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LCD en modo de fase azul

Una pantalla LCD de modo de fase azul es una tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) que utiliza fases colestéricas altamente retorcidas en una fase azul . Se propuso po...

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Una pantalla LCD de modo de fase azul es una tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) que utiliza fases colestéricas altamente retorcidas en una fase azul . Se propuso por primera vez en 2007 para obtener una mejor visualización de imágenes en movimiento con, por ejemplo, velocidades de cuadro de 100 a 120 Hz para mejorar la respuesta temporal de las pantallas LCD. [1] Este modo operativo para las pantallas LCD tampoco requiere capas de alineación anisotrópicas (por ejemplo, poliimida frotada ) y, por lo tanto, simplifica teóricamente el proceso de fabricación de las pantallas LCD.

Historia

Figura 1: Vista en perspectiva de una estructura de doble torsión con dos ejes helicoidales, h 1 y h 2 . Los directores realizan una rotación de 90° a lo largo del diámetro.

En los informes de Reinitzer de 1888 sobre el comportamiento de fusión del benzoato de colesterilo , hay una nota que dice que la sustancia se volvió azul brevemente al pasar de transparente a turbia al enfriarse. Este efecto sutil permaneció inexplorado durante más de 80 años hasta que se publicaron resultados experimentales a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970 que indicaban que el color azul se debía a al menos dos fases cristalinas líquidas nuevas y muy diferentes . [2]

Durante casi 100 años, los científicos supusieron que la estructura helicoidal colestérica más estable podía describirse mediante un único eje helicoidal alrededor del cual gira el director . Resultó que en la nueva estructura el director gira de forma helicoidal alrededor de cualquier eje perpendicular a una línea, como se ilustra en la figura 1. Aunque en realidad existe un número ilimitado de ejes helicoidales, esta estructura se denominó estructura de doble torsión .

Figura 2: Vista superior de un cilindro de doble torsión. El plano que contiene los distintos ejes helicoidales, h, (tres de ellos mostrados aquí) es el plano de la figura. El director apunta hacia fuera del plano de la figura en el centro y gira a medida que se aleja del centro.

Esta estructura de doble torsión es más estable que la estructura de torsión simple (es decir, la estructura helicoidal normal de los nemáticos quirales ) solo hasta una cierta distancia desde la línea en el centro. Dado que esta distancia es del orden del paso del cristal líquido nemático quiral (normalmente 100 nm) y dado que las geometrías de las muestras de cristal líquido habituales son mucho mayores, la estructura de doble torsión se produce solo en raras ocasiones.

Figura 3: Vista en perspectiva del cilindro de doble torsión. Las líneas en el exterior deben indicar una rotación de 45° del director a esa distancia de la línea central.

Las fases azules son casos especiales en los que las estructuras de doble torsión ocupan grandes volúmenes. Cuando las estructuras de doble torsión están limitadas en todas las direcciones a la distancia desde la línea central donde la torsión es de 45°, se obtiene un cilindro de doble torsión . Debido a su pequeño radio, un cilindro de este tipo es más estable que el mismo volumen lleno de un cristal líquido nemático quiral de una sola torsión.

Figura 4: Ilustración de una red cúbica formada por cilindros de doble torsión. Se supone que todos los ángulos son rectos.

Una estructura grande puede estar compuesta de estos cilindros de doble torsión , pero ocurren defectos en los puntos donde los cilindros están en contacto como se ilustra en la figura 5. [3] Estos defectos ocurren a distancias regulares y tienden a hacer que la estructura sea menos estable, pero aún es ligeramente más estable que la estructura de torsión simple sin defectos, al menos dentro de un rango de temperatura de aproximadamente 1 K por debajo de la transición de la fase nemática quiral a un líquido isótropo.

Los defectos que se producen a distancias regulares en tres dimensiones espaciales forman una red cúbica tal como la conocemos de los cristales sólidos. Las fases azules se forman así por una red tridimensional regular de defectos dentro de un cristal líquido quiral. Dado que los espaciamientos entre los defectos de una fase azul están en el rango de la longitud de onda de la luz (varios cientos de nanómetros), para ciertos rangos de longitud de onda de la luz reflejada desde la red se produce una interferencia constructiva ( reflexión de Bragg ) y la fase azul refleja la luz coloreada (nótese que solo algunas de las fases azules reflejan realmente la luz azul). [4]

Figura 5: Las disclinaciones se forman en los lugares donde los cilindros de doble torsión están en contacto. El núcleo de la disclinación a medida que cruza el área triangular se muestra como un punto blanco.
Figura 6: Estructuras de cilindros de doble torsión en cristal líquido azul fase I (izquierda) y II (derecha).

Fases azules de amplio rango de temperatura

En 2005, investigadores del Centro de Materiales Moleculares para Fotónica y Electrónica de la Universidad de Cambridge informaron sobre el descubrimiento de una clase de cristales líquidos de fase azul que permanecen estables en un rango de temperaturas de entre 16 y 60 °C. [5] Los investigadores demostraron que sus fases azules ultraestables podrían utilizarse para cambiar el color de la luz reflejada aplicando un campo eléctrico al material, y que esto podría eventualmente utilizarse para producir píxeles de tres colores (rojo, verde y azul) para pantallas a todo color. [6] Las nuevas fases azules están hechas de moléculas en las que dos segmentos rígidos, similares a varillas, están unidos por una cadena flexible, y se cree que están estabilizadas debido a la flexoelectricidad. [7]

Además, se ha demostrado una conmutación electroóptica con tiempos de respuesta del orden de 10 −4  s para las fases azules estabilizadas a temperatura ambiente. [8]

Los cristales de fase azul se consideran cristales fotónicos 3D , ya que poseen una estructura cúbica periódica en el rango nanométrico con una banda prohibida selectiva en las longitudes de onda visibles. Sin embargo, la fabricación estándar de cristales de fase azul produce muestras policristalinas, en las que el tamaño del cristal individual está en el rango micrométrico. Recientemente, las fases azules obtenidas como cristales fotónicos 3D ideales en grandes volúmenes se han estabilizado con una orientación de red cristalina controlada. [9]

La conmutación electroóptica de las fases azules monocristalinas muestra una mayor modulación y una menor dispersión que en las muestras policristalinas [10]

Primera pantalla LC de fase azul

En mayo de 2008, Samsung Electronics anunció que había desarrollado el primer panel LCD Blue Phase del mundo que puede funcionar a una frecuencia de actualización sin precedentes de 240 Hz. Samsung presentó un prototipo de 15 pulgadas de su panel LCD Blue Phase en el Simposio, Seminario y Exposición Internacional SID ( Sociedad para la Visualización de Información ) 2008, que se celebró en Los Ángeles del 18 al 23 de mayo de 2008. [11]

Desarrollado con una mirada en la rentabilidad, el modo Blue Phase de Samsung no requiere capas de alineación de cristal líquido, a diferencia de los modos TFT LCD más utilizados en la actualidad , como Twisted Nematic (TN), In-Plane Switching (IPS) o Vertical Alignment (VA). El modo Blue Phase puede crear sus propias capas de alineación, eliminando la necesidad de cualquier proceso mecánico de alineación y frotamiento. Esto reduce la cantidad de pasos de fabricación necesarios, lo que resulta en ahorros en los costos de producción. Además, se ha afirmado que los paneles Blue Phase reducirían la sensibilidad de la capa de cristal líquido a la presión mecánica, lo que podría perjudicar la uniformidad lateral de la pantalla (por ejemplo, luminancia , cromaticidad).

En una pantalla LC basada en fase azul para aplicaciones de TV, no es la reflexión selectiva de la luz según el paso de la red ( reflexión de Bragg ) lo que se utiliza para mostrar información visual, sino un campo eléctrico externo que induce una birrefringencia en el cristal líquido a través del efecto Kerr . [12] Esa birrefringencia inducida por el campo se hace evidente como un cambio de transmisión cuando la capa LC del modo de fase azul se coloca entre polarizadores cruzados .

Para una discusión detallada de los LC de fase azul en estructuras de conmutación en el plano (IPS) y el método de modelado relacionado basado en el efecto Kerr en una escala macroscópica, consulte las referencias. [13] [14] Con un estado oscuro isotrópico, los LCD de fase azul muestran muchos rendimientos electroópticos interesantes. Actualmente, el voltaje de activación de los LC de fase azul en estructuras IPS todavía es un poco demasiado alto. Para reducir el voltaje, la ingeniería de materiales para desarrollar mezclas con constantes Kerr altas es de vital importancia. [15] Además, el diseño del dispositivo también es una forma eficaz. Con un diseño adecuado de la estructura del dispositivo, el voltaje de activación se puede reducir en gran medida. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Kikuchi, Hirotsugu; Higuchi, Hiroki; Haseba, Yasuhiro; Iwata, Takashi (2007). "Conmutación electroóptica rápida en fases azules de cristal líquido estabilizado con polímeros para aplicaciones de visualización". SID Symposium Digest of Technical Papers . 38 (1). Wiley: 1737– 1740. doi :10.1889/1.2785662. ISSN  0097-966X. S2CID  136035580.
  2. ^ Timothy J. Sluckin, David A. Dunmur, Horst Stegemeyer: Cristales que fluyen: artículos clásicos de la historia de los cristales líquidos, Serie Cristales líquidos, Taylor & Francis Londres 2004, ISBN 0-415-25789-1 
  3. ^ Lavrentovich, OD; Kleman, M. (2001). "Cristales líquidos colestéricos: defectos y topología". Quiralidad en cristales líquidos . Nueva York: Springer-Verlag. págs.  115-158 . doi :10.1007/0-387-21642-1_5. ISBN . 0-387-98679-0.
  4. ^ Peter J. Collings, Cristales líquidos: la delicada fase de la materia en la naturaleza, Adam Hilger, Bristol, 1990
  5. ^ Coles, Harry J.; Pivnenko, Mikhail N. (2005). "Fases azules de cristales líquidos con un amplio rango de temperatura". Nature . 436 (7053). Springer Science and Business Media LLC: 997– 1000. doi :10.1038/nature03932. ISSN  0028-0836. PMID  16107843. S2CID  4307675.
  6. ^ Yamamoto, Jun; Nishiyama, Isa; Inoue, Miyoshi; Yokoyama, Hiroshi (2005). "Isotropía óptica e iridiscencia en una 'fase azul' esméctica"". Naturaleza . 437 (7058). Springer Science and Business Media LLC: 525– 528. doi :10.1038/nature04034. ISSN  0028-0836. PMID  16177785. S2CID  4432184.
  7. ^ Castles, F.; Morris, SM; Terentjev, EM; Coles, HJ (13 de abril de 2010). "Fases azules termodinámicamente estables". Physical Review Letters . 104 (15): 157801. arXiv : 1101.5588 . doi :10.1103/physrevlett.104.157801. ISSN  0031-9007. PMID  20482018. S2CID  4665796.
  8. ^ Kikuchi, Hirotsugu; Yokota, Masayuki; Hisakado, Yoshiaki; Yang, Huai; Kajiyama, Tisato (2002). "Fases azules de cristal líquido estabilizadas con polímeros". Materiales de la naturaleza . 1 (1). Naturaleza Springer: 64– 68. doi :10.1038/nmat712. ISSN  1476-1122. PMID  12618852. S2CID  31419926.
  9. ^ Otón, Eva; Yoshida, Hiroyuki; Morawiak, Przemysław; Strzeżysz, Olga; Kula, Przemysław; Ozaki, Masanori; Piecek, Wiktor (23 de junio de 2020). "Control de orientación de cristales fotónicos de fase azul ideales". Informes científicos . 10 (1): 10148. doi : 10.1038/s41598-020-67083-6. ISSN  2045-2322. PMC 7311397 . PMID  32576875. 
  10. ^ Oton, E.; Netter, E.; Nakano, T.; D.-Katayama, Y.; Inoue, F. (abril de 2017). "Capas de cristal líquido de fase azul monodominio para modulación de fase". Scientific Reports . 7 (1): 44575. doi :10.1038/srep44575. ISSN  2045-2322. PMC 5345094 . PMID  28281691. 
  11. ^ Samsung desarrolla la primera tecnología "Blue Phase" del mundo para lograr una velocidad de 240 Hz para vídeo de alta velocidad (fecha de acceso: 23 de abril de 2009)
  12. ^ Haseba, Yasuhiro; Kikuchi, Hirotsugu (2006). "Efectos electroópticos del estado ópticamente isotrópico inducido por los efectos incorporativos de una red de polímeros y la quiralidad del cristal líquido". Revista de la Sociedad para la Visualización de la Información . 14 (6). Wiley: 551– 556. doi :10.1889/1.2210806. ISSN  1071-0922. S2CID  62135317.
  13. ^ Ge, Zhibing; Gauza, Sebastian; Jiao, Meizi; Xianyu, Haiqing; Wu, Shin-Tson (9 de marzo de 2009). "Electroóptica de pantallas de cristal líquido de fase azul estabilizadas con polímero". Applied Physics Letters . 94 (10). AIP Publishing: 101104. doi :10.1063/1.3097355. ISSN  0003-6951. Archivado desde el original el 13 de julio de 2012. Consultado el 5 de diciembre de 2019 .
  14. ^ Ge, Zhibing; Rao, Linghui; Gauza, Sebastian; Wu, Shin-Tson (2009). "Modelado de pantallas de cristal líquido de fase azul". Revista de tecnología de pantallas . 5 (7). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 250– 256. doi :10.1109/jdt.2009.2022849. ISSN  1551-319X. S2CID  2643470.
  15. ^ Rao, Linghui; Yan, Jin; Wu, Shin-Tson; Yamamoto, Shin-ichi; Haseba, Yasuhiro (21 de febrero de 2011). "Un gran cristal líquido de fase azul estabilizado por polímeros con constante de Kerr". Applied Physics Letters . 98 (8). AIP Publishing: 081109. doi :10.1063/1.3559614. ISSN  0003-6951. S2CID  120451019. Archivado desde el original el 3 de julio de 2013. Consultado el 5 de diciembre de 2019 .
  16. ^ Rao, Linghui; Ge, Zhibing; Wu, Shin-Tson; Lee, Seung Hee (7 de diciembre de 2009). "Pantallas de cristal líquido de fase azul de bajo voltaje". Applied Physics Letters . 95 (23). AIP Publishing: 231101. doi :10.1063/1.3271771. ISSN  0003-6951.

Lectura adicional

  • OD Lavrentovich, M. Kleman : "Defectos y topología de cristales líquidos colestéricos" en "Quiralidad en cristales líquidos, 5", Springer Verlag: Nueva York (2001), extracto disponible aquí.

Consulte la página 124, Figura 5.4 para obtener detalles sobre la disclinación formada en el refuerzo (es decir, el área triangular donde tres cilindros de doble torsión están en contacto).

  • Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería [1]
  • Universidad de Cambridge, Centro de Materiales Moleculares para Fotónica y Electrónica [2]
  • Primer televisor LCD del mundo con tecnología de "fase azul" [3]
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