ट्विस्टेड नीमेटिक क्षेत्र प्रभाव

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

मुड़ नीमेटिक क्षेत्र प्रभाव (टीएन-इफ़ेक्ट) एक मुख्य प्रौद्योगिकी सफलता थी जिसने एलसीडी को व्यावहारिक बना दिया। पहले के डिस्प्ले के विपरीत, टीएन-सेल को संचालन के लिए करंट प्रवाहित करने 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 से डिस्प्ले क्षेत्र में उनका तेजी से विस्तार हुआ, जिससे अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए मोनोलिथिक एलईडी और सीआरटी जैसी अन्य सामान्य प्रौद्योगिकियों को तेजी से आगे बढ़ाया गया। 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 जैसे इन-प्लेन स्विचिंग (आईपीएस) या वर्टिकल एलाइनमेंट (वीए) को अपनाया।

चित्र जानकारी के बिना कई मोनोक्रोम अल्फ़ान्यूमेरिकल डिस्प्ले अभी भी टीएन एलसीडी का उपयोग करते हैं।

टीएन डिस्प्ले तेज पिक्सेल प्रतिक्रिया समय और अन्य एलसीडी डिस्प्ले तकनीक की तुलना में कम धुंधलापन से लाभान्वित होता है, लेकिन खराब रंग प्रजनन और सीमित देखने के कोण से पीड़ित होता है, खासकर ऊर्ध्वाधर दिशा में। जब किसी ऐसे कोण से देखा जाएगा जो डिस्प्ले के लंबवत नहीं है, तो रंग संभवतः पूरी तरह उलटने की स्थिति तक बदल जाएंगे।

विवरण

ट्विस्टेड नेमेटिक प्रभाव एक लागू विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत विभिन्न क्रमबद्ध आणविक विन्यासों के बीच लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के सटीक नियंत्रित पुनर्संरेखण पर आधारित है। यह कम बिजली की खपत और कम ऑपरेटिंग वोल्टेज पर हासिल किया जाता है। लागू क्षेत्र में लिक्विड क्रिस्टल अणुओं के संरेखण की अंतर्निहित घटना को फ़्रेडरिक्स संक्रमण कहा जाता है और इसकी खोज 1927 में रूसी भौतिक विज्ञानी वसेवोलॉड फ्रेडरिक ने की थी।

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 के चित्र "सामान्य रूप से सफेद" मोड में काम कर रहे एक ट्विस्टेड नेमैटिक लाइट मॉड्यूलेटर लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले के एकल चित्र तत्व (पिक्सेल) की ऑफ और ऑन-स्थिति दोनों को दिखाते हैं, यानी, एक ऐसा मोड जिसमें प्रकाश प्रसारित होता है लिक्विड क्रिस्टल पर कोई विद्युत क्षेत्र लागू नहीं होता है।

ऑफ स्थिति में, यानी, जब कोई विद्युत क्षेत्र लागू नहीं किया जाता है, तो दो ग्लास प्लेटों, जी के बीच चित्र में जी, नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल अणुओं का एक मुड़ विन्यास (उर्फ हेलिकल संरचना या हेलिक्स) बनता है, जो कई स्पेसर्स द्वारा अलग किए जाते हैं और लेपित होते हैं। पारदर्शी इलेक्ट्रोड, E1 और E2। इलेक्ट्रोड स्वयं संरेखण परतों से लेपित होते हैं (दिखाए नहीं गए) जो तरल क्रिस्टल को 90 डिग्री तक घुमाते हैं जब कोई बाहरी क्षेत्र मौजूद नहीं होता है (बाएं आरेख)। यदि उचित ध्रुवीकरण (लगभग आधा) वाला एक प्रकाश स्रोत एलसीडी के सामने चमकता है, तो प्रकाश पहले ध्रुवीकरणकर्ता, पी2 से होकर लिक्विड क्रिस्टल में जाएगा, जहां यह पेचदार संरचना द्वारा घूमता है। फिर प्रकाश को दूसरे ध्रुवीकरणकर्ता, P1 से गुजरने के लिए उचित रूप से ध्रुवीकृत किया जाता है, जिसे पहले से 90° पर सेट किया गया है। फिर प्रकाश कोशिका के पीछे से होकर गुजरता है और छवि, I, पारदर्शी दिखाई देती है।

चालू स्थिति में, यानी, जब दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक क्षेत्र लागू किया जाता है, तो क्रिस्टल बाहरी क्षेत्र (दाएं आरेख) के साथ खुद को फिर से संरेखित करता है। यह क्रिस्टल में सावधानीपूर्वक मोड़ को "तोड़" देता है और क्रिस्टल से गुजरने वाले ध्रुवीकृत प्रकाश को पुन: उन्मुख करने में विफल रहता है। इस स्थिति में प्रकाश रियर पोलराइज़र, P1 द्वारा अवरुद्ध हो जाता है, और छवि, I, अपारदर्शी दिखाई देती है। वोल्टेज को अलग-अलग करके अपारदर्शिता की मात्रा को नियंत्रित किया जा सकता है। थ्रेशोल्ड के पास वोल्टेज पर, केवल कुछ क्रिस्टल फिर से संरेखित होंगे, और डिस्प्ले आंशिक रूप से पारदर्शी होगा। जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, अधिकांश क्रिस्टल फिर से संरेखित हो जाएंगे जब तक कि यह पूरी तरह से "स्विच" न हो जाए। क्रिस्टल को क्षेत्र के साथ संरेखित करने के लिए लगभग 1 V के वोल्टेज की आवश्यकता होती है, और क्रिस्टल से कोई करंट प्रवाहित नहीं होता है। इस प्रकार उस क्रिया के लिए आवश्यक विद्युत शक्ति बहुत कम है।

एक मुड़े हुए नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल के साथ जानकारी प्रदर्शित करने के लिए, पारदर्शी इलेक्ट्रोड को मैट्रिक्स या इलेक्ट्रोड के अन्य पैटर्न बनाने के लिए फोटो-लिथोग्राफी द्वारा संरचित किया जाता है। केवल एक इलेक्ट्रोड को इस तरह से पैटर्न करना होगा, दूसरा निरंतर (सामान्य इलेक्ट्रोड) रह सकता है। कम सूचना सामग्री के लिए संख्यात्मक और अल्फा-न्यूमेरिकल टीएन-एलसीडी, जैसे डिजिटल घड़ियां या कैलकुलेटर, खंडित इलेक्ट्रोड पर्याप्त हैं। यदि अधिक जटिल डेटा या ग्राफ़िक्स जानकारी प्रदर्शित करनी हो, तो इलेक्ट्रोड की मैट्रिक्स व्यवस्था का उपयोग किया जाता है। इस वजह से, मैट्रिक्स डिस्प्ले का वोल्टेज-नियंत्रित एड्रेसिंग, जैसे कि कंप्यूटर मॉनीटर या एलसीडी टेलीविजन स्क्रीन के लिए एलसीडी-स्क्रीन, खंडित इलेक्ट्रोड की तुलना में अधिक जटिल है। सीमित रिज़ॉल्यूशन के मैट्रिक्स के लिए या 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, बशर्ते कि प्रत्येक पंक्ति और स्तंभ के लिए स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनिक ड्राइवर हों। आवश्यक तेज़ प्रतिक्रिया के साथ एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन मैट्रिक्स एलसीडी (उदाहरण के लिए एनिमेटेड ग्राफिक्स और/या वीडियो के लिए) डिस्प्ले के प्रत्येक चित्र तत्व (पिक्सेल) में अतिरिक्त गैर-रेखीय इलेक्ट्रॉनिक तत्वों के एकीकरण की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए, पतली-फिल्म डायोड, टीएफडी, या पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर, टीएफटी) क्रॉसस्टॉक के बिना व्यक्तिगत चित्र तत्वों के सक्रिय मैट्रिक्स-एड्रेसिंग (गैर-एड्रेस्ड पिक्सल के अनपेक्षित सक्रियण) की अनुमति देने के लिए।

इतिहास

आरसीए अनुसंधान

1962 में, आरसीए प्रयोगशालाओं में काम करने वाले एक भौतिक रसायनज्ञ रिचर्ड विलियम्स ने नई भौतिक घटनाओं की तलाश शुरू की, जो वैक्यूम ट्यूब के बिना एक प्रदर्शन तकनीक उत्पन्न कर सकती हैं। नेमैटिक लिक्विड क्रिस्टल से जुड़े अनुसंधान की लंबी श्रृंखला से अवगत होकर, उन्होंने यौगिक पी-एज़ोक्सीएनिसोल के साथ प्रयोग करना शुरू किया, जिसका गलनांक 115 °C (239 °F) है। विलियम्स ने अपने प्रयोगों को एक गर्म माइक्रोस्कोप चरण पर स्थापित किया, जिसमें 125 °C (257 °F) पर रखी कांच की प्लेटों पर पारदर्शी टिन-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड के बीच नमूने रखे गए। उन्होंने पाया कि स्टैक पर लगाए गए एक बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्र के कारण धारीदार पैटर्न बनेंगे। 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 अनुसंधान को भौतिक विज्ञानी जॉर्ज हेइलमीयर को सौंप दिया और अन्य काम पर चले गए।

1964 में, आरसीए के जॉर्ज एच. हेइलमीयर ने लुईस ज़ानोनी और रसायनज्ञ लूसियन बार्टन के साथ मिलकर पता लगाया कि कुछ तरल क्रिस्टल को विद्युत प्रवाह के अनुप्रयोग के साथ एक पारदर्शी अवस्था और एक अत्यधिक बिखरने वाली अपारदर्शी अवस्था के बीच स्विच किया जा सकता है। प्रकाश स्रोत की ओर पीछे की ओर प्रकीर्णन के विपरीत, प्रकीर्णन मुख्य रूप से क्रिस्टल में आगे की ओर था। क्रिस्टल के दूर की ओर एक परावर्तक रखकर, आपतित प्रकाश को विद्युत रूप से चालू या बंद किया जा सकता है, जिससे हेइलमीयर ने गतिशील बिखराव का निर्माण किया। 1965 में, कार्बनिक 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, और आगे के विकास के साथ, आरसीए 1968 में पहले लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले की घोषणा करने में सक्षम हुआ।

सफल होने के बावजूद, गतिशील बिखरने वाले डिस्प्ले को डिवाइस के माध्यम से निरंतर वर्तमान प्रवाह के साथ-साथ अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसने उन्हें कम-शक्ति वाली स्थितियों के लिए अनाकर्षक बना दिया, जहां इस प्रकार के कई डिस्प्ले का उपयोग किया जा रहा था। स्वयं-प्रकाशित न होने के कारण, यदि एलसीडी को कम-रोशनी स्थितियों में उपयोग किया जाना हो तो उन्हें बाहरी प्रकाश की भी आवश्यकता होती है, जिसने मौजूदा डिस्प्ले प्रौद्योगिकियों को समग्र शक्ति के संदर्भ में और भी अधिक अनाकर्षक बना दिया है। एक और सीमा दर्पण की आवश्यकता थी, जिसने देखने के कोण को सीमित कर दिया। आरसीए टीम इन सीमाओं से अवगत थी, और विभिन्न प्रौद्योगिकियों का विकास जारी रखा।

इन संभावित प्रभावों में से एक की खोज हेइलमीयर ने 1964 में की थी। वह खुद को तरल क्रिस्टल से जोड़ने के लिए कार्बनिक रंगों को प्राप्त करने में सक्षम थे, और बाहरी क्षेत्र द्वारा संरेखण में खींचे जाने पर वे उसी स्थिति में बने रहते थे। जब एक संरेखण से दूसरे संरेखण पर स्विच किया जाता है, तो डाई या तो दिखाई देती है या छिपी होती है, जिसके परिणामस्वरूप दो रंगीन अवस्थाएँ उत्पन्न होती हैं जिन्हें अतिथि-मेज़बान प्रभाव कहा जाता है। इस दृष्टिकोण पर काम तब रुक गया जब गतिशील प्रकीर्णन प्रभाव सफलतापूर्वक प्रदर्शित हो गया।

टीएन-प्रभाव

एक अन्य संभावित दृष्टिकोण ट्विस्टेड-नेमेटिक दृष्टिकोण था, जिसे पहली बार 1911 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी चार्ल्स विक्टर मौगुइन ने देखा था। मौगुइन विभिन्न प्रकार के अर्ध-ठोस तरल क्रिस्टल के साथ प्रयोग कर रहे थे जब उन्होंने देखा कि वह एक टुकड़ा खींचकर क्रिस्टल को संरेखित कर सकते हैं। उनके पार कागज का, जिससे क्रिस्टल ध्रुवीकृत हो जाते हैं। बाद में उन्होंने देखा कि जब उन्होंने क्रिस्टल को दो संरेखित ध्रुवीकरणों के बीच सैंडविच किया, तो वह उन्हें एक-दूसरे के संबंध में मोड़ सकते थे, लेकिन प्रकाश प्रसारित होता रहा। इसकी उम्मीद नहीं थी. आम तौर पर यदि दो ध्रुवीकरणकर्ताओं को समकोण पर संरेखित किया जाता है, तो प्रकाश उनके माध्यम से प्रवाहित नहीं होगा। मौगुइन ने निष्कर्ष निकाला कि क्रिस्टल के घुमाव से ही प्रकाश पुनः ध्रुवीकृत हो रहा था।

वोल्फगैंग हेलफ्रिच, एक भौतिक विज्ञानी जो 1967 में आरसीए में शामिल हुए थे, मौगुइन की मुड़ी हुई संरचना में रुचि रखते थे और उन्होंने सोचा कि इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले बनाने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि आरसीए ने कम रुचि दिखाई क्योंकि उन्हें लगा कि दो ध्रुवीकरणकर्ताओं का उपयोग करने वाले किसी भी प्रभाव में बड़ी मात्रा में प्रकाश अवशोषण भी होगा, जिसके लिए इसे उज्ज्वल रूप से प्रकाशित करने की आवश्यकता होगी। 1970 में, हेलफ्रिच ने आरसीए छोड़ दिया और स्विट्ज़रलैंड में हॉफमैन-लारोचे की केंद्रीय अनुसंधान प्रयोगशालाओं में शामिल हो गए, जहां उन्होंने एक ठोस-राज्य भौतिक विज्ञानी मार्टिन शादट के साथ मिलकर काम किया। स्कैड्ट ने इलेक्ट्रोड और पीईबीएबी (पी-एथॉक्सीबेंज़िलिडीन-पी'-एमिनोबेंज़ोनिट्राइल) नामक तरल-क्रिस्टल सामग्री के एक मुड़ संस्करण के साथ एक नमूना बनाया, जिसे हेलफ्रिच ने अपने अतिथि-मेजबान प्रयोगों के हिस्से के रूप में आरसीए में पूर्व अध्ययनों में रिपोर्ट किया था। जब वोल्टेज लगाया जाता है, तो PEBAB स्वयं को क्षेत्र के साथ संरेखित करता है, घुमा संरचना और ध्रुवीकरण के पुनर्निर्देशन को तोड़ता है, जिससे सेल अपारदर्शी हो जाता 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 अपना काम दिखाया, जो वेस्टिंगहाउस रिसर्च लेबोरेटरीज में लिक्विड क्रिस्टल के विशेषज्ञ जेम्स फर्ग्यूसन से जुड़े थे। फर्गसन डिस्प्ले के लिए टीएन-इफेक्ट पर काम कर रहे थे, उन्होंने केंट स्टेट यूनिवर्सिटी के लिक्विड क्रिस्टल इंस्टीट्यूट में सरदारी अरोड़ा और अल्फ्रेड सॉपे के साथ मिलकर किए जा रहे अनुसंधान के विकास का व्यावसायीकरण करने के लिए ILIXCO का गठन किया था।

जब प्रदर्शन की खबर हॉफमैन-लारोचे तक पहुंची, तो हेलफ्रिच और शैडट ने तुरंत एक पेटेंट के लिए दबाव डाला, 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 प्रदर्शित करने के लिए डिस्प्ले के लिए प्रभाव, शाद्ट ने 1972 में 4-अंकीय डिस्प्ले पैनल बनाया।

फर्गासन ने 9 फरवरी 1971 या 22 अप्रैल 1971 को अमेरिका में एक समान पेटेंट प्रकाशित किया। यह स्विस पेटेंट दायर होने के दो महीने बाद था और इसने तीन साल के कानूनी टकराव के लिए मंच तैयार किया था जिसे अदालत के बाहर सुलझा लिया गया था। अंत में, सभी पार्टियों को रॉयल्टी में लाखों डॉलर का हिस्सा प्राप्त हुआ।

लिक्विड क्रिस्टल सामग्री का व्यावसायिक विकास

पीईबीएबी पानी या क्षारीय के संपर्क में आने पर टूट जाता था और संदूषण से बचने के लिए विशेष निर्माण की आवश्यकता होती थी। 1972 में जॉर्ज डब्लू. ग्रे के नेतृत्व में एक टीम ने एक नए प्रकार का सायनोबिफेनिल विकसित किया जिसे कम प्रतिक्रियाशील सामग्री उत्पन्न करने के लिए PEBAB के साथ मिलाया जा सकता था। इन एडिटिव्स ने परिणामी तरल को कम चिपचिपा बना दिया, जिससे तेजी से प्रतिक्रिया समय प्रदान किया गया, जबकि साथ ही उन्हें अधिक पारदर्शी बना दिया गया, जिससे शुद्ध-सफेद रंग का डिस्प्ले उत्पन्न हुआ।

बदले में, इस काम से डार्मस्टेड में मर्क केजीएए में लुडविग पोल, रुडोल्फ ईडेंसचिंक और उनके सहयोगियों द्वारा नेमैटिक क्रिस्टल की एक पूरी तरह से अलग श्रेणी की खोज हुई, जिसे सायनोफेनिलसाइक्लोहेक्सेन कहा जाता है। वे शीघ्र ही लगभग सभी एलसीडी का आधार बन गए, और आज भी मर्क के व्यवसाय 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