El efecto nemático retorcido ( efecto TN ) fue un gran avance tecnológico que hizo que la fabricación de pantallas de cristal líquido grandes y delgadas fuera práctica y competitiva en cuanto a costos. A diferencia de las pantallas planas anteriores, las celdas TN no requerían que fluyera una corriente para funcionar y utilizaban voltajes operativos bajos adecuados para su uso con baterías. La introducción de pantallas de efecto TN condujo a su rápida expansión en el campo de las pantallas, desplazando rápidamente a otras tecnologías comunes como los LED monolíticos y los CRT para la mayoría de los dispositivos electrónicos. En la década de 1990, las pantallas LCD de efecto TN eran en gran medida universales en la electrónica portátil, aunque desde entonces, muchas aplicaciones de las pantallas LCD adoptaron alternativas al efecto TN, como la conmutación en el plano (IPS) o la alineación vertical (VA).
Muchas pantallas alfanuméricas monocromáticas sin información de imagen todavía utilizan LCD TN.
Las pantallas TN se benefician de tiempos de respuesta rápidos y menos manchas que otras tecnologías de pantallas LC, pero sufren de una reproducción deficiente del color y ángulos de visión limitados, especialmente en la dirección vertical. Los colores cambiarán, potencialmente hasta el punto de invertirse por completo, cuando se miren desde un ángulo que no sea perpendicular a la pantalla. Ver la pantalla desde arriba blanquea los colores y verlos desde abajo los atenúa.
El efecto nemático torcido se basa en la realineación controlada con precisión de las moléculas de cristal líquido entre diferentes configuraciones moleculares ordenadas bajo la acción de un campo eléctrico aplicado. Esto se logra con un consumo de energía reducido y con voltajes de operación bajos. El fenómeno subyacente de la alineación de las moléculas de cristal líquido en el campo aplicado se llama transición de Fréedericksz y fue descubierto por el físico ruso Vsevolod Frederiks en 1927.
Para mostrar información con un cristal líquido nemático trenzado, los electrodos transparentes se estructuran mediante fotolitografía para formar una matriz u otro patrón de electrodos, como la pantalla de siete segmentos utilizada en aplicaciones con bajo contenido de información, como relojes o calculadoras . Solo uno de los electrodos tiene que estar diseñado de esta manera, el otro puede permanecer continuo ( electrodo común ). Si se deben mostrar datos o información gráfica más compleja, se utiliza una disposición matricial de electrodos. Debido a esto, el direccionamiento controlado por voltaje de las pantallas matriciales , como en las pantallas LCD para monitores de computadora o pantallas de televisión planas , es más complejo que con electrodos segmentados. Para una matriz de resolución limitada o para una pantalla que cambia lentamente en un panel de matriz incluso grande, una cuadrícula pasiva de electrodos es suficiente para implementar el direccionamiento matricial pasivo , siempre que haya controladores electrónicos independientes para cada fila y columna. Una matriz LCD de alta resolución con la respuesta rápida requerida (por ejemplo, para gráficos animados y/o video) requiere la integración de elementos electrónicos no lineales adicionales en cada elemento de imagen ( píxel ) de la pantalla (por ejemplo, diodos de película delgada, TFD, o transistores de película delgada , TFT) para permitir el direccionamiento matricial activo de elementos de imagen individuales sin diafonía (activación no intencionada de píxeles no direccionados).
Las siguientes ilustraciones muestran los estados de APAGADO y ENCENDIDO de un solo píxel (que podría ser un segmento de un carácter) de una pantalla de cristal líquido con modulador de luz nemático trenzado que funciona en el modo "normalmente blanco", es decir, un modo en el que la luz se transmite cuando no se aplica ningún campo eléctrico al cristal líquido:
En el estado OFF (apagado), es decir, cuando no se aplica ningún campo eléctrico, las moléculas de cristal líquido nemático forman una configuración retorcida (también conocida como estructura helicoidal o hélice) entre las dos placas de vidrio, G en la figura, que están separadas por varios espaciadores y recubiertas con electrodos transparentes, E 1 y E 2 . Los electrodos mismos están recubiertos con capas de alineación (no se muestran) que tuercen con precisión el cristal líquido 90° cuando no hay ningún campo externo presente. La luz entrante es polarizada primero por el primer polarizador , P 2 . La configuración helicoidal del cristal líquido gira la polarización de la luz 90°, por lo que la luz estará correctamente polarizada para pasar a través del segundo polarizador, P 1 , configurado a 90° con respecto al primero. Debido a que la luz pasa a través de la celda, el píxel, I, parece transparente.
En el estado ON, es decir, cuando se aplica un campo eléctrico suficiente entre los dos electrodos, las moléculas de cristal se alinean en la dirección de ese campo. Sin la configuración helicoidal del cristal líquido para reorientar el ángulo de polarización de la luz, la luz polarizada del polarizador P 2 es bloqueada por el polarizador P 1 , por lo que el píxel, I, aparece opaco.
La corriente solo es necesaria para cargar y descargar la capacitancia de la celda LC correspondiente, lo que ocurre solo cuando cambia el voltaje aplicado. No se necesita corriente para mantener el campo eléctrico, porque no fluye corriente (idealmente) a través de la capa de cristal líquido. Por lo tanto, las pantallas LCD requieren muy poca energía .
Sin embargo, puede ser necesario invertir periódicamente la dirección del campo eléctrico durante el estado ENCENDIDO mediante el uso de un voltaje alterno para la " operación de CA ", porque mantener el campo eléctrico en una sola dirección durante demasiado tiempo durante el estado ENCENDIDO (o tener un componente de CC tan pequeño como 50 mV en el voltaje de CA) puede causar reacciones electroquímicas que reducen la vida útil de la celda. [1] [2]
La cantidad de opacidad se puede controlar variando el voltaje. Por debajo de un voltaje umbral, que depende de la mezcla del cristal líquido, no se produce ningún cambio visual. A voltajes cercanos al umbral, solo algunos cristales se realinearán, por lo que la celda será mayoritariamente transparente pero apenas visible. A medida que se aumenta el voltaje, más cristales se realinearán hasta que la celda alcance su opacidad máxima. Ya en 1972, se desarrollaron mezclas con un voltaje umbral de solo 0,9 V rms y que alcanzaban el 90% de la opacidad máxima a 1,4 V rms. [3]
En 1962, Richard Williams, un químico físico que trabajaba en los laboratorios RCA , comenzó a buscar nuevos fenómenos físicos que pudieran dar lugar a una tecnología de visualización sin tubos de vacío. Consciente de la larga línea de investigación que involucraba cristales líquidos nemáticos, comenzó a experimentar con el compuesto p-azoxianisol , que tiene un punto de fusión de 115 °C (239 °F). Williams montó sus experimentos en una platina de microscopio calentada, colocando muestras entre electrodos de óxido de estaño transparentes sobre placas de vidrio mantenidas a 125 °C (257 °F). Descubrió que un campo eléctrico muy fuerte aplicado a lo largo de la pila causaría la formación de patrones de rayas. Estos se denominaron posteriormente "dominios de Williams". [4] El campo requerido era de unos 1.000 voltios por centímetro, demasiado alto para un dispositivo práctico. Al darse cuenta de que el desarrollo sería largo, encargó la investigación al físico George Heilmeier y pasó a otro trabajo.
En 1964, George H. Heilmeier de la RCA junto con Louis Zanoni y el químico Lucian Barton descubrieron que ciertos cristales líquidos podían cambiar de un estado transparente a uno opaco altamente dispersante con la aplicación de una corriente eléctrica. La dispersión se producía principalmente hacia delante, en el cristal, en lugar de retrodispersarse hacia la fuente de luz. Al colocar un reflector en el lado más alejado del cristal, la luz incidente podía encenderse o apagarse eléctricamente, creando lo que Heilmeier denominó dispersión dinámica . En 1965, Joseph Castellano y Joel Goldmacher, químicos orgánicos, buscaron cristales que permanecieran en estado fluido a temperatura ambiente. En seis meses habían encontrado varios candidatos y, con un mayor desarrollo, la RCA pudo anunciar las primeras pantallas de cristal líquido en 1968. [4]
Aunque tuvo éxito, la pantalla de dispersión dinámica requería un flujo de corriente constante a través del dispositivo, así como voltajes relativamente altos. Esto las hacía poco atractivas para situaciones de bajo consumo, donde se utilizaban muchos de estos tipos de pantallas. Al no ser autoiluminadas, las pantallas LCD también requerían iluminación externa si se iban a utilizar en situaciones de poca luz, lo que hacía que las tecnologías de pantalla existentes fueran aún más poco atractivas en términos generales de consumo de energía. Otra limitación era el requisito de un espejo, que limitaba los ángulos de visión. El equipo de RCA era consciente de estas limitaciones y continuó desarrollando una variedad de tecnologías.
Uno de estos efectos potenciales fue descubierto por Heilmeier en 1964. Fue capaz de conseguir que los colorantes orgánicos se adhirieran a los cristales líquidos y se mantuvieran en su posición cuando se los alineara mediante un campo externo. Cuando se cambiaba de una alineación a la otra, el colorante era visible o estaba oculto, lo que daba como resultado dos estados de color llamados efecto huésped-anfitrión . El trabajo sobre este enfoque se detuvo cuando se demostró con éxito el efecto de dispersión dinámica. [4]
Otro método posible era el método nemático torcido, que había sido observado por primera vez por el físico francés Charles-Victor Mauguin en 1911. Mauguin estaba experimentando con una variedad de cristales líquidos semisólidos cuando notó que podía alinear los cristales tirando de un trozo de papel a través de ellos, lo que hacía que los cristales se polarizaran. Más tarde se dio cuenta de que cuando colocaba el cristal entre dos polarizadores alineados, podía torcerlos uno con respecto al otro, pero la luz seguía transmitiéndose. Esto no era esperado. Normalmente, si dos polarizadores están alineados en ángulos rectos, la luz no fluirá a través de ellos. Mauguin concluyó que la luz se estaba repolarizando mediante la torsión del propio cristal. [4]
Wolfgang Helfrich , un físico que se unió a la RCA en 1967, se interesó en la estructura retorcida de Mauguin y pensó que podría usarse para crear una pantalla electrónica. Sin embargo, la RCA mostró poco interés porque sentían que cualquier efecto que usara dos polarizadores también tendría una gran cantidad de absorción de luz, lo que requeriría una iluminación brillante. En 1970, Helfrich dejó la RCA y se unió a los Laboratorios Centrales de Investigación de Hoffmann-LaRoche en Suiza , donde se asoció con Martin Schadt , un físico de estado sólido. Schadt construyó una muestra con electrodos y una versión retorcida de un material de cristal líquido llamado PEBAB (p-etoxibencilideno-p'-aminobenzonitrilo), que Helfrich había informado en estudios anteriores en la RCA, como parte de sus experimentos de anfitrión invitado. [4] Cuando se aplica voltaje, PEBAB se alinea a lo largo del campo, rompiendo la estructura de torsión y la redirección de la polarización, haciendo que la celda se vuelva opaca.
En ese momento, Brown, Boveri & Cie (BBC) también estaba trabajando con los dispositivos como parte de un acuerdo previo de investigación médica conjunta con Hoffmann-LaRoche. [5] La BBC mostró su trabajo a un físico de los EE. UU. que estaba asociado con James Fergason , un experto en cristales líquidos en los Laboratorios de Investigación Westinghouse. Fergason estaba trabajando en el efecto TN para pantallas, habiendo formado ILIXCO para comercializar los desarrollos de la investigación que se estaba llevando a cabo en conjunto con Sardari Arora y Alfred Saupe en el Instituto de Cristal Líquido de la Universidad Estatal de Kent. [6]
Cuando la noticia de la demostración llegó a Hoffmann-LaRoche, Helfrich y Schadt inmediatamente solicitaron una patente, que fue presentada el 4 de diciembre de 1970. Sus resultados formales fueron publicados en Applied Physics Letters el 15 de febrero de 1971. Para demostrar la viabilidad del nuevo efecto para las pantallas, Schadt fabricó un panel de visualización de 4 dígitos en 1972. [4]
Fergason publicó una patente similar en los EE. UU. el 9 de febrero de 1971 [4] o el 22 de abril de 1971 [6] . Esto ocurrió dos meses después de que se presentara la patente suiza y preparó el terreno para una confrontación legal de tres años que se resolvió extrajudicialmente. Al final, todas las partes recibieron una parte de lo que se convertiría en muchos millones de dólares en regalías.
El PEBAB se descomponía al exponerse al agua o a sustancias alcalinas, y requería una fabricación especial para evitar la contaminación. En 1972, un equipo dirigido por George W. Gray desarrolló un nuevo tipo de cianobifenilos que se podían mezclar con el PEBAB para producir materiales menos reactivos. [7] Estos aditivos también hicieron que el líquido resultante fuera menos viscoso, lo que proporcionaba tiempos de respuesta más rápidos, al mismo tiempo que lo hacían más transparente, lo que producía una pantalla de color blanco puro.
Este trabajo, a su vez, condujo al descubrimiento de una clase completamente diferente de cristales nemáticos por parte de Ludwig Pohl , Rudolf Eidenschink y sus colegas de Merck KGaA en Darmstadt, llamados cianofenilciclohexanos. Rápidamente se convirtieron en la base de casi todos los LCD y siguen siendo una parte importante del negocio de Merck en la actualidad. [8]