kijkhoek van een display:vanuit een zijwaarts perspectief, het LCD-scherm geeft de kleuren niet nauwkeurig weer. Dit komt door de co-uitlijning van vloeibare kristallen. Het probleem kan worden opgelost met behulp van displays met meerdere domeinen, waarin pixels tot een aantal domeinen behoren, waarvan de LC-oriëntaties verschillend zijn. Dit betekent dat in ieder geval een deel van de domeinen altijd op de juiste manier is georiënteerd. Het internationale team van onderzoekers onder leiding van professor Dimitri Ivanov, die aan het hoofd staat van MIPT's Laboratorium voor Functionele Organische en Hybride Materialen, heeft een gloednieuwe oplossing voorgesteld voor het ontwerpen van multidomain-displays.

De auteurs van het artikel werkten met vloeibare kristalpolymeren. Dit zijn stoffen die zijn samengesteld uit lange moleculen met een kettingachtige, repetitieve structuur. Een kleine variatie in de structuur van polymeren kan hun oriëntatie op het substraat drastisch veranderen. De in het onderzoek gebruikte polymeren zijn poly(di-n-alkylsiloxanen), of PDAS. Elk molecuul is een keten die afwisselend silicium- en zuurstofatomen bevat. De siliciumatomen in PDAS dragen twee symmetrische koolwaterstofzijketens (figuur 2). De n in de naam van de verbinding staat voor de lengte van de zijketens, die varieerde tussen 2 en 6.

In het experiment, polymeren uit de PDAS-familie werden afgezet op een met Teflon gewreven uitlijningsoppervlak met een regelmatig patroon van groeven. Over het algemeen, het is bekend dat kristallijne polymeren zich op dergelijke substraten uitlijnen, maar alleen wanneer de roosterparameters van het substraat overeenkomen met die van het afgezette polymeer. De onderzoekers onderzochten de oriëntatie van de vloeibaar-kristalpolymeerketens ten opzichte van de richting van de groeven op het uitlijnoppervlak. De lengte van de zijketen n werd in stappen van slechts één methyleengroep (CH₂) per keer vergroot.

De onderzoekers vonden dat, tegen de verwachting in, de vloeibaar-kristaloriëntatie varieerde afhankelijk van de lengte van de zijketen. Bij n gelijk aan 2, de naaldachtige polymeer superstructuren bekend als lamellen co-uitgelijnd met de Teflon groeven. Omdat bekend is dat lamellen loodrecht op de polymeerketens staan, de onderzoekers concludeerden dat de polymeerketens loodrecht op de groeven op het substraat staan ​​(figuur 3, links). Toen n werd verhoogd tot drie, de oriëntatie van de lamellen veranderde met 90 graden, waardoor ze loodrecht op de groeven staan. Als resultaat, de LC-polymeerketens waren nu evenwijdig aan de groeven georiënteerd (figuur 3, Rechtsaf). Bij n gelijk aan vier, geen verdere verandering in oriëntatie werd waargenomen. Echter, toen de lengte van de zijketen verder werd vergroot tot vijf en zes, de lamellen weer uitgelijnd met de Teflon groeven.

De onderzoekers hebben dus ontdekt dat door slechts één methyleengroep aan de zijketen van het polymeer toe te voegen, ze kunnen de LC-oriëntatie veranderen, wat cruciaal is voor de meeste toepassingen van vloeibare kristallen, inclusief LCD's. Volgens de auteurs is het effect dat ze ontdekten, zou kunnen worden gebruikt om LCD's te ontwerpen met verbeterde kijkhoeken. Dit kan worden bereikt met behulp van een multidomein-technologie die werkt door subpixels van één kleur in verschillende richtingen te oriënteren. Als resultaat, de pixels compenseren elkaar wanneer het scherm schuin wordt bekeken, kleurweergave verbeteren. De onderzoekers verwachten dat deze technologie aanzienlijk eenvoudiger en goedkoper zal zijn dan andere multidomein-benaderingen die momenteel worden gebruikt.