液晶：発見から日常の画面まで

テレビの明確な写真、携帯電話の明るいディスプレイ、デジタル看板のカラフルな画面はすべて同じソースから来る世界を想像してください。この世界は、液晶の科学のおかげであり、固体と液体の両方のように作用する特別な材料です。液晶は1世紀以上前に発見され、その後、最新のディスプレイテクノロジーのバックボーンになりました。2回溶けたように見える物質の奇妙な観察として始まったものは、毎日使用している高度な液晶ディスプレイ（LCD）に成長しました。この記事では、発見、成長、および液晶の多くの用途を探り、かつてこのかつて神秘的な素材が私たちの日常生活の共通の部分になったかを示します。

カタログ

図1：顕微鏡下の液晶のクローズアップ画像

液晶の発見

液晶の物語は、1888年にオーストリアの植物学者であるフリードリッヒ・レニッツァーがニンジンで見られるコレステリル・ベンゾテートと呼ばれる化合物を実験していたときに始まりました。彼の研究の間に、Reinitzerは何か異常なことに気づきました。彼が化合物を加熱すると、それは2回溶けているように見えました。まず、294°F（145°C）で、物質は曇りの液体に溶けました。次に、温度が353°F（179°C）に上昇すると、透明な液体になりました。これをさらに魅力的にしたのは、曇りの液体が光とどのように相互作用したかということでした。それは偏光光を反映し、その方向を変えることさえできます。

彼が見ているものがわからないため、Reinitzerはドイツの物理学者であるOtto Lehmannに助けを求めました。Lehmannの顕微鏡の下で、曇りの液体は、材料に液体と固体の両方の品質があることを示唆する小さな構造を示しました。それは液体のように流れましたが、固体のような組織化された構造もありました。リーマンの継続的な研究により、彼は重要な結論に至りました。これは新しい物質状態であり、彼は「液晶」と呼んでいました。

液晶とそのアプリケーションを理解する

液晶は、固体と液体の両方の品質を持つ特別な材料です。ラボで見つかっただけではありません。また、多くの天然物質にも見られます。たとえば、液晶は、甲虫の殻、DNA、人間の骨、木材、さらにはスラッグスライムに存在します。科学者はこれらの資料に魅了されており、テクノロジーでどのように使用できるかを調べるために深く研究しています。

RCA Laboratoriesの化学者Richard Williamsのおかげで、1960年代初頭に液晶を理解するための大きな前進が起こりました。彼は、電界を液晶の薄い層に塗布すると、後に「ウィリアムズのドメイン」と呼ばれる縞模様のパターンを形成したことに気付きました。この発見は、液晶ディスプレイ（LCD）テクノロジーの開発において大きな役割を果たしました。

しかし、問題がありました。液晶は、適切に機能するために高温を必要としていたため、日常の電子機器で使用するのが難しくなりました。高温により、この技術を現実の世界に持ち込むことは困難になりました。

この課題は、RCAのもう1人の科学者であるジョエル・H・ハイルマイヤーが化学者のジョエル・E・ゴールドマッハーとジョセフ・A・カステラーノと協力したジョージ・H・ハイルマイヤーによって最終的に克服されました。彼らは、液晶分子の構造を変更することで、特に炭素原子の数を調整することにより、液晶を室温で動作させることができることを発見しました。この発見により、彼らは日常の電子機器で使用できる最初の液晶ディスプレイを作成することができました。

室温で動作する能力により、液晶技術を広く使用できるようになりました。今日、LCDはテレビ、コンピューターモニター、スマートフォン、デジタル時計など、いたるところにあります。液晶技術の開発は、慎重な研究と問題解決が私たちの生き方を変える新しい発明にどのようにつながるかを示しています。

LCDテクノロジーの早期開発

液晶ディスプレイ（LCD）テクノロジーの早期開発は、動的散乱モード（DSM）と呼ばれる方法の使用から始まりました。この方法は、電荷を液晶分子に適用することで機能し、液晶分子がシフトして光を散乱させました。この光の散乱により、可視画像が作成され、DSMが最初の作業LCDの基礎となりました。1969年、RCAは、アニメーション広告ディスプレイ、グレアを減らすバックミラー、ガソリンポンプの読み取りなど、最初の商用LCD製品を導入しました。これらの初期の使用は、LCDテクノロジーが何ができるかを示し、さらに改善するための段階を設定しました。

同時に、James FergasonとWestinghouse Electric Corporationの彼のチームは、液晶の熱関連特性の研究を進めていました。彼らの研究は、液晶の温度計や光学イメージングのためのデバイスなどの新しいアイデアにつながりました。ファーガソンはそこで止まりませんでした。彼は、LCD市場で大きな役割を果たした国際液晶会社（ILIXCO）を開始しました。Ilixcoの注目すべき製品の1つは、最初のLCDウォッチでした。これは、LCDテクノロジーがどれほど有用で市場性のあるテクノロジーが可能かを示した製品です。

LCDはどのように機能しますか？

図2：LCDの層と成分の図（液晶ディスプレイ）

画像は、液晶ディスプレイ（LCD）がどのように組み立てられているか、そして画面に写真を作成するためにどのように機能するかを示しています。正面にはベゼルがあり、ディスプレイを所定の位置に保持するフレームです。ベゼルの後ろには、ディスプレイを使用するときに触れる保護層であるカバーガラスがあります。カバーガラスの下には、表示されている画像が形成されているディスプレイ面があります。

ディスプレイ面の下には、RGBカラーフィルターがあり、光を赤、緑、青の部品に分割します。これらの色はさまざまな方法で混ざり合って、画面上の色の全範囲を作成します。液晶層はこのフィルターの下にあります。この層の液晶は、電気によって制御されており、その位置がブロックまたは光を通過するように変化します。液晶層の周りの偏光層は、通過する光の管理に役立ちます。

ディスプレイの背面にはバックライトがあり、画面が点灯します。一部のデザインには、バックライトの後ろにミラーがあり、画面に光をバウンスし、明るくします。

LCDは、これらのレイヤーを通過する方法を制御して画像を作成することで機能します。ピクセルと呼ばれる画面上の各小さなドットは、画像のRGBカラーフィルターで示されるように、3つの小さな部分（サブピクセル）に分割されます。各サブピクセルがどれだけ明るかを調整することにより、画面に異なる色を表示できます。

画像の背面に示されているバックライトは、画面のレイヤーに光を当てます。電流の影響を受ける液晶は、光がどれだけの光を通過するかを決定します。これは、表示される画像の明るさと色に影響を与えます。画像は、バックライトからRGBフィルターまでの各パーツが、画面上に最終画像を作成するために一緒に動作する方法を明確に示しています。

LCDテクノロジーには、パッシブマトリックスとアクティブマトリックスの2つの主要なタイプがあります。

図3：パッシブマトリックスLCDピクセルグリッド

パッシブマトリックスLCDでは、ピクセルがグリッドに配置され、各ピクセルで水平線と垂直線が交差します。垂直線は垂直電極と呼ばれ、水平線は水平電極と呼ばれます。これらの電極は、LCDの構造をサポートする基質層に接続されています。

特定の列と柱に電気が適用されると、その交差点の電極はその特定のピクセルで液晶を活性化します。液晶は、電荷に応じてアライメントを変更し、光が通過するかブロックできるようにします。次に、このライトはカラーフィルターを通過して、目的の色を作成します。

液晶層の1つの前と1つ後の偏光子層は、光の向きを制御するのに役立ちます。光がこれらの偏光子と液晶層を通過すると、画像が形成され始めます。このプロセスでは、グリッド全体を行ごとにスキャンする必要があります。これにより、ディスプレイの応答時間が遅くなる可能性があります。

この列ごとのスキャン方法により、パッシブマトリックスLCDは応答時間が遅くなる傾向があります。これにより、動きが速い画像のぼやきにつながる可能性があり、これらのディスプレイは、シャープで高品質のビジュアルを必要とするタスクにはあまり適していません。

図4：薄膜トランジスタ（TFT）構造を備えたアクティブマトリックスLCD

シンフィルムトランジスタ（TFT）ディスプレイとしても知られるアクティブマトリックスLCDでは、画面内の各ピクセルには独自のトランジスタとコンデンサがあります。これらのコンポーネントはガラス基板に組み込まれており、各ピクセルでの液晶のアライメントを正確に制御する小さなスイッチとして機能します。

トランジスタは、データラインとアドレスラインとして知られている垂直および水平電極に接続されています。電気がこれらのラインを流れると、トランジスタが作動し、特定のピクセルで液晶を制御します。図の排水電極とソース電極は、電流がトランジスタに入って出る場所を示しています。

このセットアップにより、パッシブマトリックスLCDのように行ごとに行をスキャンするのではなく、各ピクセルを個別に制御できます。その結果、画面は画像をより迅速かつより正確に変更し、動きが速いコンテンツを表示する場合でも、より鮮明でより明確な画像になります。

偏光子とディフューザーは、バックライトから来る光を管理するために使用されます。偏光子は光の方向を制御し、ディフューザーは画面全体に光を均等に広げます。次に、カラーフィルターがライトを調整して適切な色を生成します。

この個々のピクセル制御により、アクティブマトリックスLCDははるかに高速で、パッシブマトリックスLCDよりも高品質の画像を生成します。これにより、高解像度のディスプレイやデバイスに適したデバイスに適しています。

さまざまなタイプのLCD

液晶ディスプレイ（LCD）にはさまざまな形があり、それぞれに特定のタスクに適したユニークな機能があります。主なタイプには、ツイストネマチック（TN）、面内スイッチング（IPS）、垂直アライメント（VA）、および高度なフリンジフィールドスイッチング（AFF）が含まれます。これらのタイプの違いを理解することは、ニーズに合った適切なディスプレイを選択するのに役立ちます。

ねじれたネマチック（TN）LCDS

図5：ねじれたネマチック（TN）LCDディスプレイ構造

ねじれたネマチック（TN）ディスプレイは、特により手頃な価格のデバイスで、広く使用されているLCDです。これらのディスプレイは、画面を通過する光を制御するために層間で液晶分子をねじることで機能します。

TNディスプレイでは、透明な電極に電気が適用されると、液晶がねじれ、光が通過するかブロックされます。液晶がねじれていると、光が両方の偏光子を通過し、明るいまたは白いディスプレイが生じます。結晶がねじれていないとき、それらは光をブロックし、暗いまたは黒のディスプレイにつながります。このねじれと意欲的なプロセスは迅速に発生するため、TNパネルは速い応答時間で知られています。これにより、動画ゲームなどの動きの速いコンテンツに適しています。このコンテンツでは、モーションブラーを削減する必要があります。

TNディスプレイも生産するのに安価であり、予算に優しいデバイスで一般的になります。ただし、いくつかの欠点があります。TNパネルは、多くの場合、色の精度、コントラスト、および視聴角度に苦労しています。サイドまたは角度で画面を表示すると、画像が色あせたり洗い流されたりする可能性があります。これらの欠点にもかかわらず、TNパネルは、迅速な応答時間と手頃な価格のために依然として人気があります。

面内スイッチング（IPS）LCD

図6：面内スイッチング（IPS）LCDディスプレイ構造

面内スイッチング（IPS）LCDでは、液晶は画面に平行に並んで並んでいます。それらは2つの透明電極の間に配置されます。電圧がない場合、液晶は光をブロックし、黒いディスプレイを作成します。電圧が加えられると、結晶が移動して光を通過させ、白いディスプレイになります。上部と下部の偏光子は、液晶を通して光を向けて画像を形成するのに役立ちます。

TNパネルの問題のいくつかを解決するために、面内スイッチング（IPS）テクノロジーが作成されました。IPSディスプレイでは、液晶はTNディスプレイのようにねじれる代わりに左右に移動します。この左右の動きは、画面がより正確に色を表示するのに役立ち、異なる角度から表示された場合でも、画像を明確に保ちます。このため、IPSパネルは、グラフィックデザイン、写真、ビデオ編集用のモニターなど、優れた画質が必要なデバイスで一般的に使用されています。

ただし、IPSディスプレイは通常、TNパネルよりも応答時間が遅くなるため、画像の更新に時間がかかる場合があります。また、生産するのに高価です。さらに、IPSパネルは、特定の角度から、特に暗い設定で表示されると、端にわずかな輝きを示すことがあります。これらの欠点にもかかわらず、IPSテクノロジーは、さまざまな視聴角からより優れた色の精度と一貫した画像の明確さを提供するため、広く使用されています。

垂直アライメント（VA）LCDS

図7：垂直アライメント（VA）LCDディスプレイ構造

垂直アライメント（VA）LCDでは、画面がオフになっているときに液晶分子が直立し、光がブロックされます。画面がオンになっているとき、これらの分子は傾斜して、光が通過できるようにします。オフ状態と上の状態間の分子のアライメントにおけるこの変化は、画面上に画像を作成します。液晶層の上下に配置された偏光子は、分子が傾斜したときに画像を形成するために正しい方向に光を導きます。

垂直アライメント（VA）LCDは、TNとIPSテクノロジーの間の中間地面を提供します。VAパネルでは、液晶分子は、画面がオフになったときに垂直に整列し、オンのときに傾斜し、光が通過することができます。VAディスプレイはより良いコントラストを提供します。つまり、TNとIPSパネルの両方に比べて、より深い黒とより鮮やかな色を生成します。これにより、彼らは映画を見たり、暗い部屋でゲームをしたりするのに適しています。

ただし、VAパネルはTNパネルよりも優れた色の精度と幅広い視聴角を提供しますが、これらの領域でのIPSディスプレイのパフォーマンスとは完全には一致しません。また、VAパネルはTNパネルよりも応答時間が遅くなる傾向がありますが、通常、IPSパネルよりも高速です。この機能のバランスにより、VAパネルは多くのユーザーにとって汎用性の高いオプションになります。

高度なフリンジフィールドスイッチング（AFF）LCD

図8：高度なフリンジフィールドスイッチング（AFF）LCDと比較した（面内切り替え）

高度なフリンジフィールドスイッチング（AFF）テクノロジーでは、電界は古いIPSディスプレイと比較して液晶とは異なる方法で相互作用します。IPSディスプレイでは、液晶が画面と平行に並んでおり、電界が適用されると、これらの結晶は光が画面を通過する方法を制御するために回転します。光は、極地やガラスのような層を通り抜け、液晶の配置方法により、光がどれだけ通過するかが決まり、ディスプレイの明るさと色に影響します。

AFFは、電界の適用方法を変更することにより、このプロセスを改善します。従来の方法を使用する代わりに、AFFは液晶全体で電界をより均等かつ正確に適用します。この方法により、光の漏れが減少し、液晶をより適切に制御でき、画面全体のより正確な色と一貫した輝度をもたらします。これにより、明るい領域と暗い領域の違いが強い、より鮮やかな色とより明確な画像を表示するディスプレイが表示されます。

AFFテクノロジーでガラス層、ポラリザー、およびアナライザーを使用すると、画面を通過する光がさらに改善され、最終画像がより明るくだけでなく、より正確であることを確認します。この光と色の正確な制御により、AFFは、画質が主な焦点であるハイエンド用途に適した選択肢を表示します。

LCD対OLED対QLED

ディスプレイテクノロジーについて話すとき、LCD（液晶ディスプレイ）は長い間存在しています。ただし、OLED（オーガニック発光ダイオード）やQLED（Quantum Dot LED）などの新しいオプションは、一部の領域でより良いパフォーマンスを提供するため、より一般的になりつつあります。これらのテクノロジーのそれぞれがうまくいき、どこで不足しているのかを理解するには、それらがどのように機能し、何がテーブルにもたらされるかを見るのに役立ちます。

LCD（液晶ディスプレイ）

図9：重要なコンポーネントを備えたLCD（液晶ディスプレイ）の構造

LCD画面は、表示される画像を作成するために連携するいくつかのレイヤーで構成されています。それは、異なるレイヤーを通して白い光を輝かせるバックライトから始まります。偏光フィルターは、光の動き方を制御するために、前面と背面に配置されます。中央の液晶層は、それ自体で光を生成しません。代わりに、それはブロックしたり、光を通過させることができる小さなシャッターのように機能します。液晶は、TFT（薄膜トランジスタ）層によって制御され、画面のどの部分が明るいか暗いかを決定します。次に、カラーフィルターレイヤーが光に赤、緑、青の色を加え、画面に表示される色の全範囲を作成します。最後に、画面は内側の部分を保護するガラス層で覆われています。

LCDは、長年にわたって画面に最も使用されている技術でした。彼らは、液晶の層を通して輝くバックライトを使用して機能します。これらのクリスタルは独自の光を作成するものではありませんが、ブロッキングまたは光が通過できるようにする小さなシャッターのように動作します。LCDの利点の1つは、それらが安価で広く利用可能であることです。また、電力を効率的に使用します。ただし、新しい画面テクノロジーと比較して、LCDにはいくつかの欠点があります。たとえば、コントラストはそれほど多くありません。つまり、画像の最も暗い部分と最も明るい部分の違いはそれほど明確ではありません。LCDはバックライトに依存しているため、真の黒を表示することはできません。画面上のブラックエリアは、常に光が通り抜けるため、ダークグレーのように見えるかもしれません。

OLED（有機排出ダイオード）

図10：OLED（有機排出ダイオード）ディスプレイの構造

OLEDテクノロジーでは、各ピクセルは、透明な導体と金属カソードの間に配置された有機層で構成されています。電流がこれらの層を流れると、それらは自分で点灯します。これは、各ピクセルを個別に制御できることを意味します。これには、完全にオフにする能力が含まれ、深い黒が生成されます。ガラス基板は、層のサポートと構造を提供します。

OLEDは、LCDテクノロジーからのステップアップです。OLEDディスプレイでは、電気が流れると、各ピクセルが単独で点灯できます。これにより、OLEDスクリーンは黒を表示するときに特定のピクセルを完全にオフにし、より暗い黒とより良いコントラストにつながります。これが、OLEDスクリーンが鋭く鮮やかな画像で知られている理由です。

OLEDスクリーンは、曲線や折りたたみ式スクリーンなどの新しいデザインが可能になったLCDよりも薄く柔軟です。しかし、OLEDスクリーンにはいくつかの欠点があります。通常、生産するのに高価です。つまり、それらを使用するデバイスもコストがかかります。さらに、OLEDスクリーンはバーンインに苦しむ可能性があります。この場合、画面に長い間画面に残っているのが残り、幽霊のような画像が残る可能性があります。これらの問題にもかかわらず、深い黒と明るい色を表示する能力により、OLEDはハイエンドスクリーンに人気のある選択肢になります。

QLED（Quantum Dot LED）

図11：QLEDディスプレイの構造

QLEDテクノロジーでは、量子ドットと呼ばれる小さな粒子の特別な層が、LEDバックライトとスクリーンの間に配置されます。これらの量子ドットは、色と明るさを改善するのに役立ち、ディスプレイをより鮮やかで正確にします。酸化物層は構造をサポートし、青色の自己排出層とQD（Quantum Dot）層が連携して画面を通過するライトを強化し、特に明るい環境では豊富な色の最終画像を作成します。

QLEDは、主にSamsungが開発したテクノロジーであり、OLEDのような完全に新しいテクノロジーではなく、LCDのアップグレードです。QLEDスクリーンは、LEDバックライトと画面の間にある量子ドットと呼ばれる小さな粒子の特別な層を使用します。これらの量子ドットは、色と明るさを改善し、特に明るい部屋では、より明るく正確な色を示すQLEDスクリーンを向上させます。

QLED画面のもう1つの利点は、OLEDと比較してバーンインに苦しむ可能性が低いことです。つまり、静的画像からマークを表示せずに長持ちする可能性があります。ただし、QLED画面にはバックライトが必要なため、OLEDスクリーンの深い黒とコントラストを達成することはできません。

液晶ディスプレイの未来

OLEDやQLEDなどの新しいテクノロジーがより一般的になったとしても、エネルギーをより効率的に作るためにコストがかからないため、液晶ディスプレイ（LCD）が依然として広く使用されています。LCDは時間の経過とともに大幅に改善されており、今日の多くのデバイスで見られる鋭く、明るく、カラフルな画面を提供します。彼らは、液晶を使用してバックライトから光を制御することで機能します。これにより、表示される画像が作成されます。OLEDSはより深い黒人とより良いコントラストを提供しますが、LCDは明るい画像にはより少ない電力を使用しているため、バッテリーの寿命を節約する必要があるラップトップのようなデバイスに適しています。

先を見据えて、LCDテクノロジーは、ミニ主導のバックライトやマイクロレッドのバックライトなどの新しいアイデアで良くなり続けることが期待されています。また、柔軟でシースルーなLCDは、ウェアラブルデバイスやスマートウィンドウなどの新しい用途につながる可能性があります。スクリーンだけを超えて、液晶は他の種類の電子機器でも使用される可能性があります。つまり、将来のテクノロジーで役割を果たし続ける可能性があります。

結論

液晶技術の成長は、発見、創造性、継続的な改善の驚くべき物語です。2つの段階で溶けたクリスタルのフリードリッヒ・リネッツァーによる驚くべき発見から、多くのデバイスでのLCDの広範な使用まで、液晶はテクノロジーの見方と使用方法を変えました。OLEDやQLEDなどの新しいディスプレイテクノロジーはエキサイティングな新機能をもたらしますが、LCDはまだ良くなっており、多くの種類の画面に適しているため、引き続き使用されています。未来に目を向けると、液晶が新しい方法で使用される可能性が多く、視覚体験で大きな役割を果たし続けるようにします。私たちが毎日使用している画面でも、まだ来ていない新しいテクノロジーでも、液晶の物語は終わりからはほど遠いものであり、人間の進歩を促進する創造性と好奇心を反映し続けます。

よくある質問[FAQ]

1.液晶はどのように作られていますか？

液晶は、特定の特徴を備えた特別な有機分子を設計および製造することにより作成されます。これらの分子は通常、柔軟な部分を備えた硬いロッドのような形状を持っています。適切な温度や濃度のように適切な条件下で結合すると、分子は液体と固体の両方のように作用し、液晶状態を形成する方法で並んでいます。

2.液晶の機能は何ですか？

液晶は、主に光がそれらを通過する方法を制御します。ディスプレイでは、電流が適用されたときにアライメントを変更することにより、画像の作成に役立ちます。液晶は、温度や電界などにさらされると特性を変更できるため、センサー、温度計、光学装置でも使用されます。

3.液晶の短い定義は何ですか？

液晶は、液体と固体の両方のように振る舞う材料であり、分子は液体よりも秩序化されていますが、固体よりも秩序が少ないです。

4.液晶の特徴は何ですか？

液晶は、固体と同様に、ある程度の順序を維持しながら、液体のように流れることがあります。電流や温度の変化にさらされると、アライメントを変更できます。これにより、光との相互作用が変化します。また、異なる速度で移動する2つのビームに光を分割する機能もあります。

5.液晶の応用は何ですか？

液晶は、主にテレビ、コンピューター、スマートフォンに見られるようなディスプレイ画面で使用されています。また、医療イメージングデバイス、温度計、調整可能なレンズ、光スイッチにも使用されます。液晶は、さまざまな条件に基づいて特性を変える一部のセンサーや高度な材料にも見られます。