La storia della tecnologia LCD

La storia della tecnologia LCD

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Quando Friedrich Reinitzer osservò per la prima volta la struttura dei cristalli liquidi e il comportamento del colesterolo delle carote nel 1888, si aprì un mondo di tecnologia a cristalli liquidi. Scoprì che questi cristalli liquidi avevano due punti di fusione: uno in cui i cristalli si sciolgono e creano un liquido torbido e un altro in cui si scioglie una seconda volta per diventare limpido. È stato anche scoperto che questi cristalli avevano proprietà di generazione del colore. Tuttavia, questo era lontano da ciò che consiste nel nostro moderno LCD (display a cristalli liquidi).

Ventitré anni dopo Reinitzer, Charles Mauguin fu il primo a iniziare a posizionare sottili strati di cristalli liquidi tra le lastre, un'idea che in seguito avrebbe trovato il concetto strutturale degli LCD. Un uomo di nome Georges Friedel classificò per la prima volta le strutture a cristalli liquidi nel 1922, separandole in nematici, smettici e colesterici. È stato anche scoperto nel 1962 da Richard Williams della Radio Corporation of America (RCA) che queste strutture a cristalli liquidi hanno effetti elettro-ottici che possono essere controllati attraverso una tensione applicata.

 

Chi ha inventato l'LCD e quando?

La ricerca sui cristalli liquidi degli anni '1960 è stata caratterizzata dalla scoperta e dalla sperimentazione sulle proprietà dei cristalli liquidi. George H. Heilmeier della RCA ha basato la sua ricerca su quella di Williams, immergendosi nella natura elettro-ottica dei cristalli. Dopo molti tentativi di utilizzare i cristalli liquidi per visualizzare colori diversi, ha creato il primo LCD funzionante utilizzando una modalità chiamata DSM (Dynamic Scattering Mode) che, quando viene applicata la tensione, trasforma lo strato di cristalli liquidi in uno stato più traslucido. Heilmeier è stato quindi considerato l'inventore dell'LCD.

Evoluzione del display LCD e pietre miliari importanti

Alla fine degli anni '1960, il Royal Radar Establishment (RRE) del Regno Unito ha scoperto il cristallo liquido di cianobifenile, un tipo che si adattava all'utilizzo degli LCD in termini di stabilità e temperatura. Nel 1968, Bernard Lechner della RCA creò l'idea di un LCD basato su TFT e, nello stesso anno, lui e molti altri realizzarono quell'idea utilizzando il DSM LCD di Heilmeier.

Dopo l'ingresso dell'LCD nel campo della tecnologia dei display, gli anni '1970 sono stati pieni di ricerche approfondite per migliorare l'LCD e renderlo appropriato per una maggiore varietà di applicazioni. Nel 1970, il effetto di campo nematico contorto è stato brevettato in Svizzera con inventori accreditati come Wolfgang Helfrich e Martin Schadt. Questo effetto nematico contorto (TN) si è presto unito a prodotti che sono entrati nei mercati internazionali come l'industria elettronica giapponese. Negli Stati Uniti, lo stesso brevetto è stato depositato da James Fergason nel 1971. La sua azienda, ILIXCO, conosciuta oggi come LXD Incorporated, produceva LCD con effetto TN che crebbero fino a mettere in ombra i modelli DSM. Gli LCD TN offrivano caratteristiche migliori come tensioni operative e consumo energetico inferiori.

 

Da questo, il primo orologio digitale, o più specificamente un orologio da polso elettronico al quarzo, che utilizza un TN-LCD e composto da quattro cifre è stato brevettato negli Stati Uniti e rilasciato ai consumatori nel 1972. La Sharp Corporation giapponese, nel 1975, ha iniziato la produzione di massa di dispositivi digitali orologi e calcolatrici tascabili TN LCD e, alla fine, altre società giapponesi iniziarono a crescere nel mercato dei display per orologi da polso. Seiko, ad esempio, ha sviluppato il primo orologio al quarzo LCD a sei cifre basato su TN, un aggiornamento dall'orologio originale a quattro cifre.

 

Tuttavia, il DSM LCD non è stato reso completamente inutile. Uno sviluppo del 1972 da parte della North American Rockwell Microelectronics Corp ha integrato il DSM LCD nei calcolatori commercializzati da Lloyds Electronics. Questi richiedevano una forma di luce interna per mostrare il display, e così retroilluminazione sono stati incorporati anche in questi calcolatori. Poco dopo, nel 1973, Sharp Corporation ha introdotto le calcolatrici tascabili DSM LCD. Un polimero chiamato poliimmide è stato utilizzato come strato di orientamento delle molecole di cristalli liquidi.

Transistor a film sottile (TFT) LCD era stato introdotto nel 1968 dalla RCA, ma il pannello LCD TFT a matrice attiva con cui i consumatori oggi hanno più familiarità per i display ad alta risoluzione non è stato prototipato fino al 1972. Durante gli anni '1970, tuttavia, il TFT ha faticato a risolvere molti problemi con la composizione materiali, e quindi le tecnologie degli anni '70 non utilizzavano il TFT.

Negli anni '1980, ci sono stati rapidi progressi nella creazione di prodotti utilizzabili con questa nuova ricerca LCD. Gli schermi televisivi LCD a colori sono stati sviluppati per la prima volta in Giappone durante questo decennio. A causa del limite nei tempi di risposta dovuto alle grandi dimensioni del display (correlate con un gran numero di pixel), i primi televisori erano televisori palmari/tascabili. Seiko Epson, o Epson, ha creato la prima TV LCD, rilasciandola al pubblico nel 1982, che è stata presto seguita dalla loro prima TV LCD tascabile con display completamente colorato nel 1984. Sempre nel 1984 è stato il primo display LCD TFT commerciale: Citizen Watch 2.7 TV LCD a colori da pollici. Poco dopo, nel 1988, Sharp Corporation ha creato un LCD TFT a colori da 14 pollici che utilizzava una matrice attiva e aveva proprietà di movimento completo. Gli LCD di grandi dimensioni ora hanno reso possibile l'integrazione degli LCD in grandi display a schermo piatto come schermi LCD e monitor LCD. La tecnologia di proiezione LCD, creata per la prima volta da Epson, è diventata prontamente disponibile per i consumatori in modalità compatta e completamente colorata nel 1989.

La crescita degli LCD negli anni '1990 si è concentrata maggiormente sulle proprietà ottiche di questi nuovi display nel tentativo di migliorarne la qualità e le capacità. Gli ingegneri Hitachi sono stati parte integrante dell'analisi di commutazione in piano (IPS) tecnologia in matrici attive TFT, un concetto che amplierebbe gli angoli di visualizzazione dei dispositivi che utilizzavano questa tecnica, in particolare gli LCD a grande schermo. Un'altra tecnica sviluppata negli anni '90 era il multidominio allineamento verticale (MVA), sviluppato da Samsung. Entrambe le tecniche IPS e MVA sono cresciute in popolarità grazie alle loro capacità di ampliare gli angoli di visualizzazione, rendendo i display più desiderabili e utili. Con il procedere di questa ricerca, l'industria degli LCD, precedentemente centrata in Giappone, ha iniziato ad espandersi ea spostarsi verso la Corea del Sud, Taiwan e successivamente anche la Cina.

 

Quando sono diventati popolari i monitor LCD? 

Quando siamo entrati nel nuovo secolo, l'importanza degli LCD è esplosa. Nel 2007 hanno superato i display a tubo catodico (CRT) precedentemente popolari sia nella qualità dell'immagine che nelle vendite in tutto il mondo. Altri sviluppi hanno continuato a essere realizzati, come la produzione di display ancora più grandi, l'adozione di materiali trasparenti e flessibili per l'hardware LCD , e la creazione di più metodi per ampliare gli angoli di visione (O-film).

 

Come funziona un LCD?

Ad oggi, i display LCD si sono sviluppati un po', ma sono rimasti coerenti nella struttura. Illuminato da una retroilluminazione, il display è costituito da, dal più esterno al più interno due polarizzatori, due substrati (tipicamente vetro), elettrodi e lo strato di cristalli liquidi. A volte c'è anche un filtro colore più vicino alla superficie, che utilizza uno schema RGB. Quando la luce passa attraverso il polarizzatore più vicino alla retroilluminazione, entra nello strato di cristalli liquidi. Ora, a seconda che sia presente un campo elettrico diretto dagli elettrodi, il cristallo liquido si comporterà diversamente. Sia che si utilizzi un LCD TN, IPS o MVS, il campo elettrico dell'elettrodo altererà l'orientamento delle molecole di cristalli liquidi per poi influenzare la polarizzazione della luce che passa. Se la luce è polarizzata correttamente, passerà completamente attraverso il filtro colorato e il polarizzatore di superficie, visualizzando un determinato colore. Se parzialmente polarizzato correttamente, visualizzerà un livello di luce medio o un colore meno brillante. Se non polarizzata correttamente, la luce non oltrepasserà la superficie e non verrà visualizzato alcun colore.

 

Le pietre miliari della tecnologia LCD sono elencate di seguito,

1888: Friedrich Reinitzer, un botanico austriaco scopre il fenomeno della transizione di fase dei cristalli liquidi

1889: Otto Lehmann, fisico in Germania, conia il termine “cristallo liquido”

1911: Charles Mauguin, dell'Università di Parigi, scopre l'esclusivo allineamento che il materiale a cristalli liquidi adotta su varie superfici.

1922: Georges Friedel in Francia chiamò le tre principali fasi dei cristalli liquidi smectica, nematica e colesterica.

1927: Vsevolod Frederiks in russo ideò la valvola della luce elettricamente commutata, chiamata transizione Fréedericksz, l'effetto essenziale di tutta la tecnologia LCD.

1929: Zocher e Birstein in Germania studiano per la prima volta gli effetti dei campi magnetici ed elettrici sui cristalli liquidi.

1936: Barnett Levin e Nyman Levin, Marconi Wireless Telegraph Company in Inghilterra, ottengono il primo brevetto su una valvola per luce a cristalli liquidi.

1959: Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng dei Bell Labs inventano il MOSFET (transistor ad effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo).

1962: Paul Weimer sviluppa il primo transistor a film sottile (TFT) presso il David Sarnoff Research Center della RCA.

1962: George Gray, Università di Hull in Inghilterra, pubblica il primo libro sulla struttura e le proprietà dei cristalli liquidi.

1963: Richard Williams ha riportato la formazione di domini in un cristallo liquido nematico sotto eccitazione elettrica.

1966: Joseph Castellano e Joel Goldmacher hanno sviluppato il primo materiale a cristalli liquidi di cianobifenili che funzionava a temperatura ambiente o inferiore.

1967: Bernard Lechner, Frank Marlowe, Edward Nester e Juri Tults costruiscono il primo LCD per funzionare a velocità televisive utilizzando transistor MOS discreti collegati al dispositivo.

1968: Un gruppo di ricerca presso i laboratori RCA negli Stati Uniti, guidato da George Heilmeier, sviluppa i primi LCD basati su DSM (modalità di diffusione dinamica) e il primo LCD bistabile utilizzando una miscela di cristalli liquidi colesterici e nematici. Il risultato ha innescato uno sforzo mondiale per sviluppare ulteriormente gli LCD. George H. Heilmeier è stato inserito nella National Inventors Hall of Fame e accreditato dell'invenzione degli LCD. Il lavoro di Heilmeier è una pietra miliare IEEE.

1969: James Fergason, direttore associato del Liquid Crystal Institute presso la Kent State University in Ohio, scopre l'effetto di campo TN (twisted nematic).

Nel 1979, Peter Le Comber e Walter Spear dell'Università di Dundee scoprirono che i transistor a film sottile di silicio amorfo idrogenato (Alpha-Si:H) erano adatti per pilotare LCD. Questa è la principale svolta che ha portato alla televisione LCD e ai display dei computer.

1970: Hosiden e NEC costruiscono il primo LCD utilizzando una struttura di elettrodi complanari per la commutazione in piano (IPS)

1970: Nunzio Luce di Optel Corporatoin, Princeton, New Jersey progetta il primo chip di circuito integrato per un orologio LCD.

1972: S. Kobayashi in Giappone produce il primo LCD privo di difetti.

1972: Tadashi Sasaki e Tomio Wada della Sharp Corporation costruiscono un prototipo di calcolatrice da tavolo con un LCD a diffusione dinamica e avviano un programma per costruire la prima calcolatrice portatile veramente portatile.

1972: Wolfgang Helfrich e Martin Schadt alla Hoffmann La Roche costruiscono il primo dispositivo LCD nematico ritorto (TN).

1972: Sun Lu e Derek Jones alla Riker-Maxson di New York costruiscono il primo orologio digitale utilizzando il twisted nematic (TN).

1973: G. Gray di BDH Ltd nel Regno Unito ha inventato il materiale a cristalli liquidi bifenile, che consente migliori prestazioni operative e produzione di LCD a basso costo.

Composti bifenilici nella miscela E-7, i materiali più famosi e ampiamente utilizzati nella prima produzione di LCD.

1975: Ludwig Pohl, Rudolf Eidenshink di E.Merck ha sviluppato materiali a cristalli liquidi non estere, cianofenilcicloesano che erano più stabili e sono stati ampiamente utilizzati negli LCD TFT (Thin Film Transistor).

Canofenilcicloesani sviluppato da E.Merck

 

Cella a transistor a film sottile (TFT)

1983: Colin Waters, V.Brimmel e Peter Raynes alla RSRE in Inghilterra hanno mostrato un LCD nematico supercontorto, ospite ospite.

1983: Shinji Morozumi a Suwa Seikosha ha presentato il primo televisore LCD a colori commerciale al mondo con un 2 pollici LCD TN pilotato da una matrice attiva di transistor a film sottile di Si policristallino. Questa è stata una pietra miliare nello sviluppo degli LCD e ha dato il via alla spinta verso schermi più grandi.

1985: Terry Scheffer e Jurgen Nehring a Brown Boveri in Svizzera costruirono il primo effetto di campo STN (super twisted nematic).

1988: Hiroshi Take, Kozo Yano e Isamu Washizuka presso gli Sharp Laboratories in Giappone costruiscono il primo LCD a matrice attiva a colori da 14 pollici privo di difetti realizzato con Si TFT amorfo.

1992: Hitachi sviluppa dispositivi LCD In-plane Switching (IPS) e Super IPS.

1996: Samsung ha sviluppato la tecnica del pattern ottico che consente l'LCD multidominio. Multi-dominio e In Plane Switching successivamente rimangono i progetti LCD dominanti fino al 2006.

2001: Samsung produce LCD TFT da 42 pollici.

2002: LCD ha superato CRT come monitor desktop.

2007: la qualità dell'immagine dei televisori LCD ha superato la qualità dell'immagine dei televisori a tubo catodico (CRT). Nel quarto trimestre del 2007, i televisori LCD hanno superato per la prima volta i televisori CRT nelle vendite mondiali.

 

Storia della generazione del vetro madre

Generazione Lunghezza [mm] Altezza [mm] Anno di presentazione
GEN 1 200-300 200-400 1990
GEN 2 370 470
GEN 3 550 650 1996-1998
GEN 3.5 600 720 1996
GEN 4 680 880 2000-2002
GEN 4.5 730 920 2000-2004
GEN 5 1100 1250-1300 2002-2004
GEN 6 1500 1800-1850 2002-2004
GEN 7 1870 2200 2006
GEN 7.5 1950 2250
GEN 8 2160 2460
GEN 8.5 2200 2500
GEN 10 2880 3130 2009
GEN 10.5 (noto anche come GEN 11) 2940 3370 2018 [26]

 

Generazione delle dimensioni del pannello

 

Riferimenti:

1, Liquid Gold: La storia dei display a cristalli liquidi e la creazione di un'industria, Joseph A. Castellano, 2005 World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., ISBN 981-238-956-3.

2, Kawamoto, Hiroshi (2002). "La storia degli schermi a cristalli liquidi" . Atti dell'IEEE. 90 (4): 460–500. doi:10.1109/JPROC.2002.1002521.

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