Tekuté krystaly - Jak to všechno začalo?
21.7.2005, Pavel Kovač, článek
Každý z nás zná LCD panely. Každý určitě někdy nějaký viděl nebo vlastnil. Každému je jasné, že LCD (popř. "plasma") nahradí klasické CRT monitory. Víte však, jak se na tekutý krystal přišlo? Pokud ne, neváhejte a s chutí se ponořte do minulého století, nebo dokonce předminulého?
Vývoj LCD panelů od prvopočátku
Doba klasických CRT monitorů a televizí se nezadržitelně blíží ke konci a na scénu nastupují LCD a "plasma" panely. Protože pro nás "světhardweráky" jsou daleko důležitější monitory než televize, poohlédneme se tedy jen po historii LCD panelů.
Pokud bychom hledali v historii, kdy se poprvé objevil první LCD panel, tak by to až tak dávná doba nebyla. První LCD monitor spatřil světlo světa před 25 lety. Cesta k vytvoření tohoto displeje byla ale velmi dlouhá a trnitá. Posuďte sami. Před 150 lety žili za devatero horami a devatero řekami tři chemici Mettenheimer, Virchow a Valentin, kteří si potajmu hráli s jedním nervovým vláknem (přesněji řečeno s látkou známou jako "myelin", ta se vyskytuje v lidském těle a pokrývá nervová vlákna).
- nervová vlákna pokryta myelinem -
Ono nervové vlákno vložili do vody. Tento okamžik se dá pokládat za prvopočátek tekutých krystalů. Jejich nervové vlákno totiž vytvořilo spolu s vodou podivnou substanci, s kterou si zpočátku nevěděli moc rady. Až si na něj jednou posvítili a tím posvítili myslím doslova. Stačilo polarizované světlo a hned věděli, že vytvořili něco převratného. Sice ještě netušili, že se jedná o jinou fázi vlákna, ale jistě měli důvod k otevření archivního vína. Jejich oslavování však skončilo tím, že nevěděli, co s touto látkou dělat dál. Až po téměř 40 letech se do hry zapojil Otto Lehmann se svým oblíbeným polarizačním mikroskopem a aby toho nebylo na práci málo, měřil ještě teplotu v místech pozorování. Přišel na velmi zajímavou věc a to, že jedna fáze při přechodu z kapalné do tuhé vytvoří mezifázi. Ona mezifáze je právě tekutý krystal. Později jistý botanik Friedrich Reinitzer jen potvrdil to, na co přišel Otto Lehmann, pokusem tavením látky podobné cholesterolu. Ta se při teplotě 146 stupňů Celsia chovala jako tekutý krystal a až při teplotě 179 stupňů Celsia zkapalněla.
Tímto pokusem na sebe tekuté krystaly přilákaly zraky půlky badatelů a tak v příštích 50 letech vznikla velká řada teoretických prací. Tyto práce vytvořily ornou půdu pro první "natáčení" krystalů. Roku 1922 se totiž stalo, že jistý francouzský chlapík jménem Georges Freidel vložil tekutý krystal do elektrického pole a nestačil se divit, co se to s ním děje. Krystal jakoby poslechl elektrické pole a změnil svojí orientaci souhlasně s ním. Georges Freidel chtěl ukázat světu zač je toho loket a tak ještě dále experimentoval a navrhl jak dělit ony krystaly na nematic, smectic a cholesteric (tyto parciální kusy tekutých krystalů se používají i dnes). Zdálo by se, že tímto je problém tekutých krystalů vyřešen a nebrání nic v jejich masové použití. Chyba lávky přátelé. Tyto krystaly jsou velmi citlivé na změny teplot a tak když jim je zima nebo příliš horko, chovají se chaoticky a panel by tak pracoval v rozmezí jen několika stupňů Celsia. Druhá světová válka přišla a ať byla hrozná jakkoli, přinesla v technickém vědění velký pokrok. Bohužel tekutý krystal zatekl někam pod stůl a prakticky se na něm nepracovalo dalších 35 let. Teprve v roce 1970 se podařilo vyrobit krystal, který je stabilní i při velkém rozmezí teplot a co je hlavní, je velmi levný.
120 let vývoje tekutého krystalu je za námi a již stačí jen malý krůček k výrobě dnešních LCD panelů. V sedmdesátých letech minulého století se začalo krystalu využívat pro displeje (kalkulačky, různá měřící zařízení atd.). Ty se postupně zdokonalovaly, zjemňovaly a také se snižovala energetická náročnost na otočení krystalu. Ale stále se vyráběly jen černobílé displeje. Teprve v 80. letech se začaly používat desky, které polarizovaly světlo tak, aby v každých sousedních třech krystalech procházela jiná barva světla. Lidské oko je natolik nedokonalý orgán, že takto malé body ležící vedle sebe spojí v jeden s barvou odpovídající součtu všech tří bodů. Jak to všechno vypadá si můžete prohlédnout na následujícím obrázku. Bližší exkurzi do technologie současných LCD panelů si uděláme příště.
1- Zdroj bílého světla
2- Polarizační deska
3 a 3*- Desky mezi kterými je elektrické pole
4- Maska panelu
5- Jednotlivé polarizované paprsky světla
6- Tekuté krystaly
pozn. obrázek znázorňuje jeden pixel s třemi subpixely
Tímto krokem jsme se dostali až na konec vývoje TFT panelů. Nyní se podíváme do okénka budoucnosti.
Budoucnost tekutých krystalů
Je jisté, že LCD panely jsou teprve na počátku své jistě dlouhé cesty. V současné době se používají prakticky jen v multimediálním průmyslu. Je to jistě logické. Technologie výroby není ještě stoprocentně zvládnutá. Pozorovací úhly nejsou u většiny modelů zrovna ideální a o odezvě ani nemluvě. Právě z těchto důvodů se tyto panely nedají používat například jako virtuální zrcátko u automobilu. Pokud si říkáte, proč používat LCD, když klasické optické zrcadlo má daleko lepší rozlišovací schopnost. To je jistě pravda, ale může nastat situace, kdy máte plný kufr a v takovýmto zrcátkem nic nevidíte. Kdežto u LCD zrcátka s využitím kamery budete mít přehled o okolí svého auta prakticky neustále. Další výhodou takovéhoto zrcátka je v nočním provozu, kamera zajistí dobrý výhled i při naprosté tmě a zároveň nedojde k oslnění autem jedoucím za vámi. U aut ještě chvilku zůstaneme. V dnešní době se u aut používá tónované přední sklo, aby řidič nebyl tolik oslňován sluncem. Kdyby se použil průhledný LCD panel přes celé přední sklo, který by reagoval na změnu světla a zajišťoval by maximální kontrast, tak by jistě bylo na dálnicích daleko méně havárií. V nočním provozu by "sklo" ztmavilo ty místa, kde právě projíždí protijedoucí auto a tak by nedošlo k oslnění. Takovýto panel by samozřejmě mohl zobrazit mapu (resp. GPS mapu) přímo před spolujezdce či do malého výřezu okna. Šlo by tedy o takové interaktivní okno ala Star Trek.
- obrázek je pouze ilustrativní -
Dost již ale bylo aut. Vývoj LCD panelů jistě zasáhne každodenní život například při čtení novin. Jednoho krásného dne možná nastane doba, kdy noviny v tištěné podobě zcela zaniknou a jejich místo převezmou elektronická média. A bylo by velmi divné, kdyby tekuté krystaly nezatekly i sem. Tenké svinovací fólie s tekutými krystaly mají velký potenciál nahradit papírové noviny a díky všudypřítomnému bezdrátovému internetu nebude nouze o velmi čerstvé informace. Pokud někdo namítne proč vyrábět takovéto noviny, když tu jsou PDA a mobily, tak musím oponovat. Pohodlné čtení není luštění 2mm velkých písmen. Inu v tekutých krystalech je velmi velký potenciál (například nedávné ohlášení displeje Sharp, který dokáže zobrazit dva obrazy pod různými úhly) jen záleží na tom, jak se zvládne výroba a hlavně jestli chytré hlavinky nevymyslí náhodou něco lepšího, co by LCD definitivně pohřbilo.
Tekutý krystal má ambice i v astronomii a medicíně. V astronomii se využívá k simulování velkého třesku. Ačkoli badatelé jen pozorují, jak se chová krystal při ohřevu a následném ochlazení, tak v něm nacházejí mnoho odpovědí. Ať si astronomové bádají jak chtějí, tak jejich výsledek stejně nejspíš nezmění chod lidstva. Zato v medicíně má tekutý krystal daleko důležitější roli. Badatelé se domnívají, že tento krystal je klíčový při hledání léku na rakovinu. Ano slyšíte dobře. Je možné, že spousta z vás má doma polotovar pro výrobu zázračného léku. Teorie o tom, jak chtějí vědci krystal při léčbě využít, je pro nás zdlouhavá a zbytečná a nebudeme se jí tedy zabývat (více informací zde a zde).
Znáte materiál Kevlar? Pokud ne tak je to materiál z kterého se vyrábějí neprůstřelné vesty. A teď přijde ona holá pravda. Právě Kevlar je vyráběn z tekutých krystalů, kde je využívána jeho enormní odolnost v tlaku a otěru (více informací).
Tímto bych ukončil povídání o historii a možné budoucnosti LCD zobrazovačů a na úplný závěr jim popřeji hodně štěstí v nadcházejících letech.
Doba klasických CRT monitorů a televizí se nezadržitelně blíží ke konci a na scénu nastupují LCD a "plasma" panely. Protože pro nás "světhardweráky" jsou daleko důležitější monitory než televize, poohlédneme se tedy jen po historii LCD panelů.
Pokud bychom hledali v historii, kdy se poprvé objevil první LCD panel, tak by to až tak dávná doba nebyla. První LCD monitor spatřil světlo světa před 25 lety. Cesta k vytvoření tohoto displeje byla ale velmi dlouhá a trnitá. Posuďte sami. Před 150 lety žili za devatero horami a devatero řekami tři chemici Mettenheimer, Virchow a Valentin, kteří si potajmu hráli s jedním nervovým vláknem (přesněji řečeno s látkou známou jako "myelin", ta se vyskytuje v lidském těle a pokrývá nervová vlákna).
- nervová vlákna pokryta myelinem -
Ono nervové vlákno vložili do vody. Tento okamžik se dá pokládat za prvopočátek tekutých krystalů. Jejich nervové vlákno totiž vytvořilo spolu s vodou podivnou substanci, s kterou si zpočátku nevěděli moc rady. Až si na něj jednou posvítili a tím posvítili myslím doslova. Stačilo polarizované světlo a hned věděli, že vytvořili něco převratného. Sice ještě netušili, že se jedná o jinou fázi vlákna, ale jistě měli důvod k otevření archivního vína. Jejich oslavování však skončilo tím, že nevěděli, co s touto látkou dělat dál. Až po téměř 40 letech se do hry zapojil Otto Lehmann se svým oblíbeným polarizačním mikroskopem a aby toho nebylo na práci málo, měřil ještě teplotu v místech pozorování. Přišel na velmi zajímavou věc a to, že jedna fáze při přechodu z kapalné do tuhé vytvoří mezifázi. Ona mezifáze je právě tekutý krystal. Později jistý botanik Friedrich Reinitzer jen potvrdil to, na co přišel Otto Lehmann, pokusem tavením látky podobné cholesterolu. Ta se při teplotě 146 stupňů Celsia chovala jako tekutý krystal a až při teplotě 179 stupňů Celsia zkapalněla.
Tímto pokusem na sebe tekuté krystaly přilákaly zraky půlky badatelů a tak v příštích 50 letech vznikla velká řada teoretických prací. Tyto práce vytvořily ornou půdu pro první "natáčení" krystalů. Roku 1922 se totiž stalo, že jistý francouzský chlapík jménem Georges Freidel vložil tekutý krystal do elektrického pole a nestačil se divit, co se to s ním děje. Krystal jakoby poslechl elektrické pole a změnil svojí orientaci souhlasně s ním. Georges Freidel chtěl ukázat světu zač je toho loket a tak ještě dále experimentoval a navrhl jak dělit ony krystaly na nematic, smectic a cholesteric (tyto parciální kusy tekutých krystalů se používají i dnes). Zdálo by se, že tímto je problém tekutých krystalů vyřešen a nebrání nic v jejich masové použití. Chyba lávky přátelé. Tyto krystaly jsou velmi citlivé na změny teplot a tak když jim je zima nebo příliš horko, chovají se chaoticky a panel by tak pracoval v rozmezí jen několika stupňů Celsia. Druhá světová válka přišla a ať byla hrozná jakkoli, přinesla v technickém vědění velký pokrok. Bohužel tekutý krystal zatekl někam pod stůl a prakticky se na něm nepracovalo dalších 35 let. Teprve v roce 1970 se podařilo vyrobit krystal, který je stabilní i při velkém rozmezí teplot a co je hlavní, je velmi levný.
120 let vývoje tekutého krystalu je za námi a již stačí jen malý krůček k výrobě dnešních LCD panelů. V sedmdesátých letech minulého století se začalo krystalu využívat pro displeje (kalkulačky, různá měřící zařízení atd.). Ty se postupně zdokonalovaly, zjemňovaly a také se snižovala energetická náročnost na otočení krystalu. Ale stále se vyráběly jen černobílé displeje. Teprve v 80. letech se začaly používat desky, které polarizovaly světlo tak, aby v každých sousedních třech krystalech procházela jiná barva světla. Lidské oko je natolik nedokonalý orgán, že takto malé body ležící vedle sebe spojí v jeden s barvou odpovídající součtu všech tří bodů. Jak to všechno vypadá si můžete prohlédnout na následujícím obrázku. Bližší exkurzi do technologie současných LCD panelů si uděláme příště.
1- Zdroj bílého světla
2- Polarizační deska
3 a 3*- Desky mezi kterými je elektrické pole
4- Maska panelu
5- Jednotlivé polarizované paprsky světla
6- Tekuté krystaly
pozn. obrázek znázorňuje jeden pixel s třemi subpixely
Tímto krokem jsme se dostali až na konec vývoje TFT panelů. Nyní se podíváme do okénka budoucnosti.
Budoucnost tekutých krystalů
Je jisté, že LCD panely jsou teprve na počátku své jistě dlouhé cesty. V současné době se používají prakticky jen v multimediálním průmyslu. Je to jistě logické. Technologie výroby není ještě stoprocentně zvládnutá. Pozorovací úhly nejsou u většiny modelů zrovna ideální a o odezvě ani nemluvě. Právě z těchto důvodů se tyto panely nedají používat například jako virtuální zrcátko u automobilu. Pokud si říkáte, proč používat LCD, když klasické optické zrcadlo má daleko lepší rozlišovací schopnost. To je jistě pravda, ale může nastat situace, kdy máte plný kufr a v takovýmto zrcátkem nic nevidíte. Kdežto u LCD zrcátka s využitím kamery budete mít přehled o okolí svého auta prakticky neustále. Další výhodou takovéhoto zrcátka je v nočním provozu, kamera zajistí dobrý výhled i při naprosté tmě a zároveň nedojde k oslnění autem jedoucím za vámi. U aut ještě chvilku zůstaneme. V dnešní době se u aut používá tónované přední sklo, aby řidič nebyl tolik oslňován sluncem. Kdyby se použil průhledný LCD panel přes celé přední sklo, který by reagoval na změnu světla a zajišťoval by maximální kontrast, tak by jistě bylo na dálnicích daleko méně havárií. V nočním provozu by "sklo" ztmavilo ty místa, kde právě projíždí protijedoucí auto a tak by nedošlo k oslnění. Takovýto panel by samozřejmě mohl zobrazit mapu (resp. GPS mapu) přímo před spolujezdce či do malého výřezu okna. Šlo by tedy o takové interaktivní okno ala Star Trek.
- obrázek je pouze ilustrativní -
Dost již ale bylo aut. Vývoj LCD panelů jistě zasáhne každodenní život například při čtení novin. Jednoho krásného dne možná nastane doba, kdy noviny v tištěné podobě zcela zaniknou a jejich místo převezmou elektronická média. A bylo by velmi divné, kdyby tekuté krystaly nezatekly i sem. Tenké svinovací fólie s tekutými krystaly mají velký potenciál nahradit papírové noviny a díky všudypřítomnému bezdrátovému internetu nebude nouze o velmi čerstvé informace. Pokud někdo namítne proč vyrábět takovéto noviny, když tu jsou PDA a mobily, tak musím oponovat. Pohodlné čtení není luštění 2mm velkých písmen. Inu v tekutých krystalech je velmi velký potenciál (například nedávné ohlášení displeje Sharp, který dokáže zobrazit dva obrazy pod různými úhly) jen záleží na tom, jak se zvládne výroba a hlavně jestli chytré hlavinky nevymyslí náhodou něco lepšího, co by LCD definitivně pohřbilo.
Tekutý krystal má ambice i v astronomii a medicíně. V astronomii se využívá k simulování velkého třesku. Ačkoli badatelé jen pozorují, jak se chová krystal při ohřevu a následném ochlazení, tak v něm nacházejí mnoho odpovědí. Ať si astronomové bádají jak chtějí, tak jejich výsledek stejně nejspíš nezmění chod lidstva. Zato v medicíně má tekutý krystal daleko důležitější roli. Badatelé se domnívají, že tento krystal je klíčový při hledání léku na rakovinu. Ano slyšíte dobře. Je možné, že spousta z vás má doma polotovar pro výrobu zázračného léku. Teorie o tom, jak chtějí vědci krystal při léčbě využít, je pro nás zdlouhavá a zbytečná a nebudeme se jí tedy zabývat (více informací zde a zde).
Znáte materiál Kevlar? Pokud ne tak je to materiál z kterého se vyrábějí neprůstřelné vesty. A teď přijde ona holá pravda. Právě Kevlar je vyráběn z tekutých krystalů, kde je využívána jeho enormní odolnost v tlaku a otěru (více informací).
Tímto bych ukončil povídání o historii a možné budoucnosti LCD zobrazovačů a na úplný závěr jim popřeji hodně štěstí v nadcházejících letech.
