Blaues Phasenmodus-LCD - Blue phase mode LCD

Ein Blauphasenmodus-LCD ist eine Flüssigkristallanzeigetechnologie (LCD), die stark verdrillte cholesterische Phasen in einer blauen Phase verwendet . Es wurde erstmals 2007 vorgeschlagen, eine bessere Darstellung von bewegten Bildern mit beispielsweise Bildraten von 100–120 Hz zu erzielen, um das zeitliche Verhalten von LCDs zu verbessern. Dieser Betriebsmodus für LCDs erfordert auch keine anisotropen Ausrichtungsschichten (z. B. geriebenes Polyimid ) und vereinfacht somit theoretisch den LCD-Herstellungsprozess.

Geschichte

Abbildung 1: Perspektivische Ansicht einer doppelt verdrillten Struktur mit zwei Schraubenachsen, h 1 und h 2 . Die Direktoren führen eine Drehung um 90 ° über den Durchmesser durch.

In Reinitzers Berichten von 1888 über das Schmelzverhalten von Cholesterylbenzoat wird darauf hingewiesen , dass die Substanz kurzzeitig blau wurde, als sie beim Abkühlen von klar zu trüb wechselte. Dieser subtile Effekt blieb mehr als 80 Jahre lang unerforscht, bis in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren experimentelle Ergebnisse veröffentlicht wurden, die darauf hinwiesen, dass die blaue Farbe auf mindestens zwei neue und sehr unterschiedliche flüssigkristalline Phasen zurückzuführen war .

Fast 100 Jahre lang gingen Wissenschaftler davon aus, dass die stabilste cholesterische Helixstruktur durch eine einzelne Helixachse beschrieben werden kann, um die sich der Direktor dreht. Es stellte sich heraus, dass sich der Direktor in der neuen Struktur spiralförmig um jede Achse senkrecht zu einer Linie dreht, wie in Abb. 1 dargestellt. 1. Obwohl tatsächlich eine unbegrenzte Anzahl von Schraubenachsen vorhanden ist, wurde diese Struktur als Doppelverdrillungsstruktur bezeichnet .

Abbildung 2: Draufsicht auf einen Doppelzylinder. Die Ebene, die die verschiedenen Helixachsen h enthält (drei davon sind hier gezeigt), ist die Ebene der Figur. Der Regisseur zeigt aus der Ebene der Figur in der Mitte und dreht sich, wenn Sie sich von der Mitte entfernen.

Diese Double-Twist-Struktur ist nur bis zu einem bestimmten Abstand von der Linie in der Mitte stabiler als die Single-Twist-Struktur (dh die normale helikale Struktur der chiralen Nematik ). Da dieser Abstand in der Größenordnung des Abstands des chiralen nematischen Flüssigkristalls (typischerweise 100 nm) liegt und die Geometrien üblicher Flüssigkristallproben viel größer sind, tritt die Doppelverdrillungsstruktur nur selten auf.

Abbildung 3: Perspektivische Ansicht des Double Twist-Zylinders. Die Linien an der Außenseite sollen eine 45 ° -Drehung des Direktors in diesem Abstand von der Mittellinie anzeigen.

Blaue Phasen sind Sonderfälle, wenn Double-Twist-Strukturen große Volumina füllen. Wenn Doppelverdrillungsstrukturen in alle Richtungen auf den Abstand von der Mittellinie begrenzt sind, wo die Verdrillung 45 ° beträgt, entsteht ein Doppelverdrillungszylinder . Aufgrund seines kleinen Radius ist ein solcher Zylinder stabiler als das gleiche Volumen, das mit einem chiralen nematischen Flüssigkristall mit einer einzigen Drehung gefüllt ist.

Abbildung 4: Darstellung eines kubischen Gitters aus Doppelzwirnzylindern. Alle Winkel sollen rechte Winkel sein.

Aus diesen Doppelzwirnzylindern kann eine große Struktur bestehen , aber an den Stellen, an denen die Zylinder in Kontakt stehen , treten Defekte auf, wie in Fig. 1 dargestellt. 5. Diese Defekte treten in regelmäßigen Abständen auf und neigen dazu, die Struktur weniger stabil zu machen, aber sie ist immer noch etwas stabiler als die Single-Twist-Struktur ohne Defekte, zumindest innerhalb eines Temperaturbereichs von etwa 1 K unterhalb des Übergangs von der chiralen nematischen Phase zu einer isotropen Flüssigkeit.

Die Defekte , die in regelmäßigen Abständen in drei räumlichen Dimensionen auftreten, bilden ein kubisches Gitter, wie wir es aus festen Kristallen kennen. Blaue Phasen werden somit durch ein regelmäßiges dreidimensionales Defektgitter innerhalb eines chiralen Flüssigkristalls gebildet. Da die Abstände zwischen den Defekten einer blauen Phase im Bereich der Lichtwellenlänge (mehrere hundert Nanometer) liegen, treten für bestimmte Wellenlängenbereiche des von der Gitterreflexion reflektierten Lichts konstruktive Interferenzen auf ( Bragg-Reflexion ) und die blaue Phase reflektiert farbiges Licht (Beachten Sie, dass nur einige der blauen Phasen tatsächlich blaues Licht reflektieren).

Abbildung 5: Neigungen bilden sich dort, wo sich die Doppelzwirnzylinder berühren. Der Kern der Disklination beim Überqueren des dreieckigen Bereichs wird als weißer Punkt angezeigt.
Abbildung 6: Strukturen von doppelt verdrillten Zylindern in flüssigkristallblauer Phase I (links) und II (rechts).

Breiter Temperaturbereich blaue Phasen

Im Jahr 2005 berichteten Forscher des Zentrums für molekulare Materialien für Photonik und Elektronik an der Universität von Cambridge über ihre Entdeckung einer Klasse von Flüssigkristallen in der blauen Phase, die über einen Temperaturbereich von 16 bis 60 ° C stabil bleiben. Die Forscher zeigten, dass ihre ultrastabilen blauen Phasen verwendet werden können, um die Farbe des reflektierten Lichts durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Material zu ändern, und dass dies schließlich verwendet werden kann, um dreifarbige (rote, grüne und blaue) Pixel für zu erzeugen Vollfarbdisplays. Die neuen blauen Phasen bestehen aus Molekülen, in denen zwei steife, stabförmige Segmente durch eine flexible Kette verbunden sind, und es wird angenommen, dass sie aufgrund der Flexoelektrizität stabilisiert sind.

Weiterhin wurde ein elektrooptisches Schalten mit Reaktionszeiten in der Größenordnung von 10 –4  s für die stabilisierten blauen Phasen bei Raumtemperatur gezeigt.

Blauphasenkristalle werden als photonische 3D-Kristalle angesehen , da sie eine periodische kubische Struktur im Nanometerbereich mit einer selektiven Bandlücke in den sichtbaren Wellenlängen besitzen. Die Standardherstellung von Blauphasenkristallen erzeugt jedoch polykristalline Proben, wobei die Einkristallgröße im Mikrometerbereich liegt. Kürzlich wurden blaue Phasen, die als ideale photonische 3D-Kristalle in großen Volumina erhalten wurden, mit einer kontrollierten Kristallgitterorientierung stabilisiert.

Das elektrooptische Schalten von monokristallinen blauen Phasen zeigt eine erhöhte Modulation und weniger Streuung als bei polykristallinen Proben

Erste blaue Phase LC-Anzeige

Im Mai 2008 gab Samsung Electronics bekannt, dass das weltweit erste Blue Phase LCD-Panel entwickelt wurde , das mit einer beispiellosen Bildwiederholfrequenz von 240 Hz betrieben werden kann. Samsung enthüllt ein 15 - Zoll - Prototyp - Modell seiner blauen Phase LCD - Panel auf der SID ( Society for Information Display ) 2008 internationalen Symposium, Seminar und Ausstellung, die sich von 18 bis 23 Mai 2008 in Los Angeles statt.

Der Blue Phase-Modus von Samsung wurde unter dem Gesichtspunkt der Kosteneffizienz entwickelt und erfordert keine Flüssigkristall-Ausrichtungsschichten, im Gegensatz zu den heute am häufigsten verwendeten TFT-LCD- Modi wie Twisted Nematic (TN), In-Plane-Switching (IPS) oder Vertical Alignment (VA). . Der Blue Phase-Modus kann eigene Ausrichtungsschichten erstellen, sodass keine mechanischen Ausrichtungs- und Reibungsprozesse erforderlich sind. Dies reduziert die Anzahl der erforderlichen Fertigungsschritte, was zu Einsparungen bei den Produktionskosten führt. Zusätzlich wurde behauptet, dass Blue Phase-Panels die Empfindlichkeit der Flüssigkristallschicht gegenüber mechanischem Druck verringern würden, was die seitliche Gleichmäßigkeit der Anzeige (z. B. Luminanz , Chromatizität) beeinträchtigen könnte .

In einem auf einer blauen Phase basierenden LC-Display für TV-Anwendungen wird nicht die selektive Reflexion von Licht gemäß dem Gitterabstand ( Bragg-Reflexion ) zur Anzeige visueller Informationen verwendet, sondern ein externes elektrisches Feld induziert eine Doppelbrechung im Flüssigkristall über der Kerr-Effekt . Diese feldinduzierte Doppelbrechung wird als Änderung der Transmission sichtbar, wenn die Blue Phase Mode LC- Schicht zwischen gekreuzten Polarisatoren angeordnet wird .

Für eine detaillierte Diskussion der Blauphasen - LCs in IPS-Strukturen ( In-Plane Switching ) und der damit verbundenen Modellierungsmethode basierend auf dem Kerr-Effekt in einem makroskopischen Maßstab siehe Referenzen. Mit einem isotropen Dunkelzustand zeigen Blauphasen-LCDs viele interessante elektrooptische Leistungen. Derzeit ist die Ansteuerspannung von LCs mit blauer Phase in IPS-Strukturen noch etwas zu hoch. Um die Spannung zu reduzieren, ist die Werkstofftechnik zur Entwicklung von Gemischen mit hoher Kerr-Konstante von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus ist das Gerätedesign auch ein effektiver Weg. Bei richtiger Gestaltung der Gerätestruktur kann die Ansteuerspannung stark reduziert werden.

Verweise

Weiterführende Literatur

  • OD Lavrentovich, M. Kleman : Defekte und Topologie cholesterischer Flüssigkristalle "in" Chiralität in Flüssigkristallen, 5 ", Springer Verlag: New York (2001), Auszug hier erhältlich .

Siehe Seite 124, Abbildung 5.4 für Einzelheiten zur im Zwickel gebildeten Disklination (dh dreieckiger Bereich, in dem drei Doppelzwirnzylinder in Kontakt stehen).

Externe Links

  • Universität Cambridge, Fakultät für Ingenieurwissenschaften [1]
  • Universität Cambridge, Zentrum für molekulare Materialien für Photonik und Elektronik [2]
  • Weltweit erste "Blue Phase" -Technologie LC-TV [3]