液晶ディスプレイの仕組みとは？LCD とは何ですか？ - 詳細な技術的説明

1. 液晶

1.1. LCDとは

物質には固体、液体、気体の3つの状態があることは誰もが知っています。これらの3つの状態は、固相、液相、気相とも呼ばれます。自然界のほとんどの物質は、温度の変化に応じて固体、液体、気体の状態を示します。水、塩、周期表のすべての元素で構成された物質などです。水分子やシリコン原子などの構成単位は、基本的に小さなボールのようなものです。温度が下がったり上昇したりすると、構成単位の配置は、その後の無秩序な配置からきちんと整然とした配置に変わります。つまり、液相から気相または固相になります。結晶では、構成単位が整然と配置されているということは、各構成単位が特定の位置にあり、流れにくく、規則的に配置されていることを意味します。その配置規則を知っていれば、構成単位から始めて、法則に従って見つけることができます。別の単位、厳密な空間的秩序。私たちが知っている固体状態、液体状態、固体状態に加えて、一部の物質は、固体状態から液体状態に変化する過程で、固体状態から液体状態に直接変化せず、中間状態を示します。見た目は濁った液体のように見える中間状態の物質。しかし、その光学的特性と特定の電気的特性は結晶に似ています。

異方性があり、複屈折特性などがある。温度が上昇するにつれて、さまざまな濁った物質は、温度が上昇するにつれて透明で均質な液体になります。逆に、そのような物質が液体から固体に変化するとき、それらは中間状態も経ます。特定の温度範囲で液体と結晶の両方を持つことができるあらゆる種類の物質は、液晶と呼ばれ、液晶相、中間相、または中間相とも呼ばれ、物質の第4の状態とも呼ばれます。

1.2. 液晶の起源

液晶は、1888年にオーストリアの植物学者F.ライニツァーによって初めて発見されました。特定の物質の融点を測定すると、特定の物質（安息香酸エステルやリポステロールのエステル）は、融解後に不透明な白濁した液体状態を経て、色鮮やかで美しい光沢を放ち、透明な液体になることがわかりました。1889年、ドイツの物理学者O.レーマンは、当時彼が設計した加熱装置を備えた偏光顕微鏡でこれらの脂質化合物を観察しました。彼は、この種の白濁した物質は、見た目は液体のように見えることを発見しました。しかし、それは異方性結晶に特有の複屈折を示します。そこでレーマンはそれを「液晶」と名付けました。これがLCDの起源です。

詳細については、こちらの記事「液晶ディスプレイはどのように発明されたのか？スクリーン表示技術の進化の歴史」をご参照ください。

1.3. LCDの種類:

科学の発展と人々の理解の向上により、液晶物質は基本的に有機化合物であることがわかりました。存在する有機化合物の200に20,000つは液晶相を示します。液晶相の出現に対する組成と物理的条件の観点から、液晶はサーモトロピック液晶とリオトロピック液晶のXNUMXつのカテゴリに分けられます。一部の有機物質を加熱して溶解すると、加熱による結晶格子の破壊により液晶が形成されます。これをサーモトロピック液晶と呼びます。つまり、前述のように、一部の物質は加熱により液晶相を出現します。同様に、一部の有機物質を特定の溶媒に入れ、溶媒が結晶格子を破壊するために形成される液晶を溶質液晶と呼びます。これは、溶液濃度の変化により現れる液晶相です。最も一般的なものは石鹸水などです。現在、ほとんどのディスプレイ材料はサーモトロピック液晶です。これまでにXNUMX万種類以上の液晶が発見されています。

数多くの液晶の中で、最も研究されている液晶は、単純な棒状の有機分子で構成された単位液晶であり、ディスプレイ技術で最も広く使用されています。あらゆる種類の分子は通常、図（1）に示す構造を持っています。分子の硬いコアは、中央の1つのベンゼン環と官能基で構成され、コアの両端にはより柔らかいアルキル基またはその他のより柔らかい有機分子鎖があります。図（XNUMX）に示すように、溶融鎖にエポキシ樹脂構造があるため、分子はキラル分子になります。

液晶分子の異なる配列に応じて、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶の 3 つのカテゴリに分類できます。

図1）

1.3.1 ネマティック液晶:

ネマティック液晶の分子種の重心は無秩序で混沌としており、通常の液体のように流動することができるが、分子棒のディレクターは図（2）に示すようにほぼ同じである。

1.3.2 コレステリック液晶:

コレステリック液晶では、分子の重心の配置は無秩序であるが、分子の配向は

ベクトルは平面上でほぼ一方向を指します。この平面に垂直な方向を指します。分子の方向子は回転して、図(3)に示すようにらせん構造を形成します。

1.3.3 スメクティック液晶:

スメクチック液晶では、分子が層状の構造を形成します。分子層の厚さは分子4個分の長さ程度です。分子は分子層の平面に対して垂直に配列され、分子の重心は分子層内で無秩序になっており、層状のXNUMX次元流体を形成します。図(XNUMX)に示すように

図(2)(3)(4)

まとめると、液晶は上記の3つのカテゴリに大まかに分類できます。さまざまな種類の液晶は、構造が異なるため、物理的特性が異なります。室温を超えると、液晶材料の特殊な安定温度範囲が熱トロピック異方性を持つためです。このタイプの液晶だけがディスプレイ材料として使用できます。結晶構造が非常に強いため、電場、磁場、温度ストレス、吸着不純物などの外部の影響に簡単に影響されます。そのため、光学特性が変化しやすいです。液晶のこの弱い分子配列は、今日、液晶が幅広い市場を持つための重要な条件です。

2. 液晶モニター

液晶は固定された双極子モーメントを持っているため、電界を加えると液晶分子の軸が移動し、液晶分子の配列が変化します。これにより、光学特性が変化し、表示効果が得られます。これが、ディスプレイとしての液晶の基本原理です。

2.1. LCDディスプレイとは

液晶のさまざまな電気光学効果を利用して、電界、磁界、光、温度などの境界条件の変化を、特定の条件下で視覚信号に変換できます。これを液晶ディスプレイと呼び、通常はLCDで表されます。液晶は、1968年XNUMX月に米国のRCAコーポレーションによってディスプレイの製造に初めて使用され、時計、電卓、計器、ラップトップ、携帯電話、ポケベル、電子ペット、ポケットカラーテレビ、大型フラットパネルディスプレイ、プロジェクションテレビなど、家庭、産業、軍事のディスプレイ分野で広く使用されています。

2.2. 液晶ディスプレイの利点と欠点:

情報表示技術は、情報化社会化の発展とともにますます重要になってきており、液晶ディスプレイは他のディスプレイに比べて多くの利点があります。フラットディスプレイ、小型、軽量、持ち運びが簡単、低消費電力、低駆動電圧、長寿命、一般的に 50,000 時間以上、有害な光線を含まず、人体に無害、パッシブディスプレイ、強い光で洗い流されにくい、駆動が容易、大規模集積回路で直接駆動可能、構造が単純、複雑な機械部品なし、建設コストが低いなどです。

液晶ディスプレイの幅広い応用に伴い、次のような欠点も見つかります。受動部品であり、発光しないため、暗闇で見えるようにするには他の光源に頼る必要があります。視野角が限られています。応答速度 (30ms-120ms) は他の部品ほど良くありません。寿命が半永久的な部品にはなれていません。

3. LCDの分類

3.1 液晶ディスプレイには多くの種類があり、表示方法によって透過型と反射型の直視型と投影型に分けられます。

3.1.1 透過型 LCD の北側には蛍光灯、発光電極などの光源が装備されており、周囲光が暗い場所でも使用できます。

3.1.2 反射型は、LCD の背面のガラス基板の外側に貼り付けられたアルミ箔光反射シートの一種で、LCD の入射光を反射して表示します。TN モードと STN モードでは、背面のガラス基板に偏光板とシワ状の反射板が貼り付けられています。この反射型は、非発光 LCD の低消費電力を最大限に活用しています。

3.2 光電効果によって生成される LCD は、TN-LCD、STN-LCD、HTN-LCD、FSTN-LCD、TFT-LCD に大別されます。

 3.2.1 TN-LCDはねじれネマティック液晶ディスプレイです。液晶分子は基本的に基板の配列と平行ですが、上下の液晶分子の向きがねじれており、全体のねじれは900です。TN-LCDは最も古く、最も広く使用され、最大かつ最も安価なディスプレイです。TN-LCDの製造プロセスは基本的に成熟しており、現在は主にシンガポール、台湾、中国本土などの地域で生産されています。現在、中国はTN-LCDの主な生産拠点です。電子時計、電卓、ゲーム機などでよく見られるLCDは、ほとんどがTN-LCDです。

3.2.2 STN-LCDはSuper Twist Liquid Crystal Displayの略称で、スーパーツイストネマティックLCDです。構造はTN-LCDに似ていますが、違いはツイスト角が90°ではなく、180〜270°の間であることです。ツイスト角だけですが、動作原理はTN-LCDとはまったく異なります。STN-LCDは、現在のLCD生産における中間レベルの製品です。TN-LCDよりも多くの情報を表示できるという特徴があり、主に各種計器、中華ディスプレイ機器、メモ帳、ノートパソコンなどに使用されています。STN-LCDの製造プロセスは基本的に成熟していますが、主な技術は日本や韓国など一部の国が担っています。中国にはXNUMX社以上のSTN-LCD製造会社があります。

3.2.3 HTN-LCD は、Hight Twist Nematic Liquid Crystal Display の略称です。つまり、高度にねじれたネマティック液晶ディスプレイです。HTN-LCD は、TN-LCD や STN-LCD と構造が似ています。HTN-LCD のねじれ角は 100°～120° で、TN-LCD と STN-LCD の中間です。現在 HTN-LCD は多くなく、その性能は TN-LCD と STN-LCD の中間です。

3.2.4 FSTN-LCD は、Film Super Twist Nematic Liquid Crystal Display の略です。これは、補償フィルムまたは位相差フィルムを指すため、FSTN-LCD は補償フィルムスーパーツイストネマティック液晶ディスプレイと呼ばれます。STN-LCD の欠点は、特別に処理された補償フィルムによって克服できます。

3.2.5 TFT-LCDは薄膜トランジスターを使用したアクティブマトリックスLCDで、現在のLCD市場における最高級の製品です。主にノートパソコンや液晶テレビなどに使用されています。TFT-LCDの製造工程は比較的複雑で、価格も比較的高いです。現在、日本と韓国はTFT-LCDの生産において世界で比較的成熟した国です。我が国では、吉林省だけがTFT-LCD生産ラインへの投資を計画しています。

4. LCD の構造、動作原理、主な技術指標（TN-LCD を例に挙げます）。

4.1 LCDの構造  

① 偏光子、② 基板ガラス、③ SIO2 バリア層、④ 電極、⑤ 配向膜、⑥ 封止枠、⑦ 遷移電極、⑧ 液晶、

4.2 LCDの動作原理:

LCD の仕組みを理解するには、まず光について理解する必要があります。光は電磁波です。つまり、電磁場は波の形で伝播します。人間の目に見える光の波長範囲は、およそ 380 ナノメートルから 780 ナノメートルの間です。

通常、光は直線に沿って伝播し、光波の振動方向は光の伝播方向に対して垂直です。自然光（太陽光など）の場合、光の伝播方向に垂直な各平面では、光波の振動方向はランダムかつ均一に分布しています。

光波の振動方向が一方向に沿っている場合、そのような光を偏光と呼び、この振動方向を偏光方向と呼びます。偏光方向と光波の伝播方向によって形成される面を振動面と呼びます。

偏光子には固定された偏光軸があります。偏光子の機能は、偏光軸の方向と一致する振動方向を持つ光のみを通過させることです。偏光軸と垂直な振動方向を持つ光は偏光子に吸収されます。このように、自然光が液晶セルの入射偏光子（偏光子と呼ばれる）を通過すると、偏光子の偏光軸と同じ振動方向を持つ光だけが残ります。

つまり、直線偏光です。偏光した光は液晶セルを通過し、偏光子（検光子と呼ばれる）から出射します。このように、光が検光子を通過するかどうかは、液晶セルを通過した後の直線偏光の偏光状態に依存します。これにより、検光子を通過する光の状態を制御して表示を実現します。

具体的には、TN 型液晶セル内の液晶分子はねじれ構造を形成します。特定の条件下では、入射光の偏光は液晶分子のねじれ方向に沿って回転します。液晶分子の長軸は 90° ねじれ、90° の光学回転が生じます。XNUMX 枚のガラス板の電極に一定の電圧を印加すると、液晶分子は上下のガラス板に垂直な配列に変形し、ねじれ構造が消えて光学回転が消え、この電気光学効果はねじれ電界効果と呼ばれます。

白黒液晶ディスプレイの場合、上部偏光板と下部偏光板は直交して配置されます。つまり、偏光軸は互いに直交し、入射する自然光は偏光板を通過した後に平面偏光になります。液晶セルに電界が印加されていない場合、偏光は分子のねじれ構造に沿って 90° ねじれ、振動方向は検光子の偏光軸と一致するため、検光子をスムーズに通過でき、このときディスプレイは透明状態になります。非表示状態では、駆動回路が表示が必要な関連電極に駆動信号電圧を加えると、液晶分子のこの部分のねじれ構造が消え、光パワーが失われます。偏光板からの偏光は、そのまま検光子に直接進みます。その偏光方向は検光子の軸に垂直であるためです。偏光は検光子を通過できないため、信号電圧を通過する電極のその部分は表示状態で黒く表示されます。

4.3 LCDの主な技術指標:

4.3.1 電気光学応答特性:

液晶ディスプレイの相対的な光透過率は外部信号電圧の変化に応じて変化し、これが電気光学応答特性であり、最も重要な特性の 1 つです。

4.3.2 コントラスト:

液晶ディスプレイのコントラストは、表示状態と非表示状態の相対的な光透過率の比であり、コントラストが 5 以上のとき、画像は鮮明です。

4.3.3 視点:

LCD のコントラスト比は、視野角 (つまり、人間の目の視野角) と関係があります。コントラストが視野角によって変化する特性を視野角特性といいます。視野角特性指標。一般的に、コントラストの最小許容値は、コントラストがこの値より大きい視野角範囲を調べることで決定され、この範囲は視野角円錐と呼ばれます。たとえば、LCD のコントラスト比 = 3 視野角値の場合、上部の視野角は 10°、下部の視野角は 40°、左右の視野角は 30° です。

視野角は、視線方向と表示装置の法線との間の角度です。 視野方向（最適な視野角象限）：ツイストネマティック液晶ディスプレイには最適な視野方向があり、一般的な正面視野角（正の視野角）はこの方向の θ 角度から決定されます。

他のディスプレイと比較した LCD の欠点の 0.5 つは、視野角の範囲が狭いことです。セルの厚さと液晶の屈折率異方性の積が △n*d=XNUMX ミクロン程度であれば、デバイスの視野角特性は大幅に改善されます。ただし、製造環境はより厳しいものになります。

4.3.4 応答時間:

LCD は変化する画像を表示することがよくあります。人間の目の反応時間は数ミリ秒のオーダーです。したがって、表示される画像の変化と信号電圧の変化に対する応答は、この速度よりも遅くなってはなりません。液晶ディスプレイの動的特性を表す応答時間は通常、遅延時間、立ち上がり時間、立ち下がり時間などの 3 つの定数で表されます。

4.3.5消費電力：

消費電力はLCD作業で消費されるエネルギーで、一般的にはマイクロワット/平方センチメートルのオーダーで、低消費電力はLCDの最大の利点の1つです。LCDの消費電力は、表示領域、駆動電圧と周波数、液晶の抵抗率、誘電率、セルの厚さなどによって異なります。その中でも、液晶の正抵抗率は液晶が汚染されると急激に低下しやすいため、液晶を適切に保存することが非常に重要です。

4.3.6 温度特性:

液晶材料は特定の温度範囲内でのみ液晶状態を示し、液晶状態の温度範囲内であっても、温度の変化は液晶材料の粘度、誘電率、弾性定数などの物理的パラメータに影響を与えることが知られています。

5. LCD の製造に使用される原材料と LCD の製造プロセス。

5.1 LCD製造に使用される原材料とは、LCDが製造された後に製品に残留する原材料を指します。主に、ITOガラス液晶、偏光子、PI液、スクリーン印刷接着剤（印刷フレーム接着剤、導電性接着剤）、シーリング接着剤、Ni粉末、プラスチックガスケットなどが含まれます。一般的に、LCDの主な原材料は、液晶、ITOガラス、偏光子の2つです。LCD製造用の補助材料とは、製造プロセスで使用され、最終製品には存在しない原材料を指します。たとえば、フォトレジストとシンナー、NMP、PIシンナー、BC液、SiOXNUMXシンナー、研磨布、イソプロパノール、エタノール、アセトン、洗浄剤、酸、アルカリなどです。

5.2 上記は、LCDの使用について私たちが知っている原材料です。実際、LCD製造プロセスとLCD生産プロセスは、これらの原材料の加工と組み合わせのプロセスです。具体的なプロセスフローチャートは次のとおりです。材料の準備、洗浄と乾燥、接着、前面ベーキング、露光、現像、硬化、エッチング、フィルム除去、コーティングアライメントフィルム、事前乾燥と硬化、配向、シルクスクリーン印刷、塗布、フィッティング（組み合わせ）、硬化、切断、LCの充填、シーリング（ディスペンシングとセメント）、洗浄、小さな亀裂、洗浄、リダイレクト（ベーキング）、目視検査、電気検査、切り取りと貼り付け、最終検査、梱包、倉庫保管