Ett internationellt forskargrupp från Ryssland, Frankrike och Tyskland har föreslagit en ny metod för att orientera flytande kristaller. Den kan användas för att öka visningsvinkeln för flytande kristallskärmar. Tidningen publicerades i tidningen ACS makrobokstäver .

"Detta är först och främst en grundläggande studie som utforskar mekanismerna för flytande kristallorientering, säger Dimitri Ivanov, chef för Laboratory of Functional Organic and Hybrid Materials på MIPT. "Som sagt, vi förväntar oss att dessa mekanismer kan ha tillämpningar i ny LCD -teknik. "

De flesta fasta ämnen är kristaller. I en kristall, molekyler eller atomer bildar en ordnad tredimensionell struktur. Till skillnad från fasta ämnen, vätskor saknar denna interna långdistansorder, men de kan flöda. Material i flytande kristalltillstånd har egenskaper som är mellanliggande mellan vätskornas och kristallernas egenskaper:Det besitter både den molekylära ordningen och förmågan att flöda. En flytande kristall kan således ses som en "beställd" vätska.

Inte alla material kan uppvisa ett flytande kristallint tillstånd, och fasövergångsmekanismerna kan variera. Bland annat, molekylerna i ett LC-material måste vara anisometriska – det vill säga, stav- eller skivformad. Vissa föreningar blir LC i ett visst temperaturområde. Dessa kallas termotropa. Däremot, lyotropa LC antar det flytande kristallina tillståndet när ett lösningsmedel tillsätts.

Egenskaperna för ett LC -material varierar beroende på riktning. Till exempel, polariserat ljus förökar sig i en flytande kristall med olika hastigheter längs olika riktningar. Också, i ett elektriskt eller magnetiskt fält, orienteringen av LC kan snabbt ändras. Detta fenomen är känt som Fréedericksz -övergången. Tack vare de optiska egenskaperna hos LC:er och deras förmåga att enkelt anpassas, de används i stor utsträckning i elektroniska displayer på TV -apparater, datorer, telefoner, och andra enheter.

I en LCD, bilden genereras genom att ändra ljusintensiteten i varje pixel via ett elektriskt fält, som justerar flytande kristaller. Det finns flera LCD -konfigurationer, men den som används mest är baserad på vridna nematiska LC:er. Dessa är stavformade termotropiska flytande kristaller som kan anta en vriden konfiguration genom att använda speciella inriktningssubstrat. Att tillämpa ett elektriskt fält på dessa LC:er kan avveckla dem. Denna reproducerbara och förutsägbara respons kan användas för att kontrollera ljusintensiteten.

Varje pixel i en färg -LCD består av tre subpixlar:röd, grön, och blå. Genom att variera deras intensitet, valfri färg kan visas. En subpixel i en vriden nematisk-baserad LCD (figur 1) består av en ljuskälla, ett färgfilter, två polarisatorer, och en LC-cell mellan två glasplattor med elektroder. Om de flytande kristallerna inte fanns där, inget ljus skulle passera genom cellen, eftersom allt ljus som släpps igenom av den vertikala polarisatorn skulle blockeras av den horisontella polarisatorn innan det når färgfiltret. Dock, speciella substrat med groovy ytor kan användas för att vrida LC i en spiral mellan två polarisatorer för att vända ljuset exakt med den mängd som behövs för att passera genom den andra polarisatorn. Subpixelns helt upplysta tillstånd är faktiskt dess "av" -läge. När spänning appliceras, de flytande kristallerna vrids upp, ändrar ljuspolarisationen i mindre grad. Som ett resultat, en del av ljuset är blockerat. Så småningom, eftersom viss spänning inget ljus kan nå färgfiltret, och subpixeln blir mörk.

En av begränsningarna för denna teknik är bildskärmens betraktningsvinkel:Från ett sidledsperspektiv, LCD-skärmen återger inte färgerna korrekt. Detta beror på samjustering av flytande kristaller. Problemet kan lösas med multidomänskärmar, där pixlar tillhör ett antal domäner, vars LC -orienteringar är olika. Det gör att åtminstone några av domänerna alltid är orienterade på rätt sätt. Det internationella forskarteamet som leds av professor Dimitri Ivanov, som leder MIPT:s laboratorium för funktionella organiska och hybridmaterial, har föreslagit en helt ny lösning för multidomain -displaydesign.

Författarna till uppsatsen arbetade med flytande kristallpolymerer. Dessa är ämnen som består av långa molekyler med en kedjeliknande, repetitiv struktur. En liten variation i strukturen hos polymerer kan drastiskt förändra deras orientering på substratet. Polymererna som används i studien är poly(di-n-alkylsiloxaner), eller PDAS. Varje molekyl är en kedja som innehåller alternerande kisel- och syreatomer. Kiselatomerna i PDAS har två symmetriska kolvätsidokedjor (figur 2). N i föreningens namn står för sidokedjornas längd, som varierade mellan 2 och 6.

I experimentet, polymerer från PDAS-familjen avsattes på en Teflon-gnidad inriktningsyta med ett regelbundet mönster av spår. Rent generellt, kristallina polymerer är kända för att ligga på sådana substrat, men endast när gitterparametrarna för substratet matchar de hos den deponerade polymeren. Forskarna undersökte orienteringen av flytande kristallpolymerkedjorna i förhållande till spårens riktning på den inriktade ytan. Sidkedjelängden n ökades i steg av bara en metylengrupp (CH2) åt gången.

Forskarna fann att, i strid med förväntningarna, vätskekristallorienteringen varierade beroende på sidokedjelängden. Vid n lika med 2, de nålartade polymeröverbyggnaderna kända som lameller samsatta med teflonspåren. Eftersom lameller är kända för att vara vinkelräta mot polymerkedjorna, forskarna drog slutsatsen att polymerkedjorna är vinkelräta mot spåren på substratet (figur 3, vänster). När n ökades till tre, orienteringen av lamellerna ändrades med 90 grader, gör dem vinkelräta mot spåren. Som ett resultat, LC-polymerkedjorna var nu orienterade parallellt med spåren (figur 3, höger). Vid n lika med fyra, ingen ytterligare förändring i orientering observerades. Dock, när sidokedjelängden ökades ytterligare till fem och sex, lamellerna kom återigen i linje med Teflon-spåren.

Forskarna har således funnit att genom att bara lägga till en metylengrupp till polymerens sidokedja, de kunde byta LC -orientering, vilket är avgörande för de flesta tillämpningar av flytande kristaller, inklusive LCD -skärmar. Enligt författarna, den effekt de upptäckte kan användas för att designa LCD -skärmar med förbättrade betraktningsvinklar. Detta kan uppnås med en multidomainteknik som fungerar genom att orientera subpixlar med en färg i olika riktningar. Som ett resultat, pixlarna kompenserar varandra när skärmen ses i vinkel, förbättra färgåtergivningen. Forskarna förväntar sig att denna teknik är avsevärt enklare och billigare än andra metoder för flerdomän som för närvarande används.