ねじれネマチック電界効果

ねじれネマティック効果（TN効果）は、大型で薄い液晶ディスプレイの製造を実用的かつコスト競争力のあるものにした大きな技術的進歩でした。以前のフラットパネルディスプレイとは異なり、TNセルは動作に電流を流す必要がなく、バッテリーでの使用に適した低い動作電圧を使用しました。TN効果ディスプレイの導入により、ディスプレイ分野での急速な拡大につながり、ほとんどの電子機器でモノリシックLEDやCRTなどの他の一般的な技術がすぐに駆逐されました。1990年代までには、TN効果LCDはポータブル電子機器でほぼ普遍的になりましたが、それ以降、LCDの多くのアプリケーションでは、インプレーンスイッチング（IPS）や垂直配向（VA） などのTN効果の代替が採用されました。

画像情報のないモノクロ英数字ディスプレイの多くは、依然として TN LCD を使用しています。

TN ディスプレイは、他の LC ディスプレイ技術に比べて応答時間が速く、にじみが少ないという利点がありますが、色の再現性が悪く、特に垂直方向の視野角が限られています。ディスプレイに対して垂直でない角度で見ると、色がシフトし、場合によっては完全に反転します。ディスプレイを上から見ると色が白くなり、下から見ると色が薄くなります。

ねじれネマチック効果は、印加電界の作用下で、異なる整列した分子構成間で液晶分子が正確に制御されて再配列されることに基づいています。これは、わずかな電力消費と低い動作電圧で実現されます。印加電界での液晶分子の配列の基本現象はフレデリクス転移と呼ばれ、1927 年にロシアの物理学者フセヴォロド フレデリクスによって発見されました。

ねじれネマティック液晶で情報を表示するには、透明電極をフォトリソグラフィーで構造化して、時計や電卓など情報量の少ないアプリケーションで使用される7 セグメント ディスプレイなどのマトリックスまたはその他の電極パターンを形成します。この方法でパターン化する必要があるのは電極の 1 つだけで、もう 1 つは連続したままにすることができます (共通電極)。より複雑なデータやグラフィック情報を表示する必要がある場合は、電極のマトリックス配置が使用されます。このため、コンピューター モニターの LCD 画面やフラット テレビ画面などのマトリックス ディスプレイの電圧制御アドレッシングは、セグメント化された電極の場合よりも複雑です。解像度が制限されたマトリックスの場合、または大きなマトリックス パネルであっても表示がゆっくり変化する場合は、各行と列に独立した電子ドライバーがあれば、パッシブ グリッドの電極でパッシブ マトリックス アドレッシングを実装できます。高速応答が要求される高解像度マトリックス LCD (アニメーション グラフィックスやビデオなど) では、クロストーク (アドレス指定されていないピクセルの意図しないアクティブ化)なしで個々の画素のアクティブ マトリックス アドレス指定を可能にするために、ディスプレイの各画素 (ピクセル) に追加の非線形電子素子(薄膜ダイオード、TFD、または薄膜トランジスタ、TFT など) を統合する必要があります。

次の図は、「ノーマリー ホワイト」モード、つまり液晶に電界が印加されていないときに光が透過するモードで動作するツイスト ネマティック光変調器液晶ディスプレイの 1 つのピクセル (文字の一部の場合もあります) のオフ状態とオン状態を示しています。

オフ状態、つまり電場が印加されていない状態では、ネマティック液晶分子は、図の G にある 2 枚のガラス板の間でねじれた構成 (別名、らせん構造またはヘリックス) を形成します。2 枚のガラス板は、複数のスペーサーで分離され、透明電極 E ₁および E ₂でコーティングされています。電極自体は、外部電場が存在しない場合に液晶を正確に 90° ねじる配向層 (図示せず) でコーティングされています。入射光は、まず最初の偏光子P _{2によって}偏光されます。液晶のらせん構成によって光の偏光が 90° 回転するため、光は適切に偏光され、最初の偏光子に対して 90° に設定された 2 番目の偏光子 P _{1 を}通過します。光はセルを通過するため、ピクセル I は透明に見えます。

ON 状態、つまり 2 つの電極間に十分な電界が印加されると、結晶分子はその電界の方向に整列します。光の偏光角を再配向する液晶のらせん構造がなければ、偏光子 P _{2からの偏光は偏光子 P 1}によってブロックされるため、ピクセル I は不透明に見えます。

電流は、対応する LC セルの静電容量を充電および放電するためにのみ必要であり、これは印加電圧が変化した場合にのみ発生します。液晶層には電流が流れないため (理想的には)、電界を維持するために電流は必要ありません。したがって、LCD に必要な電力は非常に少なくなります。

しかし、オン状態中に電界を一方向にのみ長時間維持すると（またはAC電圧に50 mVほどのDC成分がある場合）、電気化学反応が発生し、セルの寿命が短くなる可能性があるため、「AC動作」用の交流電圧を使用してオン状態中に電界の方向を定期的に反転させる必要がある場合があります。^{[1] [2]}

不透明度の量は電圧を変えることで制御できます。液晶の混合物によって決まる閾値電圧以下では、視覚的な変化は起こりません。閾値に近い電圧では、一部の結晶のみが再配列するため、セルはほぼ透明ですが、かろうじて見えます。電圧が増加すると、より多くの結晶が再配列し、セルが最大の不透明度に達します。1972年にはすでに、閾値電圧がわずか0.9 V rmsの混合物が開発され、1.4 V rmsで最大不透明度の90%に達しました。^[3]

1962 年、 RCA研究所で物理化学を研究していたリチャード・ウィリアムズは、真空管を使わないディスプレイ技術を生み出す可能性のある新しい物理現象の探求を始めました。ネマティック液晶に関する研究が長く続いていることを知ったウィリアムズは、融点が 115 °C (239 °F) の化合物p-アゾキシアニソールの実験を開始しました。ウィリアムズは、加熱された顕微鏡ステージで実験を行い、125 °C (257 °F) に保たれたガラス板上の透明な酸化スズ電極の間にサンプルを置きました。彼は、スタック全体に非常に強い電界をかけると縞模様が形成されることを発見しました。これらは後に「ウィリアムズ ドメイン」と名付けられました。^[4]必要な電界は約 1,000 ボルト/センチメートルで、実用的なデバイスには高すぎました。開発には時間がかかると悟ったウィリアムズは、物理学者のジョージ・ハイルマイヤーに研究を任せ、他の研究に移りました。

1964年、RCAのジョージ・H・ハイルマイヤーは、ルイス・ザノーニ、化学者のルシアン・バートンとともに、電流を流すことで、特定の液晶を透明状態と散乱の激しい不透明状態の間で切り替えられることを発見した。散乱は主に前方、つまり結晶内へのもので、光源に向かう後方散乱とは対照的であった。結晶の反対側に反射板を置くことで、入射光を電気的にオンまたはオフにすることができ、ハイルマイヤーが動的散乱と名付けた現象が生まれた。1965年、有機化学者のジョセフ・カステラーノとジョエル・ゴールドマッハーは、室温で液体状態を維持する結晶を求めた。6か月以内に彼らはいくつかの候補を見つけ、さらに開発を進め、RCAは1968年に最初の液晶ディスプレイを発表することができた。^[4]

動的散乱ディスプレイは成功したものの、デバイスに一定の電流を流す必要があり、比較的高い電圧も必要でした。そのため、この種のディスプレイの多くが使用されている低電力環境では、魅力的ではありませんでした。また、LCD は自己発光ではないため、低照度環境で使用する場合は外部照明が必要であり、既存のディスプレイ技術は全体的な電力面でさらに魅力的ではありませんでした。さらに、視野角を制限するミラーが必要であるという制限もありました。RCA チームはこれらの制限を認識し、さまざまな技術の開発を続けました。

これらの潜在的な効果の1つは、1964年にハイルマイヤーによって発見されました。彼は有機染料を液晶に付着させ、外部磁場によって整列させても染料が所定の位置に留まるようにしました。ある整列から別の整列に切り替えると、染料が見えたり隠れたりし、ゲストホスト効果と呼ばれる2つの色の状態が生じます。このアプローチの研究は、動的散乱効果がうまく実証された時点で中止されました。^[4]

もう一つの可能​​性のあるアプローチは、1911年にフランスの物理学者シャルル・ヴィクトール・モーガンによって初めて注目されたねじれネマティックアプローチでした。モーガンはさまざまな半固体液晶の実験をしていたとき、紙を引っ張って結晶を整列させ、結晶を偏光させることができることに気づきました。後に彼は、結晶を2つの整列した偏光子の間に挟むと、それらを互いにねじることができることに気づきましたが、光は透過し続けました。これは予想外でした。通常、2つの偏光子が直角に整列している場合、光はそれらを通過しません。モーガンは、光は結晶自体のねじれによって再偏光されていると結論付けました。^[4]

1967年にRCAに入社した物理学者のヴォルフガング・ヘルフリッヒは、モーガンのねじれ構造に興味を持ち、電子ディスプレイの作成に使用できると考えた。しかしRCAは、2つの偏光子を使用する効果は大量の光吸収を伴うため、明るく照らされる必要があると感じたため、ほとんど関心を示さなかった。1970年にヘルフリッヒはRCAを離れ、スイスのホフマン・ラ・ロシュ中央研究所に加わり、固体物理学者のマーティン・シャットとチームを組んだ。シャットは、ヘルフリッヒがRCAでの以前の研究で報告していたPEBAB（p-エトキシベンジリデン-p'-アミノベンゾニトリル）と呼ばれる液晶材料のねじれバージョンと電極を備えたサンプルを、ゲストホスト実験の一環として作成した。^[4]電圧が印加されると、PEBABは電界に沿って整列し、ねじれ構造と分極の方向転換を破壊し、セルを不透明にします。

当時、ブラウン・ボベリ社（BBC）もホフマン・ラロシュ社との共同医療研究契約の一環としてこの装置に取り組んでいた。^{[5] BBCは、ウェスティングハウス研究所の液晶専門家}ジェームズ・ファーガソンと関係のある米国の物理学者にその研究成果を披露した。ファーガソンはディスプレイのTN効果に取り組んでおり、ケント州立大学液晶研究所のサルダリ・アローラとアルフレッド・ソープと共同で行っている研究の成果を商業化するためにILIXCOを設立していた。^[6]

このデモンストレーションの知らせがホフマン・ラロッシュ社に届くと、ヘルフリッヒとシャットはすぐに特許取得を要求し、1970年12月4日に特許を申請した。彼らの正式な結果は1971年2月15日にApplied Physics Letters誌に掲載された。ディスプレイにおけるこの新しい効果の実現可能性を実証するため、シャットは1972年に4桁のディスプレイパネルを製作した。^[4]

^{ファーガソンは、1971年2月9日[4]}または1971年4月22日^[6]に米国で同様の特許を公開しました。これはスイスの特許が申請されてから2か月後のことで、法廷外で和解した3年間の法廷闘争のきっかけとなりました。最終的に、すべての当事者は、数百万ドルにも上るロイヤリティの一部を受け取りました。

PEBABは水やアルカリにさらされると分解するため、汚染を避けるために特別な製造が必要でした。1972年、ジョージ・W・グレイ率いるチームは、PEBABと混合して反応性の低い材料を生成できる新しいタイプのシアノビフェニルを開発しました。 ^[7]これらの添加剤により、結果として得られる液体の粘性も低下し、応答時間が短縮されると同時に、透明度も高まり、純白のカラーディスプレイが生成されました。

この研究は、ダルムシュタットのメルク社のルートヴィヒ・ポール、ルドルフ・アイデンシンク、および同僚による、シアノフェニルシクロヘキサンと呼ばれる全く異なる種類のネマチック結晶の発見につながった。この物質はすぐにほぼすべてのLCDの基礎となり、現在でもメルク社の事業の主要部分を占めている。^[8]

• ディスプレイ技術の歴史

• ジョセフ A. カステラーノ: 液体の金 - 液晶ディスプレイと産業の誕生の物語、ワールド サイエンティフィック パブリッシング、2005 年
• Peer Kirsch、「メルクの液晶の 100 年: 未来の歴史」、第 20 回国際液晶会議、2004 年 7 月
• David A. Dunmur および Horst Stegemeyer: 「Crystals that Flow: Classic papers from the history of liquid crystals」、Timothy J. Sluckin による翻訳および解説付き (Taylor and Francis 2004)、ISBN 0-415-25789-1、液晶の歴史ホームページ 
• ヴェルナー・ベッカー（編集者）：「商用液晶材料の 100 年」、Information Display、第 20 巻、2004 年
• Gerhard H. Buntz (特許弁護士、欧州特許弁護士、物理学者、バーゼル)、「ツイストネマティック液晶ディスプレイ (TN-LCD)、バーゼル発の発明で世界的影響を持つ」、情報第 118 号、2005 年 10 月、Internationale Treuhand AG、バーゼル、ジュネーブ、チューリッヒ発行。ドイツ語で出版
• ロルフ・ブッチャー: 「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、2005 年 6 月 20 日
• M. Schadt: 「電界効果液晶ディスプレイと材料の歴史におけるマイルストーン」、Jpn. J. Appl. Phys. 48(2009)、pp. 1–9