Jak szybko zmienia się technika w trakcje życia jednego pokolenia ludzkiego  może świadczyć historia odbiorników telewizyjnych. Pierwszy analogowy  telewizor czarno-biały TV, o nazwie Szmaragd był sensacją w rodzinie w latach 60-tych, https://youtu.be/QeoniIJtYyE . Mieszkałem na Południu Polski gdzie  dostępny był tylko jeden kanał TV, ale w pamięci do tej pory  został serial Zorro oraz lądowanie człowieka na Księżycu. Po latach kupiłem już samodzielnie  cyfrowy telewizor kolorowy Schneider, który służył dobre 20 lat, aż do momentu wprowadzenia telewizji cyfrowej.  Teraz mam laptopa z ekranem LCD,  którego konstrukcja  pozostawała tajemnicą mimo, że intrygowała mnie od dawna. W końcu przyszedł czas na  poznanie technologii monitorów LCD, które rozpowszechniły się również w technice telewizyjnej.

Wnioski z przeprowadzonych badań patentowych okazały się tak interesujące, że postanowiłem  rozdzielić temat wyświetlaczy LCD na dwa opisy, tzn:  Historie powstania wyświetlaczy LCD oraz Konstrukcje wyświetlaczy i monitorów telewizyjnych LCD. Historia powstania wyświetlaczy LCD przypomina historie sensacyjna, która dotyczy rywalizacji dwóch ośrodków naukowych o prawa patentowe dotyczące technologii wyświetlaczy LCD. W artykułach  opisujących wspomniana rywalizacje pojawia się nawet stwierdzenie, że wyświetlacz LCD jest wynalazkiem XX wieku.

Ale przechodząc do konkretów, historia zaczyna się we wrześniu 1970  roku ,  kiedy to  badacze Wolfgang Helfrich i Martin Schadt, pracownicy Laboratorium Badawczego  Hoffmann-LaRoche, w Szwajcarji, po raz pierwszy zastosowali wyświetlacz LCD, który został oparty na nowym efekcie, który właśnie wymyślili. Ten efekt, który później stał się znany jako skręcony efekt nematyczny (TN-effect),  zapewniał zmianę kierunku polaryzacji transmitowanego światła o kąt 90 stopni.

O efektach tych prac  dowiedział się, przypadkowo  J. L. Fergason, również znany ekspert w dziedzinie ciekłych kryształów,  który założył firmę kilka miesięcy wcześniej w celu opracowania i produkcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych pod nazwą ILIXCO (International Liquid Xtal Company).  Po stwierdzeniu wycieku informacji na rzecz firmy ILIXCO,  Helfrich i Schadt złożyli   natychmiast wniosek patentowy  w Biurze Patentowym Szwajcarii w Bernie 4 grudnia 1970 roku.

Ponieważ wnioski patentowe są ujawniane najwcześniej 18 miesięcy po złożeniu, nie było jasne, przez około dwa lata, które z dwóch stron mogły ubiegać się o wcześniejszą datę pierwszeństwa. Jak się później okazało, Fergason rzeczywiście złożył wniosek patentowy o identyczny wynalazek w USA, jednak z datą zgłoszenia 22 kwietnia 1971 r.  Interesujący jest również  fakt, że Schadt i Helfrich  kilka dni po złożeniu  wniosku patentowego  złożyli krótki  artykuł  do Applied Physics Letters, w których opisali nową komórkę ciekłokrystaliczną.  Artykuł ten został opublikowany w  Appl. Phys. Lett. Tom 18, 127, 1971 15 lutego 1971 r. Jak się okazało, ta publikacja była przez lata jednym z najczęściej cytowanych artykułów w literaturze naukowej z zakresu wyświetlaczy LCD.

Przed upływem rocznego okresu priorytetowego firma Hoffman-Roche złożyła szereg odpowiednich wniosków patentowych w dwudziestu krajach uprzemysłowionych,  które uznano za najważniejsze w tamtych czasach. Były wśród nich Stany Zjednoczone i Japonia, Wielka Brytania, Niemcy. ZSRR.  Ze zdziwieniem firma Hoffman–Roche dowiedziała się o odrzuceniu swojego wniosku patentowego w USA oraz uzyskaniu przez J.L Fergason patentu US 3731986, 8.05.1973 roku na zgłoszony później  wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Uzasadnieniem decyzji odmowy było stanowisko Urzędu Patentowego USA, według którego  patent nie jest przyznawany  temu, który złożył wniosek pierwszy, jak ma to miejsce w większości innych krajów, ale jest przyznawany temu, kto pierwszy dokonał wynalazku. W przypadku dwóch wniosków dotyczących tego samego patentu należy ustalić, kto z dwóch wnioskodawców najpierw wykonał wynalazek. To badanie jest prowadzone podczas procesu interferencji.

 Oznacza to, że cudzoziemcy znajdują się w gorszej sytuacji w tym procesie interferencji, ponieważ nie są uprawnieni do korzystania z dowodów, które pochodzą z daty poprzedzającej dzień ich pierwszego złożenia. W niniejszej sprawie Hoffman-Roche mogła zatem skorzystać tylko z pierwszej daty zgłoszenia, tj. 4 grudnia 1970 r., Podczas gdy Fergason miał swoje wcześniejsze notatki laboratoryjne i zeznania swoich pracowników w jego dyspozycji jako dowód na wcześniejszą datę tego wynalazku.

W międzyczasie w innych krajach rozpoczął się proces rozpatrywania w/w zgłoszenia patentu Helfrich/ Schadt. Wśród pierwszych oficjalnych powiadomień z krajów, w których „przeprowadzono istotne procedury sprawdzające”, Niemcy, Japonia i Holandia podały podobne przyczyny odrzucenia, jak te w USA. Jednak w tych krajach Hoffman-Roche przekonał egzaminatorów, że patent powinien zostać przyznany.

Przechodząc do omówienia patentu US3731986A Display devices utilizing liquid crystal light modulation  James L. Fergason z dnia 8.05.1973. należy podkreślić nowość  w zastosowaniu materiału ciekłokrystalicznego, który  umieszczony pomiędzy przetartymi przezroczystymi płytkami i umieszczony pomiędzy polaryzatorami jest wykorzystywany do konstruowania wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. W szczególności przedmiotem patentu jest  urządzenie do przekształcania sygnałów elektrycznych  w obraz optyczny zawierające warstwę materiału ciekłokrystalicznego umieszczoną pomiędzy przezroczystymi równoległymi płytkami, które są powleczone tylko w wybranych jej obszarach foliami z przezroczystego materiału przewodzącego oraz  polaryzatory po przeciwnych stronach płyt z polaryzacją prostopadła względem siebie w celu zapewnienia struktury warstwowej,  przez którą może przepływać światło i środków do ustalenia potencjalnej różnicy między przewodzącymi przezroczystymi foliami na odpowiednich płytach, tak że obszary struktury warstwowej będą przepuszczać światło, podczas gdy inne nie będą tworzyły obrazu optycznego.   Opis   efektu   TN – effect   wraz  z rysunkami  ilustrującymi  fizykę  zjawiska  skręconego efektu nematycznego przedstawia  strona: https://en.wikipedia.org/wiki/Twisted_nematic_field_effect

   Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunkach ilustrujących działanie wyświetlaczy ciekło krystalicznych według  dwóch przykładów wykonania: FIG.1- jest schematycznym widokiem jednostki ciekłokrystalicznej wytworzonej zgodnie z niniejszym wynalazkiem; FIG.2- jest widokiem ilustrującym sposób, w jaki przezroczyste płyty jednostki ciekłokrystaliczne  są polerowane (pocierane) pod kątem prostym względem siebie;   FIG.3- jest schematyczną ilustracją pokazującą sposób, w jaki światło spolaryzowane przechodzi przez jednostkę ciekłokrystaliczną według wynalazku; FIG.4- ilustruje jeden sposób, w jaki można wytwarzać obraz optyczny za pomocą jednostki ciekłokrystalicznej według wynalazku;  FIG.5- ilustruje sposób, w jaki rzędy i kolumny z przezroczystego materiału przewodzącego mogą być wytrawiane na przeciwległych przezroczystych płytkach, które wiążą warstwę ciekłokrystalicznego materiału w celu wykonania matrycy, która może być skanowana; FIG.6- jest schematem obwodu sterującego matrycy z Fig.5; FIG.7- zawiera przebiegi ilustrujące działanie zespołu sterującego matrycy z FIG. 5; FIG.8- ilustruje jeszcze inny sposób, w którym można wytrawiać folie przewodzące na przeciwległych przezroczystych płytach w celu zapewnienia różnych optycznych obrazów.

Odnosząc się teraz do rysunków,  na FIG.1, pokazano jednostkę ciekłokrystaliczną 10 zawierającą pierwszą przezroczystą płytę 12, korzystnie ze szkła, i drugą przezroczystą płytę 14, również ze szkła, i rozciągającą się równolegle do płyty 12.  Płytki 12 i 14 są oddalone od siebie o odpowiednie elementy dystansowe, nie pokazane, o około 0,25 do 2 mils (1mils=0,0254mm), chociaż odstępy mogą w niektórych przypadkach wynosić od 0,1 do 0,05 mils. Ta przestrzeń jest wypełniona materiałem ciekłokrystalicznym w fazie nematycznej z dodatnią anizotropią.

Na wewnętrznych powierzchniach przeźroczystych płyt 12 i 14 umieszczonych na styku z warstwą ciekłokrystaliczną 16 znajdują się powłoki 18 i 20 cienkiego przezroczystego materiału przewodzącego prąd elektryczny, takiego jak znane powłoki tlenku cyny lub tlenku indu nakładane w procesie rozpylania katodowego w próżni.  Na FIG.2, pokazano widok płyt 12 i 14, które mogą zawierać płaskie szkło o grubości około jednej ósmej cala z warstwami 18 i 20 z przezroczystego materiału przewodzącego osadzonego na ich powierzchniach czołowych.  Przy wytwarzaniu jednostki ciekłokrystalicznej, warstwy przezroczystego materiału przewodzącego, które stykają się z materiałem ciekłokrystalicznym w fazie nematycznej,  muszą być przygotowane przez ich gładzenie lub nacieranie jednokierunkowo, na przykład za pomocą tkaniny bawełnianej. Kierunek tarcia na odpowiednich płytach 12 i 14 jest zaznaczony liniami 22 i 24, tak, że kierunki tarcia na odpowiednich płytach są prostopadłe do siebie. Efektem tego jest wytworzenie skręconej struktury nematycznej, dzieki temu, że cząsteczki w materiale ciekłokrystalicznym fazy nematycznej są długie i proste i mają tendencję do  układania równoległego wzdłuż linii 22,24. Właściwość materiałów ciekłokrystalicznych fazy nematycznej polega na tym, że cząsteczki w pobliżu powierzchni przetartej  mają tendencję do zestrojenia się z nią. Tak więc, cząsteczki najbliższe powierzchni płyty 12, na przykład, są tak ułożone, aby orientować się równolegle do linii 22,  a te najbliższe powierzchni płytki 14 są ułożone tak, aby orientować się równolegle do linii 24.

Wpływ jednostki ciekłokrystalicznej na światło spolaryzowane kierowane przez płytki 12 i 14 i spolaryzowany równolegle do linii 22, na przykład, powoduje, że jednostka dokonuje obrotu płaszczyzny polaryzacji światła podczas przechodzenia przez jednostkę tak, że światło emanujące z powierzchni płyty 14 jest spolaryzowane równolegle do linii 24.  Jednakże nie ma znaczenia, czy spolaryzowane światło padające na płytę 12, na przykład, było spolaryzowane w równoległych płaszczyznach, które były pod pewnym kątem w stosunku do linii 22. Uzyskiwany jest ten sam efekt obrotu płaszczyzny polaryzacji.  Zakres obrotu nie musi wynosić 90 °. Każdy pożądany zakres obrotu można uzyskać, jedynie przez właściwe ułożenie jednokierunkowo wytartych powierzchni na płytach 12 i 14.  Jednakże, gdy kierunki tarcia są względem siebie prostopadłe, zakres obrotu wynosi 90 °.

Wpływ jednostki krystalicznej 10 na światło spolaryzowane przedstawiono schematycznie  na  FIG.3. W ten sposób źródło niespolaryzowanego lub naturalnego światła w punkcie 26 uderza w konwencjonalny polaryzator 28,  który polaryzuje światło wskazane przez przerywane linie 30. To spolaryzowane światło, gdy przechodzi przez jednostkę ciekłokrystaliczną, taką jak jednostka 10 pokazana na FIG.1,  zostanie obrócony o 90 °, co zapewnia  przejście spolaryzowanego światła przez drugi polaryzator 34 przystosowany do przepuszczania spolaryzowanego światła w płaszczyźnie, która obraca się o 90 ° względem płaszczyzny polaryzacji polaryzatora 28, jak wskazują przerywane linie 36.  Zatem, w opisanych warunkach światło spolaryzowane przechodzące przez polaryzator 28 zostanie obrócone o 90 ° w jednostce 10, a następnie przejdzie przez polaryzator 34.  Z drugiej strony, jeżeli polaryzator 34 powinien być obrócony tak, że płaszczyzna polaryzacji wskazana przez przerywane linie 36 jest równoległa do płaszczyzny polaryzacji polaryzatora 28, wówczas żadne światło nie przejdzie przez polaryzator 34.  Teraz, jeśli pomiędzy przewodzącymi foliami 18 i 20 zostanie przyłożony potencjał elektryczny rzędu 5 woltów lub większy, jednostka ciekłokrystaliczna 10 nie będzie już obracała płaszczyzny polaryzacji o 90°.  W układzie pokazanym na FIG.3 na przykład, zastosowanie odpowiedniego potencjału na przewodzące folie 18 i 20 spowoduje, że polaryzator 34 zablokuje transmisję światła. Można zatem zauważyć, że urządzenie działa jak przesłona optyczna. Z drugiej strony, jeżeli polaryzator 34 jest zorientowany pod kątem 90° w stosunku do pokazanego na FIG.3 jednostki 10 światło nie będzie transmitowane w przypadku braku potencjału zastosowanego pomiędzy warstwami 18 i 20; mając na uwadze, że światło będzie transmitowane, gdy potencjał zostanie w nim zastosowany.

Według przykładu wykonania FIG.4  wyświetlacz optyczny  zawiera parę przezroczystych płytek 42 i 44,  których przeciwległe powierzchnie są pocierane w kierunkach pod kątem prostym do siebie i pomiędzy którymi umieszczona jest warstwa nematycznego materiału ciekłokrystalicznego o dodatniej anizotropii dielektrycznej.  W tym przypadku jednak folie  przewodzące 46 i 48 mają postać cyfry 4. Zakładając, że płytki 42 i 44 są zmontowane z polaryzatorami w układzie z FIG.3   i  ten przełącznik 52 jest zamknięty w celu zastosowania potencjału z baterii 50 na foliach 46 i 48,  obszar pokryty foliami będzie nieprzezroczysty,  podczas gdy obszar wokół przewodzących folii 46 i 48 będzie przepuszczał światło. Zakładając, że za złożonymi płytkami 42 i 44 z ciekłokrystalicznym materiałem znajduje się białe tło,  a  płyta jest oglądana od strony przeciwnej do białego tła, efektem będzie uzyskanie liczby 4  w  kolorze czarnym na białym tle. Oczywiście, gdy przełącznik 52 zostanie ponownie otwarty, urządzenie będzie całkowicie transmitować światło i żadna cyfra lub inny optyczny obraz nie pojawi się w oku obserwatora.

Urządzenie według przykładu wykonania, FIG.4, podczas obróbki, może wytwarzać tylko pojedynczy obraz optyczny, taki jak cyfra lub litera w obszarze objętym przez płytki 42 i 44.  Urządzenie  do wytwarzania dowolnej pożądanej cyfry, litery lub innego obrazu w tym samym obszarze pokazano na rysunkach, FIG.5-7. Urządzenie  zawiera  również dwie płyty 54 i 56, Fig.5 mające powierzchnie czołowe, które są pocierane pod kątami prostymi względem siebie, a przestrzeń pomiędzy dwiema powierzchniami jest wypełniona warstwą nematycznego materiału ciekłokrystalicznego o dodatniej anizotropii dielektrycznej. Powierzchnie współpracujące płytek 54 i 56 są ponownie powlekane folią przewodzącą, ale w tym przypadku, na przykład, płytka 54 jest wytrawiana, wykorzystując tradycyjne techniki foto-maski, aby zapewnić pięć pionowych kolumn 58, z których każda ma siedem powiększonych obszarów 60 rozmieszczonych wzdłuż swojej długości.   W podobny sposób płytka 56 jest powlekana, a następnie trawiona w celu zapewnienia siedmiu poziomych rzędów 62, z których każdy ma pięć rozszerzonych sekcji powierzchniowych 64 przewodzącego materiału folii pomiędzy jego końcami.

Płytki  54 i 56,  rozdzielone warstwą materiału ciekłokrystalicznego znajdującymi się pomiędzy nimi,  ustawione są tak, że powiększone części 60 obszaru na płytce 54 są wyrównane lub zachodzą na powiększone części 64 na płytce 56.   Końce pasków lub kolumn 58 na płytce 54 są połączone z pięcioma przewodami elektrycznymi 66. Podobnie końce pasków lub poziome rzędy 62 na płytce 56 są połączone z drugim zestawem siedmiu przewodów elektrycznych 68.   Sposób, w jaki zestaw utworzony z płyt z  FIG.5 może  być  wykorzystane  do wytworzenia różnych obrazów pokazanych na FIG.6 i 7. Zmontowane urządzenie zawierające płyty  54 i 56 z warstwą nematycznego materiału ciekłokrystalicznego pomiędzy nimi odpowiednimi polaryzatorami krzyżowymi wskazano na FIG.6  za  pomocą wskaźnika  liczbowego 70.  Okręgi zespołu wyświetlacza  70 stanowią nakładające się powiększone części 60 i 64 utworzone w kolumnach 58 i rzędach 62, odpowiednio. Impulsy zegarowe wyświetlacza są dostarczane z oscylatora 72,  zwykle o częstotliwości około 960 Hz.  Impulsy te są przykładane do obwodu przerzutnika 73, a  sygnał wyjściowy obwodu przerzutnikowego jest podawany do konwencjonalnego trzybitowego licznika 74 pierścienia, który wytwarza impulsy na odprowadzeniach 76, 78 i 80, przy czym te w odprowadzeniu 76 są dzielone przez dwa te na prowadzeniu 78 są podzielone na cztery,  a  te  na odprowadzeniu 80 dzielone przez osiem. Impulsy na odprowadzeniach  76-80  są doprowadzane do matrycy dekodowania 82 zgodnie ze znanymi technikami wytwarzania impulsów na wyjściowych odprowadzeniach 84,  które są przesunięte fazowo względem siebie. Impulsy inwertery 86 doprowadzane  są  z  wyjść  68  do odpowiednich poziomych wierszy 62,  które są oznaczone literami A-G.  Podczas jednego okresu ramki pojawia się impuls w każdym wierszu po kolei. Tak więc, impuls w kształcie fali A jest najpierw podawany do górnego wiersza, a następnie impuls podawany do drugiego wiersza, a następnie impuls podawany do trzeciego wiersza  i tak dalej.  Czas wymagany do tego, aby impulsy w kształtach fal A-G były nakładane kolejno na każdy  wiersz, określany jest jako jeden okres ramki i zazwyczaj może wynosić 16 mikrosekund; jednakże okres ramki może być dowolnym pożądanym przedziałem czasowym, w zależności od rozmiaru wyświetlacza i liczby użytych poziomych wierszy. Zwróć uwagę, że impulsy w przebiegach A-G mają polaryzację ujemną. Impulsy te są nieprzerwanie stosowane w kolejnych wierszach niezależnie od obrazu optycznego, takiego jak cyfra lub litera, które należy wykonać.

Impulsy na przewodach 76-80 są również stosowane do jednostki 88 pamięci tylko do odczytu, połączonej, na przykład, z obwodami komputerowymi 90 lub podobnymi. Impulsy na odprowadzeniach 76-80  aktywują jednostkę 88 pamięci tylko do odczytu, aby zastosować do przewodów 92 kolejne impulsy reprezentatywne dla określonej liczby,  litery  lub  innego obrazu do wyświetlenia.  Są one stosowane przez inwertery 94 i kondensatory 96 do pionowych rzędów 58, które są identyfikowane literami H-M. Zakłada się, że tło za zespołem 70 jest białe i że ciekłokrystaliczna przekładka zawierająca polaryzatory po przeciwnych stronach warstwy ciekłokrystalicznej normalnie przepuszcza spolaryzowane światło w przypadku braku zastosowania potencjału elektrycznego stosowanego w warstwie ciekłokrystalicznej. W celu wytworzenia cyfry 2, na przykład, tylko te obszary zabarwione na czarno na FIG.6 pomiędzy paskami 58 i 62 powinny mieć potencjały elektryczne zastosowane pomiędzy nimi, dzięki czemu obszary te będą nieprzezroczyste i będą czarne podczas oglądania przez obserwatora. W celu uzyskania tego efektu przebiegi H-M z FIG.7 są stosowane do odprowadzeń 66. Należy zauważyć, że w celu uzyskania liczby 2, drugi, szósty i siódmy obszar 60, 64 między pasami 58 i 62 w kolumnie H muszą mieć potencjały zastosowane w tym miejscu. W konsekwencji, kształt fali H zawiera pierwszy impuls dodatni w okresie ramki pokrywający się z impulsem ujemnym w kształcie fali B, drugi impuls dodatni zbiegający się z impulsem ujemnym w kształcie fali F i trzeci impuls dodatni zbiegający się z impulsem ujemnym w kształcie fali G.  Gdy impulsy na odprowadzeniach 68 przechodzą przez okres jednej ramki, te które pokrywają się z dodatnimi impulsami w kształcie fali H, spowodują, że drugie, szóste i siódme obszary staną się nieprzezroczyste.  Podobnie w kolumnie J konieczne jest, aby obszary pierwszy, piąty i siódmy były nieprzejrzyste. Jest to spowodowane posiadaniem dodatniego impulsu w kształcie fali J pokrywającym się z ujemnym impulsem w kształcie fali  A,  dodatnim impulsem w kształcie fali J pokrywającym się z ujemnym impulsem w kształcie fali E i dodatnim impulsem w kształcie fali J pokrywającym się z ujemnym impulsem w kształcie fali G.   Punktowe  obszary czarne  dzięki bezwładności oka  tworzą cyfrę 2 w trakcie założonego przemiatania impulsowego zespołu wyświetlacza 70.  Na FIG.8, pokazany jest jeszcze inny przykład wykonania wynalazku, w którym jedna z dwóch przezroczystych płyt 96 jest zaopatrzona w ciągłą warstwę z przezroczystego materiału przewodzącego 98;  podczas  gdy druga przezroczysta płyta 99 jest zaopatrzona w szereg wzajemnie izolowanych pasków z przezroczystego materiału przewodzącego 100. Całkowita konfiguracja, gdy jest nieprzezroczysta, przedstawia cyfrę 8.  Poniżej konfiguracji 100 znajduje się linia lub słupek 102, a  na prawo od konfiguracji jest kropka 104, która tworzy kropkę dziesiętną.  Zakładając na przykład, że pożądane jest utworzenie liczby 3, płytka 98 po jednej stronie warstwy materiału ciekłokrystalicznego zostanie połączona ze źródłem potencjału dodatniego, podczas gdy przezroczyste paski po drugiej stronie tworzące 3 będą połączone przez przewody 108   ze  źródłem  potencjału  ujemnego.

Dla porównania należy omówić skrótowo  patent szwajcarski  CH532261A Lichsteuerzelle HELFRICH WOLFGANG, SCHADT MARTIN, udzielony z datą 31.12.1972r  (data zgłoszenia 4.12.1970r.), którego przedmiotem jest  urządzenie elektrooptyczne sterowane za pomocą pola elektrycznego.  Ze względu na specyfiki opisów  patentowych w jezyku niemieckim  przedstawiających istotę wynalazku, posłużę się maszynowym subiektywnym tłumaczeniem, którego celem jest przedstawienie fizyki opatentowanego wyświetlacza ciekłokrystalicznego, a  który może wymagać korekty ze strony  germanisty ze specjalizacją patentową.

Według opisu niektóre znane urządzenia optyczne wykorzystują „efekt dynamicznego rozpraszania”  (patrz na przykład brytyjski opis patentowy nr 1167486). Takie urządzenia zawierają zasadniczo kondensator z przezroczystymi płytkami i dielektrykiem składającym się z substancji nematycznej.  Prąd elektryczny przepływa przez kondensator,  a  jego ruchome nośniki ładunku wytwarzają turbulencje w substancji nematycznej. Ponieważ substancje nematyczne są optycznie anizotropowe, światło docierające do ciekłego kryształu przez przezroczyste płyty kondensatora jest rozpraszane przez turbulencje, zmieniając w ten sposób przezroczystość i / lub odbicie komórki. Ogniwa optyczne wykorzystujące „efekt dynamicznego rozpraszania” nie mogą być stosowane w przypadkach, w których stawia się wysokie wymagania na jednorodność optyczną komórek, które powoduje, że turbulencja cieczy powoduje problemy w takich przypadkach.  Przedstawiany wynalazek zapewnia  realizacje urządzenie elektro-optycznego  sterowanego przez pole elektryczne, w którym ciekły kryształ jest umieszczony pomiędzy dwiema płytkami, przy czym  ciekły kryształ składa się z materiału wykazującego fazę nematyczną  z   dodatnią anizotropią dielektryczną, posiadającą strukturę śrubową w odniesieniu do kierunku  do  przezroczystych  granicznych płytek. Płytki wykazują strukturę powierzchniową, która wywiera wpływ orientujący na cząsteczki ciekłego kryształu sąsiadujące z płytkami. Określenie „orientacja ścianowa” stosuje się do struktury powierzchni płytek, wywierając wpływ orientujący na cząsteczki ciekłego kryształu sąsiadujące z płytkami, tzn.. na warstwie granicznej ciekłego kryształu. Cząsteczki w warstwie granicznej przyjmują pozycję równoległą do tej orientacji  ściany. Orientację ścianki uzyskuje się na przykład przez pocieranie powierzchni płytek bawełnianą zatyczką.

Ponieważ  ciekły kryształ wykonany jest ze związku nematycznego jego cząsteczki w stanie niezwiązanym są zorientowane zasadniczo w preferowanym kierunku, równoległym do siebie. Jeżeli nematyczny ciekły kryształ jest umieszczony pomiędzy dwiema płytami mającymi orientację ścianową,  zakłada się że, struktura krystaliczna przyjmuje preferencyjny kierunek równoległy do orientacji ściany.  Jeżeli obie płytki są obracane względem siebie, warstwy graniczne przylegają do powierzchni płyt. Pomiędzy warstwami granicznymi orientacja nematycznych cząsteczek jest taka, aby wytworzyć ciągłe przejście od jednego do drugiego kierunku orientacji ściany. Orientacja ścianki lub uzyskana przyczepność mocują spiralną strukturę na powierzchni płytek.   Ciekły kryształ o spiralnej strukturze jest optycznie czynny, tzn.. kierunek polaryzacji przechodzącego przez niego  spolaryzowanego światła następuje po zwojach w spiralnej strukturze krystalicznej. Jeśli w ciekłym krysztale w kierunku osi spiralnej (tzn.prostopadle do płytek) powstaje wystarczająco silne pole elektryczne, cząsteczki, z wyjątkiem przyklejonej  warstwy granicznej, zajmują pozycję równoległą do pola, tak że helikalna struktura zostaje zniszczona, a aktywność optyczna zanika. Jeśli pole zostanie wyłączone, poprzednia struktura zostanie przywrócona.

Zgodnie z opisem: Fig.1 – przedstawia model ciekłokrystaliczny o spiralnej strukturze; Fig.2 – pokazuje urządzenie elektrooptyczne z ciągle kontrolowaną transmisją; Fig.3 – jest wykresem transmisji przez komórkę realizującą wynalazek, w zależności od napięcia przyłożonego do płytek; Fig.4 – jest wykresem kąta obrotu urządzenia pokazanego na Fig.2,  w  zależności od przyłożonego napięcia.

Fig.1 pokazuje schematycznie orientacje różnych warstw ciekłego kryształu o strukturze śrubowej. Spiralna struktura jest albo wytwarzana przez orientację ścianek dwóch płytek (niepokazanych), pomiędzy którymi znajduje się ciekły kryształ, albo jest indukowana przez dodanie związków cholesterycznych. Warstwa graniczna 1 jest zorientowana w kierunku poziomym (wzdłuż osi Y), podczas gdy warstwa graniczna 2 jest zorientowana w kierunku  pionowym (wzdłuz osi Z).

Fig.2 pokazuje urządzenie elektro-optyczne do ciągłej kontroli transmisji zawierające komórkę elektro-optyczną 11 umieszczoną pomiędzy polaryzatorem 12 , a analizatorem 13 umieszczonym  równolegle do polaryzatora 12. Komora 11 jest kondensatorem płytowym i w konsekwencji zawiera dwie płaskie równoległe płyty lub elektrody 14 i 15 rozmieszczone w pewnej odległości od siebie oraz dielektryk 16 między płytami.

Elektrody 14, 15 zawierają szklane płytki pokryte SnO2 na ich powierzchniach sąsiadujących z ciekłym kryształem. Powierzchnie SnO2 są tak traktowane, że cząsteczki ciekłego kryształu w warstwie granicznej są zorientowane w uprzywilejowanym kierunku, a ich osie podłużne są równoległe do powierzchni elektrod. W zamontowanej  komórce ciekłego kryształu  11, preferencyjne kierunki elektrod 14, 15 są obrócone względem siebie co oznacza, że cząsteczek ciekłego kryształu są  spiralnie zorientowane wzdłuż dowolnej linii prostopadłej do elektrod.  Gdy preferencyjne kierunki elektrod 14, 15 są obrócone względem siebie o 90° (orientacja ścianki są skrzyżowane),  kierunek polaryzacji 15 padającego światła jest obracany o 90°, W konsekwencji obserwator 18 nie widzi światła ze źródła 17, ponieważ analizator jest nastawiony na taki sam kierunek polaryzacji światła. Z drugiej strony, jeżeli analizator 13 jest obrócony o 90° względem polaryzatora 12, światło ze źródła 17 dociera do obserwatora 18.

Jeżeli napięcie zostanie przyłożone do elektrod 14, 15, tzn. jeżeli w ciekłym krysztale wytwarza się pole elektryczne prostopadłe do elektrod,  kierunek wektora napięcia działa na cząsteczki nematyczne, co powoduje, że osie wzdłużne cząsteczek  układają się  w kierunku pola. Gdy napięcie na elektrodach wzrasta, orientacja staje się coraz bliższa kierunkowi wektora pola, aż stanie się praktycznie równoległa do niego, gdy napięcie jest wystarczająco wysokie. Jednocześnie struktura helikalna zanika, a aktywność optyczna ciekłego kryształu praktycznie również zanika. Światło spolaryzowane wchodzące przez elektrodę 14 opuszcza ogniwo 11 bez zmiany kierunku polaryzacji. Po wyłączeniu napięcia struktura helikalna ciekłych kryształów zostaje przywrócona ze względu na orientację ściany.

Jeżeli napięcie doprowadzane jest do elektrod urządzenia z Fig.2, w którym płaszczyzny polaryzacji polaryzatora 12 i analizatora 13 są równoległe, spolaryzowane światło jest częściowo lub całkowicie przesyłane do obserwatora 18, w zależności od wartości napięcia. Jeżeli polaryzator i analizator są skrzyżowane, a napięcie jest wystarczająco wysokie, żadne światło ze źródła 17 nie dociera do obserwatora 18.

Fig.3 pokazuje transmisję światła, w zależności od napięcia przyłożonego do elektrod urządzenia, w którym kierunki polaryzacji polaryzatora i analizatora są równoległe. Można zauważyć, że transmisja wynosi w przybliżeniu zero, jeśli nie jest stosowane żadne napięcie. Gdy napięcie wzrasta, transmisja początkowo pozostaje w przybliżeniu zerowa, aż do pewnego napięcia progowego, w zależności od zjawiska polaryzacji. Powyżej napięcia progowego, transmisja ciągle wzrasta, aż do osiągnięcia wartości  nasycenia.  Aktywność optyczną można kontrolować za pomocą napiecia  d.c. lub a.c.  Preferowana metoda działania zależy od aplikacji.  W przypadku napięcia a.c  napięcie progowe jest szczególnie niskie, ponieważ unika się zjawisk polaryzacji. Krzywa przedstawiona na rysunku 3 jest niezależna od częstotliwości do około 80 kHz. Wynalazek przewiduje możliwość  modyfikacji w celu uzyskania różnych korzystnych efektów. Na przykład, przez zastosowanie chromatycznego lub kolorowego ciekłego  kryształu w komórce 11, który może  być użyty w połączeniu z dwoma polaryzatorami do wytworzenia urządzenia,  które jest nieprzezroczyste, gdy nie jest przyłożone napięcie i które jest przezroczyste dla tylko jednego koloru po przyłożeniu  napięcia.  Można również osiągnąć odwrotny efekt.

WNIOSKI

Historia patentu TN-LCD skręconego nematycznego wyświetlacza ciekłokrystalicznego, który był często określany jako „wynalazek wieku”, pokazuje, jak prosty i oczywisty może się wydawać wynalazek z perspektywy czasu.  Historia   patentu  firmy Hoffman – Roche pokazuje również, że korzyści płynące z tak wybitnego osiągnięcia można zebrać tylko wtedy, gdy zostaną podjęte zdecydowane starania w celu osiągnięcia odpowiedniej ochrony własności intelektualnej.  Sprawa pokazuje również, że obowiązujące prawa patentowe nie są wystarczające, aby poradzić sobie z tak niezwykłą sytuacją. Sprawa pokazuje również, że ogromne poświęcenie i wysiłki, które były wymagane, by ostatecznie osiągnąć sukces patentowy, nie mogły zostać poniesione przez małe przedsiębiorstwo, a tym bardziej przez indywidualnego wynalazcę. Przykładowo udzielenie patentu niemieckiego firmie Hoffman-Roche nastąpiło dopiero w 1992 r., to znaczy po wygaśnięciu (20 lat) tego patentu. Niemniej jednak przyznanie niemieckiego patentu typu TN-LCD było istotne z handlowego punktu widzenia, ponieważ zapewniało z mocą wsteczną opłaty licencyjne płacone przez niemieckich producentów wyświetlaczy firmie Hoffman – Roche.

Zgodnie z tradycją celowe wydaje się zilustrowanie technologii LCD materiałem filmowym z kanału youtube,  https://www.youtube.com/watch?v=gWOHUebImPg