ट्विस्टेड नीमेटिक क्षेत्र प्रभाव

ट्विस्टेड निमैटिक फील्ड-इफ़ेक्ट पर आधारित एक शुरुआती एलसीडी प्रोटोटाइप वाली घड़ी

मुड़ नीमैटिक प्रभाव ('टीएन-प्रभाव') एक मुख्य प्रौद्योगिकी सफलता थी जिसने लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले को व्यावहारिक बना दिया। पहले के प्रदर्शनों के विपरीत, TN-कोशिकाओं को संचालन के लिए प्रवाहित होने के लिए करंट की आवश्यकता नहीं होती थी और बैटरी के साथ उपयोग के लिए उपयुक्त कम ऑपरेटिंग वोल्टेज का उपयोग किया जाता था। टीएन-इफेक्ट डिस्प्ले की शुरूआत ने डिस्प्ले क्षेत्र में उनके तेजी से विस्तार का नेतृत्व किया, अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अखंड प्रकाश उत्सर्जक डायोड और कैथोड रे ट्यूब जैसी अन्य सामान्य तकनीकों को जल्दी से बाहर कर दिया। 1990 के दशक तक, टीएन-प्रभाव एलसीडी पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में काफी हद तक सार्वभौमिक थे, हालांकि तब से, एलसीडी के कई अनुप्रयोगों ने टीएन-प्रभाव के विकल्प को अपनाया जैसे कि आईपीएस पैनल|इन-प्लेन स्विचिंग (आईपीएस) या लिक्विड-क्रिस्टल डिस्प्ले#वर्टिकल अलाइनमेंट (वीए) (वीए)।

चित्र जानकारी के बिना कई मोनोक्रोम अल्फ़ान्यूमेरिकल डिस्प्ले अभी भी TN LCD का उपयोग करते हैं।

टीएन डिस्प्ले तेजी से पिक्सेल प्रतिक्रिया समय और अन्य एलसीडी डिस्प्ले प्रौद्योगिकी की तुलना में कम स्मियरिंग से लाभान्वित होते हैं, लेकिन विशेष रूप से लंबवत दिशा में खराब रंग प्रजनन और सीमित देखने वाले कोणों से ग्रस्त हैं। रंग पूरी तरह से उलटने के बिंदु पर बदल जाएगा, जब एक ऐसे कोण पर देखा जाएगा जो प्रदर्शन के लंबवत नहीं है।

विवरण

मुड़ नीमैटिक प्रभाव एक लागू विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत विभिन्न आदेशित आणविक विन्यासों के बीच लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के सटीक नियंत्रित पुनर्संरेखण पर आधारित है। यह कम बिजली की खपत और कम परिचालन वोल्टेज के साथ हासिल किया जाता है। लागू क्षेत्र में लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के संरेखण की अंतर्निहित घटना को फ्रेडरिक्सज़ संक्रमण कहा जाता है और 1927 में रूसी भौतिक विज्ञानी वसेवोलॉड फ्रेडरिक द्वारा खोजा गया था।

एक TN लिक्विड क्रिस्टल सेल का विस्फोटित दृश्य जो राज्यों को एक बंद स्थिति (बाएं), और एक चालू स्थिति के साथ लागू वोल्टेज (दाएं) में दिखा रहा है

दाईं ओर दिए गए चित्र सामान्य रूप से सफेद मोड में काम कर रहे एक मुड़ नीमैटिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक न्यूनाधिक लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले के सिंगल पिक्चर एलिमेंट (पिक्सेल) की ऑफ और ऑन-स्टेट दोनों को दिखाते हैं, यानी एक ऐसा मोड जिसमें प्रकाश तब प्रसारित होता है जब लिक्विड क्रिस्टल पर कोई विद्युत क्षेत्र लागू नहीं होता है।

ऑफ स्टेट में, यानी, जब कोई विद्युत क्षेत्र लागू नहीं होता है, नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल अणुओं का एक मुड़ विन्यास (उर्फ हेलिकल स्ट्रक्चर या हेलिक्स) दो ग्लास प्लेटों के बीच बनता है, आकृति में जी, जो कई स्पेसर्स द्वारा अलग किए जाते हैं और लेपित होते हैं पारदर्शी इलेक्ट्रोड, ई₁ और ई₂. इलेक्ट्रोड स्वयं संरेखण परतों (दिखाया नहीं गया) के साथ लेपित होते हैं जो तरल क्रिस्टल को 90 डिग्री तक घुमाते हैं जब कोई बाहरी क्षेत्र मौजूद नहीं होता है (बाएं आरेख)। यदि एलसीडी के सामने उचित ध्रुवीकरण (लगभग आधा) वाला प्रकाश स्रोत चमकता है, तो प्रकाश पहले ध्रुवीकरण, पी से गुजरेगा₂ और लिक्विड क्रिस्टल में, जहां इसे पेचदार संरचना द्वारा घुमाया जाता है। प्रकाश को तब दूसरे ध्रुवीकरणकर्ता, पी से गुजरने के लिए ठीक से ध्रुवीकृत किया जाता है₁, पहले के 90° पर सेट करें। प्रकाश तब कोशिका के पीछे से होकर गुजरता है और छवि, I, पारदर्शी दिखाई देती है।

ऑन स्टेट में, यानी, जब दो इलेक्ट्रोड के बीच एक क्षेत्र लगाया जाता है, तो क्रिस्टल खुद को बाहरी क्षेत्र (दाएं आरेख) के साथ फिर से संरेखित करता है। यह क्रिस्टल में सावधान मोड़ को तोड़ता है और क्रिस्टल से गुजरने वाले ध्रुवीकृत प्रकाश को फिर से उन्मुख करने में विफल रहता है। इस मामले में प्रकाश को पीछे के पोलराइज़र, पी द्वारा अवरुद्ध किया जाता है₁, और छवि, I, अपारदर्शी दिखाई देती है। अपारदर्शिता की मात्रा को वोल्टेज को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है। दहलीज के निकट वोल्टेज पर, केवल कुछ क्रिस्टल फिर से संरेखित होंगे, और प्रदर्शन आंशिक रूप से पारदर्शी होगा। जैसे ही वोल्टेज बढ़ता है, अधिक क्रिस्टल तब तक फिर से संरेखित होंगे जब तक कि यह पूरी तरह से स्विच नहीं हो जाता। क्रिस्टल को क्षेत्र के साथ संरेखित करने के लिए लगभग 1 V के वोल्टेज की आवश्यकता होती है, और कोई भी करंट क्रिस्टल से होकर नहीं गुजरता है। इस प्रकार उस क्रिया के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति बहुत कम होती है।

मुड़ नीमैटिक लिक्विड क्रिस्टल के साथ जानकारी प्रदर्शित करने के लिए, पारदर्शी इलेक्ट्रोड फोटो-लिथोग्राफी द्वारा डॉट-मैट्रिक्स डिस्प्ले या अन्य सात-खंड डिस्प्ले बनाने के लिए संरचित होते हैं। केवल एक इलेक्ट्रोड को इस तरह से प्रतिरूपित करना होता है, दूसरा निरंतर (सामान्य इलेक्ट्रोड) रह सकता है। कम जानकारी वाली सामग्री के लिए संख्यात्मक और अल्फा-न्यूमेरिकल TN-LCDs, जैसे डिजिटल घड़ियाँ या कैलकुलेटर, सात-खंड डिस्प्ले पर्याप्त हैं। यदि अधिक जटिल डेटा या ग्राफिक्स जानकारी प्रदर्शित करनी है, तो इलेक्ट्रोड की मैट्रिक्स व्यवस्था का उपयोग किया जाता है। इस वजह से, डॉट-मैट्रिक्स डिस्प्ले का वोल्टेज-नियंत्रित एड्रेसिंग, जैसे कि कंप्यूटर मॉनीटर या एलसीडी टेलीविजन के लिए एलसीडी स्क्रीन, खंडित इलेक्ट्रोड की तुलना में अधिक जटिल है। सीमित रिज़ॉल्यूशन के मैट्रिक्स के लिए या एक बड़े मैट्रिक्स पैनल पर धीमी गति से बदलते डिस्प्ले के लिए, इलेक्ट्रोड का एक निष्क्रिय ग्रिड निष्क्रिय मैट्रिक्स एड्रेसिंग को लागू करने के लिए पर्याप्त है। पैसिव मैट्रिक्स-एड्रेसिंग, बशर्ते कि प्रत्येक पंक्ति और कॉलम के लिए स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनिक ड्राइवर हों . आवश्यक तेज प्रतिक्रिया (जैसे एनिमेटेड ग्राफिक्स और/या वीडियो के लिए) के साथ एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन मैट्रिक्स एलसीडी डिस्प्ले के प्रत्येक चित्र तत्व (पिक्सेल) में अतिरिक्त गैर-रैखिक इलेक्ट्रॉनिक तत्वों के एकीकरण की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, पतली-फिल्म डायोड, टीएफडी, या पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर, टीएफटी) सक्रिय मैट्रिक्स एड्रेसिंग की अनुमति देने के लिए | क्रॉसस्टॉक (इलेक्ट्रॉनिक्स) के बिना व्यक्तिगत चित्र तत्वों का सक्रिय मैट्रिक्स-एड्रेसिंग (गैर-संबोधित पिक्सल का अनपेक्षित सक्रियण)।

इतिहास

आरसीए अनुसंधान

1962 में, अमेरिका के रेडियो निगम लेबोरेटरीज में काम करने वाले एक भौतिक रसायनज्ञ रिचर्ड विलियम्स ने नई भौतिक घटनाओं की खोज शुरू की, जो वैक्यूम ट्यूबों के बिना एक प्रदर्शन तकनीक का उत्पादन कर सकती हैं। निमेटिक लिक्विड क्रिस्टल से जुड़े अनुसंधान की लंबी लाइन से अवगत, उन्होंने यौगिक पैरा-एज़ोक्सीनिसोल | पी-एज़ॉक्साइनिसोल के साथ प्रयोग करना शुरू किया, जिसका गलनांक है 115 °C (239 °F). विलियम्स ने अपने प्रयोगों को एक गर्म माइक्रोस्कोप चरण पर स्थापित किया, कांच की प्लेटों पर पारदर्शी टिन-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड के बीच नमूने रखे 125 °C (257 °F). उन्होंने पाया कि स्टैक के आर-पार लगाया गया एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र धारीदार पैटर्न बनाने का कारण होगा। इन्हें बाद में विलियम्स डोमेन कहा गया। आवश्यक क्षेत्र लगभग 1,000 वोल्ट प्रति सेंटीमीटर था, जो एक व्यावहारिक उपकरण के लिए बहुत अधिक था। यह महसूस करते हुए कि विकास लंबा होगा, उन्होंने शोध को भौतिक विज्ञानी जॉर्ज हेलमीयर को सौंप दिया और अन्य कार्यों पर चले गए।

1964 में, RCA के जॉर्ज एच. हेल्मीयर ने लुई ज़ानोनी और रसायनशास्त्री लुसियन बार्टन के साथ मिलकर यह पता लगाया कि कुछ तरल क्रिस्टलों को विद्युत प्रवाह के उपयोग से पारदर्शी अवस्था और अत्यधिक बिखरने वाले अपारदर्शी के बीच स्विच किया जा सकता है। प्रकाश स्रोत की ओर backscatter िंग के विपरीत, प्रकीर्णन मुख्य रूप से क्रिस्टल में आगे था। क्रिस्टल के दूर की ओर एक परावर्तक रखकर, घटना प्रकाश को विद्युत रूप से चालू या बंद किया जा सकता है, जिससे हेइलमीयर ने गतिशील बिखरने का नाम दिया। 1965 में जैविक रसायनज्ञ जोसेफ कैस्टेलानो और जोएल गोल्डमाकर ने ऐसे क्रिस्टल की खोज की जो कमरे के तापमान पर तरल अवस्था में रहे। छह महीने के भीतर उन्हें कई उम्मीदवार मिल गए थे, और आगे के विकास के साथ, आरसीए 1968 में पहले लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले की घोषणा करने में सक्षम था।

हालांकि सफल, गतिशील बिखरने वाले प्रदर्शन को डिवाइस के माध्यम से निरंतर वर्तमान प्रवाह की आवश्यकता होती है, साथ ही साथ अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज भी। इसने उन्हें कम-शक्ति स्थितियों के लिए अनाकर्षक बना दिया, जहाँ इस प्रकार के कई प्रकार के डिस्प्ले का उपयोग किया जा रहा था। स्व-प्रकाशित नहीं होने के कारण, एलसीडी को बाहरी प्रकाश व्यवस्था की भी आवश्यकता होती है, यदि वे कम-प्रकाश स्थितियों में उपयोग किए जा रहे हों, जिसने मौजूदा प्रदर्शन तकनीकों को समग्र शक्ति के संदर्भ में और भी अनाकर्षक बना दिया। एक और सीमा एक दर्पण की आवश्यकता थी, जिसने देखने के कोणों को सीमित कर दिया। आरसीए टीम इन सीमाओं से अवगत थी, और विभिन्न प्रकार की तकनीकों का निरंतर विकास कर रही थी।

इन संभावित प्रभावों में से एक की खोज हेइलमेयर ने 1964 में की थी। वह खुद को तरल क्रिस्टल से जोड़ने के लिए कार्बनिक रंगों को प्राप्त करने में सक्षम था, और बाहरी क्षेत्र द्वारा संरेखण में खींचे जाने पर वे स्थिति में बने रहेंगे। जब एक संरेखण से दूसरे में स्विच किया जाता है, तो डाई या तो दिखाई देती है या छिपी होती है, जिसके परिणामस्वरूप दो रंगीन अवस्थाएँ होती हैं जिन्हें अतिथि-मेजबान प्रभाव कहा जाता है। गतिशील बिखरने के प्रभाव का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किए जाने पर इस दृष्टिकोण पर काम रुक गया।

टीएन-प्रभाव

एक अन्य संभावित दृष्टिकोण मुड़-नेमैटिक दृष्टिकोण था, जिसे पहली बार 1911 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी चार्ल्स विक्टर मौगुइन द्वारा देखा गया था। माउगिन विभिन्न प्रकार के अर्ध-ठोस तरल क्रिस्टल के साथ प्रयोग कर रहे थे जब उन्होंने नोट किया कि वह एक टुकड़ा खींचकर क्रिस्टल को संरेखित कर सकते हैं। उनके चारों ओर कागज की, जिससे क्रिस्टल ध्रुवीकृत हो जाते हैं। बाद में उन्होंने देखा कि जब उन्होंने दो संरेखित ध्रुवकों के बीच क्रिस्टल को सैंडविच किया, तो वे उन्हें एक दूसरे के संबंध में मोड़ सकते थे, लेकिन प्रकाश का संचार जारी रहा। इसकी उम्मीद नहीं थी। आम तौर पर यदि दो ध्रुवकों को समकोण पर संरेखित किया जाता है, तो प्रकाश उनके माध्यम से प्रवाहित नहीं होगा। मौगुइन ने निष्कर्ष निकाला कि क्रिस्टल के मुड़ने से प्रकाश का पुन: ध्रुवीकरण हो रहा था।

1967 में RCA में शामिल होने वाले एक भौतिक विज्ञानी वोल्फगैंग हेलफ्रिक , माउगिन की मुड़ी हुई संरचना में रुचि रखते थे और उन्होंने सोचा कि इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले बनाने के लिए किया जा सकता है। हालांकि आरसीए ने थोड़ी दिलचस्पी दिखाई क्योंकि उन्हें लगा कि कोई भी प्रभाव जो दो पोलराइज़र का उपयोग करता है, उसमें बड़ी मात्रा में प्रकाश अवशोषण भी होगा, जिसके लिए इसे उज्ज्वल रूप से प्रकाशित करने की आवश्यकता होती है। 1970 में, Helfrich ने RCA को छोड़ दिया और स्विट्ज़रलैंड में हॉफमैन-लारोचे की केंद्रीय अनुसंधान प्रयोगशालाओं में शामिल हो गए, जहाँ उन्होंने एक ठोस-राज्य भौतिक विज्ञानी मार्टिन शाद्ट के साथ मिलकर काम किया। Schadt ने इलेक्ट्रोड के साथ एक नमूना बनाया और PEBAB (p-ethoxybenzylidene-p'-aminobenzonitrile) नामक एक लिक्विड-क्रिस्टल सामग्री का एक मुड़ संस्करण बनाया, जिसे Helfrich ने अपने अतिथि-मेजबान प्रयोगों के भाग के रूप में RCA में पूर्व अध्ययनों में बताया था।जब वोल्टेज लगाया जाता है, तो PEBAB खुद को क्षेत्र के साथ संरेखित करता है, घुमावदार संरचना को तोड़ता है और ध्रुवीकरण के पुनर्निर्देशन करता है, जिससे सेल अपारदर्शी हो जाती है।

पेटेंट लड़ाई

इस समय ब्राउन, बोवेरी एंड सी (बीबीसी) भी हॉफमैन-लारोचे के साथ एक पूर्व संयुक्त चिकित्सा अनुसंधान समझौते के हिस्से के रूप में उपकरणों के साथ काम कर रहा था। बीबीसी ने अमेरिका के एक भौतिक विज्ञानी को अपने काम का प्रदर्शन किया, जो वेस्टिंगहाउस रिसर्च लेबोरेटरीज में लिक्विड क्रिस्टल के विशेषज्ञ जेम्स फर्ग्यूसन के साथ जुड़े थे। केंट स्टेट यूनिवर्सिटी के लिक्विड क्रिस्टल इंस्टीट्यूट में सरदारी अरोरा और अल्फ्रेड सॉपे के साथ मिलकर किए जा रहे अनुसंधान के विकास का व्यावसायीकरण करने के लिए फर्गसन प्रदर्शन के लिए टीएन-प्रभाव पर काम कर रहा था। जब प्रदर्शन की खबर हॉफमैन-लारोचे तक पहुंची, हेलफ्रिच और शाद ने तुरंत एक पेटेंट के लिए धक्का दिया, जिसे 4 दिसंबर 1970 को दायर किया गया था। उनके औपचारिक परिणाम 15 फरवरी 1971 को एप्लाइड फिजिक्स लेटर्स में प्रकाशित किए गए थे। नए की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करने के लिए प्रदर्शित करने के लिए प्रभाव, Schadt ने 1972 में एक 4-अंकीय डिस्प्ले पैनल बनाया।

फर्गसन ने 9 फरवरी 1971 को अमेरिका में इसी तरह का एक पेटेंट प्रकाशित कियाया 22 अप्रैल 1971।स्विस पेटेंट दायर किए जाने के दो महीने बाद यह तीन साल के कानूनी टकराव के लिए मंच तैयार किया गया था जिसे अदालत से बाहर सुलझा लिया गया था। अंत में, सभी पार्टियों को रॉयल्टी में कई मिलियन डॉलर का हिस्सा मिला।

लिक्विड क्रिस्टल सामग्री का व्यावसायिक विकास

PEBAB पानी या क्षारीय के संपर्क में आने पर टूटने के अधीन था, और संदूषण से बचने के लिए विशेष निर्माण की आवश्यकता थी। 1972 में जॉर्ज डब्ल्यू. ग्रे के नेतृत्व में एक टीम ने एक नए प्रकार का 4-साइनो-4'-पेंटिलबाईफेनिल विकसित किया जिसे कम प्रतिक्रियाशील सामग्री बनाने के लिए PEBAB के साथ मिलाया जा सकता था। इन योजकों ने परिणामी तरल को कम चिपचिपा बना दिया, जिससे तेजी से प्रतिक्रिया समय प्रदान किया गया, जबकि एक ही समय में उन्हें और अधिक पारदर्शी बना दिया गया, जिससे शुद्ध-सफेद रंग का प्रदर्शन हुआ।

बदले में, इस काम ने लुडविग पोल , रूडोल्फ ईडेन्सचिंक और उनके सहयोगियों द्वारा डार्मस्टाट में मर्क केजीएए में सायनोफेनिलसाइक्लोहेक्सेन नामक एक पूरी तरह से अलग वर्ग के निमैटिक क्रिस्टल की खोज की। वे जल्द ही लगभग सभी एलसीडी का आधार बन गए और आज मर्क के कारोबार का एक प्रमुख हिस्सा बने हुए हैं।

यह भी देखें

• प्रदर्शन प्रौद्योगिकी का इतिहास

अग्रिम पठन

• Joseph A. Castellano: Liquid Gold — The Story of Liquid Crystal Displays and the Creation of an Industry, World Scientific Publishing, 2005
• Peer Kirsch, "100 years of Liquid Crystals at Merck: The history of the future.", 20th International Liquid Crystals Conference, July 2004
• David A. Dunmur and Horst Stegemeyer: "Crystals that Flow: Classic papers from the history of liquid crystals", Compiled with translation and commentary by Timothy J. Sluckin (Taylor and Francis 2004), ISBN 0-415-25789-1, History of Liquid Crystals Homepage
• Werner Becker (editor): "100 Years of Commercial Liquid-Crystal Materials", Information Display, Volume 20, 2004
• Gerhard H. Buntz (Patent Attorney, European Patent Attorney, Physicist, Basel), "Twisted Nematic Liquid Crystal Displays (TN-LCDs), an invention from Basel with global effects", Information No. 118, October 2005, issued by Internationale Treuhand AG, Basel, Geneva, Zurich. Published in German
• 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