Efekt zkrouceného nematického pole - Twisted nematic field effect

Hodiny s raným prototypem LCD založeným na efektu zkrouceného nematického pole

Zkroucené nematické efekt ( TN-efekt ) byl hlavní technologie průlom, který dělal LCD praktické. Na rozdíl od dřívějších displejů nevyžadovaly články TN k provozu proud a používaly nízké provozní napětí vhodné pro použití s ​​bateriemi. Zavedení displejů s efektem TN vedlo k jejich rychlému rozšíření v zobrazovacím poli a rychle vytlačilo další běžné technologie, jako jsou monolitické LED diody a CRT pro většinu elektroniky. V devadesátých letech byly LCD s efektem TN v přenosné elektronice do značné míry univerzální, ačkoli od té doby mnoho aplikací LCD přijalo alternativy k efektu TN, jako je přepínání v rovině (IPS) nebo vertikální zarovnání (VA).

Mnoho monochromatických alfanumerických displejů bez obrazových informací stále používá TN LCD.

Displeje TN těží z krátké doby odezvy pixelů a menšího rozmazání než jiná technologie LCD displeje, ale trpí špatnou reprodukcí barev a omezenými pozorovacími úhly, zejména ve vertikálním směru. Při pohledu pod úhlem, který není kolmý na displej, se barvy posunou, potenciálně až do bodu úplného převrácení.

Popis

Zkroucený nematický efekt je založen na přesně kontrolovaném přeskupení molekul tekutých krystalů mezi různými uspořádanými molekulárními konfiguracemi působením aplikovaného elektrického pole. Toho je dosaženo při malé spotřebě energie a při nízkém provozním napětí. Základní fenomén zarovnání molekul tekutých krystalů v aplikovaném poli se nazývá Fréederickszův přechod a objevil jej ruský fyzik Vsevolod Frederiks v roce 1927.

Rozložený pohled na buňku z tekutých krystalů TN zobrazující stavy ve stavu VYPNUTO (vlevo) a stavu ZAPNUTO s aplikovaným napětím (vpravo)

Ilustrace vpravo ukazují stav VYPNUTO a ZAPNUTO jednoho obrazového prvku ( pixelu ) zkrouceného nematického modulátoru displeje z tekutých krystalů pracujícího v režimu "normálně bílé", tj. V režimu, ve kterém je světlo přenášeno, když na tekuté krystaly není aplikováno žádné elektrické pole.

Ve stavu VYPNUTO, tj. Když není aplikováno žádné elektrické pole, se mezi dvěma skleněnými deskami, na obrázku G, které jsou odděleny několika vložkami a potaženy průhledné elektrody, E 1 a E 2 . Samotné elektrody jsou potaženy vyrovnávacími vrstvami (nejsou zobrazeny), které přesně stáčejí tekuté krystaly o 90 °, když není přítomno žádné vnější pole (levé schéma). Pokud na přední stranu LCD svítí zdroj světla se správnou polarizací (asi polovina), světlo projde prvním polarizátorem, P 2 a do tekutých krystalů, kde je otáčeno šroubovicovou strukturou. Světlo je poté řádně polarizováno, aby prošlo druhým polarizátorem, P 1 , nastaveným na 90 ° k prvnímu. Světlo pak prochází zadní částí buňky a obraz, I, se jeví jako průhledný.

Ve stavu ZAPNUTO, tj. Když je pole aplikováno mezi dvě elektrody, se krystal znovu vyrovná s vnějším polem (pravý diagram). To „rozbije“ opatrné kroucení v krystalu a nedokáže přeorientovat polarizované světlo procházející krystalem. V tomto případě je světlo blokováno zadním polarizátorem P 1 a obraz I vypadá neprůhledně. Množství opacity lze ovládat změnou napětí. Při napětí blízko prahu se pouze některé krystaly znovu zarovnají a displej bude částečně průhledný. Jak se napětí zvyšuje, více krystalů se znovu zarovná, dokud se zcela „nezapne“. K zarovnání krystalu s polem je zapotřebí napětí přibližně 1 V a samotným krystalem neprochází žádný proud. Elektrický výkon potřebný pro tuto akci je tedy velmi nízký.

Pro zobrazení informací pomocí zkrouceného nematického tekutého krystalu jsou průhledné elektrody strukturovány foto-litografií, aby vytvořily matici nebo jiný vzor elektrod . Takto musí být vzorována pouze jedna z elektrod, druhá může zůstat spojitá ( společná elektroda). Pro nízký informační obsah postačují numerické a alfanumerické TN-LCD, jako jsou digitální hodinky nebo kalkulačky, segmentované elektrody . Pokud se mají zobrazovat složitější data nebo grafické informace, použije se maticové uspořádání elektrod. Napěťově řízené adresování maticových displejů , jako například u LCD obrazovek počítačových monitorů nebo plochých televizních obrazovek , je zjevně složitější než u segmentovaných elektrod. Pro matici s omezeným rozlišením nebo pro pomalu se měnící zobrazení i na velkém maticovém panelu stačí k implementaci pasivního maticového adresování pasivní mřížka elektrod za předpokladu, že pro každý řádek a sloupec existují nezávislé elektronické ovladače. Maticový LCD displej s vysokým rozlišením s požadovanou rychlou odezvou (např. Pro animovanou grafiku a/nebo video) vyžaduje integraci dalších nelineárních elektronických prvků do každého obrazového prvku (pixelu) displeje (např. Tenkovrstvé diody, TFD nebo tenkovrstvé tranzistory , TFT), aby bylo umožněno aktivní maticové adresování jednotlivých obrazových prvků bez přeslechu (neúmyslná aktivace neadresných pixelů).

Dějiny

RCA výzkum

V roce 1962 začal Richard Williams, fyzikální chemik pracující v RCA Laboratories, hledat nové fyzikální jevy, které by mohly přinést technologii zobrazení bez elektronek. Vědom si dlouhé řady výzkumů zahrnujících nematické tekuté krystaly, začal experimentovat se sloučeninou p-azoxyanisol, která má teplotu tání 115 ° C (239 ° F). Williams zahájil své experimenty na vyhřívaném mikroskopickém stolku a umístil vzorky mezi průhledné elektrody oxidu cínu na skleněné desky udržované při 125 ° C (257 ° F). Zjistil, že velmi silné elektrické pole aplikované přes hromadu způsobí vytvoření pruhovaných vzorů. Ty byly později nazvány „Williamsovy domény“. Požadované pole bylo asi 1 000 voltů na centimetr, příliš vysoké na praktické zařízení. Uvědomil si, že vývoj bude zdlouhavý, a proto předal výzkum fyzikovi Georgu Heilmeierovi a přešel k jiné práci.

V roce 1964 RCA George H. Heilmeier spolu s Louisem Zanonim a chemikem Lucianem Bartonem zjistili, že určité tekuté krystaly lze přepínat mezi transparentním stavem a vysoce rozptylovým neprůhledným za použití elektrického proudu. Rozptyl byl primárně vpřed, do krystalu, na rozdíl od zpětného rozptylu směrem ke zdroji světla. Umístěním reflektoru na odvrácenou stranu krystalu bylo možné dopadající světlo elektricky zapnout nebo vypnout, čímž Heilmeier nazval dynamický rozptyl . V roce 1965 Joseph Castellano a Joel Goldmacher, organičtí chemici, hledali krystaly, které zůstaly v tekutém stavu při pokojové teplotě. Během šesti měsíců našli řadu kandidátů a s dalším vývojem byla RCA schopna oznámit první displeje z tekutých krystalů v roce 1968.

Přestože byl displej dynamického rozptylu úspěšný, vyžadoval konstantní tok proudu zařízením a také relativně vysoká napětí. Díky tomu byly neatraktivní pro situace s nízkým výkonem, kde se používalo mnoho z těchto druhů displejů. Displeje LCD, které nebyly samy podsvícené, vyžadovaly také externí osvětlení, pokud by se používaly za zhoršených světelných podmínek, což způsobilo, že stávající zobrazovací technologie jsou z hlediska celkového výkonu ještě méně atraktivní. Dalším omezením byl požadavek na zrcátko, které omezovalo pozorovací úhly. Tým RCA si byl těchto omezení vědom a pokračoval ve vývoji různých technologií.

Jeden z těchto potenciálních efektů objevil Heilmeier v roce 1964. Dokázal přimět organická barviva, aby se přichytila ​​k tekutým krystalům, a zůstala by na svém místě, pokud by byla vtažena do zarovnání vnějším polem. Při přepnutí z jednoho zarovnání na druhé bylo barvivo buď viditelné nebo skryté, což vedlo ke dvěma barevným stavům nazývaným efekt host-hostitel . Práce na tomto přístupu se zastavily, když byl efekt dynamického rozptylu úspěšně prokázán.

TN-efekt

Dalším možným přístupem byl zkroucený nematický přístup, kterého si poprvé všiml francouzský fyzik Charles-Victor Mauguin v roce 1911. Mauguin experimentoval s řadou polotuhých tekutých krystalů, když poznamenal, že krystaly dokáže zarovnat tahem za kus papíru přes ně, což způsobí polarizaci krystalů. Později si všiml, že když vložil krystal mezi dva zarovnané polarizátory, mohl je navzájem otočit, ale světlo bylo dál přenášeno. To se nečekalo. Za normálních okolností, pokud jsou dva polarizátory zarovnány v pravých úhlech, světlo jimi nepoteče. Mauguin dospěl k závěru, že světlo bylo znovu polarizováno kroucením samotného krystalu.

Wolfgang Helfrich , fyzik, který se připojil k RCA v roce 1967, se začal zajímat o Mauguinovu pokroucenou strukturu a myslel si, že by mohla být použita k vytvoření elektronického displeje. RCA však projevila malý zájem, protože cítili, že jakýkoli efekt, který používá dva polarizátory, bude mít také velké množství absorpce světla, což vyžaduje, aby bylo jasně osvětleno. V roce 1970 Helfrich opustil RCA a připojil se k Centrálním výzkumným laboratořím Hoffmann-LaRoche ve Švýcarsku , kde se spojil s Martinem Schadtem , fyzikem v pevné fázi. Schadt postavil vzorek s elektrodami a zkroucenou verzí materiálu z tekutých krystalů nazývaného PEBAB (p-ethoxybenzyliden-p'-aminobenzonitril), o kterém Helfrich informoval v předchozích studiích na RCA, jako součást svých experimentů host-hostitel. Když je aplikováno napětí, PEBAB se zarovná podél pole, přeruší zkroucení struktury a přesměrování polarizace, čímž se buňka stane neprůhlednou.

Bitva o patent

V této době Brown, Boveri & Cie (BBC) také pracovalo se zařízeními jako součást předchozí dohody o společném lékařském výzkumu s Hoffmann-LaRoche. BBC předvedla svou práci fyzikovi z USA, který byl spojen s Jamesem Fergasonem , odborníkem na tekuté krystaly ve Westinghouse Research Laboratories. Fergason pracoval na efektu TN pro displeje, když vytvořil ILIXCO ke komercializaci vývoje výzkumu prováděného ve spojení se Sardari Arora a Alfredem Saupem z Institutu tekutých krystalů na Kent State University.

Když zprávy o demonstraci dorazily do Hoffmann-LaRoche, Helfrich a Schadt okamžitě prosadili patent, který byl podán 4. prosince 1970. Jejich formální výsledky byly zveřejněny v Applied Physics Letters dne 15. února 1971. Aby se prokázala proveditelnost nového efekt pro displeje, Schadt vyrobil v roce 1972 4místný zobrazovací panel.

Fergason publikoval podobný patent v USA buď 9. února 1971, nebo 22. dubna 1971. To bylo dva měsíce po podání švýcarského patentu a připravilo půdu pro tříletou právní konfrontaci, která byla urovnána mimosoudně. Nakonec všechny strany získaly podíl na licenčních poplatcích, které by se staly mnoha miliony dolarů.

Komerční vývoj materiálů z tekutých krystalů

Při vystavení vodě nebo zásadám došlo k rozpadu PEBAB a vyžadovala speciální výrobu, aby se zabránilo kontaminaci. V roce 1972 vyvinul tým vedený Georgem W. Grayem nový typ kyanobifenylů, které by bylo možné smíchat s PEBABem za vzniku méně reaktivních materiálů. Tato aditiva také způsobila, že výsledná kapalina byla méně viskózní, a tím poskytovala rychlejší doby odezvy a současně je zprůhlednila, což vedlo k zobrazení čistě bílé barvy.

Tato práce zase vedla k objevu zcela jiné třídy nematických krystalů od Ludwiga Pohla, Rudolfa Eidenschinka a jejich kolegů z Merck KGaA v Darmstadtu, nazývaných kyanofenylcyklohexany . Rychle se staly základem téměř všech LCD displejů a zůstávají dnes hlavní součástí podnikání společnosti Merck.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Joseph A. Castellano: Liquid Gold - The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry, World Scientific Publishing, 2005
  • Peer Kirsch, „100 let kapalných krystalů ve společnosti Merck: Historie budoucnosti“. , 20. mezinárodní konference o kapalných krystalech , červenec 2004
  • David A. Dunmur a Horst Stegemeyer: „Krystaly, které tečou: Klasické papíry z historie tekutých krystalů“, Sestavil s překladem a komentářem Timothy J. Sluckina (Taylor a Francis 2004), ISBN  0-415-25789-1 , Historie domovské stránky Liquid Crystals
  • Werner Becker (editor): „100 let komerčních materiálů z tekutých krystalů“, informační displej , svazek 20, 2004
  • Gerhard H. Buntz (patentový zástupce, evropský patentový zástupce, fyzik, Basilej), „Twisted Nematic Liquid Crystal Displays (TN-LCDs), an invence from Basel with global effects“ , informace č. 118, říjen 2005, vydaná Internationale Treuhand AG , Basilej, Ženeva, Curych. Vydáno v němčině
  • Rolf Bucher: „Wie Schweizer Firmen aus dem Flüssigkristall-Rennen fielen“, Das Schicksal von Roche und BBC-Entwicklungen in zehn Abschnitten “, Neue Zürcher Zeitung , Nr.141 56 / B12, 20.06.2005
  • M. Schadt: „Milníky v historii displejů a materiálů s tekutými krystaly s efektem pole“, Jpn. J. Appl. Fyz. 48 (2009), s. 1–9