Учёные разработали новый тип жидкокристаллических дисплеев

Сотрудники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с иностранными коллегами разработали новый жидкокристаллический материал. Он обладает большим потенциалом в качестве основы для создания дисплеев — ярче, быстрее, экономичнее и с лучшим разрешением. Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Устройства с жидкокристаллическими дисплеями найдутся практически в каждом доме. Простейшие из них — часы, калькуляторы, плееры, а уровнем выше стоят экраны компьютеров, смартфонов, планшетов, телевизоров и многих других электронных приборов. Изображения на них сформированы пикселями — наименьшими физическими элементами жидкокристаллического дисплея.

Экраны подобных устройств не способны отображать несколько цветов в одной точке, а потому каждый пиксель разделен на три равные части (субпиксели), отображающие свой цвет: красный, синий или зелёный. То, каким будет субпиксель, определяет соответствующий цветовой фильтр. Он покрывает конструкцию, чем-то напоминающую сэндвич: «начинка» представлена двумя стёклами с прозрачными электродами и жидким кристаллом между ними, а «булочки» — ещё двумя фильтрами, отсекающими волны с поляризацией света (поворотом плоскости волны) во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Когда к электродам не подведено напряжение, вытянутые молекулы нематического жидкого кристалла, используемого в современных дисплейных устройствах, выстроены между ними в форме спирали благодаря специальной обработке поверхности стёкол. Такая структура жидкого кристалла производит поворот плоскости поляризации света на 90 градусов, и поэтому свет, прошедший через первый фильтр, проходит и через второй, создавая светлое изображение. Если к элементу приложено напряжение, то молекулы жидкого кристалла выстаиваются вдоль направления электрического поля, поворот плоскости поляризации света в такой ячейке отсутствует, и пиксель оказывается непрозрачным. Это принцип был придуман советским физиком Всеволодом Фредериксом и в настоящее время используется в подавляющем количестве дисплейных устройств на жидких кристаллах. Цвет в таких устройствах создаётся за счёт светодиодной подсветки тремя цветами (синим, зелёным и красным), а произвольный цвет изображения и яркость определяются количеством светлых и тёмных пикселей, привязанных к определённым светодиодам.

«Мы разработали другой тип материала — жидкокристаллический сегнетоэлектрик, обладающий спонтанной электрической поляризацией, благодаря которой быстродействие материала увеличивается на несколько порядков. Это необходимо для реализации другой идеи — дисплеев с последовательным во времени чередованием цветов подсветки», — рассказывает Александр Емельяненко, профессор РАН, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник кафедры физики полимеров и кристаллов отделения физики твёрдого тела физического факультета МГУ.

Разработанный учёными материал имеет упорядоченную структуру в широком диапазоне температур, что делает его устойчивым к температурным колебаниям. В новых дисплеях все три цвета подсветки могут вспыхивать в определённой быстрой последовательности через всю панель экрана, а каждый жидкокристаллический пиксель будет «открываться» и «закрываться» ещё быстрее, поэтому человеческий глаз станет усреднять цвет не в пространстве (как в современных дисплеях), а во времени. Эксперименты показали, что смена кадров на таких экранах также окажется ускорена, что позволит зрителям насладиться более реалистичным изображением без дефектов.

Современные жидкокристаллические дисплеи обладают недостаточно высоким коэффициентом пропускания света в основном из-за использования цветных фильтров, которые вмонтированы в структуру дисплея для создания полноцветного изображения. В среднем подобные системы пропускают только треть светового потока, из-за чего приходится применять более мощные источники света. В случае нового типа дисплеев такое блокирование не нужно, поскольку пиксели способны менять свой цвет и необходимость в цветофильтрах отпадает.

«Создание дисплеев с последовательным во времени чередованием цветов подсветки значительно удешевит их производство, улучшит оптические характеристики: яркость, цветовую гамму и разрешение (каждый пиксель будет полноценным пикселем, а не одним из трех субпикселей). Это также позволит сэкономить до 70% энергии, потребляемой дисплеем, поскольку можно будет использовать гораздо менее яркий источник света, не уменьшая при этом яркость самого дисплея», — заключает Александр Емельяненко.

Работа выполнена совместно с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли и тайваньского Национального университета Чен Кунг.

Фото: Иллюстрация комбинации цветов во времени в пикселе дисплея. Источник: Александр Емельяненко