Je leest:

Liquid Crystal Displays

Liquid Crystal Displays

Auteur: | 1 oktober 2002

De kleine kijkhoek, lage helderheid en bewegingsonscherpte op liquid crystal displays zijn verleden tijd dankzij het gebruik van functionele polymeren. Daarnaast komen er nieuwe vormen van LCD’s aan, zoals ‘paintable displays.’ Op het KNCV-najaarscongres besprak professor Dick Broer de laatste ontwikkelingen.

Je komt thuis en op een muur verschijnt plots je favoriete televisiesoap. Je moet nog gaan koken, maar dat hindert niet, want het beeld loopt met jou mee door het huis. Oprolbare en ‘paintable displays’ maken dit straks mogelijk. Om deze technologie te realiseren heeft Philips het programma Ambient Intelligence in het leven geroepen. “Straks kan je huis interactief op je reageren”, vertelt Dick Broer. Hij werkt aan het Philips Research Laboratorium en is deeltijdhoogleraar Polymeertechnologie aan de Technische Universiteit Eindhoven. Een dergelijk scenario was een aantal jaren geleden nog ondenkbaar. Het afspelen van videobeelden op een LCD was nog niet mogelijk omdat het beeld te traag was. Bovendien moest de kijker recht voor de display plaatsnemen om het beeld goed te kunnen zien. De LCD heeft het dan ook niet gemakkelijk gehad in de concurrentie met de klassieke kathodestraalbuis, bekend uit televisies. Inmiddels heeft de LCD een flinke inhaalslag gemaakt.

Een LCD bestaat uit twee polarisatiefilters op twee glasplaatjes met transparante elektroden. Hiertussen zit het vloeibaar kristal dat zowel eigenschappen heeft van een vaste kristallijne stof als van een vloeibare. De langwerpige moleculen bewegen door elkaar heen als in een vloeistof, maar hebben ook de neiging zich te ordenen zoals lucifers in een doosje. Dit komt onder andere omdat het lager vrij volume bij ordening energetisch voordeliger is.

De polarisatierichting van de twee filters staan loodrecht op elkaar zodat licht normaal gesproken niet beide filters kan passeren. De langwerpige moleculen van het vloeibaar kristal, evenwijdig aan de glasplaten, draaien van het ene filter naar het andere geleidelijk over een hoek van negentig graden, als in een wenteltrap. Licht dat door het eerste filter wordt gepolariseerd draait met de moleculen mee over deze hoek, zodat dit ook het tweede filter kan passeren. De LCD is in deze toestand ‘doorzichtig.’

Principe van een ‘paintable display’. De vloeistof die alle componenten bevat die nodig zijn voor het elektrisch-optische deel van de LCD, wordt aangebracht op een plaat.

Als er een spanning over de beide glasplaten wordt gezet, zullen alle staafjes in het vloeibaar kristal in de richting van de elektrische veldlijnen gaan staan, loodrecht op de polarisatiefilters. Het licht kan niet meer beide filters passeren en het display wordt zwart. Om beelden te kunnen maken is het display in pixels opgedeeld.

Kleuren LCD’s werken in principe hetzelfde. Hierbij is elke pixel verdeeld in een rode, groene en blauwe deelpixel met daarin een kleurenfilter. Een simpel LCD werkt op licht van buiten, bijvoorbeeld in een digitaal horloge. Licht kaatst hierin terug op een reflecterende onderkant. Andere LCD’s zoals bijvoorbeeld in een laptop hebben een lichtbron aan de achterkant, een zogenaamde ‘backlight’, zodat het beeld een grotere helderheid heeft en de gebruiker ook in het donker kan werken.

Traagheid

Het probleem van de traagheid doet zich voor bij passieve displays. Deze bestaan uit rijen en kolommen van een transparant stroomgeleidend materiaal, indium-tinoxide. Om een pixel ‘aan’ te zetten, wordt er een spanning aangebracht over de bijbehorende kolom en rij. “Hier reageren naastliggende pixels ook wat op, waardoor het beeld minder scherp wordt”, vertelt Broer. “Om dit te voorkomen moest het vloeibaar kristal boven een bepaalde grensspanning snel omslaan. Een van de bijwerkingen van deze steile spannings-transmissiecurve is dat het systeem trager wordt. Hierdoor kon je de muispijl wel eens kwijt zijn. Ook zijn er minder grijstinten mogelijk”

Passieve displays maken plaats voor actieve displays. Op elk kruispunt van de rijen en kolommen zit een transistor waardoor de pixel aan en uit gezet kan worden, zonder naburige pixels te beïnvloeden. De grijstinten kunnen in stapjes worden geregeld door de juiste spanning aan te brengen.

Na belichting met UV-straling brengt de machine een polarisatiefilm aan. Als er een spanning op het scherm wordt gezet, ontstaat het beeld.

Kijkhoek

De beperkte kijkhoek van een LCD wordt veroorzaakt doordat de ‘rechtopstaande’ staafvormige moleculen dicht bij de glasplaten iets meer gaan ‘liggen’ en daar ook nog eens gedraaid zijn ten opzichte van elkaar. Deze moleculen beïnvloeden de polarisatie van het licht. Lichtstralen loodrecht op het scherm hebben geen last van dit effect, want de liggende moleculen bij de ene glasplaat heffen de werking van die bij de andere glasplaat op. Bij schuine lichtstralen is dit niet zo en deze worden elliptisch gepolariseerd. Hierdoor wordt het beeld donkerder of onstaat zelfs een negatief beeld. “De beperkte kijkhoek van LCD’s is gedurende langere tijd een groot probleem geweest, maar het is nu zo goed als opgelost. De nieuwste ‘liquid crystal televisies’ zijn bijna optimaal” , aldus Broer.

“Een van de oplossingen is het aanbrengen van een plastic film met moleculen die het effect van de staafvormige moleculen teniet doen: schijfvormige moleculen. Om praktische redenen kozen wij echter voor films met schuinstaande staafvormige moleculen die gemakkelijker te maken zijn. Twee filmen met schuinstaande staafjes gedragen zich optisch hetzelfde als een film met schuinstaande schijfjes. In deze lagen brengen we een gradiënt aan van liggende naar schuinstaande moleculen, vergelijkbaar met de gradiënt in het vloeibaar kistal. Deze gradiënt leggen we in de plastic film vast met fotopolymerisatie.”

De laptop waarop Broer zijn presentatie laat zien, oogt van de zijkant nog vrij donker. “Deze LCD is al zo’n drie jaar oud”, legt Broer uit. “Bovendien zit in dit scherm een folie dat het licht juist wat naar voren brengt. Een laptop is vooral voor persoonlijk gebruik en zo wordt de energie efficiënt gebruikt.”

Recyclen van licht

Een probleem waar nu nog hard aan gewerkt wordt in de LCD-wereld is het verlies aan licht in de verschillende lagen. “In oude LCD’s komt uiteindelijk maar 5 tot 10% bij de kijker terecht”, zegt Broer. “De grootste factoren hierbij zijn het polarisatiefilter dat maar 44% van het licht doorlaat en de kleurenfilters die elk 30% doorlaten. We willen het licht dat nu wordt geabsorbeerd door de filters hergebruiken. We werken daarom aan een polarisatiefilter dat de ene trillingsrichting doorlaat en de ander reflecteert. Het gereflecteerde licht komt weer terug bij de backlight waar de polarisatie van het licht omdraait. Dit licht heeft daarna de juiste trillingsrichting om doorgelaten te worden door de cellen.”

“Ook kleurenfilters moeten licht gaan recyclen”, zegt Broer. “Een roodfilter moet bijvoorbeeld niet het blauwe en groene licht absorberen maar weerkaatsen. Het backlight kaatst deze kleuren dan weer terug voor hergebruik.”

“Iets nieuws waar we onder andere aan werken zijn ‘paintable displays.’ Dit is niet iets dat je letterlijk met een roller over de muur verdeelt, maar het beeldscherm moet je gemakkelijk ergens op aan kunnen brengen, zoals bijvoorbeeld op grote vellen plastic substraat dat je later als een soort behangpapier kan gaan verwerken. Ik denk dat dit wel mogelijk is maar het zal nog even op zich laten wachten. Er komen namelijk wat problemen bij kijken. Zo moet je tijdens de productie de actieve lagen in een continu proces op elkaar aanbrengen. Het vloeibaar kristal is vloeibaar maar moet zich tijdens de verwerking eigenlijk even als een vaste stof gedragen.”

Broer en zijn collega’s bij Philips werken aan een proces om vloeibaar kristallen aan te brengen die ingekapseld worden in polymeren hokjes. Een artikel over dit principe haalde in mei dit jaar het blad ‘Nature.’ Met een coatingtechniek wordt een natte laag aangebracht met twee componenten: een monomeer en het vloeibaar kristal. Door de laag via een roostervormig masker te belichten met hoog-intensieve UV-straling van 400 nm, ontstaat een rooster van muurtjes door polymerisatie van het monomeer. Door beliching met laag-intensief UV-straling van rond de 340 nm vindt vervolgens fasescheiding plaats van de twee componenten in het nog vloeibare mengsel hiertussen. Het kristal zakt naar beneden terwijl het reactief materiaal naar boven gaat waar het polymeriseert. Het kristal is daarna opgesloten in afzonderlijke cellen.

Meer weten:

Dit artikel is een publicatie van Chemisch 2 Weekblad.
© Chemisch 2 Weekblad, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2002

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.