Andre_Popov/shutterstock
In een laboratorium van de Universiteit van Hull werd 50 jaar geleden een nieuwe chemische verbinding gecreëerd die evenveel impact op de wereld zou hebben als om het even welk geneesmiddel, brandstof of materiaal. De man die verantwoordelijk was voor deze maatschappijveranderende uitvinding was George Gray – zijn nieuwe vloeibaar-kristalmoleculen (nu bekend als 5CB) maakten vloeibaar-kristalschermen (LCD’s) levensvatbaar en vormden het startschot voor de miljarden-dollar-industrie van platte beeldschermen.
Professor George Gray.
Hull Geschiedenis Centrum, Auteur voorzien
Het verhaal begint in 1967 toen John Stonehouse, een Labour parlementslid en minister van technologie onder premier Harold Wilson, een groep oprichtte om een technologie te ontwikkelen die nog maar net zijn debuut had gemaakt in Star Trek – een plat beeldscherm in kleur.
Helaas voor Stonehouse is zijn verbazingwekkende vooruitziende blik sindsdien overschaduwd door zijn poging (in 1974) om zijn eigen dood in scène te zetten om zijn straf voor meerdere aanklachten van fraude en valsheid in geschrifte te ontlopen.
Maar laten we, voordat we teruggaan naar de kleurrijke figuren in kwestie, eens kijken naar de wetenschap van LCD’s.
Pixels en licht
Vloeibare kristallen zijn een toestand van materie die het midden houdt tussen vloeistoffen en vaste stoffen. Zij vloeien als een vloeistof, terwijl de moleculen erin een zekere orde ten opzichte van elkaar behouden, zoals in een kristal. De lange en dunne moleculen liggen tegen elkaar aan in een geordende rechthoekige opstelling van rijen.
Van cruciaal belang is dat deze vloeibare kristalstructuren op interessante manieren met licht kunnen interageren, en dit is de sleutel tot de manier waarop zij in platte beeldschermen werken. Elke pixel in een LCD bestaat uit een lichtbron, gewoonlijk een lichtemitterende diode (LED), en een dunne laag vloeibare kristallen ingeklemd tussen twee filters die wetenschappers polariseren noemen.
Het licht dat afkomstig is van een gloeilamp, een LED of de zon staat bekend als ongepolariseerd, in die zin dat het bestaat uit golven die in verschillende richtingen naar buiten bewegen. Stel je, naar analogie, een groep schoolkinderen voor die allemaal met een springtouw zwaaien. Sommigen zwaaien hun touw op en neer, anderen op en neer, en weer anderen in een hoek ertussenin.
Polariserende filters brengen orde aan in de uitgestraalde lichtgolven door alleen golven met een bepaalde oriëntatie door te laten. Ze zitten niet alleen in LCD’s, maar bijvoorbeeld ook in sommige zonnebrillen. Als we terugkeren naar onze touw-analogie, stellen we ons voor dat de touwen door een poort met lamellen worden geleid. De parallelle lamellen van het hek laten alleen de golven toe die naar boven en naar beneden bewegen, terwijl de golven van alle kinderen die met hun touw in andere richtingen schudden, worden beperkt – dat is wat polarisatie doet met licht.
Hoe polariserende filters werken.
Natuurkunde Stack Exchange, Auteur voorzien
Stel je nu voor dat je twee polarisatiefilters hebt. Je legt de ene op de andere en houdt ze tegen het licht. Zoals verwacht, snijden ze een deel van het licht af dat je oog bereikt. Terwijl je de ene voor de andere houdt, draai je een filter 90 graden. Het blijkt dat er iets vreemds gebeurt – ze snijden nu al het licht weg en samen lijken de filters ondoorzichtig. In deze stand snijdt het eerste filter het “zijwaarts” gepolariseerde licht weg, terwijl het tweede filter het “opwaarts en neerwaarts” licht wegsnijdt.
In het hart van LCD’s zitten twee polariserende filters in deze oriëntatie.
Polariserende filters die 90 graden ten opzichte van elkaar zijn gedraaid, zijn ondoorzichtig.
En nu het vloeibaar kristal
Het dunne laagje vloeibare kristallen tussen deze polariserende filters doet iets heel slims. De moleculen stapelen zich op in de vorm van een helix die de polarisatie van het licht verdraait, zodat het door het tweede filter kan glippen.
Er is nog één ding nodig om van deze sandwich van polariserende filters en vloeibare kristallen een pixel in een beeldscherm te maken. Je moet de lichtverdraaiing van het vloeibare kristal aan en uit kunnen zetten. Op die manier kun je bepalen of een pixel helder of donker is.
En hier keren we terug naar Stonehouse – omdat hij in 1967 de bal aan het rollen bracht om dat probleem op te lossen. In zijn functie bij het Ministerie van Technologie, kwam Stonehouse er al snel achter dat het Verenigd Koninkrijk de Amerikanen meer betaalde voor de rechten om hun kleuren kathodestraalbuis technologie (in die grote logge televisies en monitoren) te gebruiken in beeldschermen die door het leger werden gebruikt, dan het uitgaf aan de ontwikkeling van het supersonische vliegtuig, de Concorde.
Dit overtuigde hem ervan dat het Verenigd Koninkrijk een plat kleurenbeeldscherm moest ontwikkelen. Een werkgroep van de regering, geleid door de natuurkundige professor Cyril Hilsum, kwam bijeen met deskundigen op hun respectieve gebieden om te beslissen welke technologieën zouden worden gefinancierd. Toen de vergadering over vloeibare kristallen ging, werd de deskundige gevraagd waarom het licht op zijn flesje met vloeibare kristallen weerkaatste en zo’n merkwaardig patroon op de muur wierp. Hij kon geen antwoord geven, maar een jonge George Gray, docent scheikunde aan de universiteit van Hull, wel. En dat moment van genialiteit leverde hem de opdracht op.
Binnen een jaar had Gray’s onderzoeksteam een vloeibaar kristal ontwikkeld dat stabiel was, gemakkelijk te vervaardigen en, het belangrijkste, een positieve lading had aan één uiteinde. De lading betekende dat een elektrisch veld kon worden toegepast op een pixel, trekkend aan de geladen molecule om de structuur van de vloeibare kristallen te breken en de pixel donker te maken. Door de stroom weg te nemen, kon de stapel zich herstellen en de pixel weer wit worden.
De molecule is bekend als 4-Cyano-4′-pentylbifenyl, of kortweg 5CB. En tegen 1974 waren de eerste apparaten met deze verbinding te koop, zoals rekenmachines en digitale horloges. Zelfs tot op de dag van vandaag, als je een horloge met een grijs en zwart display bezit, heb je wat 5CB om je pols.
5CB.
Auteur voorzien
Kleurenschermen kwamen iets later. Zij werken volgens precies hetzelfde principe, behalve dat elke pixel is opgebouwd uit drie piepkleine subpixels, waaraan rode, groene en blauwe filters zijn toegevoegd, die elk afzonderlijk kunnen worden geregeld om de miljoenen kleurschakeringen te genereren die wij op onze moderne hogeresolutieschermen verwachten.
De eerste platte kleurentelevisies kwamen in 1988 op de markt toen de Sharp Corporation haar 14-inch LCD TV lanceerde. Helaas heeft Stonehouse zijn visie niet kunnen verwezenlijken, omdat hij eerder dat jaar was overleden.
Mark Lorch werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in, en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft buiten zijn academische aanstelling geen relevante affiliaties bekend gemaakt.
