液晶定向新技术可改善液晶显示器的视角

导读

近日，俄、法、德科学家组成的国际科研团队提出了一种新的液晶定向方法，可改善液晶显示器的视角。

背景

大多数的固体都是晶体。在晶体中，分子或原子会形成一种有序的三维结构。不同于固体，液体缺少这种内部的长程有序性，但是它们可以流动。液晶相物质的特性处于液体与晶体二者之间，既具有分子有序性，又具有流动能力。因此，液晶可以被当作一种“有序”的液体。

并不是所有的材料都能呈现出液晶相，而且相变机制也可能不同。此外，液晶材料的分子必须是各向异性的，即杆状或盘形的。在特定温度范围内，一些化合物会变成液晶，这些称为“热致型”（thermotropic）。相比而言，溶致（lyotropic）液晶则是在添加溶剂时出现液晶相。

液晶材料的特性会根据方向发生变化。例如，在液晶中，偏振光以不同速度沿不同方向传播。此外，在电场或磁场作用下，液晶的方向也会迅速改变，这种现象被称为“Fréedericksz转变”。液晶的光学特性以及可轻易重新排列的能力，使之广泛应用于电视、计算机、手机和其他设备的电子显示器。

在电场作用下，液晶分子会重新排列，产生透光度的差别。依此原理，可改变每个像素的光线强度，从而构成液晶显示器（LCD）的图像。液晶的排列方式有几种，但是LCD中最普遍使用的是扭曲向列液晶。这些杆状的热致型液晶，采用特殊的对齐基板展开扭曲的排列。为了让这些液晶不再扭曲，可以向它们施加一个电场。这种可再生、可预测的响应机制能用于光线强度的控制。

彩色LCD中，每个像素都由三个子像素构成：红、绿、蓝。通过改变这些子像素的光线强度，能显示出任何颜色。基于扭曲向列相的LCD中的子像素（图1）由一个光源、一个彩色滤光片、两个偏光片、位于两个带有电极的玻璃板之间的液晶面板组成。如果没有液晶，光线无法通过这个面板。因为，无论什么光线穿过垂直的偏光片后，在到达彩色滤光片之前，都会被水平的偏光片阻挡。

图1：基于扭曲向列相的LCD中的子像素结构

（图片来源：Lion_on_helium/MIPT新闻办公室）

然而，表面有槽的特殊基板能以一种螺旋的方式，在两个偏光片之间扭曲液晶，以便根据所需要的量让光线精准地穿过第二个偏光片。完全被照亮的状态实际上是子像素的“关闭”状态。施加电压后，液晶变得不再扭曲，光线的偏振程度变小。结果，一些光线会被阻挡。最终，由于一定的电压，使得没有光线能顺利到达彩色滤光片，并且子像素变得黑暗。

然而，该技术的限制因素之一就是显示器的视角。从侧面角度来看，LCD将无法准确地渲染色彩，这是由于液晶相互对齐所导致的。这一问题可以通过多象限显示技术来解决。在这一技术中，像素属于一系列的象限，它们的液晶方向有所不同。这意味着至少有一些象限总是按照正确的方式对齐。

创新

近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）功能有机和混合材料实验室的领头人DimitriIvanov教授领导的国际科研团队提出了一种全新的多象限显示技术方案。俄、法、德三国科学家组成的科研团队设计了一种全新液晶定向方法，用于提高液晶显示器的视角。相关论文发表于《ACSMacroLetters》杂志。

DimitriIvanov表示：“这是首个用于探索液晶定向机制的基础性研究。也就是说，我们希望这些机制应用于新型液晶显示器技术。”

（图片来源：Lion_on_helium/MIPT新闻办公室）

技术

论文作者们报告称，这项研究采用了液晶聚合物。它们由具有链状重复结构的长分子组成。结果表明，聚合物结构中的轻微变化将显著改变它们在基板上的方向。这项研究中采用的聚合物是poly(di-n-alkylsiloxanes)或“PDAS”。每个分子都是一条含有交替的硅原子和氧原子的链。PDAS中的硅原子连接着两个对称的烃侧链（图2）。化合物名称中的n代表着侧链的长度，它在2到6之间。

图2：poly(di-n-alkylsiloxanes)或PDAS的化学结构

（图片来源：Lion_on_helium/MIPT新闻办公室）

在实验中，PDAS聚合物沉积于涂有特氟龙的对齐表面上，而表面上具有沟槽状的规则图案。总的来说，晶体聚合物在这种基板上对齐，但是这发生在基板的晶格参数与沉积的聚合物相匹配的情况下。相对于对齐表面上槽的方向，研究人员检查了液晶聚合物链的朝向。每增加一个亚甲基（CH），侧链长度也相应地加一。

研究结果与期望相反，液晶方向取决于侧链的长度。当n等于2时，针状的聚合物超结构，也称为片晶，与特氟龙槽相互对齐。因为片晶与聚合物链垂直，所以研究人员推论出聚合物链与基板上的槽相互垂直（图3，左）。当n增加至3的时候，片晶的方向改变90度，与槽相互垂直。结果，液晶聚合物链与槽平行（图3，右）。当n等于4时，方向上没有观察到更多的变化。然而，当侧链长度进一步增加至5和6，片晶再一次与特氟龙槽对齐。

图3，液晶相对于特氟龙基板的两种可能的方向：左，聚合物链（黑色波纹）与对齐表面（绿色）上的槽是垂直的；右，它们是平行的。聚合物链垂直于片晶。

（图片来源：Lion_on_helium/MIPT新闻办公室）

价值

因此研究人员发现，只需要在聚合物侧链上添加一个亚甲基，就可以切换液晶的方向，这对于LCD在内的大多数液晶应用来说都非常重要。论文作者称，他们探索出的这一效应可用于设计具有更佳视角的LCD。

它可以过多象限技术来实现，它可以将一种颜色的子像素定向到不同的方向上。结果，当显示器以某一个角度观看时，像素之间相互补偿，从而改善色彩还原。研究人员希望这项技术比目前使用的其他多象限技术更加简单便宜。

关键字

液晶显示器、聚合物、光学

参考资料

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