Làm thế nào một nghị sĩ lừa đảo và một nhà khoa học xuất sắc đã tạo ra LCD cho màn hình phẳng

Trong một phòng thí nghiệm tại Đại học Hull cách đây 50 năm, một hợp chất hóa học mới đã được tạo ra, ảnh hưởng đến thế giới không kém gì bất kỳ loại thuốc, nhiên liệu hoặc vật liệu nào khác. Người chịu trách nhiệm cho sự phát minh thay đổi xã hội này là George Gray - những phân tử tinh thể lỏng mới của ông (hiện được biết đến với tên gọi 5CB) đã khiến cho màn hình hiển thị tinh thể lỏng (LCD) trở nên khả dụng và khởi động ngành công nghiệp màn hình phẳng có giá trị hàng tỷ đô la.

Câu chuyện bắt đầu vào năm 1967 khi John Stonehouse, một nghị sĩ và bộ trưởng Công nghệ dưới thời Thủ tướng Harold Wilson, thành lập một nhóm để phát triển một công nghệ chỉ mới xuất hiện trong Star Trek - một màn hình hiển thị phẳng đầy màu sắc.

Thật không may cho Stonehouse, tầm nhìn tuyệt vời của ông đã bị che phủ bởi nỗ lực (năm 1974) giả mạo cái chết của mình để tránh trừng phạt vì nhiều tội lừa đảo và làm giả chữ ký.

Nhưng trước khi quay lại với những nhân vật đầy màu sắc, hãy cùng nhau tìm hiểu về khoa học của LCD.

Pixel và ánh sáng

Crystal lỏng là một trạng thái của vật chất nằm giữa chất lỏng và chất rắn. Chúng chảy như một chất lỏng, trong khi các phân tử bên trong duy trì một số trật tự liên quan đến nhau, giống như trong một tinh thể. Các phân tử dài và mảnh ghép vào nhau theo một sắp xếp hình chữ nhật được sắp xếp hàng.

Quan trọng nhất, cấu trúc tinh thể lỏng này có thể tương tác với ánh sáng theo cách thú vị, và đây là chìa khóa của cách chúng hoạt động trong màn hình phẳng. Mỗi pixel trong một LCD bao gồm một nguồn sáng, thường là một đèn LED, và một lớp mỏng tinh thể lỏng nằm giữa hai bộ lọc mà các nhà khoa học mô tả là có phân cực.

Ánh sáng phát ra từ bóng đèn, LED hoặc Mặt Trời được biết đến là không phân cực, trong ý nghĩa rằng nó bao gồm các sóng di chuyển ra ngoại hướng theo nhiều hướng khác nhau. Theo đối chiếu, hãy tưởng tượng một nhóm học sinh đang vẫy dây nhảy. Một số sẽ vẫy dây lên và xuống và một số về phía bên, và một số ở góc giữa.

Bộ lọc phân cực đưa ra trật tự cho các sóng ánh sáng phát ra bằng cách chỉ cho phép sóng với một định hướng cụ thể đi qua. Ngoài LCD, bạn cũng thấy chúng trong một số kính râm, ví dụ. Nếu chúng ta quay trở lại với ví dụ về dây nhảy của chúng ta, hãy tưởng tượng rằng dây được đưa qua một cái cổng có thanh nằm ngang. Các thanh nằm song song của cổng chỉ cho phép các sóng di chuyển lên và xuống lan truyền, trong khi sóng từ tất cả các trẻ vẫy dây theo các hướng khác nhau bị hạn chế - đó là điều phân cực làm với ánh sáng.

Bây giờ hãy tưởng tượng bạn có hai bộ lọc phân cực. Bạn đặt một cái lên trên cái kia và giữ chúng lên ánh sáng. Như dự kiến, chúng cắt bớt một số ánh sáng đến mắt bạn. Bây giờ, trong khi giữ một cái trước cái kia, bạn xoay một bộ lọc 90 độ. Điều đặc biệt xảy ra - bây giờ chúng cắt tất cả ánh sáng và cùng nhau các bộ lọc trở nên mờ. Ở tư duy này, bộ lọc đầu tiên đang loại bỏ ánh sáng phân cực "hướng ngang", trong khi bộ lọc thứ hai loại bỏ ánh sáng "lên và xuống".

Tại trái tim của LCD là hai bộ lọc phân cực ở tư duy này.

Và bây giờ là chất crystal lỏng

Lớp mỏng chất crystal lỏng giữa các bộ lọc phân cực này làm một điều rather clever. Các phân tử xếp chồng theo hình dạng của một xoắn xoè xoắn xoẹt phân cực của ánh sáng, cho phép nó trượt qua bộ lọc thứ hai.

Còn một điều cần thiết để biến bánh mì của các bộ lọc phân cực và chất crystal lỏng thành một pixel trong một màn hình. Bạn cần một phương tiện để bật tắt tính chất xoắn xoẹt của chất crystal lỏng. Như vậy, bạn có thể kiểm soát xem một pixel có sáng hay tối.

Và, đây là nơi chúng ta trở lại với Stonehouse - vì ngay từ năm 1967, ông đã đẩy quả bóng để giải quyết vấn đề đó. Trong vai trò của mình tại Bộ Công nghệ, Stonehouse sớm nhận ra rằng Anh đang trả tiền cho người Mỹ nhiều hơn để sử dụng công nghệ ống tia cực màu của họ (trong những chiếc tivi và màn hình to lớn) trong các màn hình được sử dụng bởi quân đội so với số tiền Anh chi cho việc phát triển máy bay siêu thanh Concorde.

Điều này thuyết phục ông rằng Anh cần phải phát triển một bảng màn hình phẳng màu. Một nhóm làm việc chính phủ, do nhà vật lý Professor Cyril Hilsum dẫn đầu, họp với các chuyên gia trong các lĩnh vực chuyên môn của họ để quyết định những công nghệ nào nên nhận được nguồn tài trợ. Khi đến cuộc họp về chất crystal lỏng, chuyên gia được hỏi tại sao ánh sáng phản xạ từ lọ mẫu chất crystal lỏng của ông và tạo ra một mô hình kỳ lạ trên tường. Ông không thể trả lời - nhưng George Gray trẻ, một giảng viên hóa học từ Đại học Hull, có thể. Và khoảnh khắc lóe lên đó đã đưa anh ấy vào hợp đồng.

Trong vòng một năm, nhóm nghiên cứu của Gray đã phát triển một chất crystal lỏng ổn định, dễ sản xuất và, quan trọng nhất, bao gồm một điện tích dương ở một đầu. Điều này có nghĩa là một trường điện có thể được áp dụng vào một pixel, kéo phân tử mang điện tích để phá vỡ cấu trúc của chất crystal lỏng và biến pixel thành màu tối. Việc loại bỏ nguồn điện cho phép cấu trúc tái hình thành và pixel quay lại màu trắng.

Phân tử này được biết đến với tên gọi 4-Cyano-4’-pentylbiphenyl, hoặc gọi tắt là 5CB. Đến năm 1974, các thiết bị đầu tiên chứa hợp chất này đã được bán ra thị trường, chẳng hạn như máy tính và đồng hồ kỹ thuật số. Thậm chí đến ngày nay, nếu bạn sở hữu một chiếc đồng hồ với màn hình xám và đen, bạn đã có một số 5CB trên cổ tay bạn.

Màn hình màu xuất hiện sau một thời gian ngắn. Chúng hoạt động trên nguyên tắc giống nhau, ngoại trừ mỗi pixel được tạo từ ba sub-pixel nhỏ, với các bộ lọc màu đỏ, xanh lá cây và xanh dương được thêm vào các lớp, mỗi cái có thể được điều khiển độc lập để tạo ra hàng triệu màu sắc chúng ta mong đợi trên màn hình độ phân giải cao hiện đại.

Bài viết này của Mark Lorch, Giáo sư Truyền thông Khoa học và Hóa học, Đại học Hull, được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.