LCD（液晶ディスプレイ）が入ったものを毎日使っていると思います。それらは私たちの周りにあります-ラップトップコンピュータ、デジタル時計と時計、電子レンジ、CDプレーヤーと他の多くの電子機器。 LCDは、他のディスプレイ技術に比べていくつかの実際の利点を提供するため、一般的です。彼らは薄く、軽量であるよりもはるかに少ない電力を消費陰極線管例えば、（ブラウン管）。
しかし、これらのものは液晶と呼ばれていますか？ 「液晶」という名前は矛盾しているように聞こえます。私たちは水晶を水晶のような固体材料、通常は岩のように硬いと考えていますが、液体は明らかに異なります。どのような材料で2つを組み合わせることができますか？
私たちは学校で、固体、液体、気体の3つの一般的な物質の状態があることを学びました。固体は、分子が常に配向を維持し、互いに対して同じ位置にとどまるため、そのように動作します。液体中の分子は正反対です。それらは向きを変え、液体中のどこにでも移動できます。しかし、液体のようなものと固体のようなもののような奇妙な状態で存在する可能性のある物質がいくつかあります。それらがこの状態にあるとき、それらの分子は、固体中の分子のようにそれらの配向を維持する傾向がありますが、液体中の分子のように異なる位置に動き回ることもあります。これは、液晶が固体でも液体でもないことを意味します。それが彼らが一見矛盾した名前になってしまった方法です。
それで、液晶は固体や液体、あるいは何か他のもののように機能しますか？液晶は固体よりも液体の状態に近いことがわかります。適切な物質を固体から液晶に変えるにはかなりの熱が必要であり、同じ液晶を実際の液体に変えるにはもう少し熱が必要です。これは、液晶が温度に非常に敏感である理由と、それらが温度計やムードリングの製造に使用される理由を説明しています。また、ラップトップコンピュータのディスプレイが、寒い時期やビーチでの暑い日におかしな動作をする理由についても説明します。
- ネマチック相液晶
- LCDの作成
- バックライトと反射
- パッシブおよびアクティブマトリックス
- カラーLCD
ネマチック相液晶
固体や液体の種類が多いように、液晶物質もさまざまです。物質の温度と特定の性質に応じて、液晶はいくつかの異なる相のいずれかになります（以下を参照）。この記事では、ネマチック相の液晶、LCDを可能にする液晶について説明します。
液晶の特徴のひとつは、電流の影響を受けることです。ねじれネマティック（TN）と呼ばれる特定の種類のネマティック液晶は、自然にねじれています。これらの液晶に電流を流すと、電流の電圧に応じて、さまざまな程度で液晶のねじれが解かれます。LCDは、光の通過を制御するように電流に予測どおりに反応するため、これらの液晶を使用します。
ほとんどの液晶分子は棒状であり、サーモトロピックまたはリオトロピックのいずれかに大まかに分類されます。
サーモトロピック液晶は、温度または場合によっては圧力の変化に反応します。石鹸や洗剤の製造に使用されるリオトロピック液晶の反応は、それらが混合される溶媒の種類によって異なります。サーモトロピック液晶は、等方性またはネマチックのいずれかです。主な違いは、等方性液晶物質の分子は配列がランダムであるのに対し、ネマチックは明確な順序またはパターンを持っていることです。
ネマチック相における分子の配向が基づいているディレクター。ダイレクタは、磁場から微細な溝のある表面まで、何でもかまいません。ネマチック相では、液晶は、分子が相互に配向する方法によってさらに分類できます。最も一般的な配置であるSmecticは、分子の層を作成します。スメクチックCのように、各層の分子が前の層からある角度で傾斜するスメクチック相には多くのバリエーションがあります。他の一般的な相であるコレステリックとしても知られ、カイラルネマチック。この段階では、分子はある層から次の層へとわずかにねじれ、らせん状に形成されます。
強誘電性液晶（FLC）は、スメクチックCタイプの配列にキラル分子を持つ液晶物質を使用します。これらの分子のらせん状の性質により、マイクロ秒のスイッチング応答時間が可能であり、FLCは高度なディスプレイに特に適しています。表面安定化強誘電性液晶（SSFLC）は、ガラス板を使用して制御された圧力を加え、分子のスパイラルを抑制してスイッチングをさらに高速化します。
LCDの作成
LCDを構築することは、単に液晶のシートを作成することだけではありません。4つの事実の組み合わせにより、LCDが可能になります。
- 光は偏光することができます。（偏光に関するいくつかの魅力的な情報については、サングラスのしくみを参照してください！）
- 液晶は偏光を透過して変化させることができます。
- 液晶の構造は電流によって変化します。
- 電気を通すことができる透明な物質があります。
LCDは、これら4つの事実を驚くべき方法で使用するデバイスです。
LCDを作成するには、2枚の偏光ガラスを使用します。偏光膜のないガラス面には、表面に微細な溝を作る特殊なポリマーをこすりつけています。溝は偏光フィルムと同じ方向でなければなりません。次に、ネマチック液晶のコーティングをフィルターの1つに追加します。溝により、分子の最初の層がフィルターの方向に整列します。次に、偏光フィルムが付いた2番目のガラスを最初のガラスに直角に追加します。 TN分子の連続する各層は、最上層が底部に対して90度の角度になるまで徐々にねじれ、偏光ガラスフィルターと一致します。
光が最初のフィルターに当たると、偏光されます。次に、各層の分子は、受け取った光を次の層に導きます。光が液晶層を通過すると、分子は光の振動面も変化して、自身の角度に一致します。光が液晶物質の向こう側に到達すると、分子の最終層と同じ角度で振動します。最終層が2番目の偏光ガラスフィルターと一致している場合、光は通過します。
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液晶分子に電荷を加えると、ねじれが解けます。それらがまっすぐになると、それらを通過する光の角度が変化し、上部の偏光フィルターの角度と一致しなくなります。その結果、LCDのその領域を光が通過できなくなり、その領域が周囲の領域よりも暗くなります。
シンプルなLCDの構築はあなたが思っているよりも簡単です。上記のガラスと液晶のサンドイッチから始めて、それに2つの透明な電極を追加します。たとえば、1つの長方形の電極だけを備えた最も単純なLCDを作成したいとします。レイヤーは次のようになります。
この仕事をするのに必要なLCDは非常に基本的です。後ろに鏡（A）があり、反射します。次に、底面に分極膜を備えたガラス（B）を追加し、上面に酸化インジウムスズで作られた共通電極面（C）を追加します。共通の電極面がLCDの全領域をカバーします。その上に液晶物質（D）の層があります。次に、下部に長方形の形をした電極を備えた別のガラス（E）があり、上部に、最初の偏光フィルムに対して直角の別の偏光フィルム（F）があります。
電極はバッテリーのような電源に接続されています。電流が流れていないときは、LCDの前面から入る光は単にミラーに当たり、すぐに跳ね返ります。しかし、バッテリーが電極に電流を供給すると、共通平面電極と長方形の形をした電極の間の液晶がねじれを解き、その領域の光が通過するのを防ぎます。これにより、LCDに長方形が黒い領域として表示されます。
バックライトと反射
シンプルなLCDには外部光源が必要であることに注意してください。液晶材料はそれ自体の光を発しません。小型で安価なLCDは反射性であることが多く、外部光源からの光を反射する必要があるものをすべて表示することを意味します。LCDウォッチを見てください。小さな電極が液晶を帯電させ、層をほどいて、光が偏光フィルムを透過しないようにする場所に数字が表示されます。
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ほとんどのコンピューターディスプレイは、LCDの上、横、場合によっては後ろに内蔵の蛍光灯で照らされています。LCDの後ろにある白い拡散パネルは、光の向きを変えて均一に散乱させ、均一な表示を保証します。フィルタ、液晶層、電極層を通過する途中で、この光の多くが失われます-多くの場合、半分以上です！
この例では、共通の電極面と、電荷に反応する液晶を制御する単一の電極バーがありました。単一の電極を含む層を取り、さらにいくつかを追加すると、より洗練されたディスプレイの構築を開始できます。
コモンプレーンベースのLCDは、同じ情報を何度も表示する必要がある単純なディスプレイに適しています。時計と電子レンジタイマーはこのカテゴリに分類されます。前に示した六角形の棒の形状は、そのようなデバイスの電極配置の最も一般的な形式ですが、ほとんどすべての形状が可能です。いくつかの安価なハンドヘルドゲームを見てください。トランプ、エイリアン、魚、スロットマシンは、目にする電極の形のほんの一部です。
LCDの歴史
今日、LCDは私たちが見るところすべてにありますが、一夜にして発芽することはありませんでした。液晶の発見から、現在私たちが楽しんでいる多くのLCDアプリケーションに至るまでには長い時間がかかりました。液晶は、1888年にオーストリアの植物学者FriedrichReinitzerによって最初に発見されました。 Reinitzerは、好奇心旺盛なコレステロール様物質（コレステロール安息香酸塩）を溶かすと、最初は濁った液体になり、温度が上がると透明になることを観察しました。冷却すると、液体は最終的に結晶化する前に青色に変わりました。RCAの前に80年が経過しました1968年に最初の実験用LCDを製造しました。それ以来、LCDメーカーは技術の独創的なバリエーションと改良を着実に開発し、LCDを驚くべきレベルの技術的複雑さにしています。そして、私たちが今後も新しいLCDの開発を楽しみ続けるというすべての兆候があります！
パッシブおよびアクティブマトリックス
パッシブマトリックスLCDは、単純なグリッドを使用して、ディスプレイ上の特定のピクセルに電荷を供給します。グリッドの作成はかなりのプロセスです！それは基板と呼ばれる2つのガラス層から始まります。一方の基板には列が与えられ、もう一方の基板には透明な導電性材料で作られた行が与えられます。これは通常、インジウムスズ酸化物です。行または列は集積回路に接続されていますこれは、料金が特定の列または行に送信されるタイミングを制御します。液晶材料を2枚のガラス基板の間に挟み、各基板の外側に偏光膜を追加します。ピクセルをオンにするために、集積回路は一方の基板の正しい列に電荷を送り、もう一方の正しい行でグランドをアクティブにします。行と列は指定されたピクセルで交差し、それがそのピクセルで液晶をほどくための電圧を供給します。
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パッシブマトリクス方式のシンプルさが美しいですが、それは重大な欠点、特に持って遅い応答時間及び不正確な電圧制御を。応答時間とは、表示されている画像を更新するLCDの機能を指します。パッシブマトリックスLCDで遅い応答時間を観察する最も簡単な方法は、マウスポインタを画面の一方の側からもう一方の側にすばやく移動することです。ポインタの後に一連の「ゴースト」が表示されます。不正確な電圧制御は、一度に1つのピクセルのみに影響を与えるパッシブマトリックスの機能を妨げます。電圧を印加して1つのピクセルのねじれを解くと、その周囲のピクセルも部分的にねじれが解かれ、画像がぼやけてコントラストが不足しているように見えます。
アクティブマトリックスLCDは、薄膜トランジスタ（TFT）に依存しています。基本的に、TFTは小さなスイッチングトランジスタとコンデンサです。それらはガラス基板上のマトリックスに配置されます。特定のピクセルをアドレス指定するために、適切な行がオンになり、次に電荷が正しい列に送られます。列が交差する他のすべての行がオフになっているため、指定されたピクセルのコンデンサのみが電荷を受け取ります。コンデンサは、次のリフレッシュサイクルまで電荷を保持できます。また、水晶に供給される電圧の量を注意深く制御すれば、ある程度の光が通過するのに十分なだけねじれを解くことができます。
これを非常に正確で非常に小さな増分で行うことにより、LCDはグレースケールを作成できます。今日のほとんどのディスプレイは、ピクセルあたり256レベルの明るさを提供します。
カラーLCD
色を表示できるLCDには、各カラーピクセルを作成するために、赤、緑、青のカラーフィルターを備えた3つのサブピクセルが必要です。
印加電圧を注意深く制御および変化させることにより、各サブピクセルの強度は256シェードを超える可能性があります。サブピクセルを組み合わせると、以下に示すように、1680万色（赤の256色x緑の256色x青の256色）の可能なパレットが生成されます。これらのカラーディスプレイは、膨大な数のトランジスタを使用します。たとえば、一般的なラップトップコンピュータは、最大1,024x768の解像度をサポートします。 1,024列×768行×3サブピクセルを掛けると、2,359,296個のトランジスタがガラスにエッチングされます。これらのトランジスタのいずれかに問題がある場合、ディスプレイに「不良ピクセル」が作成されます。ほとんどのアクティブマトリックスディスプレイには、画面全体に散在するいくつかの不良ピクセルがあります。
LCDテクノロジーは常に進化しています。今日のLCDは、スーパーツイストネマティック（STN）、デュアルスキャンツイストネマティック（DSTN）、強誘電性液晶（FLC）、表面安定化強誘電性液晶（SSFLC）など、液晶技術のいくつかのバリエーションを採用しています。
ディスプレイのサイズは、メーカーが直面する品質管理の問題によって制限されます。簡単に言えば、ディスプレイサイズを大きくするには、メーカーはピクセルとトランジスタを追加する必要があります。ピクセルとトランジスタの数が増えると、ディスプレイに不良トランジスタが含まれる可能性も高くなります。既存の大型LCDの製造業者は、組立ラインから外れるパネルの約40％を拒否することがよくあります。良いLCDの販売は良いものと悪いものの両方の製造コストをカバーしなければならないので、拒絶のレベルはLCDの価格に直接影響します。製造の進歩だけが、より大きなサイズの手頃な価格のディスプレイにつながる可能性があります。
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