Cholesterische Flüssigkristalle (ChLCD) sind Materialien mit bistabilen Eigenschaften. Ihre hervorragenden reflektierenden Eigenschaften machen sie zu einer wichtigen Display-Technologie. Sie finden breite Anwendung in elektronischen Displays, einschließlich monochromer, mehrfarbiger und sogar vollfarbiger papierähnlicher Displays. Sie nutzen Umgebungslicht als reflektierende Quelle und emittieren selbst kein Licht. Die Ursprünge der Flüssigkristalle lassen sich auf cholesterische Materialien im Jahr 1888 zurückverfolgen, und der Begriff "cholesterisch" wird bis heute verwendet, um die Struktur der Flüssigkristalle zu beschreiben.
Die bistabilen Eigenschaften von Cholesterinkristallflüssigkeiten
ChLCDs weisen bistabile Eigenschaften auf, was bedeutet, dass sie von Natur aus in zwei stabilen Zuständen verbleiben können. Der eine Zustand ist der planare Zustand, in dem die Moleküle der Flüssigkristalle geordnet ausgerichtet sind und spezifische Wellenlängen des Lichts reflektieren, oft als heller Zustand bezeichnet. Der andere Zustand ist der fokalkonische Zustand, in dem die Moleküle der Flüssigkristalle ungeordnet angeordnet sind, das einfallende Licht streuen und den Großteil davon durchlassen, oft als dunkler Zustand bezeichnet. In diesem Zustand ist die Farbe des Materials unter der Flüssigkristallschicht, normalerweise schwarz, sichtbar. Darüber hinaus gibt es einen temporären Zustand, der als homeotropischer Zustand bekannt ist, in dem alle Moleküle der Flüssigkristalle senkrecht ausgerichtet sind, was es ermöglicht, dass sämtliches Licht hindurchtritt und die Farbe des Materials unter der Flüssigkristallschicht sichtbar wird.
Diese drei Zustände können durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die cholesterolflüssigen Kristalle verändert werden:
- Wenn cholesterische Flüssigkristalle in einer plano-parallelen Schicht vorliegen, kann durch Anlegen eines kleinen elektrischen Feldes in den fokussierten Kegelzustand überführt werden. Bei Anlegen eines höheren elektrischen Feldes kann die gesamte Flüssigkristallschicht in die vertikale Ausrichtung überführt werden.
- Und im vertikalen Zustand kehrt sich die Flüssigkristallschicht in den ebenen Zustand zurück, wenn das elektrische Feld schnell entfernt wird, und wenn das elektrische Feld langsam entfernt wird, wird die Flüssigkristallschicht in den Fokus-Kegelzustand übergehen.
So können durch Anlegen und Entfernen von elektrischen Feldern und schnellen/langsamen Änderungen der Zustand von Cholesterin-Flüssigkristallen verändert werden.
Vollfarbige Anwendungen von cholesterischen Flüssigkristallen
Die Fähigkeit von cholesterischen Flüssigkristallen, Farben darzustellen, ist grundlegend mit ihrem reflektierenden Zustand (heller Zustand) verbunden, der dem Bragg-Gesetz folgt. Dieses Gesetz besagt, dass, wenn Licht mit einem kristallinen Gitter interagiert, der erste Lichtstrahl an Punkt A und der zweite an Punkt B reflektiert wird. Der Unterschied in den Wegen dieser Strahlen wird durch die Abstände CB und BD charakterisiert, die zusammen 2d × sinθ ergeben, wobei d der Abstand zwischen den periodischen Gitterpunkten und θ der Einfallswinkel ist. Wenn der Unterschied in den Weglängen (2d × sinθ) ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des einfallenden Lichts (λ) ist, tritt konstruktive Interferenz auf. Durch die Veränderung der Steigung des Flüssigkristalls kann man somit die Wellenlänge des reflektierten Lichts und damit seine Farbe anpassen.
Wenn der Drehwinkel der Flüssigkristalle so eingestellt wird, dass bei blauem Licht konstruktive Interferenz auftritt, wird das blaue Licht reflektiert, sodass der Flüssigkristall blau erscheint. Nach dem gleichen Prinzip lässt sich der Drehwinkel so einstellen, dass grüne und rote Wellenlängen reflektiert werden. Auf diese Weise kann ein cholesterinartiger Flüssigkristall durch Anpassung des Drehwinkels verschiedene Farbeffekte erzeugen. Nutzt man dieses Phänomen, um drei Schichten cholesterolartiger Flüssigkristalle in den Farben Rot, Grün und Blau übereinander zu schichten und diese mit einer schwarzen Absorptionsschicht als unterste Schicht zu kombinieren, lassen sich so mehr als 16 Millionen Farben für eine Vollfarb-Anzeige erzielen.
Vollfarbbilder werden durch additive Farbmischung der Grundfarben Rot, Grün und Blau erreicht. Gelb entsteht beispielsweise durch die Überlagerung von Grün und Rot. Bei voller Helligkeit aller drei Grundfarben wird in einer Reflexionsschicht Weiß angezeigt, während bei absoluter Dunkelheit (keine Reflexion) aufgrund einer schwarzen Absorptionsschicht im Hintergrund Schwarz angezeigt wird.
Cholesterin-Flüssigkristall-Erweiterte Anwendungen
Wenn man die Eigenschaft des Cholesterin-Flüssigkristalls, Licht durchzulassen, weiter ausnutzt und die schwarze Absorptionsschicht durch ein Solarpanel ersetzt, kann das Display nicht nur Bilder anzeigen, sondern gleichzeitig auch Energie speichern. Denn der sichtbare Anteil des Sonnenlichts im Freien wird zur Reflexion des Bildes genutzt, während der Infrarotanteil die Flüssigkristallschicht durchdringt, die darunter liegende Schicht erreicht und dort von den Solarzellen absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt wird. So entsteht ein Display, das sowohl Bilder anzeigt als auch Strom erzeugt.
Wenn es mit einem aktiv leuchtenden Display (wie einem Mini-LED-Panel) kombiniert wird, kann es flexibel zwischen dem cholesterinischen Flüssigkristall-Reflexionsdisplay-Modus oder dem dynamischen, selbstleuchtenden Mini-LED-Display-Modus umgeschaltet werden, je nachdem, ob das Bild statisch oder dynamisch ist.
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