Efeito de campo nemático torcido - Twisted nematic field effect
O efeito nemático torcido ( efeito TN ) foi o principal avanço tecnológico que tornou os LCDs práticos. Ao contrário dos monitores anteriores, as células TN não exigiam corrente para fluir para a operação e usavam tensões operacionais baixas adequadas para uso com baterias. A introdução dos visores de efeito TN levou à sua rápida expansão no campo dos visores, empurrando rapidamente outras tecnologias comuns como LEDs monolíticos e CRTs para a maioria dos eletrônicos. Na década de 1990, os LCDs de efeito TN eram amplamente universais em eletrônicos portáteis, embora, desde então, muitas aplicações de LCDs tenham adotado alternativas ao efeito TN, como comutação no plano (IPS) ou alinhamento vertical (VA).
Muitos monitores alfanuméricos monocromáticos sem informações da imagem ainda usam LCDs TN.
Os monitores TN se beneficiam de tempos de resposta de pixel rápidos e menos manchas do que outras tecnologias de monitores LCD, mas sofrem com a reprodução de cores pobre e ângulos de visão limitados, especialmente na direção vertical. As cores mudarão, potencialmente a ponto de se inverterem completamente, quando vistas em um ângulo que não é perpendicular à tela.
Descrição
O efeito nemático torcido é baseado no realinhamento precisamente controlado de moléculas de cristal líquido entre diferentes configurações moleculares ordenadas sob a ação de um campo elétrico aplicado. Isso é obtido com pouco consumo de energia e baixas tensões de operação. O fenômeno subjacente de alinhamento de moléculas de cristal líquido em campo aplicado é chamado de transição de Fréedericksz e foi descoberto pelo físico russo Vsevolod Frederiks em 1927.
As ilustrações à direita mostram o estado DESLIGADO e LIGADO de um único elemento de imagem ( pixel ) de uma tela de cristal líquido modulador de luz nemática torcida operando no modo "normalmente branco", ou seja, um modo no qual a luz é transmitida quando nenhum campo elétrico é aplicado ao cristal líquido.
No estado OFF, ou seja, quando nenhum campo elétrico é aplicado, uma configuração torcida (também conhecida como estrutura helicoidal ou hélice) de moléculas de cristal líquido nemático é formada entre duas placas de vidro, G na figura, que são separadas por vários espaçadores e revestidas com eletrodos transparentes, E 1 e E 2 . Os próprios eletrodos são revestidos com camadas de alinhamento (não mostradas) que giram com precisão o cristal líquido em 90 ° quando nenhum campo externo está presente (diagrama à esquerda). Se uma fonte de luz com a polarização adequada (cerca da metade) brilhar na frente do LCD, a luz passará pelo primeiro polarizador, P 2, e entrará no cristal líquido, onde é girada pela estrutura helicoidal. A luz é então devidamente polarizada para passar pelo segundo polarizador, P 1 , ajustado a 90 ° em relação ao primeiro. A luz então passa pela parte de trás da célula e a imagem, I, parece transparente.
No estado ON, ou seja, quando um campo é aplicado entre os dois eletrodos, o cristal se realinha com o campo externo (diagrama à direita). Isso "quebra" a torção cuidadosa do cristal e falha em reorientar a luz polarizada que passa através do cristal. Neste caso, a luz é bloqueada pelo polarizador traseiro, P 1 , e a imagem, I, aparece opaca. A quantidade de opacidade pode ser controlada variando a voltagem. Em tensões próximas do limite, apenas alguns dos cristais serão realinhados e a tela ficará parcialmente transparente. À medida que a voltagem aumenta, mais cristais se realinham até ficar completamente "trocado". Uma voltagem de cerca de 1 V é necessária para fazer o cristal se alinhar com o campo, e nenhuma corrente passa pelo cristal em si. Portanto, a energia elétrica necessária para essa ação é muito baixa.
Para exibir informações com um cristal líquido nemático torcido, os eletrodos transparentes são estruturados por fotolitografia para formar uma matriz ou outro padrão de eletrodos . Apenas um dos eletrodos deve ser padronizado desta forma, o outro pode permanecer contínuo ( eletrodo comum ). Para TN-LCDs numéricos e alfanuméricos de baixo conteúdo de informação, como relógios digitais ou calculadoras, eletrodos segmentados são suficientes. Se dados mais complexos ou informações gráficas tiverem que ser exibidos, um arranjo de matriz de eletrodos é usado. Obviamente, o endereçamento controlado por voltagem de monitores de matriz , como em telas de LCD para monitores de computador ou telas de televisão plana , é mais complexo do que com eletrodos segmentados. Para uma matriz de resolução limitada ou para uma exibição de mudança lenta mesmo em um grande painel de matriz, uma grade passiva de eletrodos é suficiente para implementar o endereçamento de matriz passivo , desde que haja drivers eletrônicos independentes para cada linha e coluna. Um LCD de matriz de alta resolução com resposta rápida necessária (por exemplo, para gráficos animados e / ou vídeo) necessita da integração de elementos eletrônicos não lineares adicionais em cada elemento de imagem (pixel) da tela (por exemplo, diodos de filme fino, TFDs ou transistores de filme fino , TFTs) a fim de permitir o endereçamento de matriz ativo de elementos de imagem individuais sem diafonia (ativação não intencional de pixels não endereçados).
História
Pesquisa RCA
Em 1962, Richard Williams, um físico químico que trabalhava na RCA Laboratories, começou a buscar novos fenômenos físicos que pudessem produzir uma tecnologia de display sem tubos a vácuo. Ciente da longa linha de pesquisa envolvendo cristais líquidos nemáticos, ele começou a fazer experiências com o composto p-azoxianisol, que tem um ponto de fusão de 115 ° C (239 ° F). Williams montou seus experimentos em um microscópio aquecido, colocando amostras entre eletrodos transparentes de óxido de estanho em placas de vidro mantidas a 125 ° C (257 ° F). Ele descobriu que um campo elétrico muito forte aplicado na pilha causaria a formação de padrões listrados. Posteriormente, foram denominados "domínios Williams". O campo necessário era de cerca de 1.000 volts por centímetro, alto demais para um dispositivo prático. Percebendo que o desenvolvimento seria demorado, ele passou a pesquisa para o físico George Heilmeier e passou para outro trabalho.
Em 1964, George H. Heilmeier da RCA junto com Louis Zanoni e o químico Lucian Barton descobriram que certos cristais líquidos podiam ser alternados entre um estado transparente e um opaco altamente espalhado com a aplicação de corrente elétrica. O espalhamento foi principalmente para a frente, no cristal, em oposição ao retroespalhamento em direção à fonte de luz. Ao colocar um refletor no lado oposto do cristal, a luz incidente poderia ser ligada ou desligada eletricamente, criando o que Heilmeier chamou de espalhamento dinâmico . Em 1965, Joseph Castellano e Joel Goldmacher, químicos orgânicos, procuraram cristais que permanecessem no estado fluido à temperatura ambiente. Em seis meses, eles encontraram vários candidatos e, com mais desenvolvimento, a RCA foi capaz de anunciar os primeiros monitores de cristal líquido em 1968.
Embora bem-sucedido, o display de espalhamento dinâmico exigia um fluxo de corrente constante através do dispositivo, bem como tensões relativamente altas. Isso os tornava pouco atraentes para situações de baixa energia, onde muitos desses tipos de monitores estavam sendo usados. Não sendo auto-iluminados, os LCDs também exigiam iluminação externa se fossem usados em situações de pouca luz, o que tornava as tecnologias de exibição existentes ainda menos atraentes em termos gerais de energia. Outra limitação era a necessidade de um espelho, que limitava os ângulos de visão. A equipe RCA estava ciente dessas limitações e continuou o desenvolvimento de uma variedade de tecnologias.
Um desses efeitos potenciais foi descoberto por Heilmeier em 1964. Ele foi capaz de fazer com que os corantes orgânicos se ligassem aos cristais líquidos, e eles permaneceriam na posição quando puxados para o alinhamento por um campo externo. Quando mudado de um alinhamento para o outro, a tinta ficava visível ou oculta, resultando em dois estados coloridos chamados de efeito convidado-hospedeiro . O trabalho nesta abordagem foi interrompido quando o efeito de espalhamento dinâmico foi demonstrado com sucesso.
Efeito TN
Outra abordagem potencial era a abordagem nemática torcida, que foi notada pela primeira vez pelo físico francês Charles-Victor Mauguin em 1911. Mauguin estava fazendo experiências com uma variedade de cristais líquidos semissólidos quando percebeu que poderia alinhar os cristais puxando uma peça de papel através deles, fazendo com que os cristais se tornem polarizados. Ele percebeu mais tarde que, ao colocar o cristal entre dois polarizadores alinhados, ele poderia torcê-los um em relação ao outro, mas a luz continuava a ser transmitida. Isso não era esperado. Normalmente, se dois polarizadores estiverem alinhados em ângulos retos, a luz não fluirá através deles. Mauguin concluiu que a luz estava sendo repolarizada pela torção do próprio cristal.
Wolfgang Helfrich , um físico que ingressou na RCA em 1967, ficou interessado na estrutura torcida de Mauguin e pensou que ela poderia ser usada para criar um display eletrônico. No entanto, a RCA mostrou pouco interesse porque sentiu que qualquer efeito que usasse dois polarizadores também teria uma grande quantidade de absorção de luz, exigindo que fosse bem iluminado. Em 1970, Helfrich deixou a RCA e se juntou aos Laboratórios de Pesquisa Centrais de Hoffmann-LaRoche na Suíça , onde se juntou a Martin Schadt , um físico do estado sólido. Schadt construiu uma amostra com eletrodos e uma versão torcida de um material de cristal líquido chamado PEBAB (p-etoxibenzilideno-p'-aminobenzonitrila), que Helfrich havia relatado em estudos anteriores na RCA, como parte de seus experimentos hospedeiros convidados. Quando a tensão é aplicada, o PEBAB se alinha ao longo do campo, rompendo a estrutura de torção e o redirecionamento da polarização, tornando a célula opaca.
Batalha de patentes
Nessa época , a Brown, Boveri & Cie (BBC) também estava trabalhando com os dispositivos como parte de um acordo prévio de pesquisa médica conjunta com a Hoffmann-LaRoche. A BBC demonstrou seu trabalho a um físico dos Estados Unidos associado a James Fergason , um especialista em cristais líquidos do Westinghouse Research Laboratories. Fergason estava trabalhando no efeito TN para monitores, tendo formado a ILIXCO para comercializar os desenvolvimentos da pesquisa realizada em conjunto com Sardari Arora e Alfred Saupe no Instituto de Cristal Líquido da Kent State University.
Quando a notícia da demonstração chegou a Hoffmann-LaRoche, Helfrich e Schadt imediatamente solicitaram uma patente, que foi depositada em 4 de dezembro de 1970. Seus resultados formais foram publicados em Applied Physics Letters em 15 de fevereiro de 1971. A fim de demonstrar a viabilidade do novo efeito para monitores, Schadt fabricou um painel de exibição de 4 dígitos em 1972.
Fergason publicou uma patente semelhante nos Estados Unidos em 9 de fevereiro de 1971 ou 22 de abril de 1971. Isso foi dois meses depois que a patente suíça foi registrada e preparou o terreno para um confronto legal de três anos que foi resolvido fora do tribunal. No final, todas as partes receberam uma parte do que viria a ser muitos milhões de dólares em royalties.
Desenvolvimento comercial de materiais de cristal líquido
O PEBAB estava sujeito a quebra quando exposto a água ou álcalis, e exigia fabricação especial para evitar contaminação. Em 1972, uma equipe liderada por George W. Gray desenvolveu um novo tipo de cianobifenil que poderia ser misturado ao PEBAB para produzir materiais menos reativos. Esses aditivos também tornaram o líquido resultante menos viscoso, proporcionando tempos de resposta mais rápidos e, ao mesmo tempo, tornando-os mais transparentes, o que produziu uma exibição em branco puro.
Este trabalho, por sua vez, levou à descoberta de uma classe totalmente diferente de cristais nemáticos por Ludwig Pohl, Rudolf Eidenschink e seus colegas na Merck KGaA em Darmstadt, chamados cianofenilciclohexanos . Eles rapidamente se tornaram a base de quase todos os LCDs e continuam a ser uma parte importante dos negócios da Merck hoje.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Joseph A. Castellano: Ouro líquido - A história das telas de cristal líquido e a criação de uma indústria, World Scientific Publishing, 2005
- Peer Kirsch, "100 anos de Cristais Líquidos na Merck: A história do futuro." , 20ª Conferência Internacional de Cristais Líquidos , julho de 2004
- David A. Dunmur e Horst Stegemeyer: "Cristais que fluem: papéis clássicos da história dos cristais líquidos", compilado com tradução e comentários de Timothy J. Sluckin (Taylor e Francis 2004), ISBN 0-415-25789-1 , História da página inicial dos cristais líquidos
- Werner Becker (editor): "100 Years of Commercial Liquid-Crystal Materials", Information Display , Volume 20, 2004
- Gerhard H. Buntz (advogado de patentes, promotor de patentes europeu, físico, Basel), "Twisted Nematic Liquid Crystal Displays (TN-LCDs), uma invenção de Basel com efeitos globais" , informação nº 118, outubro de 2005, emitida por Internationale Treuhand AG , Basel, Genebra, Zurique. Publicado em alemão
- 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: "Milestones in the History of Field-Effect Liquid Crystal Displays and Materials", Jpn. J. Appl. Phys. 48 (2009), pp. 1-9