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近日，俄、法、德科學家組成的國際科研團隊提出了一種新的液晶定向方法，可改善液晶顯示器的視角。
背景
大多數的固體都是晶體。在晶體中，分子或原子會形成一種有序的三維結構。不同於固體，液體缺少這種內部的長程有序性，但是它們可以流動。液晶相物質的特性處於液體與晶體二者之間，既具有分子有序性，又具有流動能力。因此，液晶可以被當作一種“有序”的液體。
並不是所有的材料都能呈現出液晶相，而且相變機制也可能不同。此外，液晶材料的分子必須是各向異性的，即桿狀或盤形的。在特定溫度範圍內，一些化合物會變成液晶，這些稱為“熱致型”（thermotropic）。相比而言，溶致（lyotropic）液晶則是在新增溶劑時出現液晶相。
液晶材料的特性會根據方向發生變化。例如，在液晶中，偏振光以不同速度沿不同方向傳播。此外，在電場或磁場作用下，液晶的方向也會迅速改變，這種現象被稱為“Fréedericksz 轉變”。液晶的光學特性以及可輕易重新排列的能力，使之廣泛應用於電視、計算機、手機和其他裝置的電子顯示器。
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在電場作用下，液晶分子會重新排列，產生透光度的差別。依此原理，可改變每個畫素的光線強度，從而構成液晶顯示器（LCD）的影象。液晶的排列方式有幾種，但是LCD中最普遍使用的是扭曲向列液晶。這些桿狀的熱致型液晶，採用特殊的對齊基板展開扭曲的排列。為了讓這些液晶不再扭曲，可以向它們施加一個電場。這種可再生、可預測的響應機制能用於光線強度的控制。
彩色LCD中，每個畫素都由三個子畫素構成：紅、綠、藍。通過改變這些子畫素的光線強度，能顯示出任何顏色。基於扭曲向列相的LCD中的子畫素（圖1）由一個光源、一個彩色濾光片、兩個偏光片、位於兩個帶有電極的玻璃板之間的液晶面板組成。如果沒有液晶，光線無法通過這個面板。因為，無論什麼光線穿過垂直的偏光片後，在到達彩色濾光片之前，都會被水平的偏光片阻擋。
圖1：基於扭曲向列相的LCD中的子畫素結構
（圖片來源：Lion_on_helium / MIPT 新聞辦公室）
然而，表面有槽的特殊基板能以一種螺旋的方式，在兩個偏光片之間扭曲液晶，以便根據所需要的量讓光線精準地穿過第二個偏光片。完全被照亮的狀態實際上是子畫素的“關閉”狀態。施加電壓後，液晶變得不再扭曲，光線的偏振程度變小。結果，一些光線會被阻擋。最終，由於一定的電壓，使得沒有光線能順利到達彩色濾光片，並且子畫素變得黑暗。
然而，該技術的限制因素之一就是顯示器的視角。從側面角度來看，LCD將無法準確地渲染色彩，這是由於液晶相互對齊所導致的。這一問題可以通過多象限顯示技術來解決。在這一技術中，畫素屬於一系列的象限，它們的液晶方向有所不同。這意味著至少有一些象限總是按照正確的方式對齊。
創新
近日，俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）功能有機和混合材料實驗室的領頭人 Dimitri Ivanov 教授領導的國際科研團隊提出了一種全新的多象限顯示技術方案。俄、法、德三國科學家組成的科研團隊設計了一種全新液晶定向方法，用於提高液晶顯示器的視角。相關論文發表於《ACS Macro Letters》雜誌。
Dimitri Ivanov 表示 ：“這是首個用於探索液晶定向機制的基礎性研究。也就是說，我們希望這些機制應用於新型液晶顯示器技術。”
（圖片來源：Lion_on_helium / MIPT 新聞辦公室）
技術
論文作者們報告稱，這項研究採用了液晶聚合物。它們由具有鏈狀重複結構的長分子組成。結果表明，聚合物結構中的輕微變化將顯著改變它們在基板上的方向。這項研究中採用的聚合物是poly(di-n-alkylsiloxanes)或“PDAS”。每個分子都是一條含有交替的矽原子和氧原子的鏈。PDAS中的矽原子連線著兩個對稱的烴側鏈（圖2）。化合物名稱中的n代表著側鏈的長度，它在2到6之間。
圖2：poly(di-n-alkylsiloxanes)或PDAS的化學結構
（圖片來源：Lion_on_helium / MIPT 新聞辦公室）
在實驗中，PDAS聚合物沉積於塗有特氟龍的對齊表面上，而表面上具有溝槽狀的規則圖案。總的來說，晶體聚合物在這種基板上對齊，但是這發生在基板的晶格參數與沉積的聚合物相匹配的情況下。相對於對齊表面上槽的方向，研究人員檢查了液晶聚合物鏈的朝向。每增加一個亞甲基（CH₂），側鏈長度也相應地加一。
研究結果與期望相反，液晶方向取決於側鏈的長度。當n等於2時，針狀的聚合物超結構，也稱為片晶，與特氟龍槽相互對齊。因為片晶與聚合物鏈垂直，所以研究人員推論出聚合物鏈與基板上的槽相互垂直（圖3，左）。當n增加至3的時候，片晶的方向改變90度，與槽相互垂直。結果，液晶聚合物鏈與槽平行（圖3，右）。當n等於4時，方向上沒有觀察到更多的變化。然而，當側鏈長度進一步增加至5和6，片晶再一次與特氟龍槽對齊。
圖3，液晶相對於特氟龍基板的兩種可能的方向：左，聚合物鏈（黑色波紋）與對齊表面（綠色）上的槽是垂直的；右，它們是平行的。聚合物鏈垂直於片晶。
（圖片來源：Lion_on_helium / MIPT 新聞辦公室）
價值
因此研究人員發現，只需要在聚合物側鏈上新增一個亞甲基，就可以切換液晶的方向，這對於LCD在內的大多數液晶應用來說都非常重要。論文作者稱，他們探索出的這一效應可用於設計具有更佳視角的LCD。
它可以過多象限技術來實現，它可以將一種顏色的子畫素定向到不同的方向上。結果，當顯示器以某一個角度觀看時，畫素之間相互補償，從而改善色彩還原。研究人員希望這項技術比目前使用的其他多象限技術更加簡單便宜。
關鍵字
液晶顯示器、聚合物、光學
參考資料
【1】https://mipt.ru/english/news/researchers_offer_new_technology_for_liquid_crystal_displays
【2】https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsmacrolett.8b00044