Variable Polarisation dank Oberflächenplasmons

Aufgrund der angelegten Spannung werden freie Elektronen im Metall angeregt, wobei longitudinale elektronische Schwingungen parallel zur Oberfläche auftreten. Die resultierende elektrische Feldstärke, die je nach Spannung variiert, hat einen Einfluss auf die Orientierung der Flüssigkristalle und damit auf die Wellenlänge des Lichts. Dabei kann das volle Farbspektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich dargestellt werden. Die plasmonische Nanostruktur, deren Beschaffenheit an Eierkartons erinnert, ist für die Polarisation entscheidend.

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In einer Publikation der Zeitschrift Nature Communications gehen Chanda und sein Team auch auf bestimmte Rahmenbedingungen ein: Da das elektrische Feld exakt im Raum über der metallischen Oberfläche am stärksten ist, sollte die Pixelgröße einen gewissen Größenbereich nicht unterschreiten, da sonst der Effekt des Oberflächenplasmons verloren geht. Der angegebene Wert von 2,1 µm ist jedoch dermaßen gering, dass wir die Grenzen vermutlich noch eine längere Zeit nicht erreichen werden. Zum Vergleich: Ein Pixel eines Ultra-HD-Displays (3.840 x 2.160 Bildpunkte) auf 5 Zoll ist mit 28 µm mehr als 13-mal so groß.

  • Jedes der vier Bilder des afghanischen Mädchens ist das Resultat unterschiedlicher elektrischer Feldstärken. (Bild: University of Central Florida)
  • Nahaufnahmen der plasmonischen Nanostruktur mit unterschiedlichem Vergrößerungsfaktor: (e) 20 mm, (f) 10 mm, (g) 5 mm, (h) 150 nm
  • Eierschalenstruktur der Metallschicht, sichtbar mit dem Rasterelektronenmikroskop (Bild: University of Central Florida)
  • Variable Anordnung der Flüssigkristalle in zwei Perspektiven: kein elektrisches Feld (b), elektrisches Feld mit 10 V/µm (c), simuliertes Computermodell der Feldstärke (Bild: University of Central Florida)
Nahaufnahmen der plasmonischen Nanostruktur mit unterschiedlichem Vergrößerungsfaktor: (e) 20 mm, (f) 10 mm, (g) 5 mm, (h) 150 nm

Display mit vielen Vorteilen

Das Prinzip, das ein wenig an die LCoS-Technik erinnert, kann daher als Weiterentwicklung der LC-Technik angesehen werden. Bei LCoS-Displays (Liquid Crystal on Silicon), die in Projektoren zum Einsatz kommen, wird das Licht im Gegensatz zu einem LCD nicht durchgelassen, sondern reflektiert. Aber auch bei LCoS ist das Trägermaterial, das aus einer Anordnung aus Dünnfilmtransistoren auf einer starren Leiterplatte besteht, nicht flexibel.

Somit dürfte in der Electric Skin sehr viel Potenzial liegen: Die Vorteile der Flexibilität, die man aus der OLED-Technik kennt, werden mit den polarisierenden Eigenschaften der LCoS-Technik verbunden, ohne mit den Nachteilen der kontrastmindernden Beleuchtung der LCD-Technik zu kämpfen. Auch das Problem der sichtbaren Leiterbahnen, die aufgrund der eingeschränkten Füllrate zum Fliegengitter-Effekt führen, ist ausgeschlossen, da es keine Leiterbahnen mehr gibt.

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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass dank der plasmonischen Nanostrukturen die Anzahl der Subpixel reduziert werden kann. Während bei LCD meist drei Subpixel (RGB oder CYM) verwendet werden, kann die Zahl hier auf zwei reduziert werden, um dieselben optischen Eigenschaften zu liefern. Dadurch sind noch höhere Pixeldichten möglich.

Chanda ist sich seiner Errungenschaft bewusst und stellt derzeitige Verhaltensweisen bereits infrage: "Warum soll ich 50 Hemden in meinem Kleiderschrank aufbewahren, wenn ich Farbe und Muster anpassen könnte?" Das Forscherteam nutzt bereits ein simples Nanodruckverfahren, um die reflektierende Metallschicht auf großen Flächen anzubringen. "Dieses Verfahren ist billig und ermöglicht flexible Displays, die das volle Farbspektrum abdecken können. Eine einzigartigte Kombination."

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 Electric Skin: Nanoforscher entwickeln hautähnliches Farbdisplay
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