ЖК-дисплей с синей фазой - Blue phase mode LCD

А ЖК-дисплей с синей фазой это жидкокристаллический дисплей (LCD) технология, использующая сильно скрученные холестериновые фазы в синяя фаза. Впервые это было предложено в 2007 году для получения лучшего отображения движущихся изображений, например, с частотой кадров 100–120 Гц для улучшения временного отклика ЖК-дисплеев.[1] Этот рабочий режим для ЖК-дисплеев также не требует анизотропный выравнивающие слои (например, натертые полиимид ) и, таким образом, теоретически упрощает процесс изготовления ЖК-дисплея.

История

Рисунок 1: Перспективный вид на структуру с двойным скручиванием и двумя винтовыми осями, h1 и ч2. Режиссеры совершают поворот на 90 ° по диаметру.

В Рейнитцер отчеты 1888 г. о плавлении холестерилбензоат, есть примечание, что вещество на короткое время стало синим, когда оно изменилось с прозрачного на мутное при охлаждении. Этот тонкий эффект оставался неизученным более 80 лет, пока в конце 1960-х - начале 1970-х годов не были опубликованы экспериментальные результаты, которые показали, что синий цвет был обусловлен как минимум двумя новыми и очень разными. жидкокристаллический фазы.[2]

Почти 100 лет ученые предполагали, что наиболее стабильный холестерин спиральную структуру можно описать одним спиральный ось, вокруг которой директор вращается. Оказалось, что в новой структуре директор вращается по спирали вокруг любой оси, перпендикулярной линии, как показано на рис. 1. Хотя фактически присутствует неограниченное количество винтовых осей, эта структура получила название структура двойного скручивания.

Рисунок 2: Вид сверху на цилиндр двойного скручивания. Плоскость, содержащая различные винтовые оси, h (здесь показаны три из них), является плоскостью рисунка. Режиссер указывает из плоскости фигуры в центре, и она вращается по мере удаления от центра.

Этот структура двойного скручивания более стабильный, чем одинарная закрученная структура (т.е. нормальная винтовая структура хиральный нематики ) только на определенном расстоянии от линии в центре. Поскольку это расстояние порядка шага хирального нематического жидкого кристалла (обычно 100 нм) и поскольку геометрия обычных жидких кристаллов намного больше, структура двойного скручивания встречается редко.

Рисунок 3: Вид в перспективе на цилиндр двойного скручивания. Линии снаружи должны указывать на поворот директора на 45 ° на таком расстоянии от центральной линии.

Синие фазы - особые случаи, когда структуры двойного скручивания заполняют большие объемы. Когда структуры двойного скручивания ограничены во всех направлениях расстоянием от центральной линии, где скручивание составляет 45 ° цилиндр двойного скручивания полученные результаты. Из-за своего малого радиуса такой цилиндр более устойчив, чем такой же объем, заполненный одиночным закрученным хиральным нематическим жидким кристаллом.

Рисунок 4: Иллюстрация кубической решетки, образованной цилиндрами двойного скручивания. Все углы должны быть прямыми.

Из них можно составить большую конструкцию. цилиндры двойного скручивания, но дефекты возникают в местах соприкосновения цилиндров, как показано на рис. 5.[3] Эти дефекты возникают на регулярных расстояниях и, как правило, делают структуру менее стабильной, но все же немного более стабильной, чем структура с одним закруткой без дефектов, по крайней мере, в диапазоне температур примерно на 1 К ниже перехода от хиральной нематической фазы к изотропной жидкости. .

В дефекты которые происходят на регулярных расстояниях в трех пространственных измерениях, образуют кубическая решетка так же, как мы знаем это из твердых кристаллов. Таким образом, голубые фазы образованы регулярной трехмерной решеткой дефектов внутри хирального жидкого кристалла. Поскольку расстояния между дефектами синей фазы находятся в диапазоне длин волн света (несколько сотен нанометров), для определенных диапазонов длин волн света, отраженного от решетки, возникает конструктивная интерференция (Отражение Брэгга ), а синяя фаза отражает цветной свет (обратите внимание, что только некоторые из синих фаз действительно отражают синий свет).[4]

Рисунок 5: Дисклинации образуются в месте соприкосновения цилиндров двойного скручивания. Ядро дисклинации, пересекающее треугольную область, показано белой точкой.
Рисунок 6: Структуры двойных скрученных цилиндров в жидкокристаллической голубой фазе I (слева) и II (справа).

Синие фазы в широком диапазоне температур

В 2005 году исследователи из Центра молекулярных материалов для фотоники и электроники Кембриджского университета сообщили об открытии класса жидких кристаллов синей фазы, которые остаются стабильными в диапазоне температур от 16 до 60 ° C.[5] Исследователи показали, что их ультрастабильные синие фазы можно использовать для переключения цвета отраженного света путем приложения электрического поля к материалу, и что в конечном итоге это может быть использовано для создания трехцветных (красный, зеленый и синий) пикселей для полноцветные дисплеи.[6] Новые синие фазы состоят из молекул, в которых два жестких стержневидных сегмента связаны гибкой цепью и, как полагают, стабилизированы за счет флексоэлектричества.[7]

Кроме того, электрооптическое переключение со временем отклика порядка 10−4 s для стабилизированного синие фазы при комнатной температуре.[8]

Кристаллы Blue Phase считаются 3D фотонные кристаллы, поскольку они обладают периодической кубической структурой в нанометровом диапазоне с селективной запрещенной зоной в видимом диапазоне длин волн. Однако стандартное производство кристаллов синей фазы дает поликристаллические образцы, размер монокристаллов находится в диапазоне микрометров. Недавно голубые фазы, полученные в виде идеальных трехмерных фотонных кристаллов в больших объемах, были стабилизированы с помощью контролируемой ориентации кристаллической решетки.[9]

Электрооптическое переключение с монокристаллических синих фаз демонстрирует повышенную модуляцию и меньшее рассеяние, чем в поликристаллических образцах. [10]

Первая синяя фаза ЖК-дисплея

В мае 2008 года Samsung Electronics объявила, что разработала первый в мире ЖК-панель с синей фазой который может эксплуатироваться на беспрецедентной Частота обновления 240 Гц. Samsung представила 15-дюймовый прототип своего Синий фазовый ЖК-дисплей панель на SID (Общество отображения информации ) 2008 Международный симпозиум, семинар и выставка, которые проходили в Лос-Анджелесе с 18 по 23 мая 2008 года.[11]

Разработанные с учетом экономической эффективности, Samsung Синий фазовый режим не требует выравнивающих слоев жидких кристаллов, в отличие от наиболее широко используемых сегодня ЖК-экран TFT такие режимы, как Twisted Nematic (TN), In-Plane Switching (IPS) или Vertical Alignment (VA). В Синий фазовый режим может создавать собственные выравнивающие слои, устраняя необходимость в каких-либо процессах механического выравнивания и трения. Это сокращает количество необходимых производственных этапов, что приводит к экономии производственных затрат. Кроме того, утверждалось, что Панели Blue Phase снизит чувствительность жидкокристаллического слоя к механическому давлению, которое может ухудшить поперечную однородность отображения (например, яркость, цветность).

В ЖК-дисплее на основе синей фазы для телевизионных приложений это не избирательное отражение света в соответствии с шагом решетки (Отражение Брэгга ), который используется для отображения визуальной информации, но внешнее электрическое поле вызывает двулучепреломление в жидком кристалле через Эффект Керра.[12] Это индуцированное полем двулучепреломление проявляется как изменение передачи, когда Синий фазовый режим LC слой помещается между скрещенными поляризаторы.

Для подробного обсуждения ЖК синих фаз в переключение в плоскости (IPS) структуры и связанный с ними метод моделирования на основе эффекта Керра в макроскопическом масштабе см. Ссылки.[13][14] В изотропном темном состоянии ЖК-дисплеи с синей фазой демонстрируют множество интересных электрооптических характеристик. В настоящее время управляющее напряжение синей фазы ЖК в структурах IPS все еще немного завышено. Для снижения напряжения критически важна разработка материалов для разработки смесей с высокой постоянной Керра.[15] Более того, дизайн устройства также является эффективным способом. При правильной конструкции устройства управляющее напряжение может быть значительно снижено.[16]

Рекомендации

  1. ^ Кикучи, Хироцугу; Хигучи, Хироки; Хасеба, Ясухиро; Ивата, Такаши (2007). «Быстрое электрооптическое переключение в жидких кристаллических голубых фазах, стабилизированных полимером, для применения в дисплеях». Сборник технических документов симпозиума SID. Вайли. 38 (1): 1737–1740. Дои:10.1889/1.2785662. ISSN  0097-966X.
  2. ^ Тимоти Дж. Слукин, Дэвид А. Данмур, Хорст Стегемейер: Кристаллы, которые текут - Классические статьи из истории жидких кристаллов, серия жидких кристаллов, Тейлор и Фрэнсис, Лондон, 2004, ISBN  0-415-25789-1
  3. ^ Лаврентович, О.Д .; Клеман, М. (2001). «Холестерические жидкие кристаллы: дефекты и топология». Хиральность в жидких кристаллах. Нью-Йорк: Springer-Verlag. С. 115–158. Дои:10.1007/0-387-21642-1_5. ISBN  0-387-98679-0.
  4. ^ Питер Дж. Коллингс, Жидкие кристаллы - Нежная фаза материи природы, Адам Хильгер, Бристоль, 1990
  5. ^ Коулз, Гарри Дж .; Пивненко, Михаил Н. (2005). «Жидкокристаллические« голубые фазы »с широким температурным диапазоном». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 436 (7053): 997–1000. Дои:10.1038 / природа03932. ISSN  0028-0836. PMID  16107843.
  6. ^ Ямамото, Джун; Нишияма, Иса; Иноуэ, Миёси; Ёкояма, Хироши (2005). «Оптическая изотропия и радужность в смектической голубой фазе.'". Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 437 (7058): 525–528. Дои:10.1038 / природа04034. ISSN  0028-0836.
  7. ^ Замки, F .; Morris, S.M .; Терентьев, Э. М .; Коулз, Х. Дж. (13 апреля 2010 г.). «Термодинамически стабильные голубые фазы». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 104 (15): 157801. arXiv:1101.5588. Дои:10.1103 / Physrevlett.104.157801. ISSN  0031-9007.
  8. ^ Кикучи, Хироцугу; Ёкота, Масаюки; Хисакадо, Ёсиаки; Ян, Хуай; Кадзияма, Тисато (2002). «Полимер-стабилизированные жидкие кристаллические голубые фазы». Материалы Природы. Springer Nature. 1 (1): 64–68. Дои:10.1038 / nmat712. ISSN  1476-1122.
  9. ^ Отон, Ева; Ёсида, Хироюки; Моравяк, Пшемыслав; Стшелиш, Ольга; Кула, Пшемыслав; Одзаки, Масанори; Piecek, Виктор (23.06.2020). «Контроль ориентации идеальных фотонных кристаллов голубой фазы». Научные отчеты. 10 (1): 1–8. Дои:10.1038 / s41598-020-67083-6. ISSN  2045-2322. ЧВК  7311397. PMID  32576875.
  10. ^ Oton, E .; Netter, E .; Nakano, T .; Д.-Катаяма, Й .; Иноуэ, Ф. (апрель 2017 г.). "Монодоменные голубые фазовые жидкокристаллические слои для фазовой модуляции". Научные отчеты. 7 (1): 44575. Дои:10.1038 / srep44575. ISSN  2045-2322. ЧВК  5345094. PMID  28281691.
  11. ^ Samsung разрабатывает первую в мире технологию Blue Phase для достижения скорости 240 Гц для высокоскоростного видео (дата обращения 23 апреля 2009 г.)
  12. ^ Хасеба, Ясухиро; Кикучи, Хироцугу (2006). «Электрооптические эффекты оптически изотропного состояния, вызванные инкорпорирующими эффектами полимерной сетки и хиральности жидкого кристалла». Журнал Общества отображения информации. Вайли. 14 (6): 551–556. Дои:10.1889/1.2210806. ISSN  1071-0922.
  13. ^ Ге, Чжибин; Гауза, Себастьян; Цзяо, Мэйцзи; Сяньюй, Хайцин; Ву, Шин-Цон (2009-03-09). «Электрооптика полимерстабилизированных жидкокристаллических дисплеев синей фазы». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 94 (10): 101104. Дои:10.1063/1.3097355. ISSN  0003-6951. Архивировано из оригинал на 2012-07-13. Получено 2019-12-05.
  14. ^ Ге, Чжибин; Рао, Линхуэй; Гауза, Себастьян; Ву, Шин-Цон (2009). «Моделирование жидкокристаллических дисплеев с голубой фазой». Журнал Display Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 5 (7): 250–256. Дои:10.1109 / jdt.2009.2022849. ISSN  1551-319X.
  15. ^ Рао, Линхуэй; Ян, Джин; Ву, Шин-Цон; Ямамото, Син-ичи; Хасеба, Ясухиро (21 февраля 2011 г.). «Большой жидкий кристалл голубой фазы, стабилизированный полимером с константой Керра». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 98 (8): 081109. Дои:10.1063/1.3559614. ISSN  0003-6951. Архивировано из оригинал на 2013-07-03. Получено 2019-12-05.
  16. ^ Рао, Линхуэй; Ге, Чжибин; Ву, Шин-Цон; Ли, Сын Хи (07.12.2009). «Низковольтные жидкокристаллические дисплеи с синей фазой». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 95 (23): 231101. Дои:10.1063/1.3271771. ISSN  0003-6951. Архивировано из оригинал на 2013-07-03. Получено 2019-12-05.

дальнейшее чтение

  • О. Лаврентович, М. Клеман: Дефекты и топология холестерических жидких кристаллов »в« Хиральности жидких кристаллов, 5 », Springer Verlag: New York (2001), доступен отрывок. здесь.

См. Стр. 124, Рисунок 5.4 для получения подробной информации о дисклинации, образованной в косынке (т. Е. Треугольной области, где соприкасаются три цилиндра двойного скручивания).

внешняя ссылка

  • Кембриджский университет, инженерный факультет [1]
  • Кембриджский университет, Центр молекулярных материалов для фотоники и электроники [2]
  • Первый в мире ЖК-телевизор с технологией Blue Phase [3]