ट्विस्टेड नीमेटिक क्षेत्र प्रभाव

ट्विस्टेड निमैटिक क्षेत्र प्रभाव पर आधारित एक प्रारम्भिक एलसीडी प्रोटोटाइप वाली घड़ी

ट्विस्टेड नीमेटिक क्षेत्र प्रभाव (टीएन-प्रभाव) एक मुख्य प्रौद्योगिकी सफलता है जिसने एलसीडी को प्रायोगिक बनाया है। पहले की डिस्प्ले (प्रदर्शनी) मे विपरीत टीएन-प्रभाव के संचालन के लिए धारा प्रवाहित करने की आवश्यकता नहीं होती थी और बैटरी के साथ उपयोग करने के लिए अपेक्षाकृत उपयुक्त कम संचालित वोल्टेज का उपयोग किया जाता था। टीएन-प्रभाव डिस्प्ले के प्रारम्भ से डिस्प्ले क्षेत्र में उनका तीव्रता से विस्तार हुआ, जिससे अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए मोनोलिथिक एलईडी और सीआरटी जैसी अन्य सामान्य प्रौद्योगिकियों को तीव्रता से आगे बढ़ाया गया है। 1990 के दशक तक टीएन-प्रभाव एलसीडी पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में अपेक्षाकृत रूप तक सार्वभौमिक थे। हालांकि तब से एलसीडी के कई अनुप्रयोगों ने टीएन-प्रभाव के विकल्प जैसे समतल स्विचिंग (आईपीएस) या लम्बवत संरखेण (वीए) को स्वीकृत किया है।

चित्र जानकारी के अतिरिक्त कई एकवर्णी अक्षरांकीय प्रदर्शनी अभी भी टीएन एलसीडी का उपयोग करती हैं। टीएन प्रदर्शनी तीव्र पिक्सेल प्रतिक्रिया समय और अन्य एलसीडी प्रदर्शनी तकनीक की तुलना में अपेक्षाकृत कम अस्पष्टीकरण से लाभान्वित है। लेकिन अस्पष्ट रंग प्रयोजन अधिकांश ऊर्ध्वाधर दिशा में सीमित देखने के कोण से पीड़ित होते है। जब किसी ऐसे कोण से देखा जाता है जो प्रदर्शनी के लंबवत नहीं है, तो रंग संभवतः पूरी तरह व्युत्क्रम की स्थिति मे परिवर्तित हो जाते है।

विवरण

ट्विस्टेड नेमेटिक प्रभाव एक प्रयुक्त विद्युत क्षेत्र के अंतर्गत विभिन्न क्रमबद्ध आणविक विन्यासों के बीच द्रव क्रिस्टल अणुओं के शुद्ध नियंत्रित पुनर्संरेखण पर आधारित है। यह अपेक्षाकृत कम विद्युत और कम संचालन वोल्टेज पर प्राप्त किया जाता है। प्रयुक्त क्षेत्र में द्रव 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 टीएन द्रव क्रिस्टल बैटरी का विस्फोटित दृश्य जो कई अवस्थाओ को एक बंद स्थिति (बाएं) और एक चालू स्थिति के साथ प्रयुक्त वोल्टेज (दाएं) में दिखा रहा है।

दाईं ओर के चित्र "सामान्य रूप से सफेद" रंग में कार्य कर रहे एक ट्विस्टेड नेमैटिक प्रकाशित अणु द्रव क्रिस्टल प्रदर्शनी के एकल चित्र तत्व (पिक्सेल) की बंद और चालू स्थिति दोनों को दिखाते हैं अर्थात एक ऐसा मोड जिसमें प्रकाश प्रसारित होता है द्रव क्रिस्टल पर कोई विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त नहीं होता है।

बंद स्थिति में अर्थात जब कोई विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त नहीं किया जाता है, तो दो ग्लास प्लेटों G के बीच चित्र में G नेमैटिक द्रव क्रिस्टल अणुओं का एक ट्विस्टेड विन्यास (या 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, जो तरल क्रिस्टल को 90 डिग्री तक घुमाते हैं जब कोई बाहरी क्षेत्र (बाएं आरेख) उपस्थित नहीं होता है। यदि उपयुक्त ध्रुवीकरण (लगभग आधा) वाला एक प्रकाश स्रोत एलसीडी के सामने प्रकाशित होता है, तो प्रकाश पहले ध्रुवीकरणकर्ता, P₂ से होकर द्रव क्रिस्टल में जाएगा, जहां यह पेचदार संरचना द्वारा घूमता है। फिर प्रकाश को दूसरे ध्रुवीकरणकर्ता, P₁ से गुजरने के लिए उपयुक्त रूप से ध्रुवीकृत किया जाता है, जिसे पहले से 90° पर प्रयुक्त किया गया है। फिर प्रकाश प्रयुक्त बैटरी के पीछे से होकर गुजरता है जिससे छवि (I) पारदर्शी दिखाई देती है।

प्रारम्भ स्थिति में अर्थात जब दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक क्षेत्र प्रयुक्त किया जाता है, तो क्रिस्टल बाहरी क्षेत्र (दाएं आरेख) के साथ स्वयं को पुनः संरेखित करता है। यह क्रिस्टल में सावधानीपूर्वक ट्विस्टेड निमैटिक प्रभाव को नष्ट कर देता है और क्रिस्टल से गुजरने वाले ध्रुवीकृत प्रकाश को पुन: उन्मुख करने में विफल रहता है। इस स्थिति में प्रकाश पश्च ध्रुवीय 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। सीमा रेखा के पास वोल्टेज पर केवल कुछ क्रिस्टल फिर से संरेखित होंगे और प्रदर्शनी आंशिक रूप से पारदर्शी होगी जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है अधिकांश क्रिस्टल फिर से संरेखित हो जाते है जब तक कि यह पूरी तरह से परिवर्तित न हो जाए तब तक क्रिस्टल को क्षेत्र के साथ संरेखित करने के लिए लगभग 1 V के वोल्टेज की आवश्यकता होती है और क्रिस्टल से कोई धारा प्रवाहित नहीं होती है। इस प्रकार उस प्रक्रिया के लिए आवश्यक विद्युत क्षमता अपेक्षाकृत बहुत कम होती है।

ट्विस्टेड निमैटिक द्रव क्रिस्टल के साथ जानकारी प्रदर्शित करने के लिए पारदर्शी इलेक्ट्रोड को इलेक्ट्रोड के अन्य पैटर्न बनाने के लिए फोटोलिथोग्राफी द्वारा संरचित किया जाता है। केवल एक इलेक्ट्रोड को इस प्रकार से पैटर्न करना होता है जिससे दूसरा इलेक्ट्रोड निरंतर (सामान्य इलेक्ट्रोड) रह सकता है। अपेक्षाकृत कम सूचना सामग्री के लिए संख्यात्मक और अल्फा-संख्यात्मक टीएन-एलसीडी, जैसे डिजिटल घड़ियां या कैलकुलेटर, विभाजित इलेक्ट्रोड पर्याप्त हैं। यदि अधिक जटिल डेटा या ग्राफ़िक्स जानकारी प्रदर्शित करनी हो, तो इलेक्ट्रोड की आव्यूह व्यवस्था का उपयोग किया जाता है। इसी कारण से प्रदर्शनी का वोल्टेज-नियंत्रित एड्रेस जैसे कि कंप्यूटर मॉनीटर या एलसीडी टेलीविजन स्क्रीन के लिए एलसीडी-स्क्रीन विभाजित इलेक्ट्रोड की तुलना में अधिक जटिल है। सीमित विश्लेषण की संरचना के लिए या बड़े संरचना वाले पैनल पर धीमी गति से परिवर्तित प्रदर्शनी के लिए इलेक्ट्रोड का एक निष्क्रिय ग्रिड निष्क्रिय संरचना एड्रेस को प्रयुक्त करने के लिए पर्याप्त है लेकिन प्रत्येक पंक्ति और स्तंभ के लिए स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनिक ड्राइवर हों। आवश्यक तीव्र प्रतिक्रिया के साथ एक उच्च-विश्लेषण संरचना एलसीडी (उदाहरण के लिए एनिमेटेड ग्राफिक्स या वीडियो के लिए) प्रदर्शनी के प्रत्येक चित्र (पिक्सेल) में अतिरिक्त गैर-रेखीय इलेक्ट्रॉनिक पिक्सेल के एकीकरण की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए पतली-फिल्म डायोड, टीएफडी या पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर, टीएफटी भंडारण के अतिरिक्त प्रयोगिक पिक्सेल के सक्रिय एड्रेस (गैर-एड्रेस पिक्सल के अनपेक्षित सक्रियण) की स्वीकृति देने के लिए आवश्यकता होती है।

इतिहास

आरसीए अनुसंधान

1962 में आरसीए प्रयोगशालाओं में कार्य करने वाले एक भौतिक रसायनज्ञ रिचर्ड विलियम्स ने नई भौतिक घटनाओं की खोज प्रारम्भ किया जो कि वैक्यूम ट्यूब के अतिरिक्त एक प्रदर्शन तकनीक उत्पन्न कर सकती हैं। नेमैटिक द्रव क्रिस्टल से संबद्ध अनुसंधान की लंबी श्रृंखला से अवगत होकर, उन्होंने यौगिक P एज़ोक्सीएनिसोल के साथ प्रयोग करना प्रारम्भ किया, जिसका गलनांक 115 °C (239 °F) है। विलियम्स ने अपने प्रयोगों को एक गर्म अणुवीक्षण अवस्था पर स्थापित किया, जिसमें 125 °C (257 °F) पर रखी कांच की प्लेटों पर पारदर्शी टिन-ऑक्साइड इलेक्ट्रोड के बीच प्रारूप रखे गए। उन्होंने पाया कि स्टैक पर लगाए गए एक बहुत जटिल विद्युत क्षेत्र के कारण रेखांकित पैटर्न बनते है इन्हें बाद में "विलियम्स डोमेन" कहा गया है। आवश्यक क्षेत्र लगभग 1,000 वोल्ट प्रति सेंटीमीटर था, जो एक प्रयोगिक उपकरण के लिए बहुत अधिक था। यह अनिभव करते हुए कि विकास लंबा होगा, उन्होंने अनुसंधान को भौतिक विज्ञानी जॉर्ज हेइलमीयर को दे दिया और अन्य कार्य पर चले गए थे।

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 प्रसारण वाली अपारदर्शी अवस्था के बीच परिवर्तित 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 आपतित प्रकाश को विद्युत रूप से प्रारम्भ या स्थगित किया जा सकता है, जिससे हेइलमीयर ने गतिशील प्रसारण 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 व्यक्ति मिल गए और आगे के विकास के साथ आरसीए 1968 में पहले द्रव क्रिस्टल प्रदर्शनी की घोषणा करने में सक्षम हुए थे।

सफल होने के बाद गतिशील प्रसारण वाली प्रदर्शनी को एक उपकरण के माध्यम से निरंतर धारा प्रवाह के साथ-साथ अपेक्षाकृत उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होती है। इसने उन्हें कम-क्षमता वाली स्थितियों के लिए अनाकर्षक बना दिया है जहां इस प्रकार के कई डिस्प्ले का उपयोग किया जा रहा था। स्वयं-प्रकाशित न होने के कारण यदि एलसीडी को कम-प्रकाश स्थितियों में उपयोग किया जाना हो तो उन्हें बाहरी प्रकाश की भी आवश्यकता होती है, जिसने उपस्थित प्रदर्शनी प्रौद्योगिकियों को समग्र क्षमता के संदर्भ में और भी अधिक अनाकर्षक बना दिया है। जिसमे एक और सीमा दर्पण की आवश्यकता थी, जिसने देखने के कोण को सीमित कर दिया था। आरसीए समुदाय इन सीमाओं से अवगत था जिसने विभिन्न प्रौद्योगिकियों का विकास प्रारम्भ रखा था।

इन संभावित प्रभावों में से एक की खोज हेइलमीयर ने 1964 में की थी। वह स्वयं 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 स्थानांतरित किया जाता है, तो डाई या तो दिखाई देती है या छिपी होती है जिसके परिणामस्वरूप दो रंगीन अवस्थाएँ उत्पन्न होती हैं जिन्हें गेस्ट-होस्ट प्रभाव कहा जाता है। इस दृष्टिकोण पर कार्य तब स्थगित हो गया था जब गतिशील प्रकीर्णन प्रभाव सफलतापूर्वक प्रदर्शित हो गया था।

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 भाग खींचकर क्रिस्टल को संरेखित कर सकता है। उनके निकट के पेपर जिससे क्रिस्टल ध्रुवीकृत हो जाते हैं। बाद में उन्होंने देखा कि जब उन्होंने क्रिस्टल को दो संरेखित ध्रुवीकरणों के बीच सैंडविच किया है तो वह उन्हें एक-दूसरे के संबंध में प्रयुक्त कर सकते थे, लेकिन प्रकाश प्रसारित होता रहा। इसकी संभावना नहीं थी। सामान्यतः यदि दो ध्रुवीकरणकर्ताओं को समकोण पर संरेखित किया जाता है, तो प्रकाश उनके माध्यम से प्रवाहित नहीं होता है 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 सम्मिलित हुए थे, मौगुइन की टीएन संरचना में रुचि रखते थे और उन्होंने सोचा कि इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शनी बनाने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि आरसीए ने अपेक्षाकृत 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 मुख्य रूप से प्रकाशित करने की आवश्यकता होगी। 1970 में हेलफ्रिच ने आरसीए को छोड़ दिया और स्विट्ज़रलैंड में हॉफमैन-लारोचे की केंद्रीय अनुसंधान प्रयोगशालाओं में सम्मिलित हो गए थे जहां उन्होंने एक भौतिक विज्ञानी मार्टिन शादट के साथ मिलकर कार्य किया। स्कैड्ट ने इलेक्ट्रोड और पीईबीएबी (पी-एथॉक्सीबेंज़िलिडीन, पी'-एमिनोबेंज़ोनिट्राइल) नामक तरल-क्रिस्टल सामग्री के टीएन संस्करण के साथ एक प्रारूप बनाया, जिसे हेलफ्रिच ने अपने गेस्ट-होस्ट प्रयोगों के भाग के रूप में आरसीए में पूर्व अध्ययनों में रिपोर्ट किया था। जब वोल्टेज लगाया जाता है, तो पीईबीएबी स्वयं को क्षेत्र के साथ संरेखित करता है जो टीएन संरचना और ध्रुवीकरण के पुनर्निर्देशन को विभाजित करता है जिससे बैटरी अपारदर्शी हो जाता है।

पेटेंट संघर्ष

इस समय ब्राउन, बोवेरी और सी (बीबीसी) भी हॉफमैन-लारोचे के साथ एक पूर्व संयुक्त चिकित्सा अनुसंधान समझौते के भाग के रूप में उपकरणों के साथ कार्य कर रहा था। बीबीसी ने अमेरिका के एक भौतिक विज्ञानी को अपना कार्य दिखाया, जो वेस्टिंगहाउस अनुसंधान प्रयोगशाला में द्रव क्रिस्टल के विशेषज्ञ जेम्स फर्ग्यूसन से जुड़े थे और फर्गसन प्रदर्शनी के लिए टीएन-प्रभाव पर कार्य कर रहे थे, उन्होंने केंट यूनिवर्सिटी के द्रव क्रिस्टल संस्थान में सरदारी अरोड़ा और अल्फ्रेड सॉपे के साथ मिलकर किए जा रहे अनुसंधान के विकास का व्यावसायीकरण करने के लिए इलिक्सको का निर्माण किया था।

जब प्रदर्शन की जानकारी हॉफमैन-लारोचे को प्राप्त हुई तो हेलफ्रिच और शैडट ने शीघ्र एक पेटेंट के लिए दबाव डाला, जिसे 4 दिसंबर 1970 को प्रस्तुत किया गया था। उनके औपचारिक परिणाम 15 फरवरी 1971 को अनुप्रयुक्त भौतिकी पत्र में प्रकाशित किए गए थे और नए पेटेंट की व्यवहार्यता प्रदर्शित करने के लिए शाद्ट ने 1972 में 4-अंकीय प्रदर्शनी पैनल बनाया था।

फर्गासन ने 9 फरवरी 1971 या 22 अप्रैल 1971 को अमेरिका में एक समान पेटेंट प्रकाशित किया था। यह स्विस पेटेंट प्रस्तुत होने के दो महीने बाद था और इसने तीन साल के सरकारी अधिनियम के लिए एक प्लेटफॉर्म तैयार किया था जिसे न्यायालय के बाहर व्यवस्थित कर लिया गया था। अंत में सभी समुदाय को रॉयल्टी में लाखों डॉलर का लाभ प्राप्त हुआ था।

द्रव क्रिस्टल सामग्री का व्यावसायिक विकास

पीईबीएबी पानी या क्षारीय के संपर्क में आने पर नष्ट हो जाता था और संदूषण से बचने के लिए विशेष निर्माण की आवश्यकता होती थी। 1972 में जॉर्ज डब्लू. ग्रे के नेतृत्व में एक समूह ने एक नए प्रकार का सायनोबिफेनिल विकसित किया जिसे अपेक्षाकृत कम प्रतिक्रियाशील सामग्री उत्पन्न करने के लिए पीईबीएबी के साथ मिलाया जा सकता था। इन प्रतिक्रियाओ ने परिणामी द्रव को अपेक्षाकृत कम श्यान द्रव बना दिया था जिससे प्रतिक्रिया ने अधिक समय प्रदान किया गया, जबकि साथ ही उन्हें अधिक पारदर्शी बना दिया गया था जिससे शुद्ध-सफेद रंग की प्रदर्शनी का निर्माण हुआ था। इस कार्य से डार्मस्टेड और मर्क केजीएए में लुडविग पोहल, 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 भाग 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