Эффект скрученного нематика ( TN-эффект ) был крупным технологическим прорывом, который сделал производство больших тонких жидкокристаллических дисплеев практичным и конкурентоспособным по цене. В отличие от более ранних плоских дисплеев, TN-ячейки не требовали тока для работы и использовали низкие рабочие напряжения, подходящие для использования с батареями. Внедрение TN-эффектных дисплеев 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 TN-эффектные ЖК-дисплеи стали 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).
Во многих монохромных алфавитно-цифровых дисплеях без графической информации по-прежнему используются ЖК-дисплеи TN.
Дисплеи TN выигрывают от быстрого времени отклика и меньшего размазывания, чем другие технологии ЖК-дисплеев, но страдают от плохой цветопередачи и ограниченных углов обзора, особенно в вертикальном направлении. Цвета будут смещаться, потенциально вплоть до полной инверсии, если смотреть под углом, который не перпендикулярен дисплею. Просмотр дисплея сверху отбеливает цвета, а просмотр дисплея снизу затемняет цвета.
Эффект скрученного нематика основан на точно контролируемом перераспределении молекул жидких кристаллов между различными упорядоченными молекулярными конфигурациями под действием приложенного электрического поля. Это достигается при небольшом потреблении энергии и при низких рабочих напряжениях. Лежащее в основе явление выравнивания молекул жидких кристаллов в приложенном поле называется переходом Фредерикса и было открыто русским физиком Всеволодом Фредериксом в 1927 году.
Для отображения информации с помощью скрученного нематического жидкого кристалла прозрачные электроды структурируются с помощью фотолитографии для формирования матрицы или другого рисунка электродов, например, семисегментного дисплея, используемого в устройствах с низким содержанием информации, таких как часы или калькуляторы . Только один из электродов должен быть структурирован таким образом, другой может оставаться непрерывным ( общий электрод). Если необходимо отобразить более сложные данные или графическую информацию, используется матричная компоновка электродов. Из-за этого управляемая напряжением адресация матричных дисплеев , например, в ЖК-экранах для компьютерных мониторов или плоских телевизионных экранах , является более сложной, 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, что для каждой строки и столбца имеются независимые электронные драйверы. Матричный ЖК-дисплей с высоким разрешением и 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) для обеспечения активной матричной адресации отдельных элементов изображения без перекрестных помех (непреднамеренной активации неадресованных пикселей).
На следующих рисунках показаны состояния ВЫКЛ и ВКЛ одного пикселя (который вместо этого мог бы быть сегментом символа) жидкокристаллического дисплея с нематическим модулятором света, работающего в «нормально белом» режиме, т. е. в режиме, в котором свет передается, когда к жидкому кристаллу не приложено электрическое поле :
В состоянии ВЫКЛ, т. е. когда электрическое поле не приложено, молекулы нематического жидкого кристалла образуют скрученную конфигурацию (также известную как спиральная структура или спираль) между двумя стеклянными пластинами, G на рисунке, которые разделены несколькими прокладками и покрыты прозрачными электродами, E 1 и E 2 . Сами электроды покрыты выравнивающими слоями (не показаны), которые точно скручивают жидкий кристалл на 90°, когда внешнее поле отсутствует. Входящий свет сначала поляризуется первым поляризатором , P 2 . Спиральная конфигурация жидкого кристалла поворачивает поляризацию света на 90°, поэтому свет будет правильно поляризован для прохождения через второй поляризатор, P 1 , установленный на 90° по отношению к первому. Поскольку свет проходит через ячейку, пиксель, I, кажется прозрачным.
В состоянии ВКЛ, т. е. когда между двумя электродами приложено достаточное электрическое поле, молекулы кристалла выстраиваются в направлении этого поля. Без спиральной конфигурации жидкого кристалла для переориентации угла поляризации света поляризованный свет от поляризатора P 2 вместо этого блокируется поляризатором P 1 , поэтому пиксель I выглядит непрозрачным.
Ток нужен только для зарядки и разрядки емкости соответствующей ЖК-ячейки, что происходит только при изменении приложенного напряжения. Ток не нужен для поддержания электрического поля, поскольку ток (в идеале) не протекает через слой жидких кристаллов. Таким образом, ЖК-дисплеи потребляют очень мало энергии .
Однако направление электрического поля может периодически меняться во включенном состоянии с помощью переменного напряжения для « работы в режиме переменного тока », поскольку поддержание электрического поля только в одном направлении в течение слишком длительного времени во включенном состоянии (или наличие постоянной составляющей всего лишь 50 мВ в напряжении переменного тока) может вызвать электрохимические реакции, которые сокращают срок службы элемента. [1] [2]
Степень непрозрачности можно контролировать, изменяя напряжение. Ниже порогового напряжения, которое зависит от смеси жидкого кристалла, никаких визуальных изменений не происходит. При напряжениях, близких к пороговому, только некоторые кристаллы будут перестраиваться, поэтому ячейка будет в основном прозрачной, но едва заметной. По мере увеличения напряжения больше кристаллов будут перестраиваться, пока ячейка не достигнет своей максимальной непрозрачности. Уже в 1972 году были разработаны смеси с пороговым напряжением всего 0,9 В среднеквадратичного значения , которые достигли 90% максимальной непрозрачности при 1,4 В среднеквадратичного значения. [3]
В 1962 году Ричард Уильямс, физик-химик, работавший в RCA Laboratories, начал искать новые физические явления, которые могли бы привести к технологии отображения без вакуумных трубок. Зная о длинной линии исследований, связанных с нематическими жидкими кристаллами, он начал экспериментировать с соединением п-азоксианизол , температура плавления которого составляет 115 °C (239 °F). Уильямс проводил свои эксперименты на нагретом столике микроскопа, помещая образцы между прозрачными электродами из оксида олова на стеклянных пластинах, поддерживаемых при температуре 125 °C (257 °F). Он обнаружил, что очень сильное электрическое поле, приложенное к стопке, приводит к образованию полосатых узоров. Позже их назвали «доменами Уильямса». [4] Требуемое поле составляло около 1000 вольт на сантиметр, что слишком много для практического устройства. Понимая, что разработка будет длительной, он передал исследования физику Джорджу Хейлмейеру и перешел к другой работе.
В 1964 году Джордж Х. Хейлмейер из RCA вместе с Луи Занони и химиком Люцианом Бартоном обнаружили, что некоторые жидкие кристаллы могут переключаться между прозрачным состоянием и сильно рассеивающим непрозрачным состоянием с помощью электрического тока. Рассеивание было в основном вперед, в кристалл, в отличие от обратного рассеяния по направлению к источнику света. Размещая отражатель на дальней стороне кристалла, падающий свет можно было включать или выключать электрически, создавая то, что Хейлмейер назвал динамическим рассеянием . В 1965 году Джозеф Кастеллано и Джоэл Голдмахер, химики-органики, искали кристаллы, которые оставались в жидком состоянии при комнатной температуре. В течение шести месяцев они нашли ряд кандидатов, и с дальнейшим развитием RCA смогла объявить о первых жидкокристаллических дисплеях в 1968 году. [4]
Несмотря на успех, динамический рассеивающий дисплей требовал постоянного тока через устройство, а также относительно высокого напряжения. Это делало их непривлекательными для ситуаций с низким энергопотреблением, где использовались многие из этих типов дисплеев. Не будучи самоподсвечивающимися, ЖК-дисплеи также требовали внешнего освещения, если они собирались использоваться в ситуациях с низким освещением, что делало существующие технологии дисплеев еще более непривлекательными с точки зрения общего энергопотребления. Еще одним ограничением было требование к зеркалу, которое ограничивало углы обзора. Команда RCA знала об этих ограничениях и продолжала разработку различных технологий.
Один из таких потенциальных эффектов был обнаружен Хейлмейером в 1964 году. Он смог заставить органические красители прикрепляться к жидким кристаллам, и они оставались на месте, когда их выстраивало внешнее поле. При переключении с одного выравнивания на другое краситель становился либо видимым, либо скрытым, что приводило к двум цветным состояниям, называемым эффектом гостя-хозяина . Работа над этим подходом была прекращена, когда эффект динамического рассеяния был успешно продемонстрирован. [4]
Другим потенциальным подходом был подход скрученного нематика, который впервые заметил французский физик Шарль-Виктор Моген в 1911 году. Моген экспериментировал с различными полутвердыми жидкими кристаллами, когда заметил, что он может выровнять кристаллы, протягивая через них лист бумаги, заставляя кристаллы поляризоваться. Позже он заметил, что когда он помещал кристалл между двумя выровненными поляризаторами, он мог поворачивать 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 за счет скручивания самого кристалла. [4]
Вольфганг Хельфрих , физик, присоединившийся к RCA в 1967 году, заинтересовался скрученной структурой Могена и подумал, что ее можно использовать для создания электронного дисплея. Однако RCA не проявил особого интереса, поскольку они считали, что любой эффект, использующий два поляризатора, также будет иметь большое количество поглощения света, требуя его яркого освещения. В 1970 году Хельфрих покинул RCA и присоединился к Центральным исследовательским лабораториям Hoffmann-LaRoche в Швейцарии , где он объединился с Мартином Шадтом , физиком твердого тела. Шадт построил образец с электродами и скрученной версией жидкокристаллического материала под названием PEBAB (p-этоксибензилиден-p'-аминобензонитрил), о котором Хельфрих сообщал в предыдущих исследованиях в RCA, в рамках их гостевых экспериментов. [4] При подаче напряжения PEBAB выстраивается вдоль поля, разрушая скрученную структуру и перенаправление поляризации, в результате чего ячейка становится непрозрачной.
В это время Brown, Boveri & Cie (BBC) также работала с устройствами в рамках предыдущего совместного медицинского исследовательского соглашения с Hoffmann-LaRoche. [5] BBC продемонстрировала свою работу физику из США, который был связан с Джеймсом Фергасоном , экспертом по жидким кристаллам в исследовательской лаборатории Westinghouse. Фергасон работал над TN-эффектом для дисплеев, создав ILIXCO для коммерциализации разработок исследования, проводимого совместно с Сардари Аророй и Альфредом Саупе в Институте жидких кристаллов Университета штата Кент. [6]
Когда новость о демонстрации достигла Хоффманн-Ларош, Хельфрих и Шадт немедленно подали заявку на патент, которая была подана 4 декабря 1970 года. Их официальные результаты были опубликованы в Applied Physics Letters 15 февраля 1971 года. Чтобы продемонстрировать осуществимость нового эффекта для дисплеев, Шадт изготовил 4-разрядную дисплейную панель в 1972 году. [4]
Фергасон опубликовал аналогичный патент в США либо 9 февраля 1971 года [4], либо 22 апреля 1971 года [6]. Это произошло через два месяца после подачи швейцарского патента и подготовило почву для трехлетнего юридического противостояния, которое было урегулировано вне суда. В конце концов, все стороны получили долю того, что стало многими миллионами долларов в виде роялти.
PEBAB подвергался распаду 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 , которые можно было смешивать с PEBAB для получения менее реактивных материалов. [7] Эти добавки также делали полученную жидкость менее вязкой, тем самым обеспечивая более быстрое время отклика, в то же время делая их более прозрачными, что давало 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 иного класса нематических кристаллов, названных цианофенилциклогексанами. Они быстро стали основой почти всех ЖК-дисплеев и остаются важной частью бизнеса Merck сегодня. [8]