Je leest:

Kruising tussen beeldscherm en papier

Kruising tussen beeldscherm en papier

Auteur: | 14 augustus 2011

Deze zomer won een Taiwanees instituut een belangrijke onderzoeksprijs voor een nieuw type display: flexibel, herschrijfbaar, met helder beeld en amper stroomverbruik. Dit zou je echt elektronisch papier kunnen noemen.

Het maken van een flexibel display – alsof je je computermonitor oprolt – wordt ook wel de ‘heilige graal’ van het beeldschermonderzoek genoemd. Aan de ene kant omdat die techniek veel praktische toepassingen kent, bijvoorbeeld als krant die gedurende de dag ververst (zie het filmpje hieronder) of behang dat je per dag kunt aanpassen.

Maar wat misschien nog belangrijker is: als het scherm oprolbaar is, kun je het ook ‘aan de rol’ produceren. Nu komen beeldschermen stuk voor stuk langs op de lopende band, wat veel tijd, materiaal en ruimte kost. Daar kun je flink op besparen wanneer schermen als een grote rol verwerkt worden.

Onderzoekers van het Industrial Technology Research Institute (ITRI) in Taiwan ontwikkelden een apparaat dat aardig in de buurt komt. Ze wonnen er deze zomer een R&D 100 Award mee, een belangrijke prijs in de onderzoekswereld. Het ‘papier’ is in feite een variant op de bekende platte televisieschermen. Door net iets andere componenten te gebruiken, konden ze het scherm met plastic maken in plaats van glas. En dat maakt het geheel flexibel. “Hier”: zie je een reportage over hun ‘i2R e-paper’.

LCD, maar dan anders

De meeste platte televisie- en computerschermen die je nu ziet, zijn LCDs, Liquid Crystal Displays. Het e-paper van ITRI is ook een LCD, alleen dan met ander type kristallen. Het scherm bevat chirale moleculen. Dat zijn moleculen die je niet kunt spiegelen: als je zo’n molecuul op zijn eigen spiegelbeeld legt, dan past het niet (zoals met je rechter- en linkerhand).

Wenteltrap van kristallen

Een LCD bestaat uit twee glasplaatjes met daarop polarisatiefilters, die alleen licht doorlaten dat in een bepaalde richting ‘golft’. Tussen de glasplaatjes zit een laag met vloeibare kristallen (liquid crystals). Deze moleculen hebben een langwerpige vorm en door ribbels in de glasplaatjes wijzen ze in verschillende richtingen: de onderste kristallen staan in een hoek van 90° ten opzichte van de bovenste, als een soort wenteltrap. Hierdoor zal het licht dat door de bovenste polarisatiefilter komt ook 90° graden draaien, waardoor het de tweede filter kan passeren.

Als er spanning op de LCD wordt gezet, dan ‘ontdraaien’ de kristallen. Het licht draait dan ook niet meer en komt hierdoor niet door de onderste filter. Door het scherm op te delen in kleine vakjes (pixels) en de spanning op bepaalde plekken aan of uit te zetten, kun je op deze manier bepalen waar er wel en niet licht te zien is. Zo maak je een beeld op het scherm.

In een LCD rangschikken dit type kristallen zich in nette lagen, in tegenstelling tot ‘gewone’ vloeibare kristallen. Het zijn net torentjes, waarbij de moleculen op één laag allemaal dezelfde kant op wijzen, maar de wijsrichting steeds iets verschilt van de laag erboven. Na een aantal lagen is de wijsrichting helemaal rond geweest, die afstand heet de ‘pitch’.

Chirale moleculen rangschikken zich in lagen, waarbij ze telkens (met z’n allen) een net iets andere kant op wijzen. Als de kristallen weer precies zo staan als in het begin, is één ‘pitch’ afgelegd.

Aan en uit

Het aan- en uitzetten van pixels werkt bij een chiraal LCD (ChLCD) anders dan bij een normaal LCD. De kristallen vormen nu een ‘planar texture’ of een ‘focal conic texture’. In het eerste geval staan de torentjes naast elkaar met de as loodrecht op de glasplaat. Als ze in deze stand staan, zal inkomend licht grotendeels teruggekaatst worden, doordat de wet van Bragg optreedt. Voor licht met een golflengte gelijk aan de pitch is de reflectie maximaal. De planar texture is de ‘aan’-stand van de LCD: pixels met kristallen in deze formatie geven licht.

In de linker pixel staan de kristallen in planar texture: inkomend licht wordt grotendeels weerkaatst en de pixel staat dus aan. De rechter pixel geeft geen licht, doordat de kristallen in focal conic texture staan.

De kristallen ordenen zich in de focal conic texture als er spanning op het materiaal wordt gezet. Elk torentje met moleculen staat dan in z’n geheel schuin, alsof de kristallen zijn omgevallen. In deze stand weerkaatst inkomend licht elke kant op en slechts een deel gaat terug door de bovenste glasplaat. Het meeste licht ‘verdwijnt’ naar achteren en dit is dan ook de ‘uit’-stand (de pixel blijft zwart).

Om de kristallen te laten terugkeren naar de planar texture, wordt het elektrische veld versterkt. Op een bepaald moment rangschikken de kristallen zich dan niet meer per laag in een andere richting, maar gaan ze allemaal loodrecht op de glasplaat staan. Dit heet de homeotropic texture, een soort tussenfase. Wanneer het elektrisch veld vervolgens weer sterk afzwakt, schieten de kristallen terug in de planar texture.

Backlight

Vloeibare kristallen geven zelf geen licht, dus er is altijd licht van achter naar voren nodig om beeld op het scherm te tonen. Daarvoor kun je in principe een spiegel gebruiken die het inkomend licht naar voren reflecteert, maar polarisatiefilters absorberen zoveel licht dat er te weinig overblijft voor een helder beeld. Daarom wordt er een lamp gebruikt in plaats van een spiegel: de zogenaamde backlight.

Lekker zuinig

Hoewel een ChLCD misschien erg lijkt op een gewoon LCD, zijn er een paar cruciale verschillen. Allereerst gaat het niet meer om het al dan niet doorlaten, maar om het al dan niet terugkaatsten van licht. Dat betekent dat er geen backlight nodig is en dat bespaart een hoop energie.

Ook zijn polarisatiefilters overbodig: de kristallen hoeven alleen maar in de juiste formatie gezet te worden om te wisselen tussen ‘aan’ en ‘uit’. Dat scheelt aanzienlijk in de lichtopbrengst, waardoor het beeld van een ChLCD heel helder is, ook al is er geen backlight.

Een ChLCD is nog eens extra zuinig omdat chirale kristallen twee stabiele standen hebben. Hierdoor kunnen ze zonder spanning op het scherm te hoeven zetten, zowel in de planar texture als in de focal conic texture blijven staan. Er is alleen maar spanning nodig om van de ene naar de andere stand te schakelen.

Dit is niet het geval bij een normaal LCD. Gewone vloeibare kristallen blijven niet in de ‘ontdraaide’ stand staan wanneer de spanning eraf gaat. Om beeld te tonen is bij een ‘gewone’ LCD dus wèl voortdurend stroom nodig.

Het backlight bevat tegenwoordig vaak led-verlichting, waardoor het scherm nog platter kan. Dat zie je hier: links staat een gewone LCD en rechts een LED-tv (wat dus nog steeds een LCD is).
Flick: ikelee/yum9me

De Taiwanese onderzoekers hebben het schakelen in hun e-paper echter nóg zuiniger weten te maken. Het scherm wordt weliswaar elektrisch gewist, maar beschreven door middel van warmte. Dat wil zeggen dat er geen elektrisch veld nodig is om pixels aan te zetten. In plaats daarvan worden de kristallen tijdelijk verwarmd tot een bepaalde temperatuur en hierdoor schieten ze van de focal conic texture terug in de planar texture. De kristallen reflecteren weer licht en de pixel staat aan. Het scherm is dus ‘beschreven’ door het te verwarmen.

Flexibel scherm in de winkel

De helderheid en energiezuinigheid zijn natuurlijk prettig, maar voor onderzoekers is het belangrijkste voordeel van ChLCDs dat de constructie – zonder backlight en polarisatiefilters – veel eenvoudiger is. Dat maakt ze namelijk geschikt om flexibel uit te voeren. De vloeibare kristallen komen dan tussen lagen van plastic in plaats van glas. Daarvoor worden de kristallen wel eerst omgevormd tot ‘druppeltjes’, omdat ze anders wegstromen tijdens het buigen.

Een flexibel ChLCD van Kent Displays. Door de kristallen te omhullen en er druppeltjes van te maken, kan het geen kwaad als het scherm buigt.

Verschillende bedrijven hebben al werkende prototypes van het systeem, waaronder dus het ITRI. De schermen rollen echter alleen op kleine schaal van de lopende band. Dat komt doordat het aansturen van de kristallen in de praktijk niet eenvoudig is. De hoeveelheid spanning en/of warmte luistert heel nauw en onderzoekers moeten dit eerst goed onder de knie krijgen voordat de ChLCDs in het groot uitgevoerd kunnen worden.

Daarnaast is een wetenschappelijk prototype iets heel anders dan een product voor de consumentenmarkt. ChLCDs voor thuis en onderweg moeten bijvoorbeeld tegen veel meer bestand zijn (vette vingers, regendruppels, hoge of juist lage temperaturen, etc.) en er moet een fabriek zijn die ze in grote hoeveelheden kan produceren. Het ITRI gaat daar nu aan werken en de onderzoekers verwachten het e-paper over ongeveer twee jaar in de winkel te hebben.

Bronnen

Lees meer over beeldschermtechniek op Kennislink:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/beeldscherm/lcd/display/index.atom?m=of", “max”=>"7", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 augustus 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.