LCD en modo de fase azul

Una pantalla LCD de modo de fase azul es una tecnología de pantalla de cristal líquido (LCD) que utiliza fases colestéricas altamente retorcidas en una fase azul . Se propuso por primera vez en 2007 para obtener una mejor visualización de imágenes en movimiento con, por ejemplo, velocidades de fotogramas de 100 a 120  Hz para mejorar la respuesta temporal de las pantallas LCD. ^{[ 1 ]} Este modo de funcionamiento para pantallas LCD tampoco requiere capas de alineación anisotrópicas (por ejemplo, poliimida frotada ) y, por lo tanto, teóricamente simplifica el proceso de fabricación de pantallas LCD.

En los informes de Reinitzer de 1888 sobre el comportamiento de fusión del benzoato de colesterilo , se observa que la sustancia se tornó brevemente azul al pasar de transparente a turbia durante el enfriamiento. Este sutil efecto permaneció sin explorar durante más de 80 años hasta que, a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, se publicaron resultados experimentales que indicaban que el color azul se debía al menos a dos fases cristalinas líquidas nuevas y muy diferentes . ^{[ 2 ]}

Durante casi 100 años, los científicos supusieron que la estructura helicoidal colestérica más estable podía describirse mediante un único eje helicoidal alrededor del cual giraba el director . Resultó que, en la nueva estructura, el director gira helicoidalmente alrededor de cualquier eje perpendicular a una línea, como se ilustra en la figura 1. Aunque en realidad existen un número ilimitado de ejes helicoidales, esta estructura se denominó estructura de doble torsión .

Esta estructura de doble torsión es más estable que la estructura de torsión simple (es decir, la estructura helicoidal normal de los nemáticos quirales ) solo hasta cierta distancia de la línea central. Dado que esta distancia es del orden del paso del cristal líquido nemático quiral (típicamente 100 nm) y que las geometrías de las muestras de cristal líquido habituales son mucho mayores, la estructura de doble torsión se presenta con poca frecuencia. 

Las fases azules son casos especiales en los que las estructuras de doble torsión ocupan grandes volúmenes. Cuando estas estructuras se limitan en todas las direcciones a la distancia desde la línea central donde la torsión alcanza los 45°, se forma un cilindro de doble torsión . Debido a su pequeño radio, dicho cilindro es más estable que el mismo volumen lleno de un cristal líquido nemático quiral de torsión simple.

Se puede componer una estructura grande a partir de estos cilindros de doble torsión , pero se producen defectos en los puntos donde los cilindros están en contacto, como se ilustra en la figura 5. ^{[ 3 ]} Estos defectos se producen a distancias regulares y tienden a hacer que la estructura sea menos estable, pero sigue siendo ligeramente más estable que la estructura de torsión simple sin defectos, al menos dentro de un rango de temperatura de aproximadamente 1 K por debajo de la transición de la fase nemática quiral a un líquido isotrópico.

Los defectos que se producen a distancias regulares en tres dimensiones espaciales forman una red cúbica, tal como la conocemos en los cristales sólidos. Las fases azules se forman, por lo tanto, mediante una red tridimensional regular de defectos dentro de un cristal líquido quiral. Dado que las distancias entre los defectos de una fase azul se encuentran en el rango de la longitud de onda de la luz (varios cientos de nanómetros), para ciertos rangos de longitud de onda de la luz reflejada por la red se produce interferencia constructiva ( reflexión de Bragg ) y la fase azul refleja luz de color (nótese que solo algunas de las fases azules reflejan realmente luz azul). ^{[ 4 ]}

En 2005, investigadores del Centro de Materiales Moleculares para Fotónica y Electrónica de la Universidad de Cambridge informaron del descubrimiento de una clase de cristales líquidos de fase azul que permanecen estables en un rango de temperaturas tan amplio como 16-60  °C. ^{[ 5 ]} Los investigadores demostraron que sus fases azules ultraestables podían utilizarse para cambiar el color de la luz reflejada aplicando un campo eléctrico al material, y que esto podría utilizarse eventualmente para producir píxeles de tres colores (rojo, verde y azul) para pantallas a todo color. ^{[ 6 ]} Las nuevas fases azules están formadas por moléculas en las que dos segmentos rígidos, con forma de varilla, están unidos por una cadena flexible, y se cree que su estabilización se debe a la flexoelectricidad. ^{[ 7 ]}

Además, se ha demostrado la conmutación electroóptica con tiempos de respuesta del orden de 10 ⁻⁴  s para las fases azules estabilizadas a temperatura ambiente. ^{[ 8 ]}

Los cristales de fase azul se consideran cristales fotónicos 3D , ya que poseen una estructura cúbica periódica en el rango nanométrico con una banda prohibida selectiva en las longitudes de onda visibles. Sin embargo, la fabricación estándar de cristales de fase azul produce muestras policristalinas, con un tamaño de monocristal en el rango micrométrico. Recientemente, se han estabilizado fases azules obtenidas como cristales fotónicos 3D ideales en grandes volúmenes mediante una orientación controlada de la red cristalina. ^{[ 9 ]}

La conmutación electroóptica de las fases azules monocristalinas muestra una mayor modulación y una menor dispersión que en las muestras policristalinas ^{[ 10 ].}

En mayo de 2008, Samsung Electronics anunció que había desarrollado el primer panel LCD de fase azul del mundo , capaz de funcionar a una frecuencia de actualización sin precedentes de 240  Hz. Samsung presentó un  prototipo de 15 pulgadas de su panel LCD de fase azul en el Simposio, Seminario y Exposición Internacional SID ( Society for Information Display ) 2008, que tuvo lugar en Los Ángeles del 18 al 23 de mayo de 2008. ^{[ 11 ]}

Desarrollado con la rentabilidad en mente, el modo Blue Phase de Samsung no requiere capas de alineación de cristal líquido, a diferencia de los modos TFT LCD más utilizados actualmente , como Twisted Nematic (TN), In-Plane Switching (IPS) o Vertical Alignment (VA). El modo Blue Phase puede crear sus propias capas de alineación, eliminando la necesidad de procesos mecánicos de alineación y frotamiento. Esto reduce la cantidad de pasos de fabricación necesarios, lo que se traduce en ahorros en los costos de producción. Además, se ha afirmado que los paneles Blue Phase reducen la sensibilidad de la capa de cristal líquido a la presión mecánica, lo que podría afectar la uniformidad lateral de la pantalla (por ejemplo, luminancia , cromaticidad).

En una pantalla LCD basada en fase azul para aplicaciones de TV, no es la reflexión selectiva de la luz según el paso de la red ( reflexión de Bragg ) lo que se utiliza para mostrar la información visual, sino que un campo eléctrico externo induce una birrefringencia en el cristal líquido a través del efecto Kerr . ^{[ 12 ]} Esa birrefringencia inducida por el campo se hace evidente como un cambio de transmisión cuando la capa de LC de modo de fase azul se coloca entre polarizadores cruzados .

Para una discusión detallada de los LC de fase azul en estructuras de conmutación en el plano (IPS) y el método de modelado relacionado basado en el efecto Kerr a escala macroscópica, consulte las referencias. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Con un estado oscuro isotrópico, los LCD de fase azul muestran muchas prestaciones electroópticas interesantes. Actualmente, el voltaje de conducción de los LC de fase azul en estructuras IPS sigue siendo un poco demasiado alto. Para reducir el voltaje, la ingeniería de materiales para desarrollar mezclas con una constante de Kerr alta es de vital importancia. ^{[ 15 ]} Además, el diseño del dispositivo también es una forma eficaz. Con un diseño adecuado de la estructura del dispositivo, el voltaje de conducción se puede reducir en gran medida. ^{[ 16 ]}

• Tetrastix

• OD Lavrentovich, M. Kleman : "Defectos y topología de cristales líquidos colestéricos" en "Quiralidad en cristales líquidos, 5", Springer Verlag: Nueva York (2001), extracto disponible aquí .

Consulte la página 124, figura 5.4, para obtener detalles sobre la disclinación que se forma en el refuerzo (es decir, el área triangular donde tres cilindros de doble torsión están en contacto).

• Universidad de Cambridge, Departamento de Ingeniería
• Universidad de Cambridge, Centro de Materiales Moleculares para Fotónica y Electrónica
• Primer televisor LCD con tecnología 'Blue Phase' del mundo