День рождения жидкокристаллического дисплея невозможно отметить. У него нет одного автора и одной даты. Но у этой технологии есть своя история открытия, свои изобретатели и своя логика развития. Как она начиналась? И почему без жидких кристаллов сегодня невозможно представить ни смартфон, ни телевизор, ни даже больницу?
История открытия
В 1888 году австрийский ботаник Фридрих Рейнитцер изучал холестерин в растениях. Он нагревал вещество и заметил странность. При 145,5°C кристаллы помутнели и потекли, как густой мёд. При 178,5°C они превратились в обычную прозрачную жидкость. Рейнитцер написал физику Отто Леманну: «Похоже, я получил вещество, которое течёт, но остаётся кристаллом». Леманн повторил опыт и подтвердил. Так было открыто четвёртое агрегатное состояние вещества. Его назвали жидкими кристаллами.
Что это такое?
Обычная жидкость, например вода, – это хаос, молекулы носятся в разные стороны. Твёрдый кристалл, например алмаз – это строгий порядок: каждый атом застыл на своём месте. Жидкий кристалл – это нечто среднее. Его молекулы текут как в жидкости, но при этом они сохраняют общую направленность, как стрелки компаса, повёрнутые на север.
Такие вещества называют нематическими жидкими кристаллами. Они используются во всех современных экранах. Их важное свойство: упругость и поэтому молекулы легко меняют ориентацию под действием слабого электрического поля. Этим свойством и воспользовались создатели дисплеев.
Как работает экран
Свет – это волна, колеблющаяся во всех направлениях. Поляроид — это плёнка, которая пропускает только волны, которые колеблются в одной плоскости. Представьте забор с горизонтальными щелями, сквозь который пролезут только те доски, которые повёрнуты плашмя.
Внутри ЖК-экрана находятся две стеклянные пластины с нанесенными на них микроскопическими канавками. Эти канавки на верхней пластине идут слева направо, а на нижней – сверху вниз. Между пластинами находится слой жидких кристаллов. Молекулы цепляются за канавки и выстраиваются в спираль, которая похожа на винтовую лестницу.
Когда свет проходит через такую спираль, плоскость его колебаний поворачивается на 90 градусов. Сзади экрана горит лампа: Сначала свет падает на поляроид, который пропускает только вертикальные волны, а затем спираль из кристаллов поворачивает их в горизонтальные. На выходе стоит второй поляроид, настроенный на горизонтальные волны. Свет проходит сквозь него и мы видим белую точку.
Когда на кристаллы подают напряжение, спираль выпрямляется и свет больше не поворачивается. Вертикальные волны упираются во второй поляроид и гаснут. Пиксель становится чёрным. Если подать не полное напряжение, а половинное, спираль закрутится лишь наполовину и через второй фильтр пройдёт ровно половина света: так получаются оттенки серого.
Чтобы получить цвет, перед каждым пикселем размещают три светофильтра: красный, зелёный и синий. Смешивая эти три цвета в разных пропорциях, можно воспроизвести любой оттенок.
У ЖК-экранов есть две главные проблемы.
Первая проблема связана с углом обзора. Если смотреть на экран строго спереди, картинка хорошая, но стоит отклониться в сторону, лучи света начинают проходить сквозь кристаллы наискосок и они не успевают повернуться как следует из-за чего цвета выцветают и например, чёрный становится фиолетовым. Производители часто указывают на коробках «угол 170 градусов». На практике при таком отклонении контрастность падает очень сильно.
Вторая проблема – время отклика: жидкие кристаллы остаются жидкостью, у них есть вязкость и поэтому им нужно время, чтобы развернуться. В динамичных играх пиксели не успевают за движением и за быстрыми объектами остаются смазанные следы. Физический предел скорости диктует вязкость жидкости, а быстрее, чем течёт густой сироп, молекулы поворачиваться не могут.
Как используются жидкие кристаллы сегодня
В 1970-х годах жидкие кристаллы появились в калькуляторах и наручных часах: они потребляли мало энергии и были плоскими.
Сегодня сфера их применения гораздо шире. Например, в медицине есть такой метод диагностики, при котором врач наносит на тело пациента тонкую плёнку с жидкими кристаллами, меняющими цвет в зависимости от температуры, называется жидкокристаллической термографией. Этот способ позволяет выявлять воспалительные процессы, опухоли и другие патологические состояния без использования скальпеля и облучения.
Или же в авиации жидкие кристаллы используют для обнаружения поломок: Поверхность модели крыла покрывают тонкой термоиндикаторной плёнкой,после модель нагревают до определённой температуры внешним источником тепла. Различные элементы поверхности охлаждаются с разной скоростью, и тогда по времени картины распределения температуры можно судить о структуре слоя и выявлять дефекты, например микротрещины.
Благодаря принципу работы жидких кристаллов в 1996 году была разработана технология IPS. Даже в наше время эта технология остается эталоном цветопередачи для профессиональных дизайнеров и фотографов. Современные QLED-телевизоры Samsung – это те же жидкие кристаллы, но с дополнительным слоем квантовых точек, которые делают цвета ярче и чище.
Кстати, по этому же принципу работали первые электронные игрушки наших родителей, например тетрис, тамагочи, или легенда наших бабушек – «Электроника ИМ-02», которую называли просто: «Ну,погоди!»
Жидкокристаллический дисплей не светится сам, он не гудит, как старый кинескоп – это тихий слой внутри смартфона, который миллиарды раз в секунду меняет свою структуру по команде электричества. Он прямой потомок того самого мутного осадка в пробирке Рейнитцера.
Фотографии: dzen.ru и из личного архива автора