Une équipe de recherche internationale de Russie, La France et l'Allemagne ont proposé une nouvelle méthode d'orientation des cristaux liquides. Il pourrait être utilisé pour augmenter l'angle de vision des écrans à cristaux liquides. L'article a été publié dans la revue Lettres de macro ACS .

« Il s'agit avant tout d'une étude fondamentale explorant les mécanismes d'orientation des cristaux liquides, " dit Dimitri Ivanov, le responsable du Laboratoire des Matériaux Organiques et Hybrides Fonctionnels du MIPT. "Cela dit, nous nous attendons à ce que ces mécanismes puissent avoir des applications dans la nouvelle technologie LCD."

La plupart des solides sont des cristaux. Dans un cristal, les molécules ou les atomes forment une structure tridimensionnelle ordonnée. Contrairement aux solides, les liquides n'ont pas cet ordre interne à longue portée, mais ils peuvent couler. La matière à l'état de cristal liquide a des propriétés intermédiaires entre celles des liquides et des cristaux :elle possède à la fois l'ordre moléculaire et la capacité de s'écouler. Un cristal liquide peut ainsi être considéré comme un liquide « ordonné ».

Tous les matériaux ne peuvent pas présenter un état cristallin liquide, et les mécanismes de transition de phase peuvent varier. Entre autres, les molécules d'un matériau LC doivent être anisométriques, c'est-à-dire en forme de tige ou de disque. Certains composés deviennent des CL dans une certaine plage de températures. Ceux-ci sont appelés thermotropes. Par contre, Les CL lyotropes adoptent l'état cristallin liquide lorsqu'un solvant est ajouté.

Les propriétés d'un matériau LC varient en fonction de la direction. Par exemple, la lumière polarisée se propage dans un cristal liquide à différentes vitesses dans différentes directions. Aussi, dans un champ électrique ou magnétique, l'orientation des LC peut changer rapidement. Ce phénomène est connu sous le nom de transition de Freedericksz. Grâce aux propriétés optiques des LC et à leur capacité à être facilement réalignés, ils sont largement utilisés dans les affichages électroniques des téléviseurs, des ordinateurs, Téléphone (s, et d'autres appareils.

Dans un écran LCD, l'image est générée en changeant l'intensité de la lumière dans chaque pixel via un champ électrique, qui réaligne les cristaux liquides. Il existe plusieurs configurations LCD, mais le plus couramment utilisé est basé sur des LC nématiques torsadés. Ce sont des cristaux liquides thermotropes en forme de tige qui peuvent adopter une configuration torsadée en utilisant des substrats d'alignement spéciaux. L'application d'un champ électrique à ces LC peut les détordre. Cette réponse reproductible et prévisible peut être utilisée pour contrôler l'intensité lumineuse.

Chaque pixel d'un écran LCD couleur se compose de trois sous-pixels :rouge, vert, et bleu. En variant leurs intensités, n'importe quelle couleur peut être affichée. Un sous-pixel dans un écran LCD à nématique torsadé (figure 1) se compose d'une source lumineuse, un filtre de couleur, deux polariseurs, et une cellule LC entre deux plaques de verre avec électrodes. Si les cristaux liquides n'étaient pas là, aucune lumière ne passerait à travers la cellule, car la lumière laissée par le polariseur vertical serait bloquée par le polariseur horizontal avant d'atteindre le filtre de couleur. Cependant, des substrats spéciaux avec des surfaces groovy peuvent être utilisés pour tordre les LC en spirale entre deux polariseurs afin de faire tourner la lumière précisément de la quantité nécessaire pour passer à travers le deuxième polariseur. L'état complètement éclairé du sous-pixel est en fait son état "éteint". Lorsque la tension est appliquée, les cristaux liquides se détordent, changer la polarisation de la lumière à un degré moindre. Par conséquent, une partie de la lumière est bloquée. Finalement, comme une certaine tension, aucune lumière ne peut atteindre le filtre de couleur, et le sous-pixel s'assombrit.

L'une des limitations de cette technologie est l'angle de vue d'un écran :d'un point de vue latéral, l'écran LCD ne rendra pas les couleurs avec précision. Ceci est dû au co-alignement des cristaux liquides. Le problème peut être résolu à l'aide d'affichages multidomaines, dans lequel les pixels appartiennent à plusieurs domaines, dont les orientations LC sont différentes. Cela signifie qu'au moins certains des domaines sont toujours orientés de la bonne manière. L'équipe internationale de chercheurs dirigée par le professeur Dimitri Ivanov, qui dirige le Laboratoire des matériaux organiques et hybrides fonctionnels du MIPT, a proposé une toute nouvelle solution pour la conception d'affichage multidomaine.

Les auteurs de l'article ont travaillé avec des polymères à cristaux liquides. Ce sont des substances composées de longues molécules avec une chaîne, structure répétitive. Une légère variation dans la structure des polymères peut modifier drastiquement leur orientation sur le substrat. Les polymères utilisés dans l'étude sont des poly(di-n-alkylsiloxanes), ou PDAS. Chaque molécule est une chaîne contenant en alternance des atomes de silicium et d'oxygène. Les atomes de silicium du PDAS portent deux chaînes latérales hydrocarbonées symétriques (figure 2). Le n dans le nom du composé représente la longueur des chaînes latérales, qui variait entre 2 et 6.

Dans l'expérience, des polymères de la famille PDAS ont été déposés sur une surface d'alignement frottée de téflon avec un motif régulier de rainures. Généralement, les polymères cristallins sont connus pour s'aligner sur de tels substrats, mais seulement lorsque les paramètres de maille du substrat correspondent à ceux du polymère déposé. Les chercheurs ont examiné l'orientation des chaînes de polymère à cristaux liquides par rapport à la direction des rainures sur la surface d'alignement. La longueur de chaîne latérale n a été augmentée par étapes d'un seul groupe méthylène (CH₂) à la fois.

Les chercheurs ont découvert que, contrairement aux attentes, l'orientation des cristaux liquides variait en fonction de la longueur de la chaîne latérale. A n égal à 2, les superstructures polymères en forme d'aiguille connues sous le nom de lamelles co-alignées avec les rainures en téflon. Parce que les lamelles sont connues pour être perpendiculaires aux chaînes polymères, les chercheurs ont conclu que les chaînes polymères sont perpendiculaires aux rainures du substrat (figure 3, la gauche). Lorsque n a été augmenté à trois, l'orientation des lamelles a changé de 90 degrés, en les rendant perpendiculaires aux rainures. Par conséquent, les chaînes polymères LC sont maintenant orientées parallèlement aux sillons (figure 3, droit). A n égal à quatre, aucun autre changement d'orientation n'a été observé. Cependant, lorsque la longueur de la chaîne latérale a été augmentée à cinq et six, les lamelles se sont à nouveau alignées avec les rainures en téflon.

Les chercheurs ont ainsi découvert qu'en ajoutant simplement un groupe méthylène à la chaîne latérale du polymère, ils pourraient changer l'orientation LC, ce qui est crucial pour la plupart des applications des cristaux liquides, y compris les écrans LCD. Selon les auteurs, l'effet qu'ils ont découvert pourrait être utilisé pour concevoir des écrans LCD avec des angles de vision améliorés. Cela pourrait être réalisé en utilisant une technologie multidomaine qui fonctionne en orientant des sous-pixels d'une couleur dans différentes directions. Par conséquent, les pixels se compensent lorsque l'affichage est vu sous un angle, amélioration du rendu des couleurs. Les chercheurs s'attendent à ce que cette technologie soit considérablement plus simple et moins chère que les autres approches multidomaines actuellement utilisées.