Liquid crystal display

Japanese: 液晶ディスプレー - えきしょうでぃすぷれー（英語表記）liquid crystal display

An electronic device that displays numbers, letters, images, etc. by electrically changing the optical properties of liquid crystals. Abbreviated as LCD. Although it does not emit light itself, it is thin and consumes little power, so it has spread to televisions and notebook computers since it was commercialized for use in calculators and electronic watches. Furthermore, as it has become colorized, its uses have expanded widely to include video monitors, mobile phones, car navigation systems, etc.

Liquid crystals are substances that behave like crystals despite being liquid. Liquid crystals can exhibit various modes (operating forms) depending on the material. The individual molecules and atoms that make up liquid crystals are not connected like liquids, but are aligned in a certain direction like crystals, and have the property of changing the direction of their alignment when voltage is applied. Liquid crystal displays use this property by sandwiching liquid crystal between two electrodes.

[Tomonori Iwata April 17, 2015]

LCD panel structure

The liquid crystal layer of an LCD display is basically sandwiched between an alignment film and a polarizing plate, which are rotated 90 degrees from top to bottom. The liquid crystal molecules are aligned along a series of minute grooves in a fixed direction in the alignment film, so light that enters through the polarizing plate rotates 90 degrees as it passes through the gaps between the liquid crystal molecules and emerges from the polarizing plate on the opposite side. When an external voltage is applied to the liquid crystal layer, the liquid crystal molecules change their alignment to perpendicular to the polarizing plate, so the light does not rotate and is blocked by the polarizing filter.

For this reason, passive displays such as those found on calculators apply voltage to transparent electrodes in the form of patterns or number segments, polarize the incident light through the liquid crystal layer, and transmit the necessary light through a polarizing filter on the back, using the remaining reflected light to make a negative image stand out. There is also a passive type that actively uses reflected light, which has a liquid crystal layer sandwiched between a transparent electrode, a polarizing filter, and a reflector.

Active-type color LCD display panels used in color televisions, etc., consist of a substrate for wiring about 0.65 mm thick, thin-film transistor circuits, and electrode arrays for the individual red (R), green (G), and blue (B) sub-pixels that make up the pixels, a liquid crystal layer sandwiched between alignment films about 3 micrometers thick, a color filter about 0.65 mm thick, and transparent electrodes, all of which are further sandwiched between polarizing filters about 0.2 mm thick on both sides.

[Tomonori Iwata April 17, 2015]

Drive system

There are two driving methods: the simple matrix method (passive matrix method) and the active matrix method. In the case of the simple matrix method, as seen in calculators and digital clocks, liquid crystal is sandwiched between electrodes in the shape of character elements or stripes that cross each other, and a signal voltage is applied to the opposing electrodes to display a pattern using the shape of characters or dots on the electrodes. However, there is a limit to the fineness of the pixels that make up the pattern and the operating speed. For this reason, the active matrix method used in color televisions and other devices uses thin film transistors (TFTs) for the sub-pixels, and their switching action allows for high-speed, fine-grained images to be obtained.

As for liquid crystal materials, the 1990s saw the mass production and practical use of fluorine-based liquid crystal materials suitable for active modes, replacing the cyano-based twisted nematic (TN) mode that promoted the practical use of passive modes in calculators, digital clocks, word processors, etc. In 1996, high-speed low-temperature polysilicon polycrystalline (poly-Si) TFTs were developed to replace the early driving amorphous silicon thin-film transistors (a-Si TFTs), and in the 21st century, high-definition (HD) LCD TVs with 1920 x 1080 pixels and over 50 inches were commercialized.

[Tomonori Iwata April 17, 2015]

How to use light

Depending on how light is used, LCD displays can be classified into transmissive types that use a backlight, reflective types that use ambient light, and semi-transmissive types that combine both. These include direct-view types, where the light from the display device is viewed directly, and projection types, where the image is projected onto a screen and viewed from the screen.

The mainstream transmissive types are TN mode, in which the crystal arrangement of the liquid crystal molecules is twisted 90 degrees so that it is perpendicular to each other on both sides of the panel, and STN (super TN) mode, in which it is twisted more than 90 degrees. Some reflective types create bright images using a single polarizing plate method that uses MTN (mixed TN) mode, which combines optical rotation and birefringence to convert the incoming and outgoing light into circularly polarized and linearly polarized light. In addition to the transparent electrodes of the pixels, semi-transmissive types are also suitable for reflected light, with a diffuse reflective electrode with holes through which the transmitted light can pass. Projection types use reflective or transmissive liquid crystal panels as light valves that control the amount of projected light.

[Tomonori Iwata April 17, 2015]

history

The discoverer of liquid crystals was the Austrian botanist Friedrich Reinitzer (1857-1927), who discovered in 1888 that benzoic acid esters change from crystals to a viscous substance with rainbow-colored birefringence at 145.5°C, and then to a free-flowing liquid at 178.5°C. The following year, German physicist Otto Lehmann (1855-1922), who analyzed this, named the rainbow-colored substance a fluid crystal, or liquid crystal. However, it was not until a quarter of a century later, in 1912, that the structure of solid crystals itself was elucidated.

Later, a researcher at the American company RCA discovered that placing a liquid crystal material in an electric field could be used as a display. A demonstration was held at a press conference in 1968. Researchers who were interested in this succeeded in synthesizing a material that could operate over a wide range of temperatures, including room temperature, in 1969, and in 1972 it was used in a digital watch module in the United States. Japan followed suit, and the following year, in 1973, Sharp released a pocket calculator as the first full-scale mass-produced product using a passive LCD display. In the same year, a digital watch was also released. Furthermore, the simple matrix method was developed in the late 1970s, and the first LCD black-and-white television was released in 1983, and in 1984, Epson of Japan released an active matrix LCD color television. LCDs are also widely used in electronic dictionaries, digital cameras, instrument displays, car navigation systems, and mobile phones, but there are high expectations for their use in 3D displays, eyeglass displays, virtual reality displays, and electronic paper.

Panel sizes have grown from a small 30 x 35 cm model from the first generation in 1991 to a huge 288 x 313 cm model for the 10th generation in 2009. As TVs continued to get larger, their picture quality became comparable to that of color CRTs, and they quickly became popular.

[Tomonori Iwata April 17, 2015]

"Illustrated Trivia: How Liquid Crystals Work" edited by Susumu Mizuta (2002, Natsumesha) " "Beginner's Books 33: First Liquid Crystal Display Technology" by Shohei Naemura (2004, Kogyo Chosakai)

[Reference] | Flat screen television | Liquid crystal | Display device | Thin film transistor

Color LCD panel structure
©Shogakukan ">

Color LCD panel structure

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

液晶の光学的性質が電気的に変化することを利用して、数字、文字、画像などを表示する電子装置。LCDと略記する。それ自体は発光しないが、薄型で消費電力が少なくできることから、電卓、電子時計用に商品化されて以来、テレビ、ノート型パソコン向けなどに普及した。また、カラー化に伴ってビデオモニター、携帯電話、カーナビゲーション用などと広く用途を拡大している。

　液晶とは、液体でありながら結晶のふるまいをする物質をいう。液晶は、材料によって種々のモード（動作形態）を示す。液晶を構成する個々の分子や原子は、液体同様つながっていないが、結晶のように一定方向にそろって並んでいて、電圧が加わると配列の方向を変える性質がある。液晶ディスプレーは液晶を2枚の電極で挟み、この性質を利用する。

［岩田倫典　2015年4月17日］

液晶パネルの構造

液晶ディスプレーの液晶層の基本は、上下お互いに90度回転した配向膜と偏光板で挟まれている。液晶分子は配向膜の一定方向の微細な溝列に沿って並ぶので、偏光板から入った光は液晶分子のすきまを通る際に90度回転して反対側の偏光板から出てくることになる。液晶層に外部から電圧を加えると、液晶分子はその配列を偏光板に垂直に変えるので光は回転せず偏光フィルターで遮断される。

　このため、電卓などのパッシブディスプレーは、パターンや数字セグメントの形の透明電極に電圧を加え、液晶層で入射光を偏光させ、背面の偏光フィルターで必要な光を透過させることにより、残った反射光で陰像を浮き立たせる。これとは別に、反射光を積極的に利用するパッシブ型があるが、これは液晶層を透明電極と偏光フィルターと反射板で挟んだものである。

　カラーテレビなどのアクティブ型のカラー液晶ディスプレー・パネルでは、0.65ミリメートル厚程度の配線や、薄膜トランジスタ回路と画素を構成する個々の赤（R）、緑（G）、青（B）のサブ画素用の電極アレーの基板、3マイクロメートル厚程度の配向膜に挟まれた液晶層、0.65ミリメートル厚程度のカラーフィルターと透明な電極を、さらに、両面を0.2ミリメートル厚程度の偏光フィルターで挟んだ構造になる。

［岩田倫典　2015年4月17日］

駆動方式

駆動方式には、単純マトリックス方式（パッシブマトリックス方式）と、アクティブマトリックス方式がある。単純マトリックス方式の場合、電卓やデジタル時計にみられるように、文字の要素の形、またはお互いに交差した縞(しま)状の電極で液晶を挟み、対向している電極に信号電圧を加え、電極の文字等の形または点画によりパターンを表示する。しかし、パターンを構成する画素の精細さと動作速度に限界がある。このため、カラーテレビなどに用いられるアクティブマトリックス方式では、サブ画素用に薄膜トランジスタ（TFT：thin film transistor）を配し、そのスイッチング作用により高速で精細な画像が得られる。

　液晶材料も、電卓、デジタル時計、ワープロなどでパッシブ方式の実用化を推進したシアノ系のねじれネマチック（TN：twisted nematic）モードにかわって、1990年代にはアクティブ方式に適したフッソ系液晶材料の量産実用化が進んだ。1996年には初期の駆動用のアモルファスシリコン薄膜トランジスタ（a-Si TFT）にかわって高速動作の低温ポリシリコン多結晶（poly-Si）TFTも開発され、21世紀になると、画素数1920×1080の50型を超えるハイビジョン（HD：high definition）用液晶テレビも商品化されている。

［岩田倫典　2015年4月17日］

光の利用法

光の利用方法により液晶ディスプレーにはバックライトを利用する透過型、周囲の光を利用する反射型、この両者を併用する半透過型があり、これらにはディスプレー装置から得られる光で直接見る直視型と、スクリーン上に投影したものを見る投射型がある。

　透過型は液晶分子の結晶配列をパネル両面でお互いに直交するように90度ねじったTNモード、90度以上ねじったSTN（super TN）モードのものが主流である。反射型には入射光と出射光の間に、円偏光と直線偏光に変換を行う旋光性と複屈折性が交ざったMTN（mixed TN）モードを利用した一枚偏光板方式で明るい像をつくるものもある。半透過型は画素の透明電極のほかに、透過光が通る穴を開けた拡散反射電極を設け、反射光にも適応する。投射型は反射型や透過型の液晶パネルを投射光の光量を制御するライトバルブとして用いる。

［岩田倫典　2015年4月17日］

歴史

液晶の発見者はオーストリアの植物学者レーニッツァーFriedrich Reinitzer（1857―1927）で、1888年に安息香酸エステルが、145.5℃で結晶から虹(にじ)色の複屈折効果をもつ粘り気のある物質に変わり、さらに、178.5℃でさらさらした液体に変わることを発見。翌年、この解析にあたったドイツの物理学者レーマンOtto Lehmann（1855―1922）は虹色の物質を流動性結晶、液晶、と名づけた。しかし、固体結晶の構造それ自体が解明されたのはその四半世紀後の1912年である。

　さらに遅れて、液晶状態の物質を電場の中に置くとディスプレーとして使える現象がおこることをアメリカのRCA社の研究員が発見。記者発表でデモンストレーションを行ったのは1968年のことである。これに興味を抱いた研究者たちは1969年に室温を含む広い温度範囲で動作する材料の合成に成功、1972年にはアメリカでデジタルウォッチモジュールに利用された。日本もこれに続き、翌1973年（昭和48）にはシャープ社によりパッシブ型液晶ディスプレーを用いた最初の本格的量産品としてポケット電卓が発売された。同年、デジタル腕時計も発売されている。さらに、1970年代後半には単純マトリックス方式が開発され、1983年には最初の液晶白黒テレビ、1984年には日本のエプソン社がアクティブマトリックス方式の液晶カラーテレビを発売。そのほか、電子辞書、デジタルカメラ、計器用のディスプレー、カーナビゲーション、携帯電話用などに広く普及しているが、さらに、立体ディスプレー、眼鏡型ディスプレー、バーチャルリアリティ（仮想現実）ディスプレーや電子ペーパーなどへの期待は大きい。

　パネルのサイズは1991年の初代の30×35センチメートルの小型のものから、2009年には第10世代の288×313センチメートルの巨大なものまで製造ができるようになり、テレビの大型化も進み、画質もカラーブラウン管並みになって急速に普及した。

［岩田倫典　2015年4月17日］

『水田進編著『図解雑学　液晶のしくみ』（2002・ナツメ社）』▽『苗村省平著『ビギナーズブックス33　はじめての液晶ディスプレイ技術』（2004・工業調査会）』

[参照項目] | 薄型テレビ | 液晶 | ディスプレー装置 | 薄膜トランジスタ

カラー液晶パネルの構造

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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