Nieuwe technologie zorgt voor efficiëntere LCD-schermen

Een nieuw soort kleuren filter zou de energie efficiëntie van liquid-crystal displays ofwel LCD schermen sterk kunnen doen verbeteren. LCD schermen domineren momenteel de markt van televisie schermen tot gsm's. Liquid Crystal Display staat voor vloeibaar kristal scherm en dit zijn platte beeldschermen die een relatief laag energieverbruik hebben in vergelijking met andere beeldschermen. Dit relatief lage energieverbruik en hun platte vorm zorgen ervoor dat ze uiterst geschikt zijn om te gebruiken in platte elektronische apparatuur of in draagbare apparaten die een batterij met beperkte capaciteit hebben.

Vloeibare kristallen zijn materialen die zich in een aggregatietoestand bevinden die de eigenschappen van vaste kristallen en vloeibare fasen in zich verenigt. De globale werking van een LCD-scherm berust op het effect dat de 'vloeibare kristallen' in het display in staat zijn om de polarisatierichting van licht te draaien als er een elektrische spanning op wordt gezet. De beste LCD schermen die momenteel op de markt te vinden zijn stralen 8% van het licht die in de achtergrond erdoor gestuurd wordt uit. Er gaat dus toch nog veel energie verloren in de werking van deze LCD schermen. LCD schermen maken een groot deel uit van het elektriciteitsverbruik bij de mensen thuis, de California Energy Commission zegt dat LCD-schermen verantwoordelijk zijn voor naar schatting 10% van uw elektriciteitsrekening.

Normaal gezien zijn LCD-schermen zijn opgebouwd uit verschillende optische lagen die het licht afkomstig van een lichtbron die achter deze lichten geplaatst is to 'kleuren', polariseren en door te laten. Bij elke stap van dit proces gaat er een deel van het licht verloren omdat het geabsorbeerd of weerkaatst wordt. Nu heeft een onderzoeker van aan de University of Michigan een optische film ontwikkeld waarmee het algemene rendement van LCD schermen met meer dan 400% verbeterd kan worden. Dit wil zeggen dat er 36% in plaats van 8% van het licht uitgestraald wordt. Deze nieuwe optische film werd ontwikkeld door L. jay Guo en is in staat om het licht die erdoor passeert de kleuren en te polariseren op een veel efficiëntere wijze dan dat de conventionele componenten die konden.

De kleurenfilter bestaat uit 3 lagen van isolerend materiaal die tussen 2 lagen aluminium geplaatst worden. Deze 5 lagen op elkaar hebben maar een dikte van minder dan 200 nanometer. Op deze kleurenfilter worden dunne spleten geëtst en zo verkrijgt men een rooster. De afstand tussen spleten en de breedte van de spleten bepaald welke kleur het licht heeft die uitgestraald wordt. Dit komt doordat het licht waarvan de golflengte ongeveer even groot als het rooster patroon doorgelaten wordt. In een paper die gepubliceerd werd in Nature Communications leggen de wetenschappers uit hoe het mogelijk is om met een dergelijke filter alle kleuren van de regenboog te laten uitstralen.

Deze nieuwe filter zorgt niet alleen voor een veel efficiëntere werking voor de LCD-schermen maar ook productieproces wordt met deze nieuwe kleurenfilter veel simpeler dan voordien. Het is mogelijk om zowel rode, blauwe en groene subpixles te maken door patroonvormen met verschillende afmetingen naast elkaar aan te brengen in één enkele stap van het fabricageproces. Drie subpixels met elk een verschillende kleur (rood, groen en blauw) vormen samen één pixels van een LCD scherm. Doordat een pixel deze 3 subpixels bevat is het in staat om alle kleuren tussen deze drie aan te nemen. Het oog kan namelijk niet waarnemen dat de kleur geel bijvoorbeeld bestaat uit de primaire kleuren rood en groen afkomstig van de respectievelijke subpixel, daarvoor zijn ze namelijk te klein. Bij de conventionele LCD-schermen worden er pigmenten gebruikt voor de productie van de subpixels. De pigmenten voor de verschillende kleuren moeten telkens elk apart aangebracht worden en daarna moeten er meerdere samengebracht worden om één subpixel te verkrijgen.

Een elektromagnetische straling, zoals zichtbaar licht, bestaat steeds uit 2 verschillende componenten, namelijk een elektrische en een magnetische veldcomponent. Deze 2 componenten zijn beide transversale golven die loodrecht op de voortplantingsrichting staan. De polarisatie van elektromagnetische straling slaat op de wijze waarop de elektrische veldvector trilt. Bij reflectie van een elektromagnetische golf op een materiaal met een andere dichtheid kan de polarisatie van de gereflecteerde golf anders zijn dan die van de invallende golf. Dit is goed te zien wanneer men op een zonnige dag een Polariod zonnebril voor zich houdt terwijl men naar reflecties van zonlicht op water of op een venster kijkt. Als de bril van horizontaal naar verticaal verdraaid wordt, is te zien dat het materiaal waaruit de glazen van deze bril zijn gemaakt, licht met verschillende polarisatie in verschillende mate verzwakt. Deze nieuwe technologie is ook in staat om het licht op een efficiëntere manier te gaan polariseren. Het is noodzakelijk dat het licht gepolariseerd wordt omdat de vloeibare kristallen sluiters, die openen en sluiten om het licht van elke pixels door te laten, enkel met gepolariseerd licht kunnen werken. De conventionele LCD schermen gebruiken polariserende filters die meer dan de helft van het invallende licht absorberen, namelijk het gedeelte van het licht met de ongewenste polarisatie. Met deze nieuwe technologie wordt natuurlijk ook enkel de lichtstralen met de juiste polarisatie doorgelaten maar degene met de ongewenste polarisatie worden niet geabsorbeerd. Deze worden namelijk gereflecteerd terug naar de richting van waar ze komen. De gereflecteerde stralen vallen in op een spiegel, deze weerkaatst de lichtstralen terug naar polarisatiefilter maar wanneer het licht weerkaatst wordt, draait van een gedeelte van de lichtstralen de polarisatie om waardoor ze wel doorgelaten worden door de polarisatiefilter.

Momenteel zijn de onderzoekers van University of Michigan bezig met deze nieuwe filters 'productie-waardig' te maken. Of met andere woorden, maken ze deze filters compatibel zodat deze machinaal gemaakt kunnen worden in massa-productie. De eigenlijk techniek om deze te maken staat al vrij goed op punt maar deze verschillende stappen moeten nog samen tot één proces geïntegreerd worden.

via [technologyreview]