LCD 画面はどのようにして画像を生成するのでしょうか?液晶とはいったい何でしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 王志豪

プロデューサー: 中国科学博覧会

かさばる大型モニターやプラズマテレビから、現在人気のレーザーテレビまで、ディスプレイファミリーには数多くのメンバーが存在します。これらのディスプレイ技術の多くは、時代の発展とともに徐々に置き換えられてきましたが、1980年代に誕生して以来「輝き」続けているものが1つあります。それが液晶ディスプレイ（LCD）です。

CRTモニターは1990年代に人気がありました。ずんぐりしてて、お尻も大きかった。印象深い方も多いかと思いますが、今ではより軽量な液晶モニターに取って代わられています。

(画像出典: Wikipedia)

LCD モニターは CRT モニターに取って代わって以来、広く使用されるようになりました。

(画像出典: Wikipedia)

プラズマテレビとほぼ同時期に登場しましたが、はるかによく知られ、広く使用されています。では、手頃な価格の LCD モニターはどのような技術を採用しており、どのような機能を備えているのでしょうか?

液晶の特殊な構造は固体と液体の特性を兼ね備えている

液晶ディスプレイは私たちの生活の中で非常に一般的です。ほとんどすべてのテレビ、コンピューター、およびさまざまな小型家電製品の表示画面には液晶ディスプレイが使用されています。液晶ディスプレイを理解するには、まず「液晶」という素材が何であるかを理解する必要があります。
実際、その特徴はその名前からもわかります。「liquid」は液体を意味し、「crystal」は結晶、つまり固体物質を意味し、液晶は固体と液体の両方の性質を備えていることを意味します。

水には固体（氷）、液体（水）、気体（蒸気）の 3 つの状態があることは誰もが知っていますが、ほとんどの物質もこの 3 つの状態を持っています。液体物質は分子分布の点では等方性であり、分子の一定のランダムな運動の結果として、その物理的特性はすべての方向で一貫しています。固体は結晶であり、分子分布の点で異方性があり、方向によって配列が異なります。これにより、結晶の物理的特性（屈折率、偏光特性、熱伝導率、異なる方向の光の電気伝導率など）も異なることがよくあります。

結晶（左）、液晶（中央）、液体（右）の内部分子構造

(画像出典: Rajak P、Nath LK、Bhuyan B. 液晶: 薬物送達におけるアプローチ [J]. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences、2019、81(1): 11-21.)

昔、固体と液体は明確に区別されていると考えられていましたが、1888年に植物学者フリードリヒ・ライニツァーが植物かららせん状安息香酸と呼ばれる化合物を抽出し、この認識を打ち破りました。異なる温度で 2 つの融点があります。溶融状態または溶媒に溶解した後は、固体の剛性を失い、結晶と液体の両方の性質を持つ中間状態を形成します。このタイプの物質のユニークな状態のため、人々はそれを「液晶」と名付けました。
液晶は、異方性配列順序に応じて、ネマチック相、スメクチック相、コレステリック相の 3 つのタイプに分類できます。

ネマティック液晶の分子は長い帯状になっており、外力の作用によって流れます。したがって、ネマティック液晶分子の長軸方向は、一般的に流れの方向に沿っており、つまり、ほぼ同じ方向を向いており、互いに通過することができます。

スメクチック相では、液晶分子は層状になっています。層内の分子の長軸は互いに平行であり、層の表面に対して垂直です。しかし、分子の位置には明確なパターンはなく、この配置は方向は整然としているが位置は無秩序であると呼ばれます。スメクティック液晶分子は自身の層内でのみ移動できますが、層は互いに対してスライドできます。

コレステリック相の液晶分子も層状になっており、各層も方向性があり秩序立っています。しかし、全体として見ると、層は螺旋状に積み重ねられており、各層は上下の層に対してわずかな角度で回転しています。

液晶配列の種類：ネマティック、スメクティック、コレステリック

(画像出典: 鄭桂里。ネマティック液晶のフレキソエレクトリック効果とフレキソエレクトリック係数の研究 [D]。中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所、2017 年。)

構造が特性を決定する：液晶のさまざまな効果

液晶分子の見事な規則的な配列により、ねじれネマティック効果 (TN) などのさまざまな特性も得られます。

ネマティック液晶材料はサンドイッチのように 2 枚のガラス基板の間に挟まれています。ガラス表面には配向膜と呼ばれる非常に細かい平行の溝があります。上ガラスに近い液晶は上配向膜の溝の方向に配列され、下ガラスに近い液晶は下配向膜の溝の方向に配列される。 2 つの溝が十字形の場合、上部ガラスと下部ガラスの間の液晶が均等に層状になり、ねじれます。上面から見ると、上層の液晶分子は水平に配列され、下層の液晶分子は垂直に配列されます。全体はさまざまなレベルに沿って螺旋のように均一にねじれています。このような分子配列は光の偏光方向に影響を与える可能性があります。

ねじれネマチック効果の模式図

(画像出典: Wikipedia)

では、分極化とは何でしょうか?光は電磁波であり、実際には横波と縦波と呼ばれる 2 種類の波があることがわかっています。ロープの一方の端を固定し、ロープのもう一方の端を手でしっかりと引っ張り、上下に振動させます。あなたが見ているロープの動きは横波です。横波の特徴は、粒子の振動方向と波の伝播方向が互いに垂直であることです。電磁波は典型的な横波です。縦波の粒子の振動方向は伝播方向と平行であり、地震波は縦波です。

横波の模式図。私たちが普段目にする水の波は横波です。波は上昇と下降を繰り返しますが、波の伝播方向は上昇と下降の方向に対して垂直です。

(画像出典: Wikipedia)

密度波または疎密波とも呼ばれる縦波の模式図。その伝播方向は振動方向と一致します。物質は疎-密-疎-密の変化によって波を伝播します。

(画像出典: Wikipedia)

光波は、互いに直交する電場（Z方向）と磁場（X方向）から構成される横波の一種であり、光の振動方向は常に光の伝播方向（Y方向）に垂直なXZ平面内にあります。

光波伝播の模式図。E は電場、B は磁場です。

(画像出典: Wikipedia)

異なる方向のこれら 2 つの振動ベクトルは互いに重ね合わされます。 xz 平面から見ると、粒子が規則的なパターンで動いているように見えます。振動の振幅と位相に応じて、その動きは円状、楕円状、または直線状になり、それぞれ円偏光、楕円偏光、直線偏光と呼ばれます。

円偏波の概略図。赤と青は2つの異なる方向の振動を表し、黒は実際の粒子の運動状態を表します。

(画像出典: Wikipedia)

スリットを入れると、光波には振動方向があるため、スリットによって制限されます。スリットの方向が振動の方向と一致していれば、波はスムーズにスリットを通過できます。スリットの方向が振動の方向に対して垂直である場合、波はブロックされ、伝播し続けることができません。スリット方向と振動方向の間に角度がある場合、波はスリットを通過できますが、光の強度は弱まります。この振動方向と伝播方向の非対称性を光波の偏光と呼び、前述のスリットが偏光子の原理となります。

偏光の模式図。右側は円偏波です。中央のスリットを通過すると、振動の方向はスリットと一致するようになります。

(画像出典: Wikipedia)

ねじれネマチック効果は、偏光のこの特性を利用して、ねじれた液晶分子を通過する入射光の偏光角度を変更します。では、この効果を液晶ディスプレイに適用して画像を作成するにはどうすればよいでしょうか?

液晶ディスプレイにはもともと偏光板が2枚あります。これら 2 つのフィルムは、固定角度の偏光のみを通過させます。これら 2 つのフィルムを互いに 90° で配置すると、光は通過できなくなります。しかし、ねじれた液晶層の存在により、上部の偏光板からの光は液晶分子のねじれた配列を通過して透過し、90°回転するため、光は下部の偏光板をそのまま通過でき、完全な伝播経路を形成します。

液晶層に徐々に電圧をかけると、電圧の変化に応じて液晶分子が徐々に垂直に立ち上がり、通過する光が徐々に弱まります。電圧が最大になると、液晶分子が垂直になり、すべての光が下部の偏光板を通過できなくなります。

TNディスプレイ技術の概略図

(画像出典: Fang Zeguo。IPS(In-Plane Switching)薄膜トランジスタ(TFT)液晶材料の研究[D]。北京化学技術大学、2015年。)

液晶層がどのように光を透過するかがわかったので、次はその画像化プロセスを見てみましょう。液晶層は実際には小さなセルの構造で構成されており、そのうちの 1 つまたは複数のセルが画面上のピクセルを構成します。回路を通じてさまざまなピクセルの光の強度を制御することで、モノクロ画像が形成されます。

カラー LCD はモノクロディスプレイと同じ原理で動作しますが、各ピクセルが 3 つの液晶セルで構成され、各セルの前に赤、緑、青のフィルターが付いている点が異なります。光はフィルターによって処理され、空間的な色混合を使用して豊かな色が組み合わされます。

TN液晶ディスプレイの微細構造、各ピクセルは赤、青、緑のセルから構成されています

(画像出典: Wikipedia)

ねじれネマティック効果 (TN) に基づくこの LCD 画面は現在 TN 画面と呼ばれており、LCD のベテラン技術でもあります。応答時間が短いのが利点ですが、欠点もあります。 TN 画面はコントラストが低く、色再現性が悪く、視野角が狭いです。ユーザーは画面に正面から向き合った場合にのみ、最高の視聴効果を得ることができます。 TN スクリーンは十分なユーザーエクスペリエンスを提供できないため、現在は主流市場から徐々に撤退する傾向にあります。

人々はさまざまな液晶配列に基づいて TN スクリーンを最適化し、VA スクリーン (Vertical Alignment) と IPS スクリーン (In-Plane Switching) を発明しました。

VA スクリーンは、液晶をらせん状にするためにねじれネマティック効果を使用するのではなく、すべての液晶分子を垂直方向に配置します。

まず、液晶分子を上下の基板に対して垂直に配置し、液晶ボックスの両側に互いに直交する偏光板を取り付けます。電圧が印加されていない場合、下部偏光板を通過する直線偏光の伝播方向は液晶分子の長軸方向と平行であり、偏光状態は変化せず、上部偏光板を通過できず、パネルは暗状態になります。電圧をかけると、液晶分子は電界の作用で回転し、最終的には液晶分子の長軸方向が電界の方向に対して垂直に配列されます。下部偏光板を通過する直線偏光は液晶層で位相遅延を生じ、直線偏光の偏光方向が液晶層内で 90° 回転するまで光の偏光状態が変化します。このとき、偏光方向は上部偏光板の透過軸方向と平行となり、パネルは明るい状態となる。

VA スクリーンの液晶分子は垂直に配列されているため、外部の影響を受けるとスクリーンは大きな影響を受け、水の波紋のような模様を形成するため、ソフトスクリーンとも呼ばれます。 VA 画面は TN 画面よりも視野角が広いですが、回転角度が大きいため、応答時間が長くなり、残像がひどくなります。

IPS ディスプレイ技術の原理を下図に示します。電極は下部基板の片側に分布しており、液晶分子は基板と平行に配列され、電極方向と一定の角度を形成し、相互に直交する偏光板が液晶ボックスの両側に取り付けられています。下基板偏光子の光透過方向は液晶分子の配列方向と平行である。電圧が印加されていない場合、下部偏光板を通過する直線偏光は液晶分子の長軸方向と平行であり、偏光状態は変化せず、上部偏光板を通過できないため、パネルは暗状態になります。電圧が加えられると、液晶分子は電界の作用により平面内で回転します。液晶分子の長軸方向は、下部偏光板を通過する直線偏光の偏光方向と直交する。液晶層に複屈折が生じ、光の偏光状態が変化し、直線偏光の偏光方向が液晶層内で90°回転します。このとき、偏光方向は上部偏光板の光透過方向と平行となり、パネルは明るい状態になります。

IPSイメージング原理図

(画像出典: Li Zhifu。TFT-LCD 広視野角技術の研究 [D]。復旦大学、2011 年。)

VA スクリーンと比較すると、IPS スクリーンの液晶分子の配列順序は水平であるため、画像形成に影響を与えずに大きな圧力に耐えることができるため、IPS はハードスクリーンとも呼ばれます。

IPSとVAが圧力を受けたときの液晶分子の状態

(画像出典: Li Zhifu。TFT-LCD 広視野角技術の研究 [D]。復旦大学、2011 年。)

IPS 技術では、暗い状態から明るい状態に変化するとき、液晶分子が基板と平行な平面上で回転するため、LCD パネルのどの角度から観察しても表示効果はほぼ同じになります。したがって、IPS スクリーンは TN スクリーンの視野角が限られているという問題を解決し、より広い視野角を提供します。

自ら光を発することができない - LCDディスプレイの光源

次のような問題に気付いたかもしれません。LCD の光源はどこから来るのでしょうか?
そうです、LCD は自発光ディスプレイではありません。光を発したい場合は、外部の光源に頼る必要があります。

LCD モニターには主に 2 つの光源があります。 1つは教室の照明に使われるような長い蛍光灯で、主にモニターの両側や下部に照射されます。もうひとつは、現在広く使われている発光ダイオード（LED）光源です。市場でよく見られる LED 液晶ディスプレイはこれに由来します。 LED は非常に小さいため、光源として LED を使用するとディスプレイを薄くすることができます。

LEDスクリーン構造（下から上へ：LEDバックライト層、散乱フィルム、偏光板、ITO基板、液晶層、RGBフィルター、偏光板、ガラス層）

(画像出典: Wikipedia)

結論

実際、LED ライトをベースにした LCD ディスプレイは万能ではなく、色彩性能もそれほど良くありません。しかし、比較的安価であること、変調電圧が低いことなどの利点から、1980年代に誕生して以来、私たちの生活の中で活躍し続けています。この観点から見ると、LCD モニターはモニターファミリーの中では常緑樹と言えます。

編集者：郭雅新

参考文献:

[1] イアム・チュン・ク液晶。ニューヨーク：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、1995年

[2] S.ブルジョーニ、R.メウチ。低出力 CO2 レーザーによって誘起されるネマティック液晶フィルムの自己位相変調。オプトコミュ2002,206,445

[3] https://www.zhihu.com/question/22465979

[4] https://baike.baidu.com/item/LCD/361823

[5] https://baike.baidu.com/item/OLED?fromModule=lemma_search-box

[6]https://baike.baidu.com/item/%E6%B6%B2%E6%99%B6/189429?fromModule=lemma-qiyi_sense-lemma

[7] https://www.sony.com.cn/

[8] https://www.samsung.com/cn/

[9] https://www.eizo.com.cn/

[10] 鄭桂里ネマチック液晶のフレキソエレクトリック効果とフレキソエレクトリック係数に関する研究[D]。中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所、2017年。