Lights Outs: fysici vinden een snellere manier om van LCD te wisselen

Natuurkundigen hebben een veel snellere manier bedacht om vloeibare kristallen uit te schakelen, de materialen die licht regelen in veel computerschermen en televisies. De nieuwe techniek zal waarschijnlijk niet eindigen in LCD-schermen (liquid crystal displays), omdat het schakelen veel sneller is dan nodig is in die apparaten. Maar het geeft een nieuwe draai aan het concept van een LCD.

"Dit is iets nieuws en heel fris", zegt Tigran Galstian, een technisch fysicus aan de Laval University in Quebec, Canada. "Mensen moeten hierover nadenken om te zien of er een praktische toepassing is."

Vloeibare kristallen lijken op beide naamgenoten. Net als in een vloeistof rommelen moleculen in een vloeibaar kristal vrij rond en stromen. Maar net als in een kristal oriënteren de staafachtige moleculen zich in dezelfde richting. De uitlijning definieert een optische as en geeft de vloeibare kristallen ongebruikelijke eigenschappen. Een belangrijke is de manier waarop het gepolariseerd licht beïnvloedt waarvan de elektromagnetische golven in een enkele richting golven. Terwijl het door een vloeibaar kristal gaat, beweegt licht gepolariseerd evenwijdig aan de optische as met een andere snelheid dan loodrecht gepolariseerd licht. En vanwege dat snelheidsverschil, of dubbele breking, kan licht dat gepolariseerd is onder een hoek met de optische as van het materiaal zijn polarisatie laten roteren.

Die rotatie laat een LCD werken. Het display bestaat uit een laag vloeibaar kristal tussen twee glasplaten, die tussen nog twee platen polariserend glas zitten. De polarisatoren zijn ingesteld op een hoek van 90, zodat licht dat van achteren het scherm binnenkomt en door de eerste polarisator gaat, wordt geblokkeerd door de tweede. In de "uit" -stand wordt het vloeibare kristal uitgelijnd zodat het niets doet aan het licht en het scherm donker laat (zie figuur). Wanneer deze echter "aan" wordt gezet, heroriënteert een elektrisch veld de moleculen zodat ze collectief de polarisatie van het licht roteren, waardoor het door de tweede polarisator en uit het scherm kan gaan. Om een ​​afbeelding te vormen, worden bits of "pixels" van het scherm afzonderlijk bestuurd.

Het schema heeft een basisbeperking, zegt Oleg Lavrentovich, een natuurkundige aan de Kent State University in Ohio. Het elektrische veld brengt de moleculen in de "aan" -oriëntatie in nanoseconden. Wanneer de stroom uitvalt, ontspannen de moleculen terug in hun oorspronkelijke oriëntatie, die wordt bepaald door een patroon dat in het begrenzende glas is geëtst maar ze doen dit 1000 keer langzamer, in milliseconden. "Dat is de achilleshiel van vloeibare kristallen, " zegt Lavrentovich.

Nu hebben hij en Kent collega's Volodymyr Borshch en Sergij Shiyanovskii een snellere manier aangetoond om van vloeibaar kristal te wisselen, zoals ze vandaag melden in Physical Review Letters . Ze beginnen met de gebruikelijke gekruiste polarisatoren en een vloeibaar kristal genaamd CCN-47. In het experiment beginnen de moleculen in de uit-stand in een oriëntatie die licht doorlaat. Lavrentovich en collega's passen dan een elektrisch veld toe. Maar ze doen het op een manier die de moleculen niet roteert, maar in plaats daarvan de hoeveelheid dubbele breking verandert.

Hier is hoe dat gebeurt. De moleculen in CCN-47 zijn niet cilindrisch, maar hebben de vorm van planken. Normaal wijzen de planken allemaal in de lengte in dezelfde richting, maar aangrenzende moleculen draaien willekeurig in alle richtingen, omdat thermische energie de afzonderlijke moleculen in beweging houdt. Het elektrische veld overwint het draaien en stapelt de planken als hout. In die meer geordende toestand heeft het vloeibare kristal een iets andere dubbele breking, die de hoek verandert waarmee de polarisatie van het licht roteert en de hoeveelheid licht die door de cel wordt toegelaten. Wanneer het elektrische veld verdwijnt, herstelt het thermische schudden van de afzonderlijke moleculen het vloeibare kristal in slechts 30 nanoseconden in zijn oorspronkelijke staat.

De verandering in dubbele breking schakelt het licht niet volledig uit, dus het scherm is alleen gedimd in plaats van donker. Maar het contrast kan worden verhoogd door de geometrie en materialen aan te passen, zegt Lavrentovich. Hij zegt dat de techniek gebruikt kan worden bij het sturen van laserstralen zoals die welke signalen tussen satellieten kunnen overbrengen of bij het creëren van ultrasnelle luiken.

De echte waarde in het werk kan de nieuwe aanpak zijn, die afhankelijk is van het collectieve gedrag van de moleculen om de polarisatie van licht te veranderen en hun individuele schommelingen om te schakelen tussen configuraties aan en uit, Galstian zegt: "Het is een slim idee."