تأثير المجال النيماتيكي الملتوي

في حالة الإيقاف، أي عند عدم وجود مجال كهربائي، تتخذ جزيئات البلورة السائلة النيماتية بنية ملتوية (تُعرف أيضًا بالبنية الحلزونية) بين لوحي الزجاج G في الشكل، واللذين يفصل بينهما عدة فواصل ومغطاة بأقطاب كهربائية شفافة E1 _و E2 _. الأقطاب الكهربائية نفسها مغطاة بطبقات محاذاة (غير موضحة) تعمل على تدوير البلورة السائلة بدقة بزاوية 90 درجة عند غياب أي مجال خارجي. يتم استقطاب الضوء الساقط أولًا بواسطة المستقطب الأول P2 _{. تُدير البنية الحلزونية للبلورة السائلة استقطاب الضوء بزاوية 90} درجة، مما يسمح للضوء بالاستقطاب بشكل صحيح ليمر عبر المستقطب الثاني P1 ، المُضبوط بزاوية 90 درجة بالنسبة للأول. ونظرًا لمرور الضوء عبر الخلية، تظهر البكسل I شفافة.

في حالة التشغيل، أي عند تطبيق مجال كهربائي كافٍ بين القطبين، تصطف جزيئات البلورة في اتجاه هذا المجال. وبدون التكوين الحلزوني للبلورة السائلة لإعادة توجيه زاوية استقطاب الضوء، يتم حجب الضوء المستقطب من المستقطب P2 بواسطة المستقطب P1 _{، لذا} تبدو البكسل I معتمة.

لا يلزم التيار إلا لشحن وتفريغ سعة خلية الكريستال السائل المقابلة، وهو ما يحدث فقط عند تغير الجهد المطبق. ولا يلزم التيار للحفاظ على المجال الكهربائي، لأنه لا يمر تيار (نظريًا) عبر طبقة الكريستال السائل. لذا، تستهلك شاشات الكريستال السائل طاقة ضئيلة جدًا .

مع ذلك، قد يلزم عكس اتجاه المجال الكهربائي دوريًا أثناء حالة التشغيل باستخدام جهد متناوب للتشغيل بالتيار المتردد ، لأن إبقاء المجال الكهربائي في اتجاه واحد لفترة طويلة جدًا أثناء حالة التشغيل (أو وجود مكون تيار مستمر صغير يصل إلى 50  ملي فولت في جهد التيار المتردد) قد يتسبب في تفاعلات كهروكيميائية تقلل من عمر الخلية. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يمكن التحكم في درجة العتامة بتغيير الجهد الكهربائي. عند جهد أقل من عتبة معينة، تعتمد على تركيبة البلورات السائلة، لا يحدث أي تغيير مرئي. عند جهود قريبة من العتبة، لا تعيد بعض البلورات ترتيب نفسها، فتصبح الخلية شفافة في معظمها ولكنها بالكاد مرئية. مع زيادة الجهد، يعيد المزيد من البلورات ترتيب نفسه حتى تصل الخلية إلى أقصى درجة عتامة. في عام ١٩٧٢، طُوّرت تركيبات بجهد عتبة يبلغ ٠.٩  فولت RMS فقط ، ووصلت إلى ٩٠٪ من أقصى درجة عتامة عند ١.٤  فولت RMS. ^{[ ٣ ]}

في عام ١٩٦٢، بدأ ريتشارد ويليامز، الكيميائي الفيزيائي العامل في مختبرات آر سي إيه ، البحث عن ظواهر فيزيائية جديدة قد تُسفر عن تقنية عرض لا تعتمد على الصمامات المفرغة. وإدراكًا منه لسلسلة الأبحاث الطويلة المتعلقة بالبلورات السائلة النيماتية، بدأ تجاربه على مركب بارا-أزوكسي أنيسول، الذي تبلغ درجة انصهاره ١١٥ درجة مئوية (٢٣٩ درجة فهرنهايت) . أجرى ويليامز تجاربه على منصة مجهر مُسخّنة، واضعًا العينات بين أقطاب كهربائية شفافة من أكسيد القصدير على ألواح زجاجية عند درجة حرارة ١٢٥ درجة مئوية (٢٥٧ درجة فهرنهايت) . اكتشف أن تطبيق مجال كهربائي قوي جدًا عبر الطبقات يُؤدي إلى تكوّن أنماط مُخطّطة، سُمّيت لاحقًا "مجالات ويليامز". ^{[ ٤ ]} كان المجال المطلوب حوالي ١٠٠٠ فولت لكل سنتيمتر، وهو مستوى عالٍ جدًا بالنسبة لجهاز عملي. وإدراكًا منه أن التطوير سيستغرق وقتًا طويلًا، سلّم البحث إلى الفيزيائي جورج هايلماير وانتقل إلى أعمال أخرى.    

في عام 1964، اكتشف جورج هـ. هايلماير من شركة RCA ، بالتعاون مع لويس زانوني والكيميائي لوسيان بارتون، إمكانية تحويل بعض البلورات السائلة بين حالة شفافة وحالة معتمة ذات تشتت عالٍ للضوء، وذلك بتطبيق تيار كهربائي. وكان التشتت في الغالب أماميًا، داخل البلورة، وليس خلفيًا باتجاه مصدر الضوء. وبوضع عاكس على الجانب البعيد من البلورة، أمكن تشغيل الضوء الساقط أو إيقافه كهربائيًا، مما أدى إلى ما أطلق عليه هايلماير اسم " التشتت الديناميكي" . وفي عام 1965، سعى جوزيف كاستيلانو وجويل غولدماخر، وهما كيميائيان عضويان، إلى إيجاد بلورات تبقى في الحالة السائلة عند درجة حرارة الغرفة. وفي غضون ستة أشهر، وجدا عددًا من البلورات المرشحة، ومع مزيد من التطوير، تمكنت شركة RCA من الإعلان عن أولى شاشات العرض البلورية السائلة في عام 1968. ^{[ 4 ]}

على الرغم من نجاحها، تطلبت شاشات العرض الديناميكية ذات التشتت تدفقًا مستمرًا للتيار عبر الجهاز، بالإضافة إلى فولتية عالية نسبيًا. هذا ما جعلها غير مناسبة للاستخدام في التطبيقات منخفضة الطاقة، حيث كان يُستخدم هذا النوع من الشاشات بكثرة. ولأن شاشات الكريستال السائل (LCD) لا تتمتع بإضاءة ذاتية، فقد تطلبت أيضًا إضاءة خارجية لاستخدامها في ظروف الإضاءة المنخفضة، مما زاد من عدم جاذبية تقنيات العرض الحالية من حيث استهلاك الطاقة الإجمالي. ومن القيود الأخرى الحاجة إلى مرآة، مما حدّ من زوايا الرؤية. كان فريق RCA على دراية بهذه القيود، واستمر في تطوير مجموعة متنوعة من التقنيات.

اكتشف هايلماير أحد هذه التأثيرات المحتملة عام ١٩٦٤. فقد تمكن من جعل الأصباغ العضوية تلتصق بالبلورات السائلة، وتبقى في مكانها عند سحبها إلى وضعية محاذية بواسطة مجال خارجي. وعند تغيير الوضعية من محاذاة إلى أخرى، يكون الصبغ إما مرئيًا أو مخفيًا، مما ينتج عنه حالتان لونيتان تُعرفان بتأثير المضيف والضيف . توقف العمل على هذا النهج بعد إثبات تأثير التشتت الديناميكي بنجاح. ^{[ ٤ ]}

كان من بين الأساليب المحتملة الأخرى أسلوب البلورات السائلة الملتوية، الذي لاحظه الفيزيائي الفرنسي شارل فيكتور موغين لأول مرة عام ١٩١١. كان موغين يجري تجارب على مجموعة متنوعة من البلورات السائلة شبه الصلبة عندما لاحظ أنه يستطيع محاذاة البلورات بسحب قطعة من الورق عليها، مما يؤدي إلى استقطابها. ولاحظ لاحقًا أنه عندما وضع البلورة بين مستقطبين محاذيين، استطاع تدويرهما بالنسبة لبعضهما البعض، لكن الضوء استمر في المرور. لم يكن هذا متوقعًا. ففي الوضع الطبيعي، إذا كان مستقطبان محاذيين بزاوية قائمة، فلن يمر الضوء من خلالهما. استنتج موغين أن الضوء يُعاد استقطابه بفعل دوران البلورة نفسها. ^{[ ٤ ]}

أبدى الفيزيائي فولفغانغ هيلفريش ، الذي انضم إلى شركة آر سي إيه عام 1967، اهتمامًا بالبنية الملتوية التي ابتكرها ماوجين، ورأى إمكانية استخدامها في تصميم شاشة عرض إلكترونية. إلا أن شركة آر سي إيه لم تُبدِ اهتمامًا يُذكر، لاعتقادها بأن أي تأثير يستخدم مستقطبين سيتطلب امتصاصًا كبيرًا للضوء، ما يستلزم إضاءة ساطعة. في عام 1970، غادر هيلفريش شركة آر سي إيه وانضم إلى مختبرات الأبحاث المركزية التابعة لشركة هوفمان-لاروش في سويسرا ، حيث تعاون مع مارتن شادت ، الفيزيائي المتخصص في فيزياء المواد الصلبة. قام شادت ببناء عينة مزودة بأقطاب كهربائية ونسخة ملتوية من مادة بلورية سائلة تُسمى PEBAB (بارا-إيثوكسي بنزيليدين-بارا'-أمينوبنزونيتريل)، والتي كان هيلفريش قد نشر عنها دراسات سابقة في شركة آر سي إيه، وذلك ضمن تجاربهم على تفاعل المضيف والضيف. ^{[ 4 ]} عند تطبيق الجهد، يقوم PEBAB بمحاذاة نفسه على طول المجال، مما يؤدي إلى كسر البنية الملتوية وإعادة توجيه الاستقطاب، مما يجعل الخلية معتمة.

في ذلك الوقت، كانت شركة براون، بوفيري وشركاه (BBC) تعمل أيضًا على هذه الأجهزة كجزء من اتفاقية بحث طبي مشتركة سابقة مع شركة هوفمان-لاروش. ^{[ 5 ]} عرضت BBC عملها على فيزيائي أمريكي كان على صلة بجيمس فيرغاسون ، الخبير في البلورات السائلة في مختبرات ويستنغهاوس للأبحاث. كان فيرغاسون يعمل على تأثير TN لشاشات العرض، بعد أن أسس شركة ILIXCO لتسويق نتائج الأبحاث التي كان يجريها بالتعاون مع سرداري أرورا وألفريد ساوب في معهد البلورات السائلة بجامعة ولاية كينت. ^{[ 6 ]}

عندما وصلت أنباء العرض التوضيحي إلى هوفمان-لاروش، سارع هيلفريش وشادت إلى طلب براءة اختراع، والتي تم تقديمها في 4 ديسمبر 1970. ونُشرت نتائجهم الرسمية في مجلة Applied Physics Letters في 15 فبراير 1971. ولإثبات جدوى التأثير الجديد لشاشات العرض، قام شادت بتصنيع لوحة عرض مكونة من 4 أرقام في عام 1972. ^{[ 4 ]}

نشر فيرغاسون براءة اختراع مماثلة في الولايات المتحدة إما في 9 فبراير 1971 ^{[ 4 ]} أو 22 أبريل 1971 ^{[ 6 ]} . جاء ذلك بعد شهرين من تقديم طلب براءة الاختراع السويسرية، مما مهد الطريق لمواجهة قانونية استمرت ثلاث سنوات، انتهت بتسوية خارج المحكمة. وفي النهاية، حصل جميع الأطراف على حصة مما سيصبح ملايين الدولارات من العائدات.

كان مركب PEBAB عرضة للتلف عند تعرضه للماء أو المواد القلوية، مما استلزم تصنيعه بطريقة خاصة لتجنب التلوث. في عام 1972، طور فريق بقيادة جورج دبليو غراي نوعًا جديدًا من مركبات السيانوبيفينيل التي يمكن مزجها مع PEBAB لإنتاج مواد أقل تفاعلاً. ^{[ 7 ]} كما ساهمت هذه الإضافات في تقليل لزوجة السائل الناتج، مما أدى إلى تسريع أوقات الاستجابة، وفي الوقت نفسه جعلته أكثر شفافية، مما أنتج شاشة عرض بيضاء نقية.

أدى هذا العمل بدوره إلى اكتشاف فئة مختلفة تمامًا من البلورات النيماتية على يد لودفيج بول ورودولف إيدنشينك وزملائهم في شركة ميرك كيه جي إيه إيه في دارمشتات، تُسمى سيانوفينيل سيكلوهكسان . وسرعان ما أصبحت هذه البلورات أساسًا لجميع شاشات الكريستال السائل تقريبًا، ولا تزال تشكل جزءًا رئيسيًا من أعمال شركة ميرك حتى اليوم. ^{[ 8 ]}