Войти
Часы с ранним прототипом ЖК-дисплея на основе эффекта закрученного нематического поля Эффект скрученного нематика ( TN-эффект) был главным технологическим прорывом, сделавшим ЖК-дисплеи практичными. В отличие от более ранних дисплеев, TN-элементы не требовали тока для работы и использовали низкое рабочее напряжение, подходящее для использования с батареями. Внедрение дисплеев с TN-эффектом привело к их быстрому распространению в области дисплеев, быстро вытеснив другие распространенные технологии, такие как монолитные светодиоды и ЭЛТ для большей части электроники. 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 переключение в плоскости (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 времени отклика пикселей и меньшего размытия, чем другие технологии ЖК-дисплеев, но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. Цвета будут смещаться, потенциально вплоть до полного инвертирования, если смотреть под углом, не перпендикулярным дисплею.
Эффект закрученного нематика основан на точно контролируемой перестройке молекул жидкого кристалла между различными упорядоченными молекулярными конфигурациями под действием приложенного электрического поля. Это достигается за счет небольшого энергопотребления и низкого рабочего напряжения. Основополагающее явление выравнивания молекул жидких кристаллов в приложенном поле называется переходом Фредерикса и было обнаружено русским физиком Всеволодом Фредериксом в 1927 году.
Покомпонентное изображение жидкокристаллической ячейки TN, показывающее состояния в выключенном состоянии (слева) и во включенном состоянии с приложенным напряжением (справа) На рисунках справа показаны как выключенное, так и включенное состояние отдельного элемента изображения ( пикселя) жидкокристаллического дисплея с модулятором скрученного нематического света, работающего в «нормально белом» режиме, т. Е. В режиме, в котором свет проходит, когда к жидкому кристаллу не прикладывается электрическое поле.
В выключенном состоянии, то есть когда электрическое поле не применяется, скрученная конфигурация (также известная как спиральная структура или спираль) нематических молекул жидкого кристалла образуется между двумя стеклянными пластинами, G на рисунке, которые разделены несколькими прокладками и покрыты прозрачные электроды E 1 и E 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 в жидкий кристалл, где он вращается с помощью 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.
Во включенном состоянии, то есть когда между двумя электродами приложено поле, кристалл повторно выравнивается с внешним полем (правая диаграмма). Это «нарушает» аккуратный поворот кристалла и не может 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, только некоторые кристаллы будут повторно выровнены, и дисплей будет частично прозрачным. По мере увеличения напряжения большее количество кристаллов перестраивается, пока оно не станет полностью «переключенным». Напряжение около 1 В требуется, чтобы кристалл выровнялся с полем, и ток не проходит через сам кристалл. 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 сформирован только один из электродов, другой может оставаться сплошным ( общий электрод). Для цифровых и буквенно-цифровых TN-LCD с низким содержанием информации, таких как цифровые часы или калькуляторы, достаточно сегментированных электродов. Если необходимо отобразить более сложные данные или графическую информацию, используется матричное расположение электродов. Очевидно, что управляемая напряжением адресация матричных дисплеев, таких как ЖК-экраны для компьютерных мониторов или плоских телевизионных экранов, более сложна, чем с сегментированными электродами. Для матрицы с ограниченным разрешением или для медленно меняющегося дисплея даже на большой матричной панели пассивной сетки электродов достаточно 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 (непреднамеренной активации неадресованных пикселей).
В 1962 году Ричард Уильямс, физик-химик, работающий в RCA Laboratories, начал поиск новых физических явлений, которые могли бы дать технологию отображения без электронных ламп. Зная о долгих исследованиях нематических жидких кристаллов, он начал экспериментировать с составом параазоксианизола, температура плавления которого составляет 115 ° C (239 ° F). Уильямс поставил свои эксперименты на нагретом столике микроскопа, поместив образцы между прозрачными электродами из оксида олова на стеклянных пластинах, выдержанных при 125 ° C (257 ° F). Он обнаружил, что очень сильное электрическое поле, приложенное к стеку, вызывает образование полосатых узоров. Позже они были названы «доменами Вильямса». Требуемое поле составляло около 1000 вольт на сантиметр, что было слишком много для практического устройства. Понимая, что разработка будет долгой, он передал исследование физику Джорджу Хейльмайеру и занялся другой работой.
В 1964 году Джордж Х. Хейлмайер из RCA вместе с Луи Занони и химиком Лучианом Бартоном обнаружили, что некоторые жидкие кристаллы можно переключать между прозрачным состоянием и сильно рассеивающим непрозрачным с помощью электрического тока. Рассеяние было в основном вперед, внутрь кристалла, а не назад к источнику света. Поместив отражатель на дальней стороне кристалла, падающий свет можно было включать или выключать электрически, создавая то, что Хейльмайер 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 несколько кандидатов, и при дальнейшем развитии RCA смогла объявить о первых жидкокристаллических дисплеях в 1968 году.
Несмотря на успех, отображение динамического рассеяния требовало постоянного тока через устройство, а также относительно высоких напряжений. Это делало их непривлекательными для ситуаций с низким энергопотреблением, когда использовались многие из таких дисплеев. Не будучи самоподсвечивающимися, ЖК-дисплеям также требовалось внешнее освещение, если они собирались использоваться в условиях низкой освещенности, что делало существующие технологии отображения еще более непривлекательными с точки зрения общей мощности. Еще одним ограничением было требование зеркала, которое ограничивало углы обзора. Команда RCA знала об этих ограничениях и продолжала разработку множества технологий.
Один из этих потенциальных эффектов был обнаружен Хейльмайером в 1964 году. Он смог заставить органические красители прикрепляться к жидким кристаллам, и они оставались на месте, когда их подтягивали к выравниванию внешним полем. При переключении с одного выравнивания на другое краситель был либо видим, либо скрыт, что приводило к двум цветным состояниям, называемым эффектом гостя-хозяина. Работа над этим подходом прекратилась, когда эффект динамического рассеяния был успешно продемонстрирован.
Другим потенциальным подходом был подход скрученного нематика, который впервые заметил французский физик Шарль-Виктор Моген в 1911 году. Моген экспериментировал с множеством полутвердых жидких кристаллов, когда он заметил, что он может выровнять кристаллы, потянув за кусок бумаги на них, заставляя кристаллы стать поляризованными. Позже он заметил, что когда он зажал кристалл между двумя выровненными поляризаторами, он мог крутить их относительно друг друга, но свет продолжал передаваться. Этого не ожидалось. Обычно, если два поляризатора выровнены под прямым углом, свет не будет проходить через них. Моген пришел к выводу, что свет переполяризуется из-за скручивания самого кристалла.
Вольфганг Хельфрих, физик, который присоединился к RCA в 1967 году, заинтересовался искривленной структурой Могена и подумал, что ее можно использовать для создания электронного дисплея. Однако RCA не проявили особого интереса, потому что они чувствовали, что любой эффект, использующий два поляризатора, также будет иметь большое количество поглощения света, требуя, чтобы он был ярко освещен. В 1970 году Хельфрих покинул RCA и присоединился к Центральным исследовательским лабораториям Хоффманна-Лароша в Швейцарии, где он объединился с Мартином Шадтом, физиком твердого тела. Шадт построил образец с электродами и скрученной версией жидкокристаллического материала под названием PEBAB (п-этоксибензилиден-п'-аминобензонитрил), о котором Хелфрих сообщил в предыдущих исследованиях в RCA в рамках своих экспериментов «гость-хозяин». При подаче напряжения PEBAB выравнивается по полю, нарушая структуру скручивания и перенаправление поляризации, в результате чего ячейка становится непрозрачной.
В это время Brown, Boveri amp; Cie (BBC) также работали с 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 из исследовательских лабораторий Westinghouse. Фергасон работал над TN-эффектом для дисплеев, создав компанию ILIXCO для коммерциализации разработок исследований, проводимых совместно с Сардари Арора и Альфредом Заупе в Институте жидких кристаллов Кентского государственного университета.
Когда новости о демонстрации достигли Хоффманн-Лароша, Хельфрих и Шадт немедленно потребовали патент, который был подан 4 декабря 1970 года. Их официальные результаты были опубликованы в журнале Applied Physics Letters 15 февраля 1971 года. Эффект для дисплеев, Шадт изготовил 4-значную дисплейную панель в 1972 году.
Фергасон опубликовал аналогичный патент в США либо 9 февраля 1971 года, либо 22 апреля 1971 года. Это произошло через два месяца после подачи заявки на патент в Швейцарии и подготовило почву для трехлетнего судебного разбирательства, которое разрешалось во внесудебном порядке. В конце концов, все стороны получили долю гонорара в размере многих миллионов долларов.
PEBAB подвергался разрушению при воздействии воды или щелочей и требовал специального производства, чтобы избежать загрязнения. В 1972 году группа под руководством Джорджа У. Грея разработала новый тип цианобифенилов, который можно было смешивать с PEBAB для получения менее реакционноспособных материалов. Эти добавки также сделали полученную жидкость менее вязкой, тем самым увеличив время отклика, и в то же время сделав ее более прозрачной, что позволило получить чисто-белый цветной дисплей.
Эта работа, в свою очередь, привела к открытию Людвигом Полем, Рудольфом Эйденшинком и их коллегами из Merck KGaA в Дармштадте совершенно другого класса нематических кристаллов, названных цианофенилциклогексанами. Они быстро стали основой почти всех ЖК-дисплеев и сегодня остаются основной частью бизнеса Merck.
