Bükülmüş nematik alan etkisi - Twisted nematic field effect

Bükülmüş nematik alan etkisine dayalı erken bir LCD prototipine sahip saat

bükülmüş nematik etki (TN etkisi) bir ana teknoloji atılımıydı. LCD'ler pratik. Önceki ekranlardan farklı olarak, TN hücreleri, çalışma için bir akıma ihtiyaç duymuyor ve pillerle kullanıma uygun düşük çalışma voltajları kullanıyordu. TN efektli ekranların piyasaya sürülmesi, ekran alanındaki hızlı genişlemelerine yol açarak, monolitik LED'ler ve CRT'ler çoğu elektronik için. 1990'lara gelindiğinde, TN etkili LCD'ler, taşınabilir elektronikte büyük ölçüde evrenseldi, ancak o zamandan beri LCD'lerin birçok uygulaması, TN etkisine alternatifler benimsedi. düzlem içi geçiş (IPS) veya dikey hizalama (VA).

Resim bilgisi olmayan birçok tek renkli alfanümerik ekran hala TN LCD'leri kullanır.

TN ekranlar, hızlı piksel yanıt sürelerinden yararlanır ve diğer LCD ekran teknolojisine göre daha az lekelenme yapar, ancak özellikle dikey yönde zayıf renk üretimi ve sınırlı görüntüleme açılarından muzdariptir. Ekrana dik olmayan bir açıyla bakıldığında renkler potansiyel olarak tamamen tersine dönme noktasına kayacaktır.

Açıklama

Bükülmüş nematik etki, uygulanan bir elektrik alanının etkisi altında farklı sıralı moleküler konfigürasyonlar arasında sıvı kristal moleküllerin hassas bir şekilde kontrol edilen yeniden hizalanmasına dayanır. Bu, az güç tüketimi ve düşük çalışma voltajlarında elde edilir. Uygulanan alanda sıvı kristal moleküllerin hizalanmasının altında yatan fenomen denir Fréedericksz geçişi ve Rus fizikçi tarafından keşfedildi Vsevolod Frederiks 1927'de.

Durumları KAPALI durumda (solda) ve voltaj uygulanmış AÇIK durumda (sağda) gösteren bir TN sıvı kristal hücrenin patlatılmış görünümü

Sağdaki resimler, tek bir resim öğesinin hem KAPALI hem de AÇIK durumunu gösterir (piksel) bükülmüş bir nematiğin ışık modülatörü "normalde beyaz" modda çalışan sıvı kristal ekran, yani sıvı kristale elektriksel alan uygulanmadığında ışığın iletildiği bir mod.

KAPALI durumunda, yani elektriksel alan uygulanmadığında, iki cam plaka arasında bükülmüş bir nematik sıvı kristal molekülü konfigürasyonu (diğer bir deyişle sarmal yapı veya sarmal) oluşur; bunlar, birkaç aralayıcı ile ayrılmış ve ile kaplanmıştır. şeffaf elektrotlar, E₁ ve E₂. Elektrotların kendileri, hiçbir dış alan olmadığında sıvı kristali tam olarak 90 ° döndüren hizalama katmanları (gösterilmemiştir) ile kaplanmıştır (soldaki şema). LCD'nin önünde uygun polarizasyona (yaklaşık yarısı) sahip bir ışık kaynağı parlarsa, ışık ilk polarizörden, P₂ ve sarmal yapı tarafından döndürüldüğü sıvı kristalin içine. Işık daha sonra ikinci polarizörden (P) geçmek için uygun şekilde polarize edilir.₁, 90 ° 'ye ayarlayın. Işık daha sonra hücrenin arkasından geçer ve görüntü, I şeffaf görünür.

AÇIK durumda, yani iki elektrot arasına bir alan uygulandığında, kristal kendisini dış alanla yeniden hizalar (sağdaki diyagram). Bu, kristaldeki dikkatli bükülmeyi "kırar" ve kristalden geçen polarize ışığı yeniden yönlendiremez. Bu durumda ışık arka polarizör P tarafından engellenir.₁ve görüntü, I, opak görünüyor. Voltaj değiştirilerek opaklık miktarı kontrol edilebilir. Eşiğe yakın voltajlarda, kristallerin yalnızca bir kısmı yeniden hizalanacak ve ekran kısmen şeffaf olacaktır. Voltaj arttıkça, kristallerin çoğu, tamamen "anahtarlanana" kadar yeniden hizalanacaktır. Kristalin kendisini alanla hizalaması için yaklaşık 1 V'luk bir voltaj gereklidir ve kristalin içinden hiçbir akım geçmez. Bu nedenle, bu eylem için gereken elektrik gücü çok düşüktür.

Bükümlü nematik sıvı kristal ile bilgileri görüntülemek için, şeffaf elektrotlar foto-litografi ile yapılandırılmıştır. matris veya diğeri elektrot deseni. Elektrotlardan yalnızca birinin bu şekilde biçimlendirilmesi gerekir, diğeri sürekli kalabilir (Yaygın elektrot). Dijital saatler veya hesap makineleri gibi düşük bilgi içeriği sayısal ve alfa sayısal TN-LCD'ler için, parçalı elektrotlar yeterlidir. Daha karmaşık veri veya grafik bilgilerinin görüntülenmesi gerekiyorsa, elektrotların bir matris düzenlemesi kullanılır. Açıkçası, voltaj kontrollü adresleme matris görüntüler için LCD ekranlarda olduğu gibi bilgisayar monitörleri veya düz televizyon ekranları, segmentli elektrotlardan daha karmaşıktır. Sınırlı çözünürlüğe sahip bir matris için veya büyük bir matris panelinde bile yavaş değişen bir ekran için, pasif bir elektrot ızgarası uygulamak yeterlidir. pasif matris adresleme, her satır ve sütun için bağımsız elektronik sürücülerin olması şartıyla. Hızlı yanıt gerektiren yüksek çözünürlüklü bir matris LCD (ör. Animasyonlu grafikler ve / veya video için), ek doğrusal olmayan elektronik öğelerin ekranın her bir resim öğesine (piksel) (ör. İnce film diyotları, TFD'ler veya ince film transistörler, TFT'ler) izin vermek için aktif matris adresleme tek tek resim öğelerinin karışma (adreslenmemiş piksellerin istenmeyen aktivasyonu).

Tarih

RCA araştırması

1962'de, bir fizik kimyager olan Richard Williams RCA Laboratuvarlar, vakum tüpleri olmayan bir görüntüleme teknolojisi sağlayabilecek yeni fiziksel fenomenler aramaya başladı. Nematik sıvı kristalleri içeren uzun araştırma serisinin farkında olarak, bileşik ile deney yapmaya başladı. p-azoxyanisole erime noktası 115 ° C (239 ° F) olan. Williams, deneylerini 125 ° C'de (257 ° F) tutulan cam plakalar üzerindeki şeffaf kalay oksit elektrotları arasına yerleştirerek, ısıtılmış bir mikroskop aşamasında başlattı. Yığın boyunca uygulanan çok güçlü bir elektrik alanının çizgili desenlerin oluşmasına neden olacağını keşfetti. Bunlar daha sonra "Williams alanları" olarak adlandırıldı.^[1] Gerekli alan, pratik bir cihaz için çok yüksek olan santimetre başına yaklaşık 1.000 volt idi. Gelişimin uzun süreceğini anlayınca araştırmayı fizikçi George Heilmeier'e devretti ve başka bir işe başladı.

1964'te RCA'lar George H. Heilmeier Louis Zanoni ve kimyager Lucian Barton ile birlikte, bazı sıvı kristallerin, elektrik akımı uygulanarak şeffaf bir durum ile oldukça dağınık bir opak durum arasında değiştirilebileceğini keşfettiler. Saçılma öncelikli olarak kristalin içine doğru oldu, aksine geri saçılma ışık kaynağına doğru. Kristalin uzak tarafına bir reflektör yerleştirilerek, olay ışığı elektrikle açılıp kapatılabilir ve bu da Heilmeier'in dediği şeyi yaratır. dinamik saçılma. 1965'te organik kimyacılar Joseph Castellano ve Joel Goldmacher, oda sıcaklığında sıvı halde kalan kristalleri aradılar. Altı ay içinde bir dizi aday buldular ve daha fazla geliştirmeyle RCA, 1968'de ilk sıvı kristal ekranları duyurabildi.^[1]

Başarılı olmasına rağmen, dinamik saçılma ekranı, cihaz boyunca sabit akım akışının yanı sıra nispeten yüksek voltajlar gerektirdi. Bu, onları bu tür ekranların çoğunun kullanıldığı düşük güçlü durumlar için çekici hale getirdi. Kendinden aydınlatmalı olmayan LCD'ler, düşük ışık koşullarında kullanılacaksa harici aydınlatmaya da ihtiyaç duyuyordu, bu da mevcut ekran teknolojilerini genel güç açısından daha da çekici hale getiriyordu. Diğer bir sınırlama, görüş açılarını sınırlayan bir aynanın gerekliliğiydi. RCA ekibi bu sınırlamaların farkındaydı ve çeşitli teknolojilerin geliştirilmesine devam etti.

Bu potansiyel etkilerden biri 1964 yılında Heilmeier tarafından keşfedilmişti. Kendilerini sıvı kristallere bağlayacak organik boyalar elde edebildi ve bir dış alan tarafından hizaya çekildiklerinde pozisyonlarını koruyacaklardı. Bir hizalamadan diğerine geçildiğinde, boya görünür ya da gizlidir ve sonuç olarak, konuk-ev sahibi etkisi. Dinamik saçılma etkisi başarılı bir şekilde gösterildiğinde bu yaklaşım üzerindeki çalışma durduruldu.^[1]

TN etkisi

Bir başka potansiyel yaklaşım, ilk olarak Fransız fizikçi tarafından fark edilen bükülmüş nematik yaklaşımdı. Charles-Victor Mauguin Mauguin, kristalleri bir parça kağıt çekerek kristallerin polarize olmasına neden olarak hizalayabildiğini fark ettiğinde çeşitli yarı katı sıvı kristallerle deneyler yapıyordu. Daha sonra kristali hizalanmış iki polarizör arasına sıkıştırdığında, onları birbirlerine göre bükebildiğini, ancak ışığın iletilmeye devam ettiğini fark etti. Bu beklenmiyordu. Normalde, iki polarizör dik açılarla hizalanırsa, ışık bunların içinden akmayacaktır. Mauguin, kristalin bükülmesiyle ışığın yeniden polarize edildiği sonucuna vardı.^[1]

Wolfgang Helfrich 1967'de RCA'ya katılan bir fizikçi, Mauguin'in çarpık yapısıyla ilgilenmeye başladı ve bunun elektronik bir ekran oluşturmak için kullanılabileceğini düşündü. Bununla birlikte, RCA çok az ilgi gösterdi çünkü iki polarizör kullanan herhangi bir etkinin, parlak bir şekilde aydınlatılmasını gerektiren büyük miktarda ışık emilimine sahip olacağını düşünüyorlardı. 1970 yılında Helfrich RCA'dan ayrıldı ve Merkez Araştırma Laboratuvarları'na katıldı. Hoffmann-LaRoche içinde İsviçre ile ekip oluşturduğu yer Martin Schadt, katı hal fizikçisi. Schadt, elektrotlarla bir örnek oluşturdu ve sıvı kristal malzemenin bükülmüş bir versiyonunu oluşturdu. PEBAB (p-etoksibenziliden-p'-aminobenzonitril), Helfrich'in konuk-konukçu deneylerinin bir parçası olarak RCA'daki önceki çalışmalarda bildirdiği.^[1] Voltaj uygulandığında, PEBAB kendisini alan boyunca hizalar, bükülen yapıyı ve polarizasyonun yeniden yönlendirilmesini bozarak hücrenin opak olmasını sağlar.

Patent savaşı

Şu anda Kahverengi, Boveri ve Cie (BBC) ayrıca Hoffmann-LaRoche ile daha önce yaptığı ortak tıbbi araştırma anlaşmasının bir parçası olarak cihazlarla çalışıyordu.^[2] BBC, çalışmalarını ABD'li bir fizikçiye gösterdi. James Fergason Westinghouse Araştırma Laboratuvarlarında sıvı kristaller uzmanı. Fergason, Sardari Arora ile birlikte yürütülen araştırmanın geliştirmelerini ticarileştirmek için ILIXCO'yu kurarak, ekranlar için TN etkisi üzerinde çalışıyordu ve Alfred Saupe Kent State Üniversitesi Sıvı Kristal Enstitüsü'nde.^[3]

Gösteriyle ilgili haberler Hoffmann-LaRoche'a ulaştığında, Helfrich ve Schadt derhal 4 Aralık 1970'te dosyalanan bir patent için baskı yaptılar. Uygulamalı Fizik Mektupları Schadt, ekranlar için yeni efektin uygulanabilirliğini göstermek için 1972'de 4 basamaklı bir ekran paneli üretti.^[1]

Fergason, 9 Şubat 1971'de ABD'de benzer bir patent yayınladı.^[1] veya 22 Nisan 1971.^[3] Bu, İsviçre patentinin sunulmasından iki ay sonraydı ve mahkeme dışında çözülen üç yıllık bir yasal çatışma için zemin hazırladı. Sonunda, tüm taraflar, telif ücretlerinden milyonlarca dolar olacak miktardan pay aldılar.

Sıvı kristal malzemelerin ticari gelişimi

PEBAB, su veya alkalinlere maruz kaldığında bozulmaya maruz kaldı ve kontaminasyonu önlemek için özel üretim gerektirdi. 1972'de liderliğindeki bir ekip George W. Gray yeni bir tür geliştirdi siyanobifeniller daha az reaktif malzeme üretmek için PEBAB ile karıştırılabilir.^[4] Bu katkı maddeleri ayrıca elde edilen sıvıyı daha az viskoz hale getirerek daha hızlı tepki süreleri sağlarken aynı zamanda onları daha şeffaf hale getirerek saf beyaz renkli bir ekran oluşturdu.

Bu çalışma, Ludwig Pohl, Rudolf Eidenschink ve meslektaşları tarafından tamamen farklı bir nematik kristal sınıfının keşfine yol açtı. Merck KGaA Darmstadt'ta siyanofenilsikloheksanlar. Hızla neredeyse tüm LCD'lerin temeli oldular ve bugün Merck'in işinin önemli bir parçası olmaya devam ediyorlar.^[5]

Ayrıca bakınız

• Görüntü teknolojisinin tarihi

Referanslar

daha fazla okuma

• Joseph A. Castellano: Sıvı Altın - Sıvı Kristal Ekranların Hikayesi ve Bir Endüstrinin Yaratılışı, World Scientific Publishing, 2005
• Peer Kirsch, "Merck'te 100 yıllık Sıvı Kristaller: Geleceğin tarihi.", 20. Uluslararası Sıvı Kristaller Konferansı, Temmuz 2004
• David A. Dunmur ve Horst Stegemeyer: "Akan Kristaller: Sıvı kristallerin tarihinden klasik makaleler", Timothy J. Sluckin'in çeviri ve yorumuyla derlendi (Taylor ve Francis 2004), ISBN  0-415-25789-1, Sıvı Kristallerin Tarihi Ana Sayfası
• Werner Becker (editör): "100 Yıllık Ticari Sıvı-Kristal Malzemeler", Bilgi Ekranı, Cilt 20, 2004
• Gerhard H. Buntz (Patent Vekili, Avrupa Patent Vekili, Fizikçi, Basel), "Bükülmüş Nematik Sıvı Kristal Ekranlar (TN-LCD'ler), Basel'den küresel efektlere sahip bir buluş" 118 Ekim 2005 tarihli Bilgi Internationale Treuhand AG, Basel, Cenevre, Zürih. Almanca olarak yayınlandı
• Rolf Bucher: "Wie Schweizer Firmen aus dem Flüssigkristall-Rennen fielen", Das Schicksal von Roche ve BBC-Entwicklungen in zehn Abschnitten ", Neue Zürcher Zeitung, Nr. 141 56 / B12, 20.06.2005
• M. Schadt: "Alan Etkili Sıvı Kristal Ekranlar ve Malzemelerin Tarihindeki Kilometre Taşları", Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009), s. 1–9