Эффект витого нематического поля

Часы с ранним прототипом ЖК-дисплея, основанным на эффекте закрученного нематического поля.

Эффект закрученного нематика ( TN-эффект ) стал крупным технологическим прорывом, который сделал производство больших и тонких жидкокристаллических дисплеев практичным и конкурентоспособным по стоимости. В отличие от более ранних плоских дисплеев, TN-элементы не требовали протекания тока для работы и использовали низкое рабочее напряжение, подходящее для использования с батареями. Появление дисплеев с TN-эффектом привело к их быстрому распространению в области дисплеев, быстро вытеснив другие распространенные технологии, такие как монолитные светодиоды и ЭЛТ , для большинства электронных устройств. К 1990-м годам ЖК-дисплеи с TN-эффектом были в значительной степени универсальными в портативной электронике, хотя с тех пор во многих приложениях ЖК-дисплеев были приняты альтернативы TN-эффекту, такие как плоскостное переключение (IPS) или вертикальное выравнивание (VA).

Многие монохромные буквенно-цифровые дисплеи без информации об изображении по-прежнему используют ЖК-дисплеи TN.

Дисплеи TN выигрывают от быстрого отклика пикселей и меньшего размытия изображения, чем другие ЖК-дисплеи, но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. Цвета будут смещаться, возможно, вплоть до полного инвертирования, если смотреть под углом, не перпендикулярным дисплею. При просмотре дисплея сверху цвета становятся белыми, а при просмотре снизу цвета становятся тусклыми.

Описание

Эффект скрученного нематика основан на точно контролируемом перестроении молекул жидкого кристалла между различными упорядоченными молекулярными конфигурациями под действием приложенного электрического поля. Это достигается при небольшом энергопотреблении и при низких рабочих напряжениях. Основное явление выравнивания молекул жидкого кристалла в приложенном поле называется переходом Фредерикса и было открыто русским физиком Всеволодом Фредериксом в 1927 году.

Покомпонентный вид жидкокристаллической ячейки TN, показывающий состояния в выключенном состоянии (слева) и в включенном состоянии при приложенном напряжении (справа)

На рисунках справа показано как ВЫКЛ, так и ВКЛ-состояние одного элемента изображения ( пикселя ) жидкокристаллического дисплея со витым нематическим модулятором света, работающего в «нормально белом» режиме, т. е. в режиме, в котором свет передается, когда к жидкому кристаллу не прикладывается электрическое поле.

В выключенном состоянии, т. е. когда электрическое поле не приложено, скрученная конфигурация (она же спиральная структура или спираль) молекул нематического жидкого кристалла образуется между двумя стеклянными пластинами, G на рисунке, которые разделены несколькими прокладками и покрыты прозрачные электроды Е ₁ и Е ₂ . Сами электроды покрыты выравнивающими слоями (не показаны), которые точно поворачивают жидкий кристалл на 90° при отсутствии внешнего поля (левая диаграмма). Если источник света с правильной поляризацией (около половины) светит на переднюю часть ЖК-дисплея, свет пройдет через первый поляризатор P ₂ и попадет в жидкий кристалл, где он вращается за счет спиральной структуры. Затем свет правильно поляризуется и проходит через второй поляризатор P ₁ , установленный под углом 90° к первому. Затем свет проходит через заднюю часть ячейки, и изображение I кажется прозрачным.

В включенном состоянии, т. е. когда между двумя электродами приложено поле, кристалл выравнивается по внешнему полю (правая диаграмма). Это «нарушает» тщательный поворот кристалла и не позволяет переориентировать поляризованный свет, проходящий через кристалл. В этом случае свет блокируется задним поляризатором P ₁ , и изображение I кажется непрозрачным. Степень непрозрачности можно контролировать, изменяя напряжение. При напряжениях, близких к пороговому, произойдет переориентация только некоторых кристаллов, и дисплей станет частично прозрачным. По мере увеличения напряжения большее количество кристаллов будет перестраиваться, пока оно не станет полностью «переключенным». Для того чтобы кристалл выровнялся по полю, требуется напряжение около 1 В, и через сам кристалл ток не проходит. Таким образом, электрическая мощность, необходимая для этого действия, очень мала.

Для отображения информации с помощью скрученного нематического жидкого кристалла прозрачные электроды структурируются с помощью фотолитографии для формирования матрицы или другого рисунка электродов . Таким образом должен быть нанесен только один из электродов, другой может оставаться сплошным ( общий электрод). Для цифровых и буквенно-цифровых TN-ЖК-дисплеев с низкой информативностью, таких как цифровые часы или калькуляторы, сегментированных электродов достаточно . Если необходимо отобразить более сложные данные или графическую информацию, используется матричное расположение электродов. Из-за этого управляемая напряжением адресация матричных дисплеев , например, в ЖК-экранах компьютерных мониторов или плоских телевизионных экранах , является более сложной, чем с сегментированными электродами. Для матрицы ограниченного разрешения или для медленно меняющегося отображения даже на большой матричной панели достаточно пассивной сетки электродов для реализации пассивной матричной адресации при условии наличия независимых электронных драйверов для каждой строки и столбца. Матричный ЖК-дисплей высокого разрешения с требуемым быстрым откликом (например, для анимированной графики и/или видео) требует интеграции дополнительных нелинейных электронных элементов в каждый элемент изображения (пиксель) дисплея (например, тонкопленочные диоды, TFD или тонкопленочные транзисторы , TFT), чтобы обеспечить активную матричную адресацию отдельных элементов изображения без перекрестных помех (непреднамеренная активация неадресуемых пикселей).

История

исследование РКА

В 1962 году Ричард Уильямс, физико-химик, работавший в лабораториях RCA , начал искать новые физические явления, которые могли бы привести к созданию технологии отображения без электронных ламп. Зная о длительных исследованиях нематических жидких кристаллов, он начал экспериментировать с соединением п-азоксианизолом , температура плавления которого составляет 115 ° C (239 ° F). Уильямс ставил свои эксперименты на нагретом столике микроскопа, помещая образцы между прозрачными электродами из оксида олова на стеклянных пластинах, выдержанных при температуре 125 ° C (257 ° F). Он обнаружил, что очень сильное электрическое поле, приложенное к стопке, приводит к образованию полосатых узоров. Позже они были названы «доменами Уильямса». Требуемое поле составляло около 1000 вольт на сантиметр, что слишком много для практического устройства. Понимая, что разработка будет длительной, он передал исследование физику Джорджу Хейлмайеру и перешел к другой работе.

из RCA В 1964 году Джордж Х. Хейлмайер вместе с Луи Занони и химиком Люцианом Бартоном обнаружили, что некоторые жидкие кристаллы можно переключать между прозрачным состоянием и непрозрачным состоянием с высокой степенью рассеяния с помощью электрического тока. Рассеяние происходило в основном вперед, внутрь кристалла, а не обратно к источнику света. Поместив отражатель на дальней стороне кристалла, падающий свет можно было включать и выключать электрически, создавая то, что Хейлмайер назвал динамическим рассеянием . В 1965 году химики-органики Джозеф Кастеллано и Джоэл Гольдмахер искали кристаллы, которые оставались в жидком состоянии при комнатной температуре. В течение шести месяцев они нашли ряд кандидатов, и при дальнейшем развитии RCA смогла анонсировать первые жидкокристаллические дисплеи в 1968 году.

Несмотря на успех, отображение динамического рассеяния требовало постоянного тока через устройство, а также относительно высокого напряжения. Это делало их непривлекательными для ситуаций с низким энергопотреблением, где использовалось множество подобных дисплеев. Не будучи самосветящимися, ЖК-дисплеи также требовали внешнего освещения, если их собирались использовать в условиях низкой освещенности, что делало существующие технологии отображения еще более непривлекательными с точки зрения общей мощности. Еще одним ограничением было требование наличия зеркала, ограничивавшего углы обзора. Команда RCA знала об этих ограничениях и продолжила разработку различных технологий.

Один из этих потенциальных эффектов был открыт Хейлмайером в 1964 году. Ему удалось заставить органические красители прикрепляться к жидким кристаллам, и они оставались на месте, когда их выравнивало внешнее поле. При переключении с одного выравнивания на другое краситель был либо видимым, либо скрытым, что приводило к появлению двух цветовых состояний, называемых эффектом гостя-хозяина . Работа над этим подходом прекратилась, когда был успешно продемонстрирован эффект динамического рассеяния.

TN-эффект

Другим потенциальным подходом был подход скрученного нематика, который впервые был замечен французским физиком Шарлем-Виктором Могеном в 1911 году. Моген экспериментировал с различными полутвердыми жидкими кристаллами, когда заметил, что может выравнивать кристаллы, потянув за кусок. бумаги, заставляя кристаллы поляризоваться. Позже он заметил, что когда он поместил кристалл между двумя выровненными поляризаторами, он мог повернуть их относительно друг друга, но свет продолжал передаваться. Этого не ожидалось. Обычно, если два поляризатора расположены под прямым углом, свет через них не проходит. Моген пришел к выводу, что свет переполяризуется за счет скручивания самого кристалла.

Вольфганг Хелфрих , физик, присоединившийся к RCA в 1967 году, заинтересовался искривленной структурой Могена и подумал, что ее можно использовать для создания электронного дисплея. Однако RCA не проявила особого интереса, поскольку считала, что любой эффект, в котором используются два поляризатора, также будет иметь большое поглощение света, что требует яркого освещения. В 1970 году Хелфрих покинул RCA и присоединился к Центральным исследовательским лабораториям Хоффмана-Лароша в Швейцарии , где он объединился с Мартином Шадтом , физиком твердого тела. Шадт создал образец с электродами и искривленной версией жидкокристаллического материала под названием PEBAB (п-этоксибензилиден-п'-аминобензонитрил), о котором Хелфрих сообщил в предыдущих исследованиях в RCA, в рамках своих экспериментов с гостем-хозяином. При подаче напряжения PEBAB выравнивается вдоль поля, разрушая скручивающую структуру и перенаправляя поляризацию, делая клетку непрозрачной.

Патентная битва

В это время Brown, Boveri & Cie (BBC) также работала с этими устройствами в рамках предыдущего соглашения о совместных медицинских исследованиях с Hoffmann-LaRoche. BBC продемонстрировала свою работу физику из США, который был связан с Джеймсом Фергасоном , экспертом по жидким кристаллам в исследовательских лабораториях Westinghouse. Фергасон работал над TN-эффектом для дисплеев, сформировав ILIXCO для коммерциализации разработок исследований, проводимых совместно с Сардари Арора и Альфредом Саупе в Институте жидких кристаллов Кентского государственного университета.

Когда новость о демонстрации достигла Хоффманн-ЛаРош, Хелфрих и Шадт немедленно настояли на патенте, который был подан 4 декабря 1970 года. Их официальные результаты были опубликованы в журнале Applied Physics Letters 15 февраля 1971 года. Чтобы продемонстрировать осуществимость нового эффекта для дисплеев, Шадт изготовил 4-значную панель дисплея в 1972 году.

Фергасон опубликовал аналогичный патент в США 9 февраля 1971 г. или 22 апреля 1971 г. Это произошло через два месяца после подачи заявки на швейцарский патент и подготовило почву для трехлетней юридической конфронтации, которая была урегулирована во внесудебном порядке. В конце концов, все стороны получили долю в гонораре, составляющем многие миллионы долларов.

Коммерческое развитие жидкокристаллических материалов

ПЕБАБ подвергался разрушению при воздействии воды или щелочей и требовал специального производства, чтобы избежать загрязнения. В 1972 году группа под руководством Джорджа Грея разработала новый тип цианобифенилов , который можно было смешивать с ПЕБАБ для получения менее реакционноспособных материалов. Эти добавки также сделали полученную жидкость менее вязкой, тем самым уменьшив время отклика и в то же время сделав ее более прозрачной, что привело к отображению чисто белого цвета.

в Дармштадте совершенно другого класса нематических кристаллов Эта работа, в свою очередь, привела к открытию Людвигом Полем , Рудольфом Эйденшинком и их коллегами из Merck KGaA , названных цианофенилциклогексанами . Они быстро стали основой почти всех ЖК-дисплеев и по сей день остаются основной частью бизнеса Merck.

См. также

• История технологии отображения

Дальнейшее чтение

• Джозеф А. Кастеллано: Жидкое золото - история жидкокристаллических дисплеев и создания индустрии, World Scientific Publishing, 2005 г.
• Пер Кирш, «100 лет жидких кристаллов в компании Merck: история будущего». , 20-я Международная конференция по жидким кристаллам , июль 2004 г.
• Дэвид А. Данмур и Хорст Стегемейер: «Кристаллы, которые текут: классические статьи по истории жидких кристаллов», составлено с переводом и комментариями Тимоти Дж. Слукина (Тейлор и Фрэнсис, 2004 г.), ISBN   0-415-25789-1 , Домашняя страница истории жидких кристаллов
• Вернер Беккер (редактор): «100 лет коммерческих жидкокристаллических материалов», Информационный дисплей , том 20, 2004 г.
• Герхард Х. Бунц (патентный поверенный, Европейский патентный поверенный, физик, Базель), «Витые нематические жидкокристаллические дисплеи (TN-LCD), изобретение из Базеля с глобальными эффектами» , Информация № 118, октябрь 2005 г., выпущено Internationale Treuhand AG , Базель, Женева, Цюрих. Опубликовано на немецком языке
• Рольф Бухер: «Как швейцарские компании выпали из гонки жидких кристаллов», Судьба разработок Roche и BBC в десяти разделах», Neue Zürcher Zeitung , № 141 56/B12, 20 июня 2005 г.
• М. Шадт: «Вехи в истории полевых жидкокристаллических дисплеев и материалов», Jpn. Дж. Прил. Физ. 48(2009), стр. 1–9.