Tekuté krystaly - LCD

(Liquid Crystal - tekuté krystaly)
(Liquid Crystal Display - displej tekutých krystalů)

Co jsou to tekuté krystaly?
Většina látek existuje ve třech skupenstvích - pevném, kapalném a plynném. Rozdíly mezi těmito stavymateriálu jsou ve vnitřním uspořádání, které je závislé na teplotě a tlaku.

Při nízkých teplotách, kdy je materiál ve pevném stavu, se atomy, ionty nebo molekuly nemohou volně pohybovat. Jejich jediné pohyby jsou teplotní vibrace kolem rovnovážné polohy.

Pokud se teplota zvýší, dostane se do systému více energie, což vede k silnějším vibracím.
Nakonec při teplotě mezi pevným a kapalným stavem se vazby natolik uvolní, že dojde k volnému pohybu molekul, které do sebe vzájemně narážejí a mění směr pohybu. Tepelná energie ale zatím není tak vysoká aby stačila k překonání vazeb a proto ještě existuje polohové uspořádání.

Při dalším zvýšení teploty se vazby mezi molekulami překonají a látka přechází do plynného skupenství.
Některé organické látky se ale vyskytují ve více skupenstvích než jen v pevném a kapalném. Tyto látky se označují jako kapalné krystaly a jejich molekulám se často říká mesogeny. Jejich odlišné fáze mezi pevným a kapalným stavem jsou kapalné krystalické fáze (liquid crystaline phases), nebo také mesofáze (mesophases). Molekuly těchto látek jsou většinou dlouhé a úzké. Kapalná krystalická fáze má některé vlastnosti kapalné i pevné fáze. Je tekutá jako kapalina, ale má optické a elektromagnetické vlastnosti jako pevná látka.
Velmi významnou vlastností tekutých krystalů je, že orientované uspořádání jejich molekul způsobuje mnoho zajímavých optických jevů. Dochází ke změně polarizace světla, které jimi prochází, v závislosti na poloze molekul materiálu. Další významná vlastnost je chování v elektrickém poli. Molekuly jsou neutrální. Nicméně velikost el. náboje v jednotlivých částech molekuly se může velmi lišit. Pokud má jedna část molekuly kladný náboj a druhá část záporný (což je většina), pak se molekula stává dipólem. V elektrickém poli má dipól snahu otočit se v jeho směru. Obou těchto efektů se využívá právě v LCD.
Rozdělení kapalných krystalů
Při rozdělení kapalných krystalů rozlišujeme 2 základní druhy:
s NEMATICKÝM uspořádáním a se SMEKTICKÝM uspořádáním.

DISPLEJE
Nejobvyklejší aplikace technologie LCD je v displejích.
LCD s skládá z těchto částí:

První vrstva - skleněná destička - je pokryta tenkou vrstvou metal oxidu, který působí jako elektroda. Tento film je uspořádán do sloupců a řad (displej s pasivní maticí) a nebo do individuálních obrazců (displej s aktivní maticí). Elektrody jsou použity k nastavení napětí mezi částmi, které chceme zviditelnit.
Následuje polymerová zarovnávací vrstva (obvykle polyamid). Tato vrstva prochází procesem škrábání, který v ní zanechá série rovnoběžných drážek. Tyto drážky pomáhají zarovnávat molekuly LC do správného směru a aby se tak zajistil efekt TN.
Jsou připraveny 2 stejné destičky a jedna z nich je z vnitřní strany pokryta distanční vrstvou kuliček polymeru. Tato vrstva zajišťuje konstantní mezeru mezi destičkami, kam bude umístěn kapalný krystal.
Obě destičky jsou spojeny a jejich hrany se slepí epoxidem. Roh je ponechán otevřený aby mezi ně mohl být ve vakuu injektován LC. Jakmile je displej naplněný tekutými krystaly, roh se zalepí a na povrch skel se nanesou polarizační vrstvy v odpovídajícím směru.
Ve Twisted Nematic displeji jsou rýhy v zarovnávacích vrstvách na sebe navzájem kolmé a polarizéry jsou s nimi rovnoběžné. U Super Twisted Nematic jsou zarovnávací vrstvy umístěny v závislosti na nastavení úhlu twistu od 180° do 270°.
Displej je dokončen připojením vývodů, kterými se přivádí napětí do určených částí displeje.
Reflexní LCD

K osvícení displeje je použito okolní světlo. Za zadním polarizérem je umístěna reflexní vrstva, která světlo odráží. Bez přítomnosti vnějšího osvětlení není viditelný. (Při odpojeném napětí světlo prochází, odrazí se od reflexní vrstvy a místo se jeví jako bílé, případně podle barvy reflexní vrstvy.)
Transmisivní (propustný) LCD

Tento displej má průhledný zadní polarizér a neodráží okolní světlo. Aby byl viditelný, musí být podsvícen. To znamená, že tyto displeje jsou nejlépe čitelné ve tmě, narozdíl od předchozího typu.
Transreflexní LCD

Je kombinací obou předchozích typů, má částečně reflexivní zadní polarizér. Podsvícení se používá pouze když není dostatečné okolní světlo, aby se ušetřila energie.
Podsvícení displejů
Používají se 3 druhy podsvícení displejů: EL - Electroluminiscent. Je to velmi tenká destička vydávající světlo. Je dostupná v různých barvách. Spotřeba energie je nízká, ale vyžaduje střídavé napětí 80 - 100 V. Navíc její životnost je více než 10x nižší než LED. (3000 - 5000 hodin) LED - Light Emitting Diode. Jejich výhody jsou dlouhá životnost a nevyžadují vysoké napětí. nevýhodou je vysoká spotřeba energie oproti EL. CFL - Cold Cathode Fluorescent Lamp (Fluorescenční lampa se studenou katodou). Má nízkou spotřebu energie a vydává jasné bílé světlo. napájecí napětí je 270 - 300 V střídavých. Používají se v grafických LCD a mají delší životnost než EL - 10 000 - 15 000 hodin.

Barevné displeje

Jejich konstrukce je téměř stejná jako u jednobarevných displejů. Každý bod displeje obsahuje červený, zelený a modrý filtr, které jsou umístěny na horní skleněné destičce vedle sebe. Barevný displej VYŽADUJE podsvícení. Propouštěním světla do barevných filtrů a jeho smícháním dostaneme výslednou barvu.
Toto je tzv. TFT LCD. Je řízen zapínáním prvku známého pod názvem thin-film transistor, který je umístěn v každém pixelu.

Papírový LCD není fikce
Vývojáři v Royal Philips Electronics nalezli způsob, jak nanést aktivní LCD displej na téměř jakýkoliv povrch. Výsledek je odolný a pružný, takže obrazovce třeba na kusu látky, kterou po skončení práce zmuchláte do kapsy, (skoro) nic nebrání. Podstatou objevu je směs tekutých krystalů a polymeru. Poté je směs ozářena dávkami ultrafialového záření, čímž se tekuté krystaly vyrovnají po vzoru včelí plástve a polymer se přes ně sleje v průhlednou krycí vrstvu. Tekuté krystaly jsou pak aktivovány stejným způsobem jako u dnešních LCD displejů.
Systém by měl podle výzkumníků umožnit nejen výrobu displejů se zcela novými vlastnostmi, které by bylo možné nanášet na téměř jakýkoliv materiál - od tkaniny až po kámen. Uvažovanou variantou jsou malé aplikační přístroje, které vám během okamžiku umožní vykouzlit obrazovku libovolné velikosti třeba na domovní zdi.(Také už se těšíte na všehoschopné grafiťáky - s miniaturním mikročipem řízenými poselstvími se asi roztrhne pytel :-)

Slovníček pojmů

Anoda – Vysokonapěťová součást CRT monitoru, přitahující paprsky vystřelované elektronovým dělem
Aperture grille – Mřížka skládající se z tenkých drátků směřujících odshora dolů, jež zajišťuje, aby elektronový paprsek přesněji ozářil požadované místo CRT obrazovky. Monitory používající tuto technologii jsou často označovány jako trinitronové nebo diamondtronové.
BNC – Připojení monitoru, které odděluje vertikální a horizontální signály a signály červené, zelené a modré barvy. Poskytuje o něco lepší signál než D-Sub.
Bodová rozteč – Hodnoty udávaná v milimetrech, která značí vzdálenost mezi jednotlivými body CRT monitoru nebo mezi jednotlivými prvky LCD monitoru.
Čistota barev – Vyrovnaná kvalita barev po celé obrazovce.
CRT – (Cathode Ray Trube) Technologie CRT se používá v naprosté většině monitorů a televizorů.
Degauss – Způsob jak zbavit monitor nastřádaného přebytečného elektromagnetického pole.
D-Sub – 15pinový konektor, jež můžeme najít na grafické kartě monitoru.
Fosfor – Materiál nacházející se uvnitř CRT obrazovky, který se rozzáří poté, co na něj dopadne paprsek elektronů.
Konvergence – Špatný světelný bod se rozsvítí v případě, že paprsky nedopadají přímo na určené místo.
LCD – (liquid crystal display) Technologie LCD se používá ve většině plochých displejů.
Obnovovací frekvence – Měří se v hertzích a značí rychlost, kolikrát za sekundu je překreslen každý bod na obrazovce. U CRT monitorů by se měla pohybovat minimálně nad úrovní 75 Hz, u LCD panelů na úrovni 60 Hz.
Rozlišení – Rozlišení obrazovky uvádí počet bodů v horizontálním i vertikálním směru, například rozlišení 1024 x 768 bodů. CRT monitory dokáží rozlišení měnit, vždy by však mělo odpovídat velikosti obrazovky. LCD displeje pracují s pevným rozlišením.
Stínítko – Lehce zakřivený kovový plát, do nějž jsou vytvořeny otvory, pomocí kterých je paprsek usměrňován tak, aby dopadl na správné místo.
TFT – (Thin Film Transistor) TFT je LCD obrazovka s aktivní matricí. Je to v současnosti nejpoužívanější typ LCD displeje.
Vychylovací cívka – Elektromagnetická součástka vychylující elektronové paprsky uvnitř CRT monitorů.

Historie kapalných krystalů
LC byly objeveny už asi před 150 lety.
Zhruba v polovině 19. století objevili Virchow, Mettenheimer a Valentin, že nervové vlákno, které zkoumali, vytvořilo při vložení do vody tekutou substanci, která se při prohlížení s použitím polarizovaného světla chovala podivně. Oni nevěřili, že je to jiná fáze, ale přesto jsou považováni za objevitele LC. Kromě tohoto objevu byly samozřejmě i další - bylo objeveno množství materiálů, které se zajímavě chovají při teplotě okolo bodu tání a že jejich optické vlastnosti se mění v závislosti na teplotě.
Později, v roce 1877, Otto Lehmann použil polarizační mikroskop s kontrolou teploty vzorku k prozkoumání přechodů mezi fázemi různých látek. Zjistil, že jedna z látek při přechodu z tekuté do pevné fáze vytvoří jakousi mezifázi.
V roce 1888 Rakouský botanik Friedrich Reinitzer zkoumal vlastnosti organické látky založené na cholesterolu při tavení. Zjistil, že látka roztavená na 145,5°C tvoří mezifázi a kapalná je teprve při teplotě 178,5°C.
Poté byla tato fáze nazvána fáze tekutých krystalů (liquid crystal phase). Po roce 1888 začala éra výzkumu a vývoje tekutých krystalů. Vzniklo velké množství významných teoretických prací.
V roce 1922 v Paříži Georges Freidel provedl mnoho experimentů a byl první, kdo zjistil, že molekuly tekutých krystalů se orientují ve směru el. pole. Navrhl klasifikační schéma pro dělení tekutých krystalů na nematic, smectic a cholesteric, které se používá dodnes.
Potom Carl Oseen ve Švédsku pracoval na elastických vlastnostech LC. Výsledky jeho výzkumu byly využity v teorii kontinua Angličana F. C. Franka. Tato teorie je dnes jedna ze základních teorií popisu LC.
Během 2. světové války a po ní se nikdo delší dobu o LC nezajímal. Až zase po roce 1950. Byla formulována mikroskopická teorie LC a teorie kontinua pro statické a dynamické systémy. V roce 1968 vědci z RCA předvedli displej z tekutých krystalů. Zájem o LC samozřejmě okamžitě stoupl částečně díky možnostem, které LC nabízí a také díky komerčnímu zájmu o LCD. I přesto jsou ještě dnes jsou v této oblasti stále nevyřešené otázky.