Международная группа ученых из России, Франции и Германии предложила новый метод ориентации жидких кристаллов, который в перспективе поможет улучшить технологию ЖК-дисплеев, увеличив их угол обзора. Работа опубликована в журнале ACS Macro Letters.

«В первую очередь это фундаментальная работа, которая показывает тонкие эффекты ориентации жидкокристаллических фаз. Мы предполагаем, что эти эффекты могут лечь в основу новых мультидоменных технологий для ЖК-экранов», — комментирует Дмитрий Иванов, руководитель лаборатории функциональных органических и гибридных материалов МФТИ.

О жидких кристаллах

Большинство твердых тел существует в виде кристаллов, где молекулы вещества пространственно упорядочены, в отличие от жидкостей, где такой дальний порядок отсутствует. Жидкие кристаллы — это промежуточное состояние вещества между жидкостью и кристаллом, своего рода «упорядоченные» жидкости. Некоторые вещества могут переходить в жидкокристаллическое состояние при изменении температуры — их называют термотропными, а другие — при добавлении растворителя (лиотропные). Для того, чтобы вещество имело возможность перейти в ЖК-состояние, оно обычно должно обладать анизометричной формой, то есть иметь разницу между длиной и шириной (форма палочки или диска). Благодаря такому строению ЖК проявляют разные свойства в зависимости от направления, например, поляризованный свет в ЖК распространяется в разных направлениях с разной скоростью. На ориентацию жидких кристаллов оказывают сильное влияние электрические и магнитные поля (эффект Фредерикса), причем изменение ориентации происходит очень быстро. Такое сочетание оптических свойств жидких кристаллов с возможностью их быстрого переключения и объясняет активное использование ЖК в дисплеях телевизоров, компьютеров, телефонов и других устройств.

О работе ЖК-дисплеев

В основе работы ЖК-дисплея лежит изменение интенсивности света, которое задается ориентацией жидких кристаллов с помощью электрического поля. На сегодняшний день существует несколько конфигураций ЖК-дисплеев, однако самой распространенной остается технология TN (twisted nematic, нематики — термотропные ЖК, имеющие продолговатую форму). Каждый цветной пиксель монитора состоит из трех субпикселей (красного, зеленого и синего), сочетание которых позволяет получать любой нужный цвет. Субпиксель в свою очередь состоит из подсветки, цветного фильтра, двух поляризаторов, а также ЖК-ячейки, где сами кристаллы располагаются между двумя стеклами с электродами (рисунок 1). Если бы жидких кристаллов не было, то весь свет, прошедший первый поляризатор, блокировался бы вторым, поскольку они пропускают свет, имеющий разную поляризацию. Жидкие кристаллы расположены в ячейке таким образом (спиралевидно), что они могут вращать плоскость поляризации света. Расположение кристаллов задается рельефом поверхностей, между которыми они находятся. Взаимная ориентация ориентирующих подложек позволяет свету проходить второй поляризатор и достигать цветного фильтра. Если же жидкие кристаллы оказываются в электрическом поле, то их ориентация меняется, вплоть до того, что они не изменяют поляризацию света и он блокируется вторым поляризатором. Таким образом варьируя величину электрического поля можно менять интенсивность засветки цветного фильтра.

Одной из проблем данной технологии является ограниченный угол обзора экрана: при просмотре экрана под углом искажается передача цветов. Это происходит из-за однородной ориентации жидких кристаллов. Решить проблему можно с помощью использования мультидоменных дисплеев, где разные домены пикселей имеют различную ориентацию ЖК. Одно из принципиально новых решений по созданию мультидоменных дисплеев и предложила международная группа ученых под руководством Дмитрия Иванова, профессора, руководителя лаборатории функциональных органических и гибридных материалов МФТИ.

Рисунок 1. Схема субпикселя ЖК-экрана (технология TN). Изображение: @Liononhelium, пресс-служба МФТИ

Поворот на 90 градусов

Авторы статьи, работая с полимерами, проявляющими ЖК-свойства, обнаружили, что даже небольшое изменение структуры может полностью менять ориентацию жидкого кристалла на подложке. Семейство полимеров, которое выбрали авторы, поли (диалкилсилоксаны), обладает двумя симметричными боковыми углеводородными цепями, пришитыми к каждому атому кремния основной цепи. В эксперименте длину боковых цепей n меняли от 2 до 6 (cм. рисунок 2).

Рисунок 2. Химическая структура поли (диалкилсилоксанов). Изображение: @Liononhelium, пресс-служба МФТИ

Эксперимент состоял в том, что ряд поли (диалкилсилоксанов) с последовательно возрастающей длиной боковых цепей (каждый последующий отличается от предыдущего добавлением одной метильной группы в боковую цепь) был нанесен на ориентированную тефлоновую поверхность с регулярным продольным рельефом (бороздками) с последующим определением ориентации ЖК-фазы полимера относительно направления рельефа тефлона. Дело в том, что полимеры могут выстраиваться вдоль рельефа поверхности, на которой они находятся, однако это происходит не всегда, а в том случае, когда параметры кристаллической решетки поверхности и таковые для нанесенного на нее материала согласованы. В эксперименте оказалось, что первый представитель этих ЖК-полимеров, полидиэтилсилоксан (n = 2), проявляет способность к ориентации так называемых ламелей вдоль рельефа поверхности, при этом направление цепей этого полимера перпендикулярно направлению бороздок тефлона (рисунок 3). При увеличении боковой цепи на одну метильную группу (n = 3), ориентация ламелей меняется на 90 градусов (то есть перпендикулярно рельефу поверхности), а ориентация ЖК-фазы в свою очередь становится параллельной рельефу поверхности. При увеличении полимерной цепи еще на одну метильную группу (n = 4) эффект сохраняется, то есть цепи ЖК-фазы остаются параллельными рельефу. Однако при дальнейшем увеличении цепи (n = 5; 6) полимерные ламели вновь выстраиваются вдоль рельефа поверхности тефлона.

Рисунок 3. Две возможные ориентации ЖК-фаз на ориентированной тефлоновой поверхности, при которых полимерные цепи жидкого кристалла либо перпендикулярны (слева), либо параллельны (справа) бороздкам тефлона. Изображение: @Liononhelium, пресс-служба МФТИ по рисунку авторов статьи

Таким образом, оказалось, что, добавляя всего лишь по одной метильной группе к боковым цепям полимера, можно менять характер ориентации ЖК-фазы, что играет огромную роль в большинстве приложений жидких кристаллов, в том числе ЖК-экранах. Как утверждают ученые, обнаруженный ими эффект может быть успешно применен для производства ЖК-экранов с увеличенными углами обзора. Для этого авторы предлагают использовать мультидоменную технологию, где субпиксели одинаковых цветов имеют различный характер ориентации. При наблюдении под разными углами субпиксели одинаковых цветов будут компенсировать друг друга, значительно улучшая качество изображения. Предполагается, что технология, основанная на открытом эффекте, будет значительно проще и дешевле существующих мультидоменных технологий.